CN109411125A - 一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法。属于高电压绝缘技术领域，所要解决的问题是：提供一种能够有效抑制绝缘结构中电场畸变，均化电场分布的方法。本方法的工作原理是：在聚合物绝缘中少量添加具有苯环和醚键官能团的低分子聚合物或非自由基清除剂类电压稳定剂，可提高复合材料的场致增强型非线性电导及极化率，在不均匀电场的电场梯度力驱动下，极性分子发生迁移形成自适应梯度分布，使得高电场区电导和极化率上升，从而降低高电场区的电场强度。本发明在绝缘体系中所添加的调控剂来源广泛、经济易得、与聚合物基体有良好的相容性，且对任何因素引起的电场畸变均有均化效果，具备良好的自适应调控电场能力。

Description

一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法
技术领域
本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法。
背景技术
电力设备中绝缘结构是其最薄弱的环节，绝缘结构的可靠性决定着电力设备的安全稳定运行。绝缘结构中电场分布畸变导致局部电场强度远高于平均设计场强，而局部电场过高会引起局部放电，长期局部放电将严重侵蚀绝缘材料使其绝缘性能下降。随着电力设备运行电压等级的不断提高，如何改善电气绝缘结构中电场畸变的问题尤为突出，电场分布畸变问题甚至已成为制约电力设备向更高电压等级发展的瓶颈。
导致绝缘结构中电场畸变的主要因素有：电极结构、绝缘缺陷、空间电荷和温度梯度等。现有解决电场畸变的技术途径往往是针对某一具体因素而采取的具体措施。
针对电极结构引起的电场畸变，人们采取电极结构的优化设计来均化电场分布，如适当增加电极结构的曲率半径和采用均压罩的设计等措施，然而采用电极结构优化并不适用于所有的设备结构，如在同轴电缆的电极结构中，其本身的同轴结构是固定的，不可能通过增加内导体半径来降低内导体表面的电场，故无法对其电极结构进行调整。此外，在电极结构优化的基础上，也可以对其绝缘结构进行优化设计，如采用分阶绝缘，对于油纸绝缘分层绕包的情况，可将高密度、高介电常数的油纸绕包在靠近导体线芯处，密度和介电常数呈梯度式递减分布，形成所谓的分阶绝缘，以达到均化电场的目的。
针对绝缘缺陷引起的电场畸变，由于绝缘缺陷主要是因电极表面的尖角毛刺、绝缘体内的气泡和杂质，尤其是导电性杂质引起的。一般采用通过改善生产工艺来有效地减少绝缘缺陷的存在，如采用超净料来减少缺陷、高温高压的交联工艺（或高度真空、充分干燥）来消除气泡的产生等。但目前高压和超高压直流电缆绝缘料只有日本和少数西欧国家能生产，形成了技术壁垒。国内生产的产品也基本采用进口绝缘材料，未能实现绝缘材料的国产化。
对于直流绝缘而言，除了考虑电极结构和绝缘缺陷的因素外，空间电荷和温度梯度才是导致直流绝缘电场畸变的主要原因。
针对空间电荷引起的电场畸变，人们在空间电荷的产生机理和抑制方法上开展了长时间的深入研究，如纳米改性技术的应用，使得空间电荷得到了有效地抑制，同时还获得了电导的低温度依赖特性和高电场强度依赖特性，但由于其工程实现难度大，导致了制造成本的大幅提高，而且纳米复合技术可能存在无机填料团聚现象，因而纳米复合技术在实际绝缘中得到实质应用还有待进一步地研究。正是由于空间电荷产生机理的复杂性，使得人们到目前为止还没有真正找到能够抑制空间电荷产生的具体有效措施。
针对温度梯度引起的电场畸变，人们主要研究的是如何降低绝缘体系的电导活化能，获得电导率和温度梯度的低依赖系数。如纳米改性技术、有机材料的填充等均有效地降低其电导率对温度的依赖关系。
以上所有的技术，虽然在一定程度上都缓解了电场分布的畸变，但并不能从根本上彻底解决问题而实现电场的均匀分布。
发明内容
针对上述问题的局限性，本发明提供一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法，应用一类有机电场分布调控剂在电场梯度力驱动下迁移形成的类似分阶绝缘的自适应梯度分布，要解决的技术问题是提供一种能够自适应调控电场分布的方法。
本发明的技术要点之一是，所添加的电场分布调控剂是具有苯环和醚键官能团的低分子聚合物，或非自由基清除剂类聚合物电压稳定剂等，将该低分子聚合物称为电场分布调控剂。
本发明的技术要点之二是，电场分布调控剂被引入后，材料被赋予场致增强型非线性电导特性，且随浓度增加而增加。在直流电场下，电场强度和电导率成反比例分布，随着电导率的上升，电场强度得到下降。
本发明的技术要点之三是，电场分布调控剂为极性低分子聚合物，具有高介电常数，在不均匀电场形成的电场梯度力驱动下，极性分子由低场强区迁移至高场强区，形成了自适应梯度分布。
本发明的技术要点之四是，当绝缘厚度较薄时，可直接在外屏内添加电场分布调控剂，通过扩散迁移至绝缘内；当绝缘厚度较厚时，可在绝缘和外屏内均添加电场分布调控剂，以达到更佳的调控效果。
为更加详细地阐释以上本发明的技术要点，通过说明书附图1做进一步阐述：以高压直流电缆为例，在确定温度分布的情况下，电缆绝缘中电导率和电场强度沿半径方向的空间分布，图1（a）是采用了传统的聚合物绝缘，其具有高温度依赖和低电场依赖电导特性，绝缘内部电场分布发生了严重“翻转”；图1（b）是采用了纳米改性技术，降低了绝缘体系电导的温度依赖系数和提高了电导的电场强度依赖系数，电场分布“翻转”现象得到了大幅度改善；图1（c）是在绝缘和外半导电屏蔽中均添加了适当浓度的有机电场分布调控剂，经加工热扩散作用后，在绝缘中形成外高内低的浓度梯度分布，由于热扩散过程没有电场因素参与，对应梯度分布并不是理想的梯度分布，因此形成两边低中间高的电场分布；图1（d）是采用了本发明的方法，在图1（c）的基础上通过电缆运行初期的电场梯度力作用使得电场分布调控剂进一步从外半导电屏蔽层中向绝缘层中迁移，同时也使得绝缘体内的电场分布调控剂在空间中重新分布，在聚合物绝缘基体中以适当的浓度添加电场分布调控剂后提高了复合材料的场致增强型非线性电导及极化率，在不均匀电场形成的电场梯度力驱动下，极性低分子发生迁移形成了调控剂的自适应梯度分布，由于在这个过程中电场梯度力是导致调控剂重新分布的原驱动力，是一个完全自适应调控过程，使得高电场区域的电导率和极化率上升，从而降低了高电场区的电场强度，最终在稳态条件下得到了均匀分布的电场。
根据本发明的一种基于一类有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法，需要注意的是，所述有机电场分布调控剂在聚合物绝缘中的填充浓度一般限制在3%以下，以防止聚合物绝缘结构整体电导太高而发热影响介电强度。
本发明的优点在于：1）所述聚合物绝缘包括聚烯烃塑料绝缘体系、环氧树脂绝缘体系和橡胶绝缘体系；2）所述方法对因电极结构、绝缘缺陷、空间电荷和温度梯度等引起的绝缘结构中的电场畸变均有抑制效果；3）所述电场分布调控剂与聚合物绝缘基体有很好的相容性，不会给材料的交联和老化过程带来负面效应，同时能够很好地避免因团聚堵塞挤出机过滤网的问题，可满足大长度电缆制造工艺的要求； 4）所选电场分布调控剂来源广泛，经济易得，生产制造成本得到大大降低，易于实现工业化生产，具有很高的工程实用价值。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为基于电场分布调控剂扩散迁移技术的高压直流电缆绝缘稳态电场分布自适应调控新技术的工作原理图。
图2为空间电荷测试实验中纯聚乙烯试样内部最大实测电场和加压时间的关系图。
图3为空间电荷测试实验中添加电场分布调控剂聚环氧乙烷醚后试样内部最大实测电场和加压时间的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过具体实施方式对本发明作进一步阐释。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
实施例
1. 本发明中实验所选用的电场分布调控剂为极性低分子聚合物，具有临位酚羟基的聚环氧乙烷醚，其分子式为C8H17-C6H4-O-(CH2-CH2O)50-H。
2. 将聚环氧乙烷醚按质量分数2%的比例与低密度聚乙烯（LDPE）在密式混炼机中混炼均匀，得到未成型试样，取出后，按模具大小剪取适量试样，将其放置在平板硫化机中，升温至110℃，在此温度下按照5MPa、10MPa、15MPa逐级升压，每次加压停留5min，最后置于平板水冷机中加压冷却至室温，得到实验所需的无交联片状聚乙烯绝缘试样。
3. 对步骤2中的片状绝缘试样进行真空镀膜，所镀电极为铝电极。将镀膜后的试样放入空间电荷测试电极系统中，采用电声脉冲法（PEA）对试样进行空间电荷测试，运行测试系统，施加场强为50kV/mm，测试时间为12个小时。测试完毕后，整理数据，数据取样间隔为5min，测得添加聚环氧乙烷醚的聚乙烯绝缘在场强50kV/mm的条件下，内部电场畸变所达到的最大电场强度为68.6kV/mm。添加聚环氧乙烷醚的聚乙烯试样，其最大实测电场和加压时间的关系请见图3。
4. 纯聚乙烯绝缘试样的制备同实施例2，空间电荷测试方法及内容同实施例3，测得该纯聚乙烯绝缘在场强50kV/mm的条件下，电场畸变所达到的最大电场强度为90kV/mm。纯聚乙烯试样最大实测电场和加压时间的关系请见图2。
纯聚乙烯绝缘在高电场作用下，随着时间的推移，绝缘内部的空间电荷逐渐累积，电场畸变严重，测试完毕时最大实测电场达到90kV/mm，电场畸变率高达180%；而添加聚环氧乙烷醚的聚乙烯绝缘在同样高电场作用下，随着时间的推移，绝缘内部的空间电荷得到了明显的抑制，测试完毕时最大实测电场为68.6kV/mm，电场畸变率仅为137.2%，相比纯聚乙烯，畸变率降低了42.8%。

Claims (6)

1.一种基于有机电场分布调控剂迁移的自适应调控电场方法，其特征在于：所述添加的有机电场分布调控剂是具有苯环和醚键官能团的低分子聚合物或非自由基清除剂类聚合物电压稳定剂，该低分子聚合物称为电场分布调控剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电场分布调控剂被引入后，材料被赋予场致增强型非线性电导特性，且随浓度增加而增加；在直流电场下，电场强度和电导率成反比例分布，随着电导率的上升，电场强度得到下降。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电场分布调控剂为极性低分子聚合物，具有高介电常数，在不均匀电场形成的电场梯度力驱动下，极性分子由低场强区迁移至高场强区，形成了自适应梯度分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当绝缘厚度较薄时，可直接在外屏内添加有机电场分布调控剂，通过扩散迁移至绝缘内；当绝缘厚度较厚时，可在绝缘和外屏内均添加有机电场分布调控剂，以达到更佳的调控效果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：有机电场分布调控剂在聚合物绝缘中的填充浓度一般限制在3%以下，以防止聚合物绝缘结构整体电导太高而发热影响介电强度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：聚合物绝缘包括聚烯烃塑料绝缘体系、环氧树脂绝缘体系和橡胶绝缘体系。
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