CN103259239A

CN103259239A - 一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体

Info

Publication number: CN103259239A
Application number: CN2013101754637A
Authority: CN
Inventors: 韩宝忠; 李忠华; 陈宇; 李长明
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103259239B

Abstract

一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，它涉及一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体。本发明要解决现有设计的塑料绝缘高压直流电缆终端中电场分布不合理、没有合格的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆终端的问题，本发明的塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部。本发明应用于电学领域。

Description

一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体

技术领域

本发明涉及一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体。

背景技术

高压直流电缆在海岛供电、大城市供电增容、风力发电输送、海上石油和天然气平台供电、独立电网连接等方面与交流电缆相比优点明显。国外塑料绝缘高压直流电缆已大量应用，而国内尚无塑料绝缘高压直流电缆线路运行，近几年刚刚获批的三条交联聚乙烯绝缘高压直流电缆线路均在建设中。在电缆终端采用带有应力锥的应力控制体是解决电缆端部电场集中的有效方法之一。预制式橡胶终端主要应用硅橡胶和乙丙橡胶制作应力控制体。在交流情况下，塑料绝缘电缆终端内的电场分布与各材料的介电常数有关，终端中各材料的介电常数在电缆终端的允许工作温度范围内没有显著变化。现有公开报道的交流电缆终端结构设计和电场分布计算都是在假定各材料的电阻率和介电常数不变的情况下进行。计算结果表明，在高压交流电缆终端无缺陷的理想状况下，终端内的最大电场强度位于电缆交联聚乙烯绝缘的内表面。但在直流条件下，电场分布主要取决于各材料的电导率，而终端中某些材料的电导率随温度和电场强度的改变而明显变化，因此在高压直流电缆终端结构设计和电场分布计算中必须充分考虑温度和电场强度对材料电导的影响。塑料绝缘高压直流电缆终端内的绝缘材料通常有聚乙烯、交联聚乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶、硅油、硅脂、聚异丁烯等，不同材料的电导特性可能存在较大差异，且其中每一种材料的电导特性都可能随分子结构、成分的微小变化而明显改变。此外，直流电缆终端与交流电缆终端还有一个显著差异，空间电荷对电场分布有显著影响，在极性反转情况下，空间电荷可使最大电场强度增加70％。因此，无法通过数学手段推导出塑料绝缘高压直流电缆终端内的电场分布计算公式，目前较好的方法是利用多物理场耦合软件通过模拟仿真优化设计塑料绝缘高压直流电缆终端结构。研究结果表明，塑料绝缘高压直流电缆终端内的最大电场强度位置受诸多因素影响，不一定位于电缆交联聚乙烯绝缘的内表面。目前未见充分考虑以上所提各因素的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆终端设计方案公开报道。

发明内容

本发明的目的是解决现有设计的塑料绝缘高压直流电缆终端中电场分布不合理、没有合格的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆终端的问题，提供了一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体。

本发明一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；

其中增强绝缘体是由高性能硅橡胶基电导非线性绝缘材料或三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料制成；所述的高性能硅橡胶基电导非线性绝缘材料为混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料或液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料；

所述的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成，其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

所述的液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶和10～20份非线性功能填料制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中液体硅橡胶为聚合度100～2000的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

所述的三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、10～20份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，其中非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。

本发明应用高性能电导非线性硅橡胶或电导非线性乙丙橡胶设计160kV以上塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体。本发明不是简单借鉴现有技术，创新点包括：(1)本发明依托于橡胶基电导非线性绝缘材料，该材料在10kV/mm及以下电场中体积电阻率几乎不随电场强度变化，为10¹⁵Ω·m～10¹³Ω·m数量级，与高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料的体积电阻率相近，二者的介电常数比与电导率比近似相等，有利于减小界面空间电荷；该材料在10kV/mm以上电场中电导非线性系数大于8，当终端内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近因存在缺陷或空间电荷引起电场畸变时，该材料的电导能随电场强度的增大而明显增大，具有优异的均化电场分布的能力；160kV以上塑料绝缘高压直流电缆的平均场强约为12-15kV/mm，终端内的平均场强设计为4-5kV/mm，改变电缆极性时电场强度会增加50～70％，空间电荷甚至可能导致局部电场达到正常工作场强的7～8倍，该材料具有较高的直流击穿强度，不小于60kV/mm，能够满足要求；(2)交流电缆终端中电场分布的计算原理与直流电缆终端中电场分布的计算原理具有本质差别，所考虑的因素完全不同，因而交流电缆终端中采用中阻或低阻的高介电材料常数材料或电导非线性材料对塑料绝缘高压直流电缆终端中应力锥的设计没有参考意义；(3)本发明是在实验获得塑料绝缘高压直流电缆终端中所用聚乙烯、交联聚乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶、硅油、硅脂、聚异丁烯等的电导特性后，充分考虑各因素对电场分布的影响，通过利用多物理场耦合软件进行模拟仿真而优化设计出；(4)仿真结果表明，在电缆应力控制体和终端形状相同的情况下，当因外部因素塑料绝缘高压直流电缆终端内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近电场强度超过10kV/mm时，采用以上述橡胶基电导非线性绝缘材料所制应力控制体的终端内的最大电场强度明显小于采用现有技术所制终端内的最大电场强度；(5)由于应力控制体的电导非线性增强绝缘具有较强的均化电场分布的能力，可以有效减弱终端内的电场畸变，因此采用本发明应力控制体可减小终端的直径。

附图说明

图1为本发明塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体的剖面图；其中a为应力锥，b为应力控制体内孔，c为增强绝缘体；

图2为本发明塑料绝缘高压直流电缆终端套管长度内的结构示意图；其中a为套管，b为液体绝缘介质，c为增强绝缘，d为应力锥、e为电缆金属护套，f为电缆外屏蔽，g为电缆绝缘，h为电缆内屏蔽，i为电缆线芯；

图3为本发明塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体的应力锥处局部放大图；其中a为增强绝缘，b为应力锥，c为电缆外屏蔽，d为电缆线芯，e为电缆内屏蔽，f为电缆绝缘；

图4为应用试验1制备的应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图5为试验1应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图6为应用试验2制备的应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图7为试验2应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图8为应用试验3制备的应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图9为试验3应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时电缆终端内的最大电场强度点附近处电场分布云图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；

本实施方式应用高性能电导非线性硅橡胶或电导非线性乙丙橡胶设计160kV以上塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体。本实施方式不是简单借鉴现有技术，创新点包括：(1)本实施方式依托于橡胶基电导非线性绝缘材料，该材料在10kV/mm及以下电场中体积电阻率几乎恒定不变，为1014Ω·m数量级，与高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料的体积电阻率相近，二者的介电常数比与电导率比近似相等，有利于减小界面空间电荷；该材料在10kV/mm以上电场中电导非线性系数大于8，当终端内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近因存在缺陷或空间电荷引起电场畸变时，该材料的电导能随电场强度的增大而明显增大，具有优异的均化电场分布的能力；150kV以上塑料绝缘高压直流电缆的平均场强约为12-15kV/mm，终端内的平均场强设计为4-5kV/mm，改变电缆极性时电场强度会增加50～70％，空间电荷甚至可能导致局部电场达到正常工作场强的7～8倍，该材料具有较高的直流击穿强度，不小于60kV/mm，能够满足要求；(2)交流电缆终端中电场分布的计算原理与直流电缆终端中电场分布的计算原理具有本质差别，所考虑的因素完全不同，因而交流电缆终端中采用中阻或低阻的高介电材料常数材料或电导非线性材料对塑料绝缘高压直流电缆终端中应力锥的设计没有参考意义；(3)本实施方式是在实验获得塑料绝缘高压直流电缆终端中所用聚乙烯、交联聚乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶、硅油、硅脂、聚异丁烯等的电导特性后，充分考虑各因素对电场分布的影响，通过利用多物理场耦合软件进行模拟仿真而优化设计出；(4)仿真结果表明，在电缆应力控制体和终端形状相同的情况下，当因外部因素塑料绝缘高压直流电缆终端内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近电场强度超过10kV/mm时，采用以上述橡胶基电导非线性绝缘材料所制应力控制体的终端内的最大电场强度明显小于采用现有技术所制终端内的最大电场强度；(5)由于应力控制体的电导非线性增强绝缘具有较强的均化电场分布的能力，可以有效减弱终端内的电场畸变，因此采用本实施方式应力控制体可减小终端的直径。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。其它步骤及参数与具体实施方一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。其它步骤及参数与具体实施方一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：液体硅橡胶为聚合度100～2000的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm。其它步骤及参数与具体实施方一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、19.5份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，非线性功能填料由12份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。其它步骤及参数与具体实施方一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料中气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径5nm～10nm、管长5μm～15μm的单臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。其它步骤及参数与具体实施方一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的2.5～3倍。其它步骤及参数与具体实施方一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：应力锥由半导电橡胶制成。其它步骤及参数与具体实施方一至九之一相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验1、一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；其中增强绝缘体是由混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料制成，应力锥由半导电橡胶制成。

方法为：混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10份非线性功能填料，20份气相法白炭黑，1.5份纳米三氧化二铁，3份二苯基硅二醇和1.5份2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷制成，非线性功能填料由3份纳米氧化锌、0.5份纳米二氧化钛、4份纳米碳化硅、1份碳纳米管、1份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成；

其中混炼硅橡胶为分子量为(60～80)×10⁴的甲基乙烯基硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

将半导电硅橡胶放入应力锥模具中，经压制成型和硫化制得应力锥。采用密炼机将混炼硅橡胶与各种填料在50℃下混合均匀。将应力锥放入电缆终端用应力控制体模具中，再将混合均匀的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料放入电缆终端用应力控制体模具，经压制成型和硫化制得电缆终端用应力控制体。

应用本发明应力控制体设计一个标称截面为1000mm²、绝缘层厚度为16.5mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆终端，其套管长度内的结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆终端内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为13.879kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图4。应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆终端内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为64.069kV/mm，电场分布云图见图5。

对比以上结果可见，本试验制备的塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体能明显改善高压直流电缆终端内的电场分布，避免终端应力控制体内电场严重畸变。

试验2、一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；其中增强绝缘体是由为液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料制成，应力锥由半导电橡胶制成。

方法为：液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、3份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、3.5份纳米碳化硅、1份碳纳米管、1份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成；

其中液体硅橡胶为平均聚合度为1500的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

将半导电硅橡胶真空注入应力锥模具中，经成型和硫化制得应力锥。采采用真空搅拌机将液体硅橡胶与各种填料在40℃下混合均匀并排除气泡。将应力锥放入电缆终端用应力控制体模具中，再将混合均匀的液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料真空注入电缆终端用应力控制体模具，经成型和硫化制得电缆终端用应力控制体。

应用本发明应力控制体设计一个标称截面为1600mm²、绝缘层厚度为16.5mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆终端，其套管长度内的结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆终端内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为13.614kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图6。应用普通液体硅橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆终端内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为65.3kV/mm，电场分布云图见图7。

对比以上结果可见，本试验制备的塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体能明显改善高压直流电缆终端内的电场分布，避免终端内电场严重畸变。

试验3、一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；其中增强绝缘体是由为三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料制成，应力锥由半导电橡胶制成。

方法：三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按按重量份数由100份三元乙丙橡胶、非线性功能填料、12份气相法白炭黑、2.5份过氧化二异丙苯、0.4份硫磺和0.4份二苯甲酰对醌二肟制成，其中非线性功能填料由3份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、3.5份纳米碳化硅、1份碳纳米管、1份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成；

其中三元乙丙橡胶为1，1-亚乙基降冰片烯型三元乙丙橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

将半导电硅橡胶放入应力锥模具中，经压制成型和硫化制得应力锥。采用密炼机将三元乙丙橡胶与各种填料在50℃下混合均匀。将应力锥放入电缆终端用应力控制体模具中，再将混合均匀的三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料放入电缆终端用应力控制体模具，经压制成型和硫化制得电缆终端用应力控制体。

应用本发明应力控制体设计一个标称截面为1600mm²、绝缘层厚度为14mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆终端，其套管长度内的结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆终端内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为15.879kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图8。应用普通三元乙丙橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆终端内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为80.957kV/mm，电场分布云图见图9。

Claims

1.一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体是由增强绝缘体和应力锥组成，应力锥设置在增强绝缘体的一侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，增强绝缘体的另一侧端口为梯形；塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体扩径后安装到电缆端部；

所述的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，10～20份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨按任意比组成，其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

所述的液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶和10～20份非线性功能填料制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨按任意比组成；其中液体硅橡胶为聚合度100～2000的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

2.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧化己烷。

3.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。

4.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

5.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

6.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于液体硅橡胶为聚合度100～2000的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管的直径为5nm～80nm、管长为1μm～15μm，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm。

7.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、19.5份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，非线性功能填料由12份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨组成。

8.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料中气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径5nm～10nm、管长5μm～10μm的单臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

9.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的2.5～3倍。

10.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆终端用应力控制体，其特征在于应力锥由半导电橡胶制成。