CN102618037B - 一种自生成纳米颗粒的电力电缆修复液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自生成纳米颗粒的电力电缆修复液及其制备方法和应用，其特点是：该修复的液制备方法包括以下步骤：将硅氧烷修复液70-90份，催化剂10-20份，添加剂0-10份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合15-30min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。采用适配器和空气压缩机，将修复液通过0.2～0.8MPa压力注入电缆缆芯中，保持压力1.5～3h后，封闭电缆两端适配器，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复。4～80h后，打开电缆两端适配器，排出反应残余液体。
Description
技术领域
本发明涉及一种自生成纳米颗粒的电力电缆修复液及其制备方法和应用，属于电缆修复领域。
背景技术
我国自90年代初开始进行大规模城网改造，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。由于早期电缆的防水性不佳，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。
普通的XLPE电力电缆在运行15年后，其击穿电压值下降到50％左右，进入故障高发期(S.Boggs，J.Xu.Water Treeing-Filled versus Unfilled Cable Insulation.IEEEElectrical 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，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、催化剂与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 Gary A.Vincent.Cable Rejuvenation Mechanisms.ICCSubcommittee A，March 14，2006.)。
Novinium公司在第一代技术的基础上，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 SolidDielectric Life Extension 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。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)。
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，也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。但未见通过改良修复液配方，使其直接在缺陷处直接生成纳米级金属氧化物颗粒，通过其与硅氧烷的混合，共同提高电缆的绝缘性能的技术。同时也未见针对该修复液配方的绝缘增强性能的报道。
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自生成纳米颗粒的电力电缆修复液及其制备方法和应用，其特点是在硅氧烷修复液的基础上，选用具有水解生成纳米金属氧化物能力的金属醇盐作为偶联反应的催化剂。同时为了保证有效生成金属纳米氧化物，在修复液中适当加入添加剂。通过金属醇盐遇水水解生成金属氧化物颗粒，并由于受到主反应硅氧烷的偶联影响，限制了氧化物颗粒的团聚，使得在缺陷填充的硅氧烷溶胶中有纳米级金属氧化物颗粒存在。
本发明的目的由以下技术措施实现，其中所属原料份数除特殊说明外均为质量份数。
自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的起始原料由以下组分组成：
硅氧烷修复液 70-90份
催化剂 10-20份
添加剂 0-10份。
其中，催化剂为钛酸四异丙酯、钛酸四异丁酯、异丙基三钛酸酯、异丙基二辛基焦磷酸酰氧基钛酸酯、异丙基二油酸酰氧基钛酸酯、异丙基二辛基磷酸酰氧基钛酸酯、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯、二辛氧基焦磷酸酯基乙撑钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯、二硬脂酰氧异丙基铝酸酯、氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种。
添加剂为锌酸乙酯、锌酸丁酯、铬酸乙酯、铬酸丁酯、硅酸乙酯、硅酸丁酯、硼酸乙酯、铝酸乙酯、铝酸丁酯、硼酸丁酯、氯化镁、氧化锌、二氧化硅、氧化硼、碳酸钙、二氧化镁、三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁、四氧化三铁和二氧化钡中的至少一种。
自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的制备方法包括以下步骤：
将硅氧烷修复液70～90份，催化剂10～20份，添加剂0～10份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合15～30min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。
自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的应用包括以下步骤：
1)修复前对电缆绝缘性能和修复设备的耐压能力进行检测，保证修复过程中设备安全；
2)采用前后端适配器和空气压缩机，将修复液通过0.2～0.8MPa压力注入电缆缆芯中，保持压力1.5～3h，使修复液在电缆中充分渗透，然后关闭空气压缩机；
3)封闭前适配器进口和后端适配器出口，使生成物中的醇类物质透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复，4～80h后，最后打开电缆两端适配器进出口，残余修复液及废液从后端适配器出口排出。
性能测试：
1.使用介质损耗测试仪对修复前后的电缆样本的介质损耗值进行测量，同时使用数字式兆欧表对电缆的绝缘电阻进行测量。
2.对选定样本进行工频击穿实验，测定其击穿电压值，以评定其绝缘水平。
本发明具有如下优点：
1)自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的主反应为硅氧烷的催化缩合，生成物为胶状聚硅氧烷有机物，其介电常数与交联聚乙烯接近。通过注入修复技术，修复液能有效注入到电缆内部，并在缺陷处起到填充修复作用，有效的提高了被修复样本的绝缘性能。
2)自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的副反应为催化剂钛酸酯类水解，生成物为白色的纳米二氧化钛颗粒及其他金属氧化物颗粒。该配方修复液对含水缺陷有很好的针对性，能在电缆绝缘层中的水树缺陷、含水缝隙、针刺空洞等缺陷处生成含二氧化钛的有机溶液，有效对缺陷空洞进行填充。
3)为确保金属氧化物颗粒的生成，增加复合添加剂成分，通过其中的有机金属锌醇盐、有机镁盐、有机硅酸盐等成分的遇水或遇酸水解生成相应的氧化物颗粒，从而形成复合纳米金属氧化物保护层。
4)形成的复合纳米金属氧化物保护层能够阻挡化学腐蚀，并对由局部放电引起的紫外线和热电子流有较强屏蔽和阻挡效应，对红外线有反射作用，能有效阻挡放电对有机物的进一步损伤，提高电缆耐电晕性。
5)复合纳米金属氧化物保护层电导率高，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，提高了缺陷处耐局部放电的能力，起到了绝缘增强的作用，使修复后样本在电场下的绝缘寿命提高了5～10倍。
6)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注入式修复装置结构示意图
1、前端适配器进口，2、后端适配器出口，3、前端适配器，4、后端适配器，5、电缆。
图2为交联聚乙烯电力电缆耐压能力weibull分布图
图3为交联聚乙烯电缆修复后击穿通道内无机颗粒形态图
1、外半导电层，2、XLPE层，3、击穿通道，4、无机颗粒。
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
实施对象：截取35cm长老化电缆3根
1.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的制备
将硅氧烷修复液70份，钛酸异丙酯15份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合15min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。
2.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的应用
(1)修复前对电缆绝缘性能和修复设备的耐压能力进行检测，保证修复过程中设备安全。
(2)采用前后端适配器3、4和空气压缩机，将修复液通过0.2MPa压力注入电缆5缆芯中，保持压力1.5h，使修复液在电缆中充分渗透，然后关闭空气压缩机；
(3)封闭前适配器进口1和后端适配器出口2，使生成物中的醇类物质透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复，4h后，最后打开电缆两端适配器进出口1、2，残余修复液及废液从后端适配器出口2排出。
修复前：老化电缆的介质损耗值分别为18.3％、20.8％和18.2％，击穿电压在24kV左右，绝缘电阻值分别为500MΩ、600MΩ、1500MΩ。
修复后：电缆的介质损耗值降低到7.1％、6.9％和5.2％，击穿电压在32kV左右，绝缘电阻值分别为6000MΩ、5000MΩ、7000MΩ。
分析：通过实验测得，通常同型号和尺寸的新制电缆样本的介质损耗值在5％-8％左右，击穿电压在30kV左右。修复后样本的介质损耗与老化前的新样本值基本相同，且击穿电压较新电缆有显著的提高，证明了改良配方后的修复液及其注入式修复方法有效提高了被修复电缆样本的绝缘性能。通过击穿实验测得新制样本、老化后样本和修复后样本的击穿电压，并对其进行weibull分布计算，所得的击穿电压概率如图2所示。分别对击穿后的新制样本和修复后样本的击穿处进行扫描电镜形态观察如图3所示，在修复后样本击穿通道内发现大量的无机颗粒存在，经能谱分析，其无机颗粒中含有Ti元素和O元素，因此证明在改良后的修复液在缺陷处生成了TiO2颗粒。
实施例2
实施对象：截取4m长老化电缆2根
1.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的制备
将硅氧烷修复液80份，钛酸异丁酯6份，异丙基二油酸酰氧基钛酸酯2份，异丙基二辛基磷酸酰氧基钛酸酯2份，氢氧化钠1份，锌酸乙酯2份，铝酸丁酯2份，二氧化镁1份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合20min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。
2.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的应用：
(1)修复前对电缆绝缘性能和修复设备的耐压能力进行检测，保证修复过程中设备安全。
(2)采用前后端适配器3、4和空气压缩机，将修复液通过0.4MPa压力注入电缆5缆芯中，保持压力2.5h，使修复液在电缆中充分渗透，然后关闭空气压缩机；
(3)封闭前适配器进口1和后端适配器出口2，使生成物中的醇类物质透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复，48h后，最后打开电缆两端适配器进出口1、2，残余修复液及废液从后端适配器出口2排出。
修复前：老化电缆的介质损耗值分别为2.2％和2.0％，绝缘电阻值分别为4000MΩ、5000MΩ。
修复后：电缆的介质损耗值降低到0.5％和0.4％，绝缘电阻值增大到分别为1GΩ、1GΩ。
分析：通过实验测得，通常同型号和尺寸的新制电缆样本的介质损耗值在0.5％-0.6％左右。修复后样本的介质损耗与老化前的新样本值基本相同，证明了改良配方后的修复液及其注入式修复方法有效提高了被修复电缆样本的绝缘性能。
实施例3
实施对象：截取70m长老化电缆1根
1.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的制备
将硅氧烷修复液90份，钛酸四异丁酯10份，异丙基二油酸酰氧基钛酸酯2份，异丙基二辛基磷酸酰氧基钛酸酯2份，二辛氧基焦磷酸酯基乙撑钛酸酯2份，二硬脂酰氧异丙基铝酸酯1份，盐酸3份，硅酸乙酯6份，铝酸丁酯2份，氧化锌2份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合30min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。
2.自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的应用：
(1)修复前对电缆绝缘性能和修复设备的耐压能力进行检测，保证修复过程中设备安全。
(2)采用前后端适配器3、4和空气压缩机，将修复液通过0.8MPa压力注入电缆5缆芯中，保持压力3h，使修复液在电缆中充分渗透，然后关闭空气压缩机；
(3)封闭前适配器进口1和后端适配器出口2，使生成物中的醇类物质透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复，80h后，最后打开电缆两端适配器进出口1、2，残余修复液及废液从后端适配器出口2排出。
修复前：老化电缆的介质损耗值为0.22％，绝缘电阻值4000MΩ。
修复后：电缆的介质损耗值降低到0.10％，绝缘电阻值增大到10GΩ。
分析：通过实验测得，通常同型号和尺寸的新制电缆样本的介质损耗值在0.10％左右。修复后样本的介质损耗与老化前的新样本值基本相同，证明了改良配方后的修复液及其注入式修复方法有效提高了被修复电缆样本的绝缘性能。
注：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 (3)
1.一种自生成纳米颗粒的电力电缆修复液，其特征在于该修复液的起始原料由以下组分组成，按重量份计为：
硅氧烷修复液70-90份
催化剂 10-20份
添加剂 0-10 份；
其中，催化剂为钛酸四异丙酯、钛酸四异丁酯、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯、二硬脂酰氧异丙基铝酸酯、氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种；
添加剂为锌酸乙酯、锌酸丁酯、铬酸乙酯、铬酸丁酯、硅酸乙酯、硅酸丁酯、硼酸乙酯、铝酸乙酯、铝酸丁酯、硼酸丁酯、氯化镁、氧化锌、二氧化硅、氧化硼、碳酸钙、二氧化镁、三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁、四氧化三铁和二氧化钡中的至少一种。
2.如权利要求1所述自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
将硅氧烷修复液70-90份，催化剂10-20份，添加剂0-10份加入带有搅拌器的混合容器中，在惰性气体保护下，于室温中搅拌混合15-30min，获得自生成纳米颗粒的电力电缆修复液。
3.如权利要求1所述自生成纳米颗粒的电力电缆修复液的应用包括以下步骤：
（1）修复前对电缆绝缘性能和修复设备的耐压能力进行检测，保证修复过程中设备安全；
（2）采用前后端适配器（3、4）和空气压缩机，将修复液通过0.2～0.8MPa压力注入电缆（5）缆芯中，保持压力1.5～3h，使修复液在电缆中充分渗透，然后关闭空气压缩机；
（3）封闭前适配器进口（1）和后端适配器出口（2），使生成物中的醇类物质透过交联聚乙烯绝缘层的分子间隙逐渐挥发，修复液在此过程中生成聚硅氧烷和无机金属氧化物纳米颗粒，并对电缆绝缘缺陷进行填充修复，4～80h 后，最后打开电缆两端适配器进出口（1、2），残余修复液及废液从后端适配器出口（2）排出。
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