摘要: 在特高压直流输电换流阀厅中，薄膜电容器承担阻尼缓冲、电压支撑等重要角色，其安全可靠性极大取决于介质绝缘性能。在运行工况下，电容器承受电热场共同作用，导致绝缘击穿甚至整机失效。随着电压等级提升与设备小型化发展趋势，对电容器的介电性能... 展开 在特高压直流输电换流阀厅中，薄膜电容器承担阻尼缓冲、电压支撑等重要角色，其安全可靠性极大取决于介质绝缘性能。在运行工况下，电容器承受电热场共同作用，导致绝缘击穿甚至整机失效。随着电压等级提升与设备小型化发展趋势，对电容器的介电性能提出了更加严苛的要求。因此，本文基于纳米掺杂、晶貌调控和分子重构三种思路，研究微观结构与宏观介电性能之间的构效关系，实现薄膜材料性能综合调控，以期为直流电容器优化设计提供实验和理论支撑。 （1）采用有机-无机杂化纳米粒子微量掺杂方法，通过羧化纤维素纳米晶体（C-CNCs）的超微针状结构促进异相成核作用。结合薄膜结晶形貌和介电性能，建立了陷阱分布、电荷输运与绝缘击穿相互作用的物理模型。证实纳米多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）对聚丙烯结晶结构的调节能力较弱，通过纳米本身的载流子捕获能力而增强薄膜击穿强度，作用机理与C-CNCs不同。 （2）采用有机添加剂微量掺杂的聚丙烯晶貌调控方法，进一步优化薄膜聚集态结构。研究成核剂含量、冷却工艺对聚丙烯微观参量的影响规律，通过表面电位衰减法提取陷阱参数，基于附生结晶理论揭示了薄膜微-宏观性能提升的内在机理。在减小球晶尺寸的基础上，通过有机结晶促进剂将球晶优化为纺锤形。25℃下，改性薄膜介质损耗降低至0.05%以内，直流击穿强度提升~16.99%。 （3）采用分子构型与晶貌结构综合设计方法，制备不同配比的线性/长链支化聚丙烯复合薄膜。在分子尺度上，基于量子化学计算证实了长链支化结构具有载流子捕获及陷阱调控效果。在聚集态尺度上，基于多物理场仿真证实了尺寸合适且均匀分布的晶体结构有助于抑制聚丙烯内部局域强场，从而提升改性薄膜材料的直流击穿强度。 （4）根据特高压换流阀厅运行工况开展电、热多应力绝缘性能测试，得到热老化处理、环境温度、直流叠加谐波或脉冲电压对聚丙烯薄膜击穿强度的影响规律，揭示不同应力作用下聚丙烯薄膜绝缘失效机理。结果表明，基于有机添加剂微量填充的复合薄膜击穿性能提升最为显著，是提高聚丙烯绝缘性能的有效手段。 综上，本文基于聚丙烯微观结构优化设计，实现薄膜介质损耗、击穿强度及电荷输运过程的协同调控，有望应用于高压直流电容器绝缘性能提升。 收起