CN109942933A - 一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料及其制备方法 - Google Patents

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李维康
张翀
闫轰达
李文鹏
陈新
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State Grid Corp of China SGCC
Global Energy Interconnection Research Institute
Yantai Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
Global Energy Interconnection Research Institute
Yantai Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提出了一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料，重量配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 95‑102份、乙烯丙烯酸共聚物1‑6份、抗氧剂0.05‑0.35份和交联剂1.5‑3.0份，本发明制备的绝缘材料在直流场下有效控制了空间电荷的积聚，本发明提供的制备方法加工性良好，提高了生产效率，可广泛用于直流电缆绝缘料的制备。

Description

一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高压直流电缆绝缘料及其制备方法，具体涉及一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料及其制备方法。
背景技术
目前高压直流输电技术是实现电力能源大规模远距离传输和新能源消纳的最佳选择，直流电缆系统成为构建直流电网的物理基础和关键设备。与交流输电系统相比，高压直流输电系统具有线路成本低、无需无功补偿等优点，能很好地解决新能源发电系统与交流主干网互联的问题。近年来交联聚乙烯挤塑电缆由于其输电容量大、重量轻、结构简单、安装维护方便等优点，是未来直流电缆的重点发展方向。然而在直流电缆输电系统中，绝缘介质在直流电场的长期运行下，电荷会由电极向绝缘介质内部注入，并在绝缘介质内部及界面产生积聚。一方面，空间电荷的积聚容易造成绝缘介质内局部电场的升高，从而引发局部放电现象，导致交联聚乙烯分子链的断裂和自由基的形成，加速其老化过程，影响绝缘材料的击穿强度；另一方面，随着击穿强度的下降，空间电荷的产生进一步诱发形成放电通道，在固体绝缘材料内极易引发电树枝放电而导致绝缘介质的击穿。
因此，对于高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料，如何抑制空间电荷问题是已成为直流电缆发展的技术难题。现有技术采用纳米掺杂技术抑制空间电荷的产生和积聚引起了广泛关注。但是纳米粒子极易发生团聚，团聚粉体的加入会在绝缘材料中重新带来新的杂质。此外，纳米改性绝缘体系的长期稳定生产加工也是制约其发展的一个重要因素。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有空间电荷抑制效应的直流电缆绝缘料及其制备方法，该绝缘料在直流场下能有效控制空间电荷的积聚，可用作高压直流电缆绝缘料。
本发明提供的技术方案如下：
一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料，所述绝缘料按重量份计的配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 95-102份、乙烯丙烯酸共聚物1-6份、抗氧剂0.05-0.35份和交联剂1.5-3.0份。
进一步的，所述配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 95-99份、乙烯丙烯酸共聚物1-5份、抗氧剂份0.15-0.35份和交联剂1.5-2.5份。
进一步的，所述配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 97-99份、乙烯丙烯酸共聚物1-3份、抗氧剂份0.15-0.25份和交联剂1.5-1.8份。
进一步的，所述直流电缆用低密度聚乙烯的密度：0.92-0.93g/cm3、分子量分布范围：5.5-6.5、熔点：108-110℃、熔融指数：1.9-2.1g/min。
进一步的，所述乙烯丙烯酸共聚物为熔点90-100℃、丙烯酸丁酯含量16％-30％的乙烯丙烯酸丁酯，
进一步的，所述抗氧剂为熔点161-164℃、灰分含量小于0.05％的硫代双酚类化合物，所述交联剂为熔点41-42℃、相对密度1.08-1.09g/cm3和纯度大于99.9％的过氧化物类化合物。
进一步的，所述抗氧剂为4,4'-硫代双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)或抗氧剂300，所述交联剂为过氧化二异丙苯或DCP。
进一步的，所述绝缘料的制备方法包括：
(1)在125-130℃下熔融混炼原料12-15min；
(2)将步骤(1)所得物料在150-165℃，螺杆转速200-250r/min下经500目筛网熔融挤出；
(3)在步骤(2)所得物料中掺入交联剂，在70-80℃温度下保温至完全吸收；
(4)将步骤(3)所得物料冷却至室温得绝缘料。
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：
(1)本发明提供的一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料，通过引入极性基团有效改善了绝缘介质在直流场下的空间电荷问题，绝缘料在30kV/mm直流场强下加压20min，电极附近及材料内部均未出现空间电荷积聚，其对空间电荷的产生和积聚抑制效果显著；
(2)本发明提供的一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料的技术方案采用乙烯丙烯酸共聚物对低密度聚乙烯树脂共混改性，与纳米改性技术相比，避免了纳米材料的团聚现象，具有良好的加工工艺特性，有利于长期开机生产。
附图说明
图1：实施例1中的绝缘材料在30kV/mm直流场下的空间电荷分布图；
图2：实施例2中的绝缘材料在30kV/mm直流场下的空间电荷分布图；
图3：实施例3中的绝缘材料在30kV/mm直流场下的空间电荷分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的技术方案作清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部。
测试方法：
将本发明制备的预交联料用平板硫化机热压成型：首先130℃下10MPa预压5分钟，然后180℃ 15MPa条件下加压交联15分钟后降温冷却至室温，制得半径为15mm、厚度为0.2mm的圆形薄片试样。所得XLPE试样80℃下脱气2小时处理后，进行不同温度下直流击穿场强和电阻率测试。
采用电声脉冲法(Pulsedelectro-acoustic method，PEA)测量试样的空间电荷。测试用上电极为半导电聚合物电极，下电极为铝电极，测试包括参考波形和加压测试两个阶段。室温环境下，施加30kV/mm的电场强度，并持续加压20min，记录试样的空间电荷分布情况。采集测试波形后，用恢复软件对数据进行处理。
实施例1
按照重量比99:1:0.2将所述低密度聚乙烯、乙烯丙烯酸共聚物和抗氧剂加入在密炼机中，在130℃条件下熔融混炼15min，所得物料进入单螺杆挤出机熔融挤出，挤出温度为160℃，螺杆转速为220r/min，熔融物料经过500目筛网过滤后由模头挤出，冷却造粒；然后采用后吸收工艺技术，将按照一定比例100:1.6过氧化物交联剂与所得物料粒子在80℃温度下进行混合吸收，保温至交联剂完全吸收后冷却至室温，制备预交联绝缘料。
实施例2
按照重量比98:2:0.15将所述低密度聚乙烯、乙烯丙烯酸共聚物和抗氧剂加入在密炼机中，在125℃条件下熔融混炼14min，所得物料进入单螺杆挤出机熔融挤出，挤出温度为165℃，螺杆转速为200r/min，熔融物料经过500目筛网过滤后由模头挤出，冷却造粒；然后采用后吸收工艺技术，将按照一定比例100:1.8过氧化物交联剂与所得物料粒子在70℃温度下进行混合吸收，保温至交联剂完全吸收后冷却至室温，制备预交联绝缘料。
实施例3
按照重量比97:3:0.25将所述低密度聚乙烯、乙烯丙烯酸共聚物和抗氧剂加入在密炼机中，在120℃条件下熔融混炼15min，所得物料进入单螺杆挤出机熔融挤出，挤出温度为160℃，螺杆转速为250r/min，熔融物料经过500目筛网过滤后由模头挤出，冷却造粒；然后采用后吸收工艺技术，将按照一定比例100:1.7过氧化物交联剂与所得物料粒子在75℃温度下进行混合吸收，保温至交联剂完全吸收后冷却至室温，制备预交联绝缘料。
图1-图3为本发明实施例在30kV/mm直流场下的空间电荷分布图，从图中可以看出，在绝缘料中空间电荷分布均匀，波动很小，表明加入乙烯丙烯酸共聚物可有效抑制绝缘材料的空间电荷产生和积聚。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抑制空间电荷的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述绝缘料按重量份计的配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 95-102份、乙烯丙烯酸共聚物1-6份、抗氧剂0.05-0.35份和交联剂1.5-3.0份。
2.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 95-99份、乙烯丙烯酸共聚物1-5份、抗氧剂份0.15-0.35份和交联剂1.5-2.5份。
3.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述配比如下：直流电缆用低密度聚乙烯LDPE 97-99份、乙烯丙烯酸共聚物1-3份、抗氧剂份0.15-0.25份和交联剂1.5-1.8份。
4.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述直流电缆用低密度聚乙烯的密度：0.92-0.93g/cm3、分子量分布范围：5.5-6.5、熔点：108-110℃、熔融指数：1.9-2.1g/min。
5.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述乙烯丙烯酸共聚物为熔点90-100℃、丙烯酸丁酯含量16％-30％的乙烯丙烯酸丁酯。
6.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述抗氧剂为熔点161-164℃、灰分含量小于0.05％的硫代双酚类化合物，所述交联剂为熔点41-42℃、相对密度1.08-1.09g/cm3和纯度大于99.9％的过氧化物类化合物。
7.如权利要求1所述的直流电缆绝缘料，其特征在于，所述抗氧剂为4,4'-硫代双(3-甲基-6-叔丁基苯酚)或抗氧剂300，所述交联剂为过氧化二异丙苯或DCP。
8.如权利要求1-3所述的任一直流电缆绝缘料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在125-130℃下熔融混炼原料12-15min；
(2)将步骤(1)所得物料在150-165℃，螺杆转速200-250r/min下经500目筛网熔融挤出；
(3)在步骤(2)所得物料中掺入交联剂，在70-80℃温度下保温24小时；
(4)将步骤(3)所得物料冷却至室温得绝缘料。
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