CN105295382A - 高压直流电缆附件用绝缘材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压直流电缆附件用绝缘材料，包括硅橡胶和填充在所述硅橡胶中的配合材料、增强材料和操作油；各组分的质量百分比为：硅橡胶占55~65%，配合材料占10~20%，增强材料占25~30%，操作油占5~10%。通过纳米改性手段调控绝缘材料的电导率，使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态，并降低温度所引起不同材料电阻率变化的差异，实现电场的自动均化，避免电场畸变导致的绝缘击穿问题。

Description

高压直流电缆附件用绝缘材料

技术领域

本发明涉及高压输电线材料领域，尤其涉及高压直流电缆附件用绝缘材料。

背景技术

高压直流输电具有线路损耗小、传输容量大、运行稳定性高等优点，主要用于远距离大容量输电、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络等方面，目前越来越受国内重视。但相比于较成熟的高压交流输电，高压直流输电的应用受电缆附件技术发展水平限制。

传统的电缆附件在交流电场下，其电场分布主要取决于绝缘介质的介电常数，而介电常数随温度、电场以及频率变化很小，但是在直流电场下，其电场分布主要取决于绝缘介质的电导率，且电导率随温度、电场的变化非常明显，有时能达几个数量级的差异，导致电缆附件的电场分布显著改变，使绝缘层外径处的电场强度大大超过设计允许的正常工作场强，导致电缆和应力锥在使用过程中被击穿。所以在高压直流输电过程中，如何将直流电缆附件绝缘材料电导率控制在一个合理的范围对直流电缆附件的运行至关重要。

高压直流电缆附件是高压直流输电过程中不可或缺的关键元件，其技术发展水平直接影响高压直流输电的安全和稳定性。然而，高压直流输电一直未得到推广使用，这是因为在直流电压下，直流电缆附件的电场问题比较复杂，电缆绝缘层中极易积累空间电荷，导致绝缘层局部电场畸变，达到正常工作场强的7~8倍，可能导致绝缘的击穿。很多附件厂商受制于材料配方、场强分析、试验设备等多种因素影响，未能研发出优良的高压直流电缆附件。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流电缆附件用绝缘材料，使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态，以降低温度所引起不同材料电阻率变化的差异，实现电场的自动均化。

本发明的技术方案是高压直流电缆附件用绝缘材料，包括硅橡胶和填充在所述硅橡胶中的配合材料、增强材料和操作油；各组分的质量百分比为：硅橡胶占55~65%，配合材料占10~15%，增强材料占20~30%，操作油占5~10%。通过纳米改性手段调控绝缘材料的电导率，使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态，并降低温度所引起不同材料电阻率变化的差异，实现电场的自动均化，解决电场畸变问题导致的绝缘击穿问题。本说明书中的TAIC是指三烯丙基异氰脲酸酯，本说明书中的TAC是指三聚氰酸三烯丙酯。

进一步地，所述硅橡胶的分子量为40～60万。

进一步地，在150℃、3小时条件下，所述硅橡胶的挥发质量百分占比≤2.5，乙烯基的摩尔百分比为0.13～0.22。

进一步地，配合材料为硫化促进剂和硫化剂中至少一种。

进一步地，增强材料包括普通增强材料和无机纳米材料。

进一步地，普通增强材料选取白炭黑或炭黑。

进一步地，无机纳米材料选择纳米碳化硅、纳米石墨、纳米氧化镁和纳米氧化硅中至少一种。

进一步地，操作油为环烷基油，该环烷基油的相对密度为0.7~1.0，分子量为550~750，粘度比重常数为0.75~0.85。

进一步地，所述硫化促进剂为TAIC、TAC的至少一种。

进一步地，硫化剂为有机过氧化物。

所述高压直流电缆附件用绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照质量比重，选择：硅橡胶55~65%，增强材料20~30%，操作油5~10%放入混料罐，并采用共混法在密炼机中混炼成纳米硅橡胶母胶，密炼机混炼要求温度不高于45℃，转速不低于80rad/m；

S2、混炼后的纳米硅橡胶母胶停放，停放时间不少于24小时。然后在室温下进行返炼，要求室温不高于35℃。返炼采用开炼机，需通循环水冷却，避免发生先期硫化，待胶料变软，表面光滑平整后即可；

S3、开炼完成后加入配合材料10~15%（硫化剂5~10%的硫化促进剂和3~8%的硫化剂）进行硫化操作，在硫化机的模具中硫化得到硫化后的高压直流电缆附件用复合硅橡胶材料，要求硫化机的温度150℃~180℃，硫化时间不少于15分钟，硫化期间模具腔压力为5~10MPa。

有益效果：本专利对已成熟用于高压交流输电用的硅橡胶进行材料改性，利用纳米碳化硅、纳米石墨、纳米氧化镁和纳米氧化硅这些无机纳米材料良好的电学性能配备出绝缘硅橡胶，在保持硅橡胶良好的耐热性、电绝缘性、表面憎水性、抗污染特性及抗漏电起痕性特点的前提下，同样满足了在高压直流输电工况下的电导率呈良好的线性变化，实现电场均化，避免电场畸变导致的绝缘击穿问题。

根据本专利所述的材料配方制备的产品目前分别在在30°～80°工况下进行320KV高压直流输电试验，可验证硅橡胶的电导特性通过纳米改性手段得到良好优化，其在不同温度和场强工况下，电导率呈明显线性变化趋势。

附图说明

图1至3是不同温度下直流附件用硅橡胶的电导率和电场分布关系折线图。

图4至6是30℃和80℃工况下电场分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

高压直流电缆附件用绝缘材料，包括硅橡胶和填充在所述硅橡胶中的配合材料、增强材料和操作油；各组分的质量百分比为：硅橡胶占55~65%，配合材料占10~15%，增强材料占20~30%，操作油占5~10%。所述硅橡胶的分子量为40～60万，在150℃、3小时条件下，所述硅橡胶的挥发份质量百分比≤2.5，乙烯基的摩尔百分比为0.13～0.22。

优选地，配合材料为硫化促进剂、硫化剂中至少一种。

优选地，增强材料包括普通增强材料和无机纳米材料。

优选地，增强材料为白炭黑、炭黑中至少一种。

优选地，无机纳米材料为纳米碳化硅、纳米石墨、纳米氧化镁和纳米氧化硅中至少一种。

优选地，操作油为环烷基油，该环烷基油的相对密度为0.7~1.0，分子量为550~750，粘度比重常数为0.75~0.85。

优选地，所述硫化促进剂为TAIC、TAC中的一种。

优选地，硫化剂为有机过氧化物。

通过纳米改性手段调控绝缘材料的电导率，使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态，并降低温度所引起不同材料电阻率变化的差异，实现电场的自动均化，解决电场畸变问题导致的绝缘击穿问题。

所述高压直流电缆附件用绝缘材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照质量比重，选择：硅橡胶55~65%，增强材料20~30%，操作油5~10%放入混料罐，并采用共混法在密炼机中混炼成纳米硅橡胶母胶，密炼机混炼要求温度不高于45℃，转速不低于80rad/m；

S2、混炼后的纳米硅橡胶母胶停放，停放时间不少于24小时。然后在室温下进行返炼，要求室温不高于35℃。返炼采用开炼机，需通循环水冷却，避免发生先期硫化，待胶料变软，表面光滑平整后即可；以及

S3、开炼完成后加入配合材料10~15%（硫化剂5~10%的硫化促进剂和3~8%的硫化剂）进行硫化操作，在硫化机的模具中硫化得到硫化后的高压直流电缆附件用复合硅橡胶材料，要求硫化机的温度150℃~180℃，硫化时间不少于15分钟，硫化期间模具腔压力为5~10MPa。

优选地，步骤S1，所述硅橡胶的分子量为40～60万，在150℃、3小时条件下，所述硅橡胶的挥发质量百分占比≤2.5，乙烯基的摩尔百分比为0.13～0.22。

优选地，步骤S2中，操作油为环烷基油，该环烷基油的相对密度为0.7~1.0，分子量为550~750，粘度比重常数为0.75~0.85。

通过以上制备方案分别制备三组不同配比的硅橡胶复合材料进行试验及仿真验证，具体实施案例如下：

实施例1，结合表1。本发明高压直流电缆附件用绝缘材料的成分及其质量百分比为：55%的硅橡胶做基料，10%的有机过氧化物，5%的TAIC，10%的操作油，10%的白炭黑，5%的纳米碳化硅，3%的纳米石墨，2%的纳米氧化硅。其它同前述。

实施例2，结合表1。本发明高压直流电缆附件用绝缘材料的成分及其质量百分比为：60%的硅橡胶做基料，8%的有机过氧化物，4%的TAIC，8%的操作油，9%的白炭黑，6%的纳米碳化硅，4%的纳米石墨，1%的纳米氧化硅。其它同前述。

实施例3，结合表1。本发明高压直流电缆附件用绝缘材料的成分及其质量百分比为：65%的硅橡胶做基料，6%的有机过氧化物，3%的TAIC，6%的操作油，8%的白炭黑，7%的纳米碳化硅，4%的纳米石墨，1%的纳米氧化硅。其它同前述。

表1提供了3个实施例中，各组分的质量百分比，具体如下：

材料成份	质量百分比	质量百分比	质量百分比
				硅橡胶	55%	60%	65%
有机过氧化物	10%	8%	6%
				TAIC	5%	4%	3%
操作油	10%	8%	6%
				白炭黑	10%	9%	8%
纳米碳化硅	5%	6%	7%
				纳米石墨	3%	4%	4%
纳米氧化硅	2%	1%	1%

表1

为验证绝缘硅橡胶材料的电导率是否达到最佳匹配状态，通过三电极法试验方案分别测试上述三个实施例单层介质的电导电流，通过电导电流得到其电导率在不同温度下电场关系变化关系。

图1至3是不同温度下直流附件用硅橡胶的电导率和电场分布关系折线图，上述三个实施例中配比制备的硅橡胶复合材料电导率受温度变化的影响较小。

结合图1，实施例1中，温度30℃和温度80℃相比，其电导率相差约1.5×10-13。

结合图2，实施例2中，温度30℃和温度80℃相比，其电导率相差约1.1×10-13。

结合图3，实施例3中，温度30℃和温度80℃相比，其电导率相差约1.75×10-13。

对比分析三种材料下的试验可以看出，80℃时电导率与30℃电导率增大不明显（未超过一个数量级变化），良好满足不同温度下电导率不出现大幅变化要求。且当施加的电场强度超过一定值后，随电场强度升高其电导率呈直线上升变化，表现出良好的电导特性。综上可以看出直流电缆附件用硅橡胶采用纳米无机材料的掺杂改性能够有效地提升硅橡胶材料的电导特性。

图4至6是根据实验测得的电导率数据应用仿真分析软件分析得到的电场曲线图。通过仿真分析得到30℃和80℃工况下绝缘硅橡胶在产品中应用情况，由曲线得出其实施例1电场强度最大值分别13.4kV/mm和14.8kV/mm，实施例2电场强度最大值分别11.2kV/mm和13kV/mm，实施例3电场强度最大值分别12.6kV/mm和13.8kV/mm（绝缘材料击穿场强约为35KV/mm），从仿真结果看出其电场分布均匀，未出现击穿现象。

综上，通过纳米改性手段调控绝缘材料的电导率，使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态，并降低温度所引起不同材料电阻率变化的差异，实现电场的自动均化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：包括硅橡胶和填充在所述硅橡胶中的配合材料、增强材料和操作油；各组分的质量百分比为：硅橡胶占55~65%，配合材料占10~15%，增强材料占20~30%，操作油占5~10%。

2.根据权利要求1所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：所述硅橡胶的分子量为40～60万。

3.根据权利要求2所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：在150℃、3小时条件下，所述硅橡胶的挥发质量百分占比≤2.5，乙烯基的摩尔百分比为0.13～0.22。

4.根据权利要求3所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：配合材料为硫化促进剂和硫化剂中至少一种。

5.根据权利要求4所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：增强材料包括普通增强材料和无机纳米材料。

6.根据权利要求5所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：普通增强材料为白炭黑或炭黑。

7.根据权利要求5所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：无机纳米材料为纳米碳化硅、纳米石墨、纳米氧化镁和纳米氧化硅中的至少一种。

8.根据权利要求5所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：操作油为环烷基油，该环烷基油的相对密度为0.7~1.0，分子量为550~750，粘度比重常数为0.75~0.85。

9.根据权利要求4所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：所述硫化促进剂为TAIC、TAC的一种。

10.根据权利要求4所述的高压直流电缆附件用绝缘材料，其特征在于：硫化剂为有机过氧化物。