CN107565501A - 电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，该方法是在构成聚丙烯/硅橡胶界面的聚丙烯材料中加入占聚丙烯质量为2.5wt％‑3.5wt％的直径为50nm的MgO颗粒，而且，所述MgO颗粒的最佳质量占比为3.0wt％，并且，所述直径为50nm的MgO颗粒由直径为50nm的AI₂O₃颗粒代替。本发明良好的延长了电缆接头界面击穿时间，提高了电缆接头中界面光滑度，使PP和SiR的界面介电性能得到较好的改进。

Description

电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法

技术领域

本发明属于电缆接头技术领域，特别是一种延长电缆接头的界面击穿时间及提升光滑度的高性能聚丙烯/硅橡胶界面方法。

背景技术

电力电缆附件是连接电缆与输配电线路及相关配电装置的产品，一般指电缆线路中各种电缆的中间连接及终端连接，它与电缆一起构成电力输送网络；电缆附件主要是依据电缆结构的特性，既能恢复电缆的性能，又保证电缆长度的延长及终端的连接。高压电缆附件的可靠性可以从电气性能、密封防潮性能、机械性能和工艺性能等方面进行评判。

电力电缆导体间的连接是制作和安装各种型式电缆头的重要组成部分，它对线路长期安全运行十分重要。以高压电缆为例，高压电缆通常是指工作在110kV及以上。在我国有些地区，目前还使用中性点非有效接地系统，它所使用的电缆通常与电缆相当，同属高压电缆的范畴。高压电缆附件包括终端和接头，终端在电缆线路的末端，它起到密封电缆作用，同时改善电缆末端电场，以便与输变电其它设备连接，接头是用于电缆自身的连接，有连接头、绝缘连接头，对充油电缆及钢管充油电缆还有塞止接头等。终端和接头都是在电缆端部制作的，结合电缆端部电场分布图。可见电场集中在靠近金属护套的边缘，并且有很大的轴向分量。而油纸绝缘沿纸表面的击穿轴向场强比垂直于纸表面的击穿径向场强低的多，因此轴向场强的存在大大降低终端及接头的电气强度。

实践证明一般电缆线路的故障外力因素除外，大部分发生在电缆的附件上，故电缆附件无论从理论上或实际中都被证实是电缆线路的薄弱环节。运行安全可靠且安装方便的电缆接头对于高压交联聚乙烯电缆是非常重要的。但电缆接头内部因存在复合界面和电场应力集中现象，成为高压电缆绝缘的薄弱环节和运行故障的典型部位。对国内近10年电缆本体、附件故障的统计表明，电缆接头故障率占31％，而97％的接头故障源自界面放电，因此电缆附件的质量直接关系到电缆线路的安全运行。

电缆接头的界面特性不仅取决于接头结构的优化设计(包括应力锥形状和高压屏蔽管端部)和电缆附件装配过程中的抱紧力，也取决于现场的安装工艺(界面光滑度、有无缺陷等)和运行环境(受潮与否)。另外，为增加接头在安装过程中的润滑性和界面的密封度，在安装过程中，会在电缆接头内侧和电缆绝缘接触面涂覆一层硅脂。目前常用的硅脂为非极性的普通硅脂。已有研究表明：在交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘和接头硅橡胶绝缘界面间涂覆硅脂，能有效提高界面的击穿强度，但是在电缆及附件的长期运行过程中，硅脂对接头绝缘硅橡胶的溶胀作用反而会加速硅胶老化，降低界面绝缘强度。为此，美国3M公司推出一种新型氟化硅脂，通过增加硅脂的极性来降低硅脂对硅橡胶的溶胀效应。提高界面光滑度，可有效提高放电电压，增加界面压力，局部放电会加强。界面击穿的强度是由气体腔体放电初始应力决定的。

目前，随着聚丙烯(PP)在电力电缆中的应用以及发展，聚丙烯/硅橡胶界面的绝缘性能得到了广泛的关注。界面击穿作为电缆接头的一大热点问题仍有待解决。聚合物纳米基以其可以提高聚合物电气性能的特质得到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，该方法是在构成聚丙烯/硅橡胶界面的聚丙烯材料中加入占聚丙烯质量为2.5wt％-3.5wt％的直径为50nm的MgO颗粒。

而且，所述MgO颗粒的最佳质量占比为3.0wt％。

而且，所述直径为50nm的MgO颗粒由直径为50nm的AI₂O₃颗粒代替。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明良好的延长了电缆接头界面击穿时间。

2、本发明提高了电缆接头中界面光滑度，结果表明，适当填充纳米级材料，PP和SiR的界面介电性能可得到较好的改进。

附图说明

图1是本发明方法中试样和电极布置示意图；

图2是本发明方法中测量电路示意图；

图3是本发明方法中PP/SiR界面放电现象；

图4是本发明方法中击穿时间和纳米填充物含量之间的关系图；

图5是本发明方法中平均粗糙度和纳米填充物含量之间的关系图。

具体实施方式

以下对本发明实例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。

一种电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，该方法是在构成聚丙烯/硅橡胶界面的聚丙烯材料中加入占聚丙烯质量为2.5wt％-3.5wt％的直径为50nm的MgO颗粒。

作为本发明的最佳实施方案，所述MgO颗粒的最佳质量占比为3.0wt％。

作为本发明的另一种实施方案，所述直径为50nm的MgO颗粒由直径为50nm的AI₂O₃颗粒代替。

具体实施过程

本发明通过将直径50nm的MgO颗粒加到等规聚丙烯(PPH-T03)(中国石化北海分公司)中，按照填充材料的含量分别由0.5wt％至5wt％每隔0.5wt％制成试验样品。实验所用硅橡胶(喜梅硅橡胶有限公司)采用高温硫化(110)制成。如图1所示，试样长8cm，宽5cm，厚度5mm，所用电极系统是由铜质材料制成的尖-板电极。尖-板电极包括高压针电极1和平板接地电极2，聚丙烯PP/MgO纳米复合材料和硅橡胶(SIR)试样被放置在0.12MPa的压强下，在PP/MgO纳米复合材料上表面贴上55μm厚的铝箔作为平板接地，针电极尖端角度是30°，尖-板电极之间的距离是4mm。

测试电路和实验流程：

测试电路如图2所示，高频电流传感器被用来测试放电电流，高速AD转换器用来收集数据。电荷耦合器(CCD)摄像机用来观察界面放电通道的扩展。在测试之前，试样表面用酒精擦拭干净并在40℃的环境下干燥一个小时，实验在室温条件进行，环境的相对湿度是45％。将有效值是20KV，频率50Hz的交流电压加到电极上，表面放电发生，此时测量高频电流传感器采集到的放电电流，直到绝缘间隔被击穿。在放电的发展过程中，提取PRPD特征并统计放电量。

测量处理后发现，随着纳米填充物的质量分数从0.5wt％增加到3wt％的过程中，击穿时间从40s增加至140s，但随着填充物含量从3wt％增加到5wt％的过程中，击穿时间从140s降至70s。

随着纳米填充物的含量从0.5wt％增加到5wt％的过程中，试样的平均粗糙度先降低后增加。

结果表明，适当填充纳米级材料为2.5wt％-3.5wt％时，PP和SiR的界面介电性能可以得到较好的改进，特别是填充纳米级材料为3.0wt％效果最佳。这对电缆绝缘材料的发展具有重大意义，特别是实现了电缆接头中聚丙烯/硅橡胶界面的高介电性能。

(1)测量处理后发现，纳米填充物的质量分数3wt％的过程中，击穿时间明显提高。

(2)随着纳米填充物的质量分数为3wt％时，试样的平均粗糙度得到了很好的降低。

采用同样的实验方式，其中，将直径50nm的MgO颗粒由AI₂O₃颗粒代替，实验效果基本相同，填充AI₂O₃颗粒为2.5wt％-3.5wt％时，PP和SiR的界面介电性能可以得到较好的改进，特别是填充AI₂O₃颗粒为3.0wt％效果最佳，击穿时间从40s增加至130s。

一组典型的界面放电现象如图3所示，用纯的PP和硅橡胶进行实验时，当在尖-板电极上加高频交流电压时，界面放电现象发生，约40秒后发生界面击穿。在此过程中，有三个阶段特征较为明显。(a)放电起始阶段，(b)放电通道扩展，(c)击穿。三个阶段的特性用CCD摄像机记录下来，如图3所示。一般来说，在阶段(a)时，放电脉冲少，并且相对较低。在阶段(b)时，放电量和放电频率均有所增加。阶段(a)持续时间相对较短，约15s。阶段(b)一般持续20s。在阶段(c)，电极之间发生界面击穿，出现放电电弧，并伴随明显的发光发热现象。发生界面击穿后，界面的绝缘特性丧失，绝缘间隔短路。在阶段(a)没有观察到明显的放电现象也是需要被关注的特点。

试验例：用图4表示击穿时间和纳米填充物含量之间的关系；图5表示平均粗糙度和纳米填充物含量之间的关系。结果可见，本发明具有良好的处理效果。

Claims (3)

1.一种电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，其特征在于：该方法是在构成聚丙烯/硅橡胶界面的聚丙烯材料中加入占聚丙烯质量为2.5wt％-3.5wt％的直径为50nm的MgO颗粒。

2.根据权利要求1所述的电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，其特征在于：所述MgO颗粒的最佳质量占比为3.0wt％。

3.根据权利要求1所述的电缆接头中高性能聚丙烯/硅橡胶界面的实现方法，其特征在于：所述直径为50nm的MgO颗粒由直径为50nm的AI₂O₃颗粒代替。