CN108530726A - 一种低温度敏感性的绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温度敏感性的绝缘材料及其制备方法，该绝缘材料包括按质量份数计的如下组分：聚乙烯树脂100份；纳米氧化铝Al2O3粉体1.0‑3.0份、抗氧剂0.15‑0.25份，交联剂1.2‑1.4份和助交联剂0.4‑0.8份。本发明提供的绝缘材料，在高压直流场和温度场作用下，该纳米改性聚乙烯绝缘料的直流电导和击穿场强具有较低的温度敏感性，适用于高压直流电缆领域。

Description

一种低温度敏感性的绝缘材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘材料及其制备方法，具体涉及一种低温度敏感性的高压直流电缆用绝缘材料及其制备方法。
背景技术
随着直流输电技术的发展，交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆成为了直流电网输电系统的关键设备。XLPE直流电缆电压等级和输送功率的提高主要依赖于XLPE材料的绝缘性能。近年来，北欧化工和陶氏化学分别推出了新一代超纯净高压直流XLPE绝缘料，并用于500kV直流电缆的研制。
在负载运行过程中直流电缆的导体发热产生的热量向绝缘层扩散，导致绝缘层内外同时存在温度梯度和场强梯度。在温度梯度场下，XLPE绝缘材料的电阻率通常随温度的增加指数减小；绝缘电缆XLPE从内层到外层，温度逐渐降低，电阻率逐渐升高。因此，在XLPE绝缘层内外存在电导率梯度，绝缘层各处场强分布不均匀，绝缘外层的电场强度高于内层。这种电阻的负温度特性加剧了载流子从高温侧到低温侧的迁移，使得载流子积聚于低温侧，造成电缆绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变，使低温侧场强明显增强，在断电或极性反转时导致绝缘失效。电压极性反转前最大场强出现在低温侧，而电压反转过程中瞬间最大场强出现在高温侧。此外，绝缘介质的击穿特性也会受到温度效应的影响。通常随着温度的升高，材料的击穿场强将降低。
因此，随着电压等级和输送容量的提高，对高压直流电缆用绝缘介质的绝缘性能提出了更高的要求。需提供一种电导率和击穿场强对温度依赖低的绝缘电缆材料，进一步提高材料的绝缘性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在高压直流场和温度场下，直流电导和击穿场强具有较低的温度敏感性的高压直流电缆用绝缘材料。
为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：
一种低温度敏感性的绝缘材料，所述绝缘材料包括按质量份数计的如下组分：
聚乙烯树脂100份；
纳米氧化铝Al2O3粉体1.0-3.0份；
抗氧剂0.15-0.25份；
交联剂1.2-1.4份；
助交联剂0.4-0.8份。
优选的，所述聚乙烯树脂包括超净低密度聚乙烯。
优选的，所述超净低密度聚乙烯分子量为7～8、体积电阻率大于1×1016Ω·m。
优选的，所述纳米Al2O3粉体的表面经过硅烷偶联剂处理、粒径分布D50为100-300nm、纯度>99.9％。
优选的，所述抗氧剂包括纯度＞99.9％的4,4'-硫代双。
优选的，所述交联剂包括纯度＞99.95％的过氧化二异丙苯晶体。
优选的，所述助交联剂包括分析纯的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
一种绝缘材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)熔融混炼聚乙烯、纳米Al2O3和抗氧化剂的混合物；
(2)过滤熔融物料、造粒，经干燥过筛后得聚乙烯粒料；
(3)将得到的聚乙烯粒料、过氧化物交联剂和助交联剂在50～60℃的吸收装置内搅拌2～4h后保温18～36h，得聚乙烯绝缘料。
优选的，所述步骤(1)的熔融混炼包括在120～125℃的密炼机中混炼15～30min和在螺杆转速为150～230rpm/min、温度为100～165℃的塑化温度的双螺杆挤出机中的熔炼。
优选的，所述聚乙烯绝缘料的性能检测还包括：将所述聚乙烯绝缘料在130℃预压5分钟，180℃15MPa加压交联15分钟，15Mpa降温冷却5分钟，得到厚度0.2±0.02mm薄片试样。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的绝缘材料直流电导率和击穿场强对于温度的依赖性较低，直流电导-温度系数低于传统XLPE绝缘材料；耐温性较好，适用于高压直流电缆。
本发明提供的制备方法具有过程简单、价格低廉等特点，可在工业化生产中广泛应用。
具体实施方式
下面以具体实施例的形式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
一、绝缘材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述低密度聚乙烯、纳米Al2O3和抗氧剂按一定质量比加入密炼机，在120-125℃温度下熔融混炼20min；所得物料进入双螺杆挤出机，调整螺杆转速190rpm/min和各区塑化温度，继续对物料进行熔融混炼；
(2)熔融物料通过单螺杆挤出机经过300目滤网的过滤净化系统将熔融物料过滤杂质后，由模头挤出造粒，将粒料输送到料仓，通过风冷干燥和震动筛后得到聚乙烯粒料；
(3)所述过氧化物交联剂和助交联剂以及所得聚乙烯粒料加入到吸收装置，在70℃下均匀搅拌3小时保温24h，确保交联剂的完全吸收，得到预交联聚乙烯绝缘料。
各区塑化温度如表1所示：
表1
分区 一区 二区 三区 四区 五区
温度 100℃ 120℃ 130℃ 140℃ 140℃
分区 六区 七区 八区 九区 十区
温度 145℃ 150℃ 150℃ 165℃ 165℃
各实施例组分的组成按质量份数计如表2：
表2：
二、绝缘材料的性能测试：
将各实施例制备的聚乙烯绝缘粒料通过平板硫化机热压成型，制备流程为在130℃预压5分钟，180℃15MPa加压交联15分钟，15Mpa降温冷却5分钟，得到厚度0.2±0.02mm薄片试样，用以直流电导和击穿测试。
1、采用高压直流电源、恒温干燥箱和3电极测试系统测量材料的直流电导，准稳态电流采用Keithley 6517A电流计测量并配合数据记录软件。分别测试25℃、50℃和70℃三个温度和10、20、30、40和50kV/mm五个场强下材料的电导率，每个试样的采样时间为3600s。
测试结果如表3所示
表3不同温度和场强下绝缘材料的直流电导率
由上表可知，各实施例得到各实施例的直流电导-温度系数均低于传统XLPE绝缘料(>0.1)。
2、采用高压成套试验装置对绝缘材料进行直流击穿试验，选用直径为10mm的球-球电极。采用连续升压的方式，每种样品至少测量20个数据点。试样的击穿场强为击穿电压与试样厚度的比值，采用Weibull分布进行分析。用于进行威布尔分布统计分析。为防止沿面放电，试验过程中被测试样和电极均浸泡在变压器油中，测试结果见表4。
表4：不同温度下绝缘材料的击穿场强(Weibull特征值)
如上表所示，与传统XLPE相比，在高温下，该纳米改性绝缘材料的直流击穿场强数值较大，即随温度升高击穿场强降低的趋势较小。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述绝缘材料包括按质量份数计的如下组分：
聚乙烯树脂100份；
纳米氧化铝Al2O3粉体1.0-3.0份；
抗氧剂0.15-0.25份；
交联剂1.2-1.4份；
助交联剂0.4-0.8份。
2.根据权利要求1所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述聚乙烯树脂包括超净低密度聚乙烯。
3.根据权利要求2所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述超净低密度聚乙烯分子量为7～8、体积电阻率大于1×1016Ω·m。
4.根据权利要求2所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述纳米Al2O3粉体的表面经过硅烷偶联剂处理、粒径分布D50为100-300nm、纯度>99.9％。
5.根据权利要求1所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述抗氧剂包括纯度＞99.9％的4,4'-硫代双。
6.根据权利要求1所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述交联剂包括纯度＞99.95％的过氧化二异丙苯晶体。
7.根据权利要求1所述的一种低温度敏感性的绝缘材料，其特征在于，所述助交联剂包括分析纯的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
8.如权利要求1～7任一项所述绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)熔融混炼聚乙烯、纳米Al2O3和抗氧化剂的混合物；
(2)过滤熔融物料、造粒，经干燥过筛后得聚乙烯粒料；
(3)将得到的聚乙烯粒料、过氧化物交联剂和助交联剂在50～60℃的吸收装置内搅拌2～4h后保温18～36h，得聚乙烯绝缘料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的熔融混炼包括：
在120～125℃的密炼机中混炼15～30min；
在螺杆转速为150～230rpm/min、温度为100～165℃的塑化温度的双螺杆挤出机中的熔炼。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯绝缘料的性能检测还包括：将所述聚乙烯绝缘料在130℃预压5分钟，180℃ 15MPa加压交联15分钟，15Mpa降温冷却5分钟，得到厚度0.2±0.02mm薄片试样。
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