Anisotropa egenskaper hos grafennanokompositer för högspänningsisolering
Syfte och mål
Dagens stora efterfrågan på och utveckling av kraftelektronikbaserade lösningar för energiöverföring från förnyelsebara energikällor, medför att användandet av likspänd högspänningstransmission (HVDC) succesivt ökar. Detta innebär att dess högspänningsisolation ofta utsätts för omkopplingsöverspänningar, vilka avsevärt kan förkorta livslängden.
En lösning på detta problem är isolationsmaterial med lämpligt utformade fältstyrningsegenskaper. Ett sådant material är grafen, vars anisotropa egenskaper vilka i kombination med låg vikt samt hög mekanisk hållfasthet är lämpliga i framtida isolationssystem. Särskilt kritiska är högspänningsgenomföring i transformatorer. Dessa utsätts för alla typer av påkänningar inkluderande såväl likström som snabba transienter. Detta innebär att materialvalet är viktigt.
Att utnyttja grafens anisotropa egenskaper för att styra de elektriska fältnivåerna möjliggör nya konstruktioner med väsentligt förbättrad prestanda. För att uppnå detta måste materialets egenskaper utvärderas och kontrolleras. Detta kan göras genom utvärdering av materialets morfologi och elektrisk karakterisering.
Projektet (en genomförbarhetsstudie) ska utföras i samarbete mellan industrin (ABB) och högskola (Chalmers). ABB är en av världens största tillverkare av högspänningsgenomföring och har ett intresse av att förbättra sina produkter. Chalmers har det kunnande och den utrustning som krävs för att uppnå nödvändig kompetens i testmetodik, beräkningar och mätning av materialegenskaper hos grafenkompositer. Dessutom kommer det svenska samhället i stort kunna dra nytta av en mer tillförlitlig elenergiförsörjning från förnybara energikällor, samt från en ökad kompetens i ny materialutveckling och karaktäriseringsmetodik.
Resultat
Syftet med projektet var att förstå de anisotropa klassificeringsegenskaperna för elektriska fält för grafen-polymerkompositmaterial. Följande mål uppnåddes i projektet:
1. Utvecklade en elektrisk mätmetod för att studera de anisotropa elektriska fältklassificeringsegenskaperna för polymera material;
2. Testade och jämförde de anisotropa egenskaperna hos två typer av grafenpolymerkompositer mot två kommersiellt använda material;
3. Analyserade och förstod mätresultaten och materialegenskaperna genom beräkningar av finita elementmetoden (FEM).
Resultaten av detta projekt hjälpte till att förstå de anisotropa såväl som de icke-linjära elektriska egenskaperna hos de två olika grafenpolymerkompositerna. Dessutom utvecklades elektriska testmetoder, instrumentering samt elektrodsystem för materialens anisotropa egenskaper. Dessa materialparametrar och testmetoder är grunden i utformningen av moderna högspänningstillämpningar. Design, prototypning och testning av nya typer av HVDC-komponenter med grafenkompositer som fältklassificeringsmaterial förutses.
Projektets viktigaste insikt är att utveckla de bästa lämpliga elektriska mätsystemen som ska användas för anisotropa liksom icke-linjära elektriska egenskaper för karaktärisering av grafenkompositer.
Utöver den elektriska karaktäriseringen av grafenkompositer studerades även morfologin hos materialproverna med svepelektronmikroskopi (SEM). SEM-resultaten visar tydligt fördelningen och orienteringen av grafenflagorna i polymermatris.
Användning av grafenkompositer som fältklassificeringsmaterial vid prototypning av nya typer av högspänningseffektapparater kan uppnås om intensiv konstruktion, optimering och verifiering av material med hjälp av både datorsimuleringar och experimentella tester utförs.
Det svåra har varit att balansera mellan det elektriska instrumentets mätkänslighet och mätområdet, detta hanteras av två system som är utformade för antingen hög känslighet eller stort mätområde. Ett annat förutsägbart problem i detta arbete är den konsekventa grafenförsörjningen av hög kvalitet för precisionstillverkning av elektriska fältklassificeringsmaterial, eftersom varje svag plats i materialet kommer att upptäckas av det elektriska fältet.
En resurs som vi för närvarande saknar är en effektiv och effektiv grafenkarakteriseringsmetod som billigt och snabbt kan bestämma både koncentration och storlek på grafenflagorna i realtid under inblandning i polymerer.
Abstract in English Anisotropic properties of graphene nanocomposites for high voltage insulation
Today's great demand for and development of power electronics-based solutions for energy transfer from renewable energy sources, means that the use of high-voltage DC transmission (HVDC) is gradually increasing. This means that its high voltage insulation is often subjected to switching overvoltages, which can significantly shorten the life span.
One solution to this problem is insulation material with suitably designed field control properties. Such a material is graphene, whose anisotropic properties which in combination with low weight and high mechanical strength are suitable in future insulation systems. Particularly critical is high voltage throughput in transformers. These are subjected to all types of stress including both DC and fast transients. This means that the choice of material is important.
Utilizing the graphene's anisotropic properties to control the electric field levels enables new designs with significantly improved performance. To achieve this, the properties of the material must be evaluated and controlled. This can be done by evaluating the material's morphology and electrical characterization.
The project (a feasibility study) will be carried out in collaboration between the industry (ABB) and the university (Chalmers). ABB is one of the world's largest manufacturers of high-voltage transmission and has an interest in improving their products. Chalmers has the knowledge and equipment required to achieve the necessary competence in test methodology, calculations and measurement of material properties of graphene composites. In addition, Swedish society will largely benefit from a more reliable supply of electricity from renewable energy sources, and from increased competence in new material development and characterization methodology.
Results
The aim of this project was to understand the anisotropic electric field grading properties of graphene-polymer composite materials. Following goals were achieved in the project:
1. Developed an electrical measurement method to study the anisotropic electric field grading properties of polymeric materials;
2. Tested and Benchmarked the anisotropic properties of two types of graphene-polymer composites against two commercially utilized materials;
3. Analyzed and understood the measurement results and material properties via finite-element calculations.
Results of this project helped in understanding the anisotropic as well as the non-linear electric properties of the two different graphene-polymer composites. In addition, electrical testing methods, instrumentation, as well as electrode system for materials’ anisotropic property characterization, were developed. These material parameters and testing methods are the basis in design of modern high voltage power apparatuses. Design, prototyping and testing of new types of HVDC components with graphene composites as field grading materials are foreseen.
The most important insight of the project is to develop the best suitable electrical measurement systems that to be used for anisotropic as well as non-linear electric properties characterization of graphene composites.
In additional to the electrical characterization of graphene composites, the morphology of the material samples was also studied by means of scanning electron microscope. The SEM results clearly shows the distribution and orientation of graphene flakes in polymer matrix.
Utilizing graphene composites as field grading materials in prototyping of new types of high voltage power apparatuses can be achieved if intensive design, optimization and verification of materials by means of both computer simulations and experimental tests are performed.
The difficult been to balance between the electrical instrument measurement sensitivity and measurement range, this is handled by two systems that are designed for either high sensitivity or large measurement range. Another foreseeable difficult, in this line of work, is the consistent high-quality graphene supply for precision manufacturing electric field grading materials, as any weak spot in the material will be discovered by electric field.
One resource that we are currently lacking is an effective and efficient graphene characterization method that can cheaply and quickly determine both concentration and size of graphene flake in real-time while mixing into polymers.
