CN110752073B - 一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，属于修复材料技术领域。本发明将聚乙烯接枝马来酸酐作为原料，与EVA乳液进行共混改性，以纳米氧化锌插层有机蒙脱土作为填料，制备出的复合材料作为第一层和第三层，以聚乙烯接枝马来酸酐作为原料，结合填料制备的材料为中间材料，通过热压制备出一种具有三明治结构的电缆绝缘失效修复材料；蒙脱土可从抑制聚乙烯复合介质中空间电荷的注入，但是这种抑制作用随着蒙脱土含量的增加而递减；纳米氧化铝插层有机蒙脱土的引入，减少材料内部的空间电荷积累量，直流条件下，提高极性反转时材料的绝缘性能；一定程度降低掺杂材料的绝缘电阻，但能显著地提高其对温度的依赖性。

Description

一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，属于修复材料技术领域。
背景技术
电缆主要用于电力生产部门-传输部门-使用部门及装备间的电力输送，用来满足城市、重要工程、重要装备的用电需求。然而，电缆在电应力、热应力，机械应力以及环境应力（环境中的水、氧气、腐蚀性的酸性与碱性物质、盐类物质以及微生物等）的联合作用下，其绝缘会逐渐发生老化，导致绝缘自然失效，通过规划好更换周期，防止因失效而影响正常供电是基本科技目标。值得关注的是，电缆绝缘在偶然机械外力、特殊条件下发生的超常规失效，这类失效一旦发生如得不到及时修复，将造成电缆过早报废，造成不必要的经济损失；而避免这类失效、有效快捷修复这类失效问题，具有重要的科技与经济意义。
电缆绝缘的意外与特殊失效主要有水树缺陷失效、电树缺陷失效和机械缺陷失效。水树缺陷按照生成部位和发展方向不同，可分为三类：从靠近内部的导电层向外部发展的内导水树，从靠近外部的导电层向内发展的外导水树以及从绝缘层内部杂质或空隙缺陷部位朝内外两个相反方向发展的蝶形水树。
通过光学显微镜观察环氧树脂中水树生长的变化过程，表明水树生长主要经历了三个阶段：
（1）水分子渗入绝缘层非标准孔穴中。任何一种绝缘材料，无论其是否发生绝缘失效，分子链间总会有一些微小的孔隙，在电场力的作用下，环境中的水分子扩散到绝缘材料中易吸水的非晶区非标准孔穴中，小孔穴在电场作用下逐渐汇集变大。
充水孔穴逐渐形成。非晶区易于吸收环境中的水分，越来越多的水分子聚集在非晶区多的材料中，充水孔穴逐渐变大，大孔穴间的距离也开始逐渐缩短。
充水孔穴相互连通形成水树枝。在经历以上阶段后，大孔穴内的水珠在电场作用下使孔穴之间的绝缘材料分子链断裂，大孔穴之间距离缩短并最终出现连接通道，从而形成聚集的水树枝。
在绝缘材料的局部缺陷（微孔、杂质等）处，容易引起电场集中，局部高电场会导致绝缘电压击穿，从而在绝缘层中形成放电通道，这些通道即被称为电树枝。不同于生长缓慢的水树枝，电树枝从产生到绝缘击穿的时间很短，其发展过程是一种电腐蚀过程，包括局部高气压与高温、局部放电、物理化学变化等等。电树枝的形成和发展是一个具有随机性的过程，易受绝缘材料种类、微观结构以及老化状态的影响。
在电树枝形成的初始阶段，一般在针尖型电极前约几微米的区域内出现通道直径约0.1μm的树枝状裂纹。当电树枝通道直径逐渐发展到10μm左右，局部放电脉冲开始能够被检测识别，并出现局部放电现象。许多因素都会对电树枝的复杂生长过程产生影响。内部因素有材料中的缺陷、填料、结晶情况等，主要的外部因素有电压、频率、环境温度等。
电缆在生产、运输、安装和工作过程中，都有可能造成绝缘中出现气隙、杂质、裂纹及变形、机械损伤等缺陷，成为绝缘失效的起点。电缆制造阶段，如果原料不够纯净，混入了金属、纤维、灰尘等杂质，会导致绝缘层产生局部气隙。电缆运输阶段，如果发生碰撞、挤压等可能造成电缆外护套与绝缘层受损，使电缆绝缘产生裂纹、发生变形。电缆安装阶段，可能会遭受机械振动、外力挤压与冲击作用，导致绝缘层破损。电缆工作阶段，各种道路或建筑施工工程也有可能造成电缆绝缘损伤。如果以上形式的机械缺陷没有被及时发现处理，那么在局部电场力等因素影响下，缺陷会朝故障方向不可逆发展，随着电缆工作时间的增加，电缆的绝缘电阻值会逐渐下降，这就为电缆故障埋下伏笔。
目前针对电缆绝缘失效的修复技术分为两大类。针对“水树缺陷”和“电树缺陷”失效，专家学者研发了一类注液化学综合修复法，将修复液注入电缆绝缘层与导体间的缺陷部位，修复液与水分子反应生成一种介电参数与电缆绝缘材料相近的物质填充水树通道，从而清除通道中的水，并使原来缺陷位置的电场分布趋于均匀，起到延长电缆使用寿命的作用。针对局部机械缺陷失效，人们研发了材料填补修复技术，应用自粘性绝缘材料或者热熔修补片对破损部位进行缠绕或者填补，修复电缆破损的绝缘层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有电缆修复材料因维修产生副作用而影响修复效果的问题，提供了一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取聚乙烯、马来酸酐、过氧化苯甲酰、抑制剂CALA、二甲苯、丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，加热搅拌反应，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应2～3h，即得混合液，在混合液中加入丙酮，搅拌处理，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤3～5次，并置于温度为40～60℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；
（2）按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为150～160℃下共混30～40min，即得共混物；
（3）取有机蒙脱土、纳米氧化锌、去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，超声分散，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，球磨处理，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀3～5次，并置于温度为80～90℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过200～300目筛，即得填料；
（4）将填料和改性聚乙烯混合，熔融搅拌处理，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，热压处理，即得中间材料；
（5）按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min，即得第一层和第三层材料；
（6）将中间材料放在第一层和第三层材料中间，进行热压处理，即得电缆绝缘失效修复材料。
步骤（1）所述的聚乙烯、马来酸酐、过氧化苯甲酰、抑制剂CALA、二甲苯、丙酮之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取30～50份聚乙烯、1～10份马来酸酐、0.5～0.7份过氧化苯甲酰、0.3～0.5份抑制剂CALA、50～60份二甲苯、5～15份丙酮。
步骤（1）所述的加热搅拌处理步骤为：将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为90～110℃，搅拌速度为300～400r/min下加热搅拌20～30min。
步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将混合液冷却至温度为60～70℃，加入丙酮，在搅拌速度为1000～1500r/min下搅拌10～15min。
步骤（3）所述的有机蒙脱土、纳米氧化锌、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份有机蒙脱土、10～20份纳米氧化锌、60～80份去离子水。
步骤（3）所述的超声分散步骤为：将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为300～350W下超声分散5～10min。
步骤（3）所述的球磨处理步骤为：在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为400～500r/min下球磨30～40min。
步骤（4）所述的熔融搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min。
步骤（4）所述的热压处理步骤为：将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min。
步骤（6）所述的热压处理步骤为：将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为130～140℃，压力为13～15MPa下热压1～2min。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明将聚乙烯接枝马来酸酐作为原料，与EVA乳液进行共混改性，以纳米氧化锌插层有机蒙脱土作为填料，制备出的复合材料作为第一层和第三层，以聚乙烯接枝马来酸酐作为原料，结合填料制备的材料为中间材料，通过热压制备出一种具有三明治结构的电缆绝缘失效修复材料；蒙脱土可从抑制聚乙烯复合介质中空间电荷的注入，但是这种抑制作用随着蒙脱土含量的增加而递减；当纳米蒙脱土含量较低时，纳米颗粒引入的陷阱捕获自由载流子，降低了载流子浓度和迁移率，减少了空间电荷的数量，从而抑制了电荷的积聚；在聚乙烯上接枝马来酸酐引入电荷陷阱可以很好的抑制空间电荷；纳米氧化铝插层有机蒙脱土的引入，减少材料内部的空间电荷积累量，直流条件下，提高极性反转时材料的绝缘性能；改善复合材料的应力反转特征；改变复合材料的形态；一定程度降低掺杂材料的绝缘电阻，但能显著地提高其对温度的依赖性；
（2）本发明中将EVA乳液和聚乙烯共混改性，能明显减少注入电荷，消除摩擦带电现象，减少聚乙烯中的深陷阱；以纳米氧化锌插层有机蒙脱土作为填料，纳米颗粒可降低陷阱能量，增加了热脱阱的概率和载流子迁移率，由于电子在热敏材料中迁移速度更快，空间电荷会减少在内部的积聚；纳米颗粒和聚合物基体之间的相互作用区的电导率比所用的纳米颗粒和聚合物基质的电导率高得多，因此，载流子更倾向于通过纳米粒子和聚合物基体的交互区，致使空间电荷得到抑制；位于材料与电极之间界面附近的陷阱中心可以捕获注入进纳米复合材料内的电荷，所捕获的电荷将降低电荷注入的附近扭曲的电场；因此，空间电荷注入将被抑制；接触势垒可能由相互作用区的影响降低，进而抑制空间电荷注入；
（3）本发明制备的电缆绝缘失效修复材料内部的陷阱对电性能有一定的影响，不仅可以抑制材料内部的电荷积聚，对减小材料电场的畸变也有一定的作用，在后期修复过程中产生的副作用不会影响修复的效果。
具体实施方式
按重量份数计，分别称取30～50份聚乙烯、1～10份马来酸酐、0.5～0.7份过氧化苯甲酰、0.3～0.5份抑制剂CALA、50～60份二甲苯、5～15份丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为90～110℃，搅拌速度为300～400r/min下加热搅拌20～30min，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应2～3h，即得混合液，将混合液冷却至温度为60～70℃，加入丙酮，在搅拌速度为1000～1500r/min下搅拌10～15min，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤3～5次，并置于温度为40～60℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为150～160℃下共混30～40min，即得共混物；按重量份数计，分别称取20～30份有机蒙脱土、10～20份纳米氧化锌、60～80份去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为300～350W下超声分散5～10min，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为400～500r/min下球磨30～40min，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀3～5次，并置于温度为80～90℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过200～300目筛，即得填料；按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min，即得中间材料；按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min，即得第一层和第三层材料；将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为130～140℃，压力为13～15MPa下热压1～2min，即得电缆绝缘失效修复材料。
实施例1
按重量份数计，分别称取30份聚乙烯、1份马来酸酐、0.5份过氧化苯甲酰、0.3份抑制剂CALA、50份二甲苯、5份丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为90℃，搅拌速度为300r/min下加热搅拌20min，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应2h，即得混合液，将混合液冷却至温度为60℃，加入丙酮，在搅拌速度为1000r/min下搅拌10min，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤3次，并置于温度为40℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为150℃下共混30min，即得共混物；按重量份数计，分别称取20份有机蒙脱土、10份纳米氧化锌、60份去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为300W下超声分散5min，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为400r/min下球磨30min，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀3次，并置于温度为80℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过200目筛，即得填料；按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为140℃，搅拌速度为500r/min下熔融搅拌20min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140℃下热压1min，即得中间材料；按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为140℃，搅拌速度为500r/min下熔融搅拌20min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140℃下热压1min，即得第一层和第三层材料；将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为130℃，压力为13MPa下热压1min，即得电缆绝缘失效修复材料。
实施例2
按重量份数计，分别称取40份聚乙烯、5份马来酸酐、0.6份过氧化苯甲酰、0.4份抑制剂CALA、55份二甲苯、10份丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为100℃，搅拌速度为350r/min下加热搅拌25min，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应2h，即得混合液，将混合液冷却至温度为65℃，加入丙酮，在搅拌速度为1250r/min下搅拌12min，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤4次，并置于温度为50℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为155℃下共混35min，即得共混物；按重量份数计，分别称取25份有机蒙脱土、15份纳米氧化锌、70份去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为325W下超声分散8min，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为450r/min下球磨35min，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀4次，并置于温度为85℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过250目筛，即得填料；按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为145℃，搅拌速度为550r/min下熔融搅拌25min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为145℃下热压1min，即得中间材料；按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为145℃，搅拌速度为550r/min下熔融搅拌25min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为145℃下热压1min，即得第一层和第三层材料；将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为135℃，压力为14MPa下热压1min，即得电缆绝缘失效修复材料。
实施例3
按重量份数计，分别称取50份聚乙烯、10份马来酸酐、0.7份过氧化苯甲酰、0.5份抑制剂CALA、60份二甲苯、15份丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为110℃，搅拌速度为400r/min下加热搅拌30min，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应3h，即得混合液，将混合液冷却至温度为70℃，加入丙酮，在搅拌速度为1500r/min下搅拌15min，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤5次，并置于温度为60℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为160℃下共混40min，即得共混物；按重量份数计，分别称取30份有机蒙脱土、20份纳米氧化锌、80份去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为350W下超声分散10min，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为500r/min下球磨40min，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀5次，并置于温度为90℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过300目筛，即得填料；按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为150℃，搅拌速度为600r/min下熔融搅拌30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为150℃下热压2min，即得中间材料；按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为150℃，搅拌速度为600r/min下熔融搅拌30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为150℃下热压2min，即得第一层和第三层材料；将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为140℃，压力为15MPa下热压2min，即得电缆绝缘失效修复材料。
对照例：东莞某公司生产的电缆绝缘失效修复材料。
将实施例及对照例制备得到的电缆绝缘失效修复材料进行检测，具体检测如下：
尺寸检测：用测微计在相互垂直的两个方向测量电缆修复部分的电缆外径，修复后电缆的外径需要和原电缆保持一致。
绝缘电阻检测：在室温20℃条件下，将包含修复部位有效长度不小于10m的试样在水中浸泡1h，试样两端露出水面的长度应不小于250mm，通过高阻计法测量导体对水之间的绝缘电阻，绝缘电阻率不应小于1013Ω·m。
绝缘耐压测试在室温20℃条件下，通过耐压测试仪进行测试，修复电缆应耐受6kV、50Hz的正选交流试验电压5min，无击穿发生。
具体测试结果如表1。
表1性能表征对比表
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 对照例
外径/mm 19.6 19.7 19.8 22.5
绝缘电阻率/Ω·m 10<sup>13</sup> 10.5<sup>13</sup> 11<sup>13</sup> 10<sup>12</sup>
绝缘耐压 无击穿 无击穿 无击穿 无击穿
由表1可知，本发明制备的电缆绝缘失效修复材料具有良好的绝缘电阻率和绝缘耐压性能。

Claims (10)

1.一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取聚乙烯、马来酸酐、过氧化苯甲酰、抑制剂CALA、二甲苯、丙酮，将聚乙烯和二甲苯混合，加热搅拌反应，即得反应液，在反应液中加入马来酸酐、过氧化苯甲酰和抑制剂CALA，继续搅拌反应2～3h，即得混合液，在混合液中加入丙酮，搅拌处理，过滤即得滤渣，将滤渣用丙酮洗涤3～5次，并置于温度为40～60℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，即得改性聚乙烯；
（2）按质量比1∶4将改性聚乙烯和EVA乳液混合，在温度为150～160℃下共混30～40min，即得共混物；
（3）取有机蒙脱土、纳米氧化锌、去离子水，将有机蒙脱土和去离子水混合，超声分散，即得悬浮液，在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，球磨处理，即得混合浆料；将混合浆料过滤即得沉淀，用去离子水洗涤沉淀3～5次，并置于温度为80～90℃下常压干燥至恒重，冷却至室温，研磨并过200～300目筛，即得填料；
（4）将填料和改性聚乙烯混合，熔融搅拌处理，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，热压处理，即得中间材料；
（5）按质量比1∶10将填料和共混物混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min，即得熔融物，将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min，即得第一层和第三层材料；
（6）将中间材料放在第一层和第三层材料中间，进行热压处理，即得电缆绝缘失效修复材料。
2.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的聚乙烯、马来酸酐、过氧化苯甲酰、抑制剂CALA、二甲苯、丙酮之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取30～50份聚乙烯、1～10份马来酸酐、0.5～0.7份过氧化苯甲酰、0.3～0.5份抑制剂CALA、50～60份二甲苯、5～15份丙酮。
3.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的加热搅拌处理步骤为：将聚乙烯和二甲苯混合，在温度为90～110℃，搅拌速度为300～400r/min下加热搅拌20～30min。
4.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将混合液冷却至温度为60～70℃，加入丙酮，在搅拌速度为1000～1500r/min下搅拌10～15min。
5.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的有机蒙脱土、纳米氧化锌、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取20～30份有机蒙脱土、10～20份纳米氧化锌、60～80份去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的超声分散步骤为：将有机蒙脱土和去离子水混合，在功率为300～350W下超声分散5～10min。
7.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的球磨处理步骤为：在悬浮液中加入纳米氧化锌置于球磨机中，在转速为400～500r/min下球磨30～40min。
8.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的熔融搅拌处理步骤为：按质量比1∶10将填料和改性聚乙烯混合，在温度为140～150℃，搅拌速度为500～600r/min下熔融搅拌20～30min。
9.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的热压处理步骤为：将熔融物置于平板硫化机中，在温度为140～150℃下热压1～2min。
10.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘失效修复材料的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的热压处理步骤为：将中间材料放在第一层和第三层材料中间，在温度为130～140℃，压力为13～15MPa下热压1～2min。
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