CN107573598A - 基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法 - Google Patents

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李进
杜伯学
梁虎成
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Abstract

本发明涉及高压直流电缆绝缘技术，为提出提升电缆附件复合绝缘体系的综合性能的技术方案。本发明采用的技术方案是，基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法，通过纳米掺杂技术，将直流电缆附件乙丙橡胶EPDM绝缘材料与纳米炭黑CB物理共混，热压成型，利用纳米颗粒的界面效应降低复合材料载流子迁移率，提升复合绝缘体系匹配度。本发明主要应用于高压直流电缆绝缘设计场合。

Description

基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法
技术领域
本发明涉及高压直流电缆绝缘技术，具体讲,涉及基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法。
背景技术
随着高压直流电缆敷设距离的不断增长，对电缆附件的需求也在不断扩大。预制式附件在各国已经运行的陆上高压直流交联聚乙烯电缆线路已得到广泛使用。电缆接头由内屏蔽层、附件主绝缘、应力锥、外屏蔽层和外护套等组成，结构比较复杂，但是具有安装时间短、性能稳定等优势。电力电缆附件为多层固体介质复合绝缘结构，相对于传统的交流电缆附件，直流电缆附件内部的电气、机械问题更为突出。研究表明如果复合绝缘界面接触不理想，载流子在迁移过程中由于表面态的存在会形成空间电荷积累，在电场、磁场、温度、机械等多应力共同作用下，将诱发局部放电和聚合物材料的侵蚀破坏，最终导致绝缘失效，使电缆附件成为整个直流电缆系统的薄弱环节和出现故障的典型部位
自1994年Lewis提出纳米电介质的概念以来，纳米电介质逐渐成为电气绝缘研究领域的热点，其在高导热、高储能、耐电晕、耐侵蚀、耐局放、耐击穿和抗辐射等方面所具有优异性能使其成为高性能绝缘材料的发展方向。同时也有大量研究表明纳米电介质抑制空间电荷积累或注入，基于此，国内外研究人员尝试利用纳米颗粒调控电缆附件橡胶绝缘材料的介电和空间电荷特性。
到目前为止，通过纳米颗粒掺杂方法有效调控直流电缆附件复合绝缘界面电荷特性的研究鲜有研究报道。因此，纳米掺杂能否通过电介质本体改性提升电缆附件复合绝缘体系的综合性能需要开发。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出提升电缆附件复合绝缘体系的综合性能的技术方案。本发明采用的技术方案是，基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法，通过纳米掺杂技术，将直流电缆附件乙丙橡胶EPDM绝缘材料与纳米炭黑CB物理共混，热压成型，利用纳米颗粒的界面效应降低复合材料载流子迁移率，提升复合绝缘体系匹配度。
在一个实例中：
(1)将EPDM胶粒和填料置于60℃的烘箱处理12h，以去除颗粒中的水分；
(2)将双辊开炼机辊筒预热，保持辊筒温度约为160℃，调整双棍的距离为最小2mm；
(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍；
(4)将双辊机前后辊筒转速比设定为1:1.27，调节前辊转速为20r/min，混炼5min；
(5)逐渐调节双棍间距至5mm，将转速调至30r/min，混炼5min，称取1.0wt％双2,5硫化剂加入到混炼机中，使其在EPDM中能够均匀分散，继续混炼10min，得到未硫化胶料；
(7)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量胶料，至于双层PET薄膜间，再整体移入模具，在180℃、10MPa的条件下热压5min，待试样完全冷却后取出试样；
(8)得到质量分数为0、0.5、1、3和5wt％的EPDM/CB复合材料，质量分数cwt＝mcb/mepdm。
本发明的特点及有益效果是：
1、方法具有工艺简单，成本低，以较低含量能够获得聚合物绝缘匹配的调控手段。
2、能够有效抑制直流电缆附件绝缘系统界面电荷的积累。
附图说明：
图1是本发明中纳米复合材料微观断面图及纳米颗粒分散情况；图中，(a)基体断面图(b)靠近材料表面的断面图。
图2是本发明中采用的三电极法测量电导电流装置图；
图3是本发明中乙丙橡胶复合材料和聚乙烯电导电流；
图4是本发明中乙丙橡胶经纳米掺杂前后复合绝缘界面电荷积累情况。
具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、采用熔融开炼和热压成型法制备乙丙橡胶纳米复合绝缘材料，采用开炼共混法可以保证填料、交联剂和其他添加剂在EPDM单体中充分混合；热压成型工艺可以有效控制橡胶试样的硫化温度和厚度，以及表面的平整度。EPDM复合材料具体制备过程如下：
(1)将EPDM胶粒和填料置于60℃的烘箱处理12h，以去除颗粒中的水分。
(2)将双辊开炼机辊筒预热，保持辊筒温度约为160℃，调整双棍的距离为最小2mm。
(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍。
(4)实验中将双辊机前后辊筒转速比设定为1:1.27，调节前辊转速为20r/min，混炼5min。
(5)逐渐调节双棍间距至5mm，将转速调至30r/min，混炼5min，称取1.0wt％双2,5硫化剂加入到混炼机中，使其在EPDM中能够均匀分散，继续混炼10min，得到未硫化胶料。
(7)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量胶料，至于双层PET薄膜间，再整体移入模具，在180℃、10MPa的条件下热压5min。待试样完全冷却后取出试样。
(8)得到质量分数为0、0.5、1、3和5wt％的EPDM/CB复合材料，质量分数cwt＝mcb/mepdm。
2、利用三电极法测量乙丙橡胶纳米复合材料和电缆主绝缘材料电导电流，分析其绝缘匹配程度。
3、采用PEA法空间电荷测试系统，对试样施加5kV/mm直流电场，并持续5s，获得空间电荷分布数据作为参考信号；对试样施加15kV/mm直流电场，极化时间为30min，每隔10s采集一次PEA信号，测量极化过程空间电荷动态特性。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
1、(1)将EPDM胶粒和填料置于60℃的烘箱处理12h，以去除颗粒中的水分。(2)将双辊开炼机辊筒预热，保持辊筒温度约为160℃，调整双棍的距离为最小2mm。(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍。(4)实验中将双辊机前后辊筒转速比设定为1:1.27，调节前辊转速为20r/min，混炼5min。(5)逐渐调节双棍间距至5mm，将转速调至30r/min，混炼5min，称取1.0wt％双2,5硫化剂加入到混炼机中，使其在EPDM中能够均匀分散，继续混炼10min，得到未硫化胶料。(7)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量胶料，至于双层PET薄膜间，再整体移入模具，在180℃、10MPa的条件下热压5min。待试样完全冷却后取出试样。(8)得到质量分数为1wt％的EPDM/CB复合材料。
2、附图3可以看到所有EPDM复合材料的电导电流均大于低密度聚乙烯(LDPE)，而且1wt％CB掺杂的EPDM电流值比另外几组EPDM低。因为纳米炭黑掺杂引入的界面效应产生了局部陷阱，有效降低了载流子密度和迁移率，同时纳米粒子的加入也缩短了载流子平均自由行程，最终降低了复合材料的电导率。
3、15kV/mm直流电场下不同浓度CB掺杂的EPDM/LDPE极化过程中空间电荷分布情况。附图4(a)显示，未掺杂的EPDM/LDPE界面处积累了大量空间电荷，当极化时间达到1800s时，最大电荷密度达到了1.75C/m3，附图4(b)显示1wt％CB掺杂能够有效地抑制界面电荷积累，最大电荷密度已经降至0.6C/m3。

Claims (2)

1.一种基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法，其特征是，通过纳米掺杂技术，将直流电缆附件乙丙橡胶EPDM绝缘材料与纳米炭黑CB物理共混，热压成型，利用纳米颗粒的界面效应降低复合材料载流子迁移率，提升复合绝缘体系匹配度。
2.如权利要求1所述的基于纳米掺杂的高压直流电缆附件绝缘匹配提升方法，其特征是，在一个实例中：
(1)将EPDM胶粒和填料置于60℃的烘箱处理12小时，以去除颗粒中的水分；
(2)将双辊开炼机辊筒预热，保持辊筒温度约为160℃，调整双棍的距离为最小2mm；
(3)将EPDM放入双棍之间预热10分钟，使其充分熔融粘棍；
(4)将双辊机前后辊筒转速比设定为1:1.27，调节前辊转速为20转/分钟，混炼5分钟；
(5)逐渐调节双棍间距至5mm，将转速调至30转/分钟，混炼5分钟，称取1.0wt％双2,5硫化剂加入到混炼机中，使其在EPDM中能够均匀分散，继续混炼10分钟，得到未硫化胶料；
(7)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量胶料，至于双层PET薄膜间，再整体移入模具，在180℃、10MPa的条件下热压5分钟，待试样完全冷却后取出试样；
(8)得到质量分数为0、0.5、1、3和5wt％的EPDM/CB复合材料，质量分数cwt＝mcb/mepdm。
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