CN101866706B - 交联聚乙烯电力电缆纳米修复液及其修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交联聚乙烯电力电缆纳米修复液及其修复方法，其特点是由无机纳米粒子和有机溶剂组成纳米分散液，在硅氧烷修复液的基础上，通过无机纳米粒子对电缆内部的气隙或微孔进行填充，形成一层无机纳米保护膜，对聚乙烯绝缘层进行保护。它与传统的硅氧烷修复技术相比，延长电力电缆的剩余寿命达5～10倍。它具有技术先进、安全稳定的优点，而且修复时间短，修复效果显著。

Description

交联聚乙烯电力电缆纳米修复液及其修复方法

技术领域

本发明涉及一种交联聚乙烯电力电缆纳米修复液及其修复方法，属于电缆修复领域。可用于长时间运行绝缘老化后交联聚乙烯电力电缆的修复工程中。

背景技术

随着我国在90年代初的大规模城网改造，大量10kV架空线改为入地电缆，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆因其可靠的电气及机械性能，在我国城市电网中得到了广泛的应用。但是，由于早期电缆的防水性不佳，而且在制造、施工和运行过程中不可避免的产生一些微观缺陷，水分会在电场的作用下聚集在微观缺陷处，形成多分叉水树区，最终将诱发电树，导致电缆绝缘本体的击穿。很多城市的XLPE电力电缆经历十几年的运行，其主绝缘受水树老化的程度已相当严重。普通的XLPE电力电缆在运行15年后，剩余击穿电压下降可达50％左右，进入故障高发期(S.Boggs，J.Xu.Water Treeing-Filled versus Unfilled CableInsulation.IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，17(1)：23-29)。针对大量的早期埋入的地下XLPE电力电缆，全部更换这些老化电缆所产生的工程量和巨额费用令供电企业难以承受，并且繁华路段破路施工也十分棘手。因此，如能对目前大量的水树老化的运行电缆进行修复，从而延长其运行寿命，将具有十分重要的现实意义。

美国Utilx公司及欧洲Novinium公司的电缆修复液注入技术已有20年的使用经验，对欧美电力公司而言，对于电缆因受潮和老化导致的故障，电缆修复成为首要的选择。根据国外的使用数据，最好的修复技术能延长电缆寿命最高达40年。经过了20年左右的发展，电缆修复技术已历经了两代技术。最早的841技术属第一代技术，主要是通过硅氧烷、催化剂和XLPE电力电缆里面的微水进行水解和缩合反应，该反应消耗了水分，并且反应后残留的硅树脂填充物可将微空隙填充，从而延长电缆寿命。该技术经历了10年左右的时间，实践证明，该技术能有效延长老化电缆寿命10～15年时间(Glen J.Bertini and GaryA.Vincent.Cable Rejuvenation Mechanisms.ICC Subcommittee A，March 14，2006.)。但是该技术仍有以下不足：一是其对绝缘的短期性能提升效果明显，但中长期效果不佳；二是修复液各种成分在电缆内的扩散系数不一致，与硅氧烷相比，催化剂的扩散系数低，导致水解反应效果不佳；三是其闪点低，大约在0℃左右，因此存有安全隐患；四是反应时间过长，有时需浸泡几天到一周。

针对以上问题，Novinium公司提出了另一项新的修复技术即732技术，该技术更注重电缆的中长期修复效果，而且在修复液成分中考虑了局部放电抑制、电场均匀和紫外光屏蔽等问题，其反应时间也大为缩短(Glen J.Bertini.New Developments in Solid Dielectric LifeExtension Technology.IEEE ISEI，Sept.2004.)。但迄今为止，该技术仅限于商业性研究，其具体成分和修复方法并没公开，更没有详细的机理和理论研究，如对修复机理，修复液的扩散过程、反应机理等核心技术都没有明确的报导，理论研究更为缺乏。

电缆修复技术在我国尚处于起步阶段。国内研究同样表明，该技术对水树老化电缆的修复效果良好，但研究成果主要还是以第一代修复技术为主(朱晓辉，郭象吉，一种延长XLPE中压电缆运行寿命的新方法-电缆修复液注入技术，《天津电力技术》，2003，1：25-26，39)。

对于纳米复合绝缘所表现出来的独特的介电性能，国内外作了大量的研究工作，认为无机纳米颗粒能改善绝缘介电性能有以下原因：纳米颗粒具有电子和紫外线屏蔽效应，提高了传热能力，具有均匀电场、空间电荷抑制作用等；同时，无机-有机相界面在纳米复合材料中起到了关键作用，认为界面区为准电导区，电荷不容易累积(雷清泉，范勇，王暄，纳米高聚物复合材料的结构特性、应用和发展趋势及其思考，《电工技术学报》，2006，21(2)：1-7，12)。因此，国内外研究者都认为在有机绝缘材料中添加无机纳米颗粒能有效改善有机绝缘的介电性能，但主要还是针对有机绝缘材料进行改性的研究，并没有涉及对于电缆修复液的纳米添加技术及添加后对提高老化电缆的介电性能及机理的研究。检索国内外文献库，以往的电缆修复技术主要以硅氧烷修复液为主，还未见有在修复液里添加无机纳米颗粒的专利文献和非专利文献报道，对于纳米修复液延长水树老化电缆寿命的方法、效果国内外尚属空白。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种交联聚乙烯电力电缆纳米修复液及其修复方法，其特点是由无机纳米粒子和有机溶剂组成纳米分散液，在硅氧烷修复的基础上，再通过无机纳米粒子的填充进一步延长电力电缆的剩余寿命达5～100倍。它具有技术先进、安全稳定的优点，而且修复时间缩短，修复效果明显提高。

本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料分数除特殊说明外，均为重量份数。交联聚乙烯电力电缆纳米修复液由以下组分组成：

表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛  平均粒径：25～45nm  10～15份

纳米氧化物  平均粒径：10～60nm                          1.5～6份

溶剂                                                    40～80份

硅氧烷修复液                                            200～300份

催化剂                                                  1～10份

纳米氧化物为：

纳米三氧化二铝  平均粒径20～40nm                        0.5～2份

纳米二氧化硅  平均粒径10～30nm                          0.5～2份

纳米氧化锌  平均粒径40～60nm                            0.5～2份

其中，表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛优选为11～14份，纳米三氧化二铝优选为0.8～1.5份，纳米二氧化硅优选为0.8～1.5份，纳米氧化锌优选为0.8～1.5份，溶剂优选为50～70份，硅氧烷修复液优选为230～270份，催化剂优选为3～8份。

溶剂为木糖醇、山梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水杨醇中的至少一种。

催化剂为异丙酯或钛酸酯。

交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的制备方法如下：

1.纳米粒子分散液的制备

将表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛10～15份、纳米三氧化二铝0.5～2份、纳米二氧化硅0.5～2份、纳米氧化锌0.5～2份和溶剂40～80份加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的容器中，通过超声波分散机和砂磨分散机联合进行预分散，以获得纳米粒子分散液，其中，超声功率为200～500W，频率为20～24kHz，时间为30～60min。

2.修复液的制备

将上述经预分散工艺后的纳米粒子分散液50～100份与硅氧烷修复液200～300份和催化剂1～10份充分混合均匀，并采用上述预分散的方法再次进行分散，获得交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的分散液。

分散液的固含量为2％～7％，优选为3～5％，pH值为6～7，呈弱酸性。

交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的修复方法包括以下步骤：

1.修复前准备

在向水树老化电缆注入修复液前，通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全。

2.注入纳米修复液

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，将上述纳米修复液分散溶液存入修复液罐内，然后将该修复液罐置于磁力加热搅拌器上，开启磁力加热搅拌器，对纳米修复液进行搅拌并加温至30～60℃，保持温度和修复液混合均匀；启动修复液注入设备，开动空气压缩机，压缩空气进入气体吸水罐，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表的压力为0.1～0.8MPa，以调节纳米修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器流入交联聚乙烯电力电缆内部，经0.5～2h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置。

3.溶剂挥发及浸泡修复

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为36～72h。

电缆两端密封后，多元醇溶剂透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，而无机纳米颗粒则保留在电缆内部，进入其交联聚乙烯绝缘层。

硅氧烷修复液在交联聚乙烯电力电缆内渗透进入其绝缘层的微孔内，在催化剂作用下与水发生反应，形成胶状物质将其填充，由于形成的液体分子比水分子大的多，有胶状物沉淀，绝缘表层的缺陷得到修补，抑制水树和缺陷的进一步生长。同时，纳米粒子分散液进入电缆绝缘层后，纳米粒子在电缆内部扩散并对气隙或微孔进行填充，形成一层无机纳米保护膜，对聚乙烯绝缘层进行保护。由于无机纳米颗粒特有的介电性能，导致其寿命大大提高。

纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅和纳米氧化锌是本领域已知的技术，其前提条件是这些添加剂的加入不与实现本发明的目的以及取得本发明的优良效果产生不利影响。

性能测试

取老化程度相同的一段电缆切成长度相等的18段。将其中6个样本，通过上述修复方法进行修复，另取6个样本在相同条件下通过传统的硅氧烷修复液进行修复。修复相同时间后，和6个未作任何处理的样本同时进行老化试验对比。根据weibull分布，以失效概率63.2％对应的时间为失效时间，纳米修复后样本的寿命为21.5小时，硅氧烷修复液修复后样本的寿命为2.6小时，未作任何处理的样本的寿命为1.9小时，详见图2所示。纳米修复后样本的击穿电压为21.5kV，硅氧烷修复液修复后样本的击穿电压为15.2kV，未作任何处理的样本的击穿电压为11.8kV，详见图3所示。结果表明，本发明修复样本的寿命提高了近10倍，击穿电压提高了约1.5倍。为了确认以上结果，又经过多次实验，发现该实验结果具有可重复性，纳米溶液修复后，样本的weibull分布寿命均大大提高。

本发明具有如下优点：

1.无机纳米颗粒有很好的成膜性，成膜光滑平整，强度大，能够阻挡化学腐蚀，对紫外线有较强屏蔽效应，对红外线有反射作用，有良好的耐电晕性。

2.无机纳米层电导率高，导致空间电荷不容易驻留，减弱了局部放电强度，可以使电场均匀化，抑制热电子加速，导热性好。这些特性均使其在电场下的绝缘寿命提高了5～10倍。

3.该纳米修复液具有高闪点的特性，降低了安全隐患；超声波分散机和砂磨分散机联合分散工艺，加之搅拌注入的方法，在一定程度上解决了第一代硅氧烷修复技术存在的低闪点和部分组分扩散速度过高的问题。

4.修复方法所采用的设备安全可靠，效率较高。该方法在保证对绝缘的短期性能提升的基础上，改善了中长期的修复效果，修复效果明显提高，反应时间也大为缩短。

附图说明

图1为交联聚乙烯电力电缆修复装置结构示意图；

1.空气压缩机  2.压力表  3.气体吸水罐  4.修复液罐  5.磁力加热搅拌器  6.水树老化的交联聚乙烯电力电缆  7.修复液适配器

图2为交联聚乙烯电力电缆绝缘水平weibull分布图；

图3为交联聚乙烯电力电缆耐压能力weibull分布图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述：有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

1.制备交联聚乙烯电力电缆纳米修复液

1.1制备纳米粒子分散液

将表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛12份、纳米三氧化二铝1份、纳米二氧化硅1份、纳米氧化锌1份和溶剂60份加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的容器中，通过超声波分散机和砂磨分散机联合进行预分散，以获得纳米粒子分散液，其中，超声功率为300W，频率为22kHz，时间为45min。

1.2修复液的制备

将上述经预分散工艺后的纳米粒子分散液75份与硅氧烷修复液240份和催化剂5份充分混合均匀，并采用上述预分散的方法再次进行分散，获得交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的分散液。

稀释后，分散液的固含量为4.5％，pH值为6～7，呈弱酸性。

2.交联聚乙烯电力电缆的修复方法

2.1修复前准备

在向水树老化电缆注入修复液前，通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全。

2.2注入纳米修复液

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，如图1所示，将上述纳米修复液分散溶液存入修复液罐4内，然后将该修复液罐4置于磁力加热搅拌器5上，开启磁力加热搅拌器5，对纳米修复液进行搅拌并加温至45℃，保持温度和修复液混合均匀；启动修复液注入设备，开动空气压缩机1，压缩空气进入气体吸水罐3，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表2的压力为0.5MPa，以调节纳米修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器7流入交联聚乙烯电力电缆6内部，经1h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置。

2.3溶剂挥发及浸泡修复

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为48h。

实施例2

1.制备交联聚乙烯电力电缆纳米修复液

1.1制备纳米粒子分散液

将表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛10份、纳米三氧化二铝0.5份、纳米二氧化硅0.5份、纳米氧化锌0.5份和溶剂40份加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的容器中，通过超声波分散机和砂磨分散机联合进行预分散，以获得纳米粒子分散液，其中，超声功率为200W，频率为20kHz，时间为30min。

1.2修复液的制备

将上述经预分散工艺后的纳米粒子分散液50份与硅氧烷修复液200份和催化剂1份充分混合均匀，并采用上述预分散的方法再次进行分散，获得交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的分散液。

稀释后，分散液的固含量为2％，pH值为6～7，呈弱酸性。

2.交联聚乙烯电力电缆的修复方法

2.1修复前准备

在向水树老化电缆注入修复液前，通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全。

2.2注入纳米修复液

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，如图1所示，将上述纳米修复液分散溶液存入修复液罐4内，然后将该修复液罐4置于磁力加热搅拌器5上，开启磁力加热搅拌器5，对纳米修复液进行搅拌并加温至30℃，保持温度和修复液混合均匀；启动修复液注入设备，开动空气压缩机1，压缩空气进入气体吸水罐3，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表2的压力为0.2MPa，以调节纳米修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器7流入交联聚乙烯电力电缆6内部，经0.5h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置。

2.3溶剂挥发及浸泡修复

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为36h。

实施例3

1.制备交联聚乙烯电力电缆纳米修复液

1.1制备纳米粒子分散液

将表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛15份、纳米三氧化二铝2份、纳米二氧化硅2份、纳米氧化锌2份和溶剂80份加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的容器中，通过超声波分散机和砂磨分散机联合进行预分散，以获得纳米粒子分散液，其中，超声功率为500W，频率为24kHz，时间为60min。

1.2修复液的制备

将上述经预分散工艺后的纳米粒子分散液100份与硅氧烷修复液300份和催化剂10份充分混合均匀，并采用上述预分散的方法再次进行分散，获得交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的分散液。

稀释后，分散液的固含量为7％，pH值为6～7，呈弱酸性。

2.交联聚乙烯电力电缆的修复方法

2.1修复前准备

在向水树老化电缆注入修复液前，通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全。

2.2注入纳米修复液

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，如图1所示，将上述纳米修复液分散溶液存入修复液罐4内，然后将该修复液罐4置于磁力加热搅拌器5上，开启磁力加热搅拌器5，对纳米修复液进行搅拌并加温至60℃，保持温度和修复液混合均匀；启动修复液注入设备，开动空气压缩机1，压缩空气进入气体吸水罐3，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表2的压力为0.8MPa，以调节纳米修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器7流入交联聚乙烯电力电缆6内部，经2h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置。

2.3溶剂挥发及浸泡修复

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为72h。

对比实例

在向水树老化电缆注入修复液前，通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全。

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，将硅氧烷修复液存入修复液罐4内。启动修复液注入设备，开动空气压缩机1，压缩空气进入气体吸水罐3，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表2的压力至0.5MPa，以调节硅氧烷修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器7流入交联聚乙烯电力电缆6内部，经1h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置。

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为48h。

注：表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛由天津先光化工有限公司提供；硅氧烷修复液由东莞市瑞驰化工有限公司提供；其余化学试剂均由市场购买。

Claims (5)

1.交联聚乙烯电力电缆纳米修复液，其特征在于该修复液由以下组分组成，按重量计为：

其中，纳米氧化物为：

纳米三氧化二铝平均粒径20～40nm     0.5～2份

纳米二氧化硅平均粒径10～30nm       0.5～2份

纳米氧化锌平均粒径40～60nm         0.5～2份。

2.如权利要求1所述交联聚乙烯电力电缆纳米修复液，其特征在于溶剂为木糖醇、山梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水杨醇中的至少一种。

3.如权利要求1所述交联聚乙烯电力电缆纳米修复液，其特征在于催化剂为异丙酯或钛酸酯。

4.如权利要求1～3之一所述交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)纳米粒子分散液的制备

将表面纳米二氧化硅包覆的纳米二氧化钛10～15份、纳米三氧化二铝0.5～2份、纳米二氧化硅0.5～2份、纳米氧化锌0.5～2份和溶剂40～80份加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的容器中，通过超声波分散机和砂磨分散机联合进行预分散，以获得纳米粒子分散液，其中，超声功率为200～500W，频率为20～24kHz，时间为30～60min；

(2)修复液的制备

将上述经预分散工艺后的纳米粒子分散液50～100份与硅氧烷修复液200～300份和催化剂1～10份充分混合均匀，并采用上述预分散的方法再次进行分散，获得交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的分散液。

5.如权利要求1所述交联聚乙烯电力电缆纳米修复液的修复方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)修复前准备

在向水树老化电缆注入修复液前通过检测设备对电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承受能力，并计算修复过程中系统的压力表的工作值，以判断是否出现意外情况，并在出现时及时中断修复，保证设备安全；

(2)注入纳米修复液

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，将上述纳米修复液分散溶液存入修复液罐(4)内，然后将该修复液罐(4)置于磁力加热搅拌器(5)上，开启磁力加热搅拌器(5)，对纳米修复液进行搅拌并加温至30～60℃，保持温度和修复液混合均匀；启动修复液注入设备，开动空气压缩机(1)，压缩空气进入气体吸水罐(3)，根据被修复电缆规格不同，控制压缩气体压力表(2)的压力为0.1～0.8MPa，以调节纳米修复液的流速，修复液将以不同的时间经过修复液适配器(7)流入交联聚乙烯电力电缆(6)内部，经0.5～2h，停止搅拌，关闭设备，卸除交联聚乙烯电力电缆修复装置；

(3)溶剂挥发及浸泡修复

将被修复的电缆两端密封，对电缆进行浸泡修复，根据被修复电缆规格不同，浸泡修复时间为36～72h。

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