CN107622836A - 高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制材料及抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力传输、绝缘失效技术领域，为解决绝缘失效问题，使电力传输安全、高效，为此，本发明采用的技术方案是，高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制材料及抑制方法，选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆附件。本发明主要应用于设计制造场合。

Description

高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制材料及抑制方法

技术领域

本发明涉及电力传输、绝缘失效技术领域，具体讲,涉及高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法。

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

场梯度或应力控制通常是指降低电力设备中的电场集中程度。一些材料的电导率和(或)极化率可以随外施电场的变化而呈现非线性变化，这类材料被称为非线性材料或者场梯度材料(Field Gradient Material，FGM)。随着电力设备容量的不断增大和电压等级的不断升高，非线性材料在提高产品竞争力、实用性和效率方面显示比较大的优势。理想的直流下场梯度材料的非线性电导特性具有如下特点，即在较低电场下具有较小的电导，以降低正常运行时的损耗；在电场畸变的时刻或者区域呈现较高的电导，以达到均化电场的目的。

因此，需要从非线性电导材料对电极-介质界面电场和不同介质界面势垒的影响角度出发开展界面电荷抑制方法的研究。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决绝缘失效问题，使电力传输安全、高效，为此，本发明采用的技术方案是，高压直流电缆附件三元乙丙橡胶绝缘界面电荷抑制材料，选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆附件。

选取平均粒径为0.45μm的α晶型SiC作为填料，采用物理共混和热压成型的方法得到体积分数分别为0，3，12和24vol％的EPDM/SiC复合材料。

高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法，具体步骤是：

1)选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆；

2)利用三电极法测量三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料和电缆主绝缘低密度聚乙烯LDPE材料电导电流，分析其绝缘匹配程度；

3)采用电声脉冲法PEA法测量15和30kV/mm直流电场下三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料的界面空间电荷极化过程。

(1)将EPDM胶粒和0.45μm的α晶型SiC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℃；(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍，混炼10min；(4)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；(5)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量未硫化胶料，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；(6)得到体积分数为24vol％的EPDM/SiC复合材料。

本发明的特点及有益效果是：

①、能够均化复合绝缘系统的电场分布情况。

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EPDM复合材料制备的工艺流程图和断面微观形貌；

图2是本发明中EPDM复合材料和LDPE电导随电场强度的变化关系；

图3是本发明中30kV/mm下极化过程SiC填充的EPDM/LDPE空间电荷分布情况；

图4是本发明中30kV/mm下极化过程SiC填充的EPDM/LDPE电场分布情况。

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、SiC在压敏陶瓷领域得到了广泛的应用，具有较宽的禁带和化学稳定性，因此本章选取平均粒径为0.45μm的α晶型SiC作为填料，采用物理共混和热压成型的方法得到体积分数分别为0，3，12和24vol％的EPDM/SiC复合材料。

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法测量15和30kV/mm直流电场下EPDM/LDPE的界面空间电荷极化过程。

1、(1)按照附图1(a)EPDM/SiC复合材料制备工艺流程图，将EPDM胶粒和0.45μm的α晶型SiC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℃。(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍，混炼10min。(4)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。(5)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量未硫化胶料，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。(6)得到体积分数分别为0，3，12和24vol％的EPDM/SiC复合材料，SiC填料分散如附图1(b)所示，在EPDM基体中分散均匀。

2、附图2可以看出，随着SiC含量的增加，非线性阈值电场逐渐减小，非线性系数逐渐增大。当SiC体积分数为24vol％时，试样的阈值电场为7.1kV/mm，要小于其他试样的阈值电场。

3、附图3可以看出，对于纯EPDM试样，阳极注入的同极性电荷在界面处积累，界面电荷密度随着极化时间而快速上升，在30min时达到了5.7C/m³，对于24vol％SiC填充的EPDM试样，在加压的初始阶段，界面处没有积累明显的空间电荷，在30min内达到饱和，界面电荷密度为2.2C/m³，电荷密度相比大大降低，附图4则表明大量的界面电荷积累使LDPE和EPDM内的电场畸变严重，可以看到电场在界面处急剧升高；而经过24vol％SiC填充后，极化30min时界面电荷积累达到稳定值，此时界面电荷积累量较小，复合绝缘系统电场分布相对比较均匀。

SiC填充引入了大量的填料-界面-基体等重复单元，单元内的局部界面势垒将影响聚合物复合材料的陷阱能级分布，因此非线性电导特性对界面电荷调控需要考虑局部界面势垒叠加后双层介质的界面势垒对空间电荷注入和界面电荷积累的作用。

Claims (4)

1.一种高压直流电缆附件三元乙丙橡胶绝缘界面电荷抑制材料，其特征是，选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆附件。

2.如权利要求1所述的高压直流电缆附件三元乙丙橡胶绝缘界面电荷抑制材料，其特征是，选取平均粒径为0.45μm的α晶型SiC作为填料，采用物理共混和热压成型的方法得到体积分数分别为0，3，12和24vol％的EPDM/SiC复合材料。

3.一种高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法，其特征是，具体步骤是：

1)选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆；

2)利用三电极法测量三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料和电缆主绝缘低密度聚乙烯LDPE材料电导电流，分析其绝缘匹配程度；

3)采用电声脉冲法PEA法测量15和30kV/mm直流电场下三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料的界面空间电荷极化过程。

4.如权利要求3所述的高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法，其特征是，在一个实例中：

(1)将EPDM胶粒和0.45μm的α晶型SiC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℃；(3)将EPDM放入双棍之间预热10min，使其充分熔融粘棍，混炼10min；(4)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；(5)将平板硫化机中的模具预热至180℃，称取适量未硫化胶料，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；(6)得到体积分数为24vol％的EPDM/SiC复合材料。