CN109841347B - 一种耐老化电力电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐老化电力电缆，包括导体，所述的导体外侧包裹有导体屏蔽层，所述的导体屏蔽层外侧包裹有绝缘橡胶层，所述的绝缘橡胶层外侧为绕包层，绕包层外侧为橡胶保护层，所述橡胶保护层表面涂覆防虫剂，所述的导体屏蔽层为石墨烯屏蔽材料。该电力电缆具有很好的耐老化效果，可以适应各种极端环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电缆，具体涉及一种耐老化电力电缆。
背景技术
随着我国城市化与现代化的加速进行，国内的电力系统也在不断地被完善。各种大型的水力发电站、大型集约型发展的煤、水力、核能、可再生新能源发电站等都在纷纷的建设当中。这就导致交联聚乙烯绝缘中高压电力电缆的需求量逐年升高。IEC 502规定，额定电压在1.8/3.0kV以上以及用聚氯乙烯、乙丙橡胶绝缘，额定电压在3.6/6.0kV以上的电缆，必须使用内、外半导电屏蔽层。
近年来，我国一直在致力于提升半导电屏蔽层的质量水平，缩小与国外先进水平的差距。限制中高压电力电缆用半导电屏蔽料国产化的主要原因是缺少性能优异的专用树脂以及制备超纯材料的技术还不成熟。由于中高压电力电缆绝缘层内的电场强度非常大，任何半导电屏蔽层上的微小缺陷都可能导致严重的电场变形，发生局部放电，最终引发电树枝的现象。因此，中高压电力电缆所使用的半导电屏蔽层要求具有光滑度很高的挤出表面。
国外从上个世纪五十年代便开始了对半导电屏蔽料的研究与开发。到了六十年代，乙烯-醋酸乙烯共聚物等聚合物的商品化加速了人们对电缆屏蔽料的研发。七十年代后，国外己研发出具有实际应用价值的半导电屏蔽料并成功的投入了使用。然而，我国对于半导电屏蔽料的研究开始于上个世纪末，相比发达国家来说起步较晚。所用电缆原材料如EVA、高纯聚乙烯等多依赖于进口，国内生产的导电炭黑也与国外有着较大差距。这就导致了国内生产的屏蔽料在电性能方面有着严重的缺陷，相比国外的产品，屏蔽层表面有更多的凸起或毛刺，不够平整。
中国国家行业标准规定，超过5kv的高压电缆被要求使用屏蔽层。屏蔽层的基本功能是将电场限制在电缆中使其与外部电场隔离，并在绝缘层内得到均匀的电场分布。同时，屏蔽层也为绝缘层与导体提供了一层光滑、连续、导电、等电位的界面。电缆屏蔽层分为导体屏蔽(内屏蔽)与绝缘屏蔽(外屏蔽)。
半导电屏蔽料是填充了一定含量导电填料后达到一定电导率的高分子复合材料，主要由基体树脂、导电填料和其他助剂加工而成。基料是在加入了大量的导电填料后仍然能维持优良的挤出性能的聚合物材料。同时，根据电缆的三层共挤工艺，屏蔽料基料与绝缘材料在相近的加工条件下应有相似的耐热等级与交联速度。国外已经商品化的屏蔽料基料有乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)与低密度聚乙烯共聚物(LDPE)等。
国外在二十世纪五十年代便开始了半导电屏蔽料的研究开发。到了六十年代，随着EVA与EEA的商品化，迎来了屏蔽料研发的热潮。到了七十年代的时候，美国、欧洲和日本就已经有了半导电屏蔽料面市。然而我国在这方面研究相比发达国家起步较晚，目前国内使用的半导电屏蔽料大多还依靠进口。
近年来，国内研究人员也对电缆屏蔽料进行了研究。1996年，伍佩芳等对电缆用半导电屏蔽材料的选择进行了综述，在原材料方面总结出了国外半导电屏蔽材料常用的基料、导电填料、抗氧剂、交联剂和加工助剂。为国内屏蔽料的生产提供了指导性的方向。
2010年，国网电力研究院的阎孟昆分别对进口与国产两种不同的屏蔽材料进行抗水树枝能力进行试验，并建立了一套完整的评价体系。该体系在一定实验条件下，对电缆样品进行了两周的负荷循环、四个月的加速老化实验、六个月的加速老化实验和12个月的加速老化实验和18个月的加速老化实验。随后，对老化前后的电缆样品进行了逐级工频击穿，并对击穿后的样品进行水树枝形态的检测。结果发现采用国产屏蔽层的交联聚乙烯电缆，其工频击穿特性远远弱与采用进口屏蔽层的交联聚乙烯绝缘电缆。
中国专利CN 201710230310.6公开了一种电力电缆，包括导体，所述的导体外侧包裹有导体屏蔽层，所述的导体屏蔽层外侧包裹有绝缘橡胶层，所述的绝缘橡胶层外侧为绕包层，绕包层外侧为橡胶保护层，所述的导体屏蔽层为纳米复合石墨烯屏蔽材料。该专利的主要特点为添加纳米复合石墨烯屏蔽材料的合成方法应用于电力电缆，该工艺操作简单，原料相对容易获取，通过加入纳米复合石墨烯使其在高温下具有更好的热稳定性、更低的吸湿性和有利于改善生产的低粘度，提高屏蔽材料的击穿强度。
然而，通过实验可以发现，中国专利CN 201710230310.6制备得到的石墨烯无法在聚合物基体中均匀的分散，且石墨烯与聚合物基体的相容性非常差，进而导致该方法制备得到的电缆无法具备更优的抗击穿效果，阻碍了电缆的应用范围。
此外，电缆的防虫效果也是决定电缆耐老化的性质之一，因此，为了提高电缆耐老化的效果也应该提高电缆的防虫效果。
因此，如何(1)进一步利用石墨烯屏蔽材料来提高电力电缆的抗击穿效果以及(2)提高电缆的防虫效果，进而提高电缆的耐老化效果是本领域需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中电缆屏蔽材料中石墨烯无法在聚合物基体中均匀的分散且石墨烯与聚合物基体的相容性非常差进而影响电缆的抗击穿效果，以及电缆的防虫效果不佳的技术问题，本发明提出了如下技术方案：
一种耐老化电力电缆，包括导体，所述的导体外侧包裹有导体屏蔽层，所述的导体屏蔽层外侧包裹有绝缘橡胶层，所述的绝缘橡胶层外侧为绕包层，绕包层外侧为橡胶保护层，所述橡胶保护层表面涂覆防虫剂；
所述的导体屏蔽层为石墨烯屏蔽材料，所述防虫剂为正放线菌酮。
所述的绕包层与橡胶保护层之间具有防水层。
所述的导体为铜导体。
所述石墨烯屏蔽材料的制备过程包括如下步骤：
S1配置体积比为9：1的H2SO4/H3PO4混酸，将混酸加入到质量比为1:7的鳞片石墨/高锰酸钾的混合物中，放热至30-40℃；
S2加热至50℃并搅拌，将产物冷却至室温，倒入冰水，然后加入双氧水，观察到产物转化为深黄色；
S3静置，离心分离后分别用无水乙醇、盐酸与去离子水将产物洗涤至中性，真空烘干得到氧化石墨烯；
S4将氧化石墨烯并置于无水乙醇中，在超声分散后得到均匀的氧化石墨烯分散液；
S5向分散液中加入醋酸调节ph为3-4，缓慢添加改性剂I，待反应结束后离心分离，洗涤，烘干，得到改性氧化石墨烯；
S6将改性氧化石墨烯超声分散于醋酸中，加入HI，搅拌，离心分离，洗涤，烘干，即得到改性石墨烯；其中，所述HI与氧化石墨烯的比例为20ml：1g；
S7将乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于二甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液；
S8将改性石墨烯分散在二甲苯中超声处理得到改性石墨烯分散液；
S9把改性石墨烯分散液缓慢地加入到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液中，超声搅拌，放入烘箱内干燥，得到石墨烯屏蔽材料。
所述改性剂I的用量是氧化石墨烯质量的4倍，所述改性剂I的化学结构式如下：
本发明具有如下效果：
1、作为一种新型的、理想的纳米导电填料，石墨烯有着独特的单原子层二维结构和共扼碳网络结构，其具有特殊的大比表面积和高厚径比的几何特征，以及高的电子迁移率、机械弹性、优异的热学性能，将其作为屏蔽材料，可以提高屏蔽材料的抗击穿强度。
2、相比中国专利CN 201710230310.6，本发明更关注于石墨烯无法在聚合物基体中均匀的分散且石墨烯与聚合物基体的相容性非常差的技术问题，并通过对石墨烯进行改性处理，促进了石墨烯在聚合物基体中均匀的分散，并提高了石墨烯与聚合物基体的相容性，进而提高屏蔽材料的抗击穿强度。
3、创造性地使用改性剂I作为石墨烯的改性剂，其改性效果优于传统偶联剂(KH-550、KH-560、KH-570等)的改性效果，促进了石墨烯在聚合物基体中均匀的分散，并提高了石墨烯与聚合物基体的相容性，进而提高屏蔽材料的抗击穿强度。
4、在橡胶保护层表面涂覆防虫剂，可以避免电缆被虫鼠的破坏，进一步提高电缆的耐老化效果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和对比例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种耐老化电力电缆，包括导体，所述的导体外侧包裹有导体屏蔽层，所述的导体屏蔽层外侧包裹有绝缘橡胶层，所述的绝缘橡胶层外侧为绕包层，绕包层外侧为橡胶保护层，所述橡胶保护层表面涂覆防虫剂；所述的导体屏蔽层为石墨烯屏蔽材料，所述防虫剂为正放线菌酮。所述的绕包层与橡胶保护层之间具有防水层。所述的导体为铜导体。所述石墨烯屏蔽材料的制备过程包括如下步骤：
S1配置体积比为9：1的H2SO4/H3PO4混酸，将混酸加入到质量比为1:7的鳞片石墨/高锰酸钾的混合物中，放热至35℃；
S2加热至50℃并搅拌，将产物冷却至室温，倒入冰水，然后加入双氧水，观察到产物转化为深黄色；
S3静置，离心分离后分别用无水乙醇、盐酸与去离子水将产物洗涤至中性，真空烘干得到氧化石墨烯；
S4将氧化石墨烯并置于无水乙醇中，在超声分散后得到均匀的氧化石墨烯分散液；
S5向分散液中加入醋酸调节ph为3.5，缓慢添加改性剂I，待反应结束后离心分离，洗涤，烘干，得到改性氧化石墨烯；
S6将改性氧化石墨烯超声分散于醋酸中，加入HI，搅拌，离心分离，洗涤，烘干，即得到改性石墨烯；其中，所述HI与氧化石墨烯的比例为20ml：1g；
S7将乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于二甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液；
S8将改性石墨烯分散在二甲苯中超声处理得到改性石墨烯分散液；
S9把改性石墨烯分散液缓慢地加入到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液中，超声搅拌，放入烘箱内干燥，得到石墨烯屏蔽材料。
所述改性剂I的用量是氧化石墨烯质量的4倍，所述改性剂I的化学结构式如下：
对比例1
将实施例1中改性剂I替换为KH570改性剂，其它工艺参数和工艺步骤与实施例1相同。
工频逐级击穿试验：
将实施例1、对比例1以及CN 201710230310.6中实施例1进行0d，150d加速老化后分别进行工频逐级击穿试验，工频逐级击穿试验结果Eb/(kv·mm-1)如下：
| 组别 | 0d | 150d |
| 实施例1 | 74.4 | 67.8 |
| 对比例1 | 65.5 | 58.7 |
| CN 201710230310.6中实施例1 | 56.0 | 50.4 |
由上述实验结果可知，(1)提高石墨烯在聚合物基体中的分散效果比使用复合石墨烯(即CN 201710230310.6)更有利于提高电缆的抗击穿效果；(2)使用改性剂I比现有的改性剂(KH-550、KH-560、KH-570等)更有利于提高石墨烯在聚合物基体中的分散效果。
此外，通过实验表明，在橡胶保护层表面涂覆防虫剂也可以进一步提高电缆的耐老化效果。
Claims (1)
1.一种耐老化电力电缆，其特征在于，包括导体，所述的导体外侧包裹有导体屏蔽层，所述的导体屏蔽层外侧包裹有绝缘橡胶层，所述的绝缘橡胶层外侧为绕包层，绕包层外侧为橡胶保护层，所述橡胶保护层表面涂覆防虫剂；
所述的导体屏蔽层为石墨烯屏蔽材料，所述防虫剂为正放线菌酮；
所述石墨烯屏蔽材料的制备过程包括如下步骤：
S1配置体积比为9：1的H2SO4/H3PO4混酸，将混酸加入到质量比为1:7的鳞片石墨/高锰酸钾的混合物中，放热至30-40℃；
S2 加热至50℃并搅拌，将产物冷却至室温，倒入冰水，然后加入双氧水，观察到产物转化为深黄色；
S3 静置，离心分离后分别用无水乙醇、盐酸与去离子水将产物洗涤至中性，真空烘干得到氧化石墨烯；
S4 将氧化石墨烯并置于无水乙醇中，在超声分散后得到均匀的氧化石墨烯分散液；
S5 向分散液中加入醋酸调节ph为3-4，缓慢添加改性剂I，待反应结束后离心分离，洗涤，烘干，得到改性氧化石墨烯；
S6 将改性氧化石墨烯超声分散于醋酸中，加入HI，搅拌，离心分离，洗涤，烘干，即得到改性石墨烯；其中，所述HI与氧化石墨烯的比例为20ml：1g；
S7 将乙烯-醋酸乙烯共聚物溶于二甲苯得到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液；
S8 将改性石墨烯分散在二甲苯中超声处理得到改性石墨烯分散液；
S9 把改性石墨烯分散液缓慢地加入到乙烯-醋酸乙烯共聚物溶液中，超声搅拌，放入烘箱内干燥，得到石墨烯屏蔽材料；
所述改性剂I的用量是氧化石墨烯质量的4倍，所述改性剂I的化学结构式如下：
所述的绕包层与橡胶保护层之间具有防水层；
所述的导体为铜导体。
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