CN114835978B - 一种特种绝缘电缆的复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特种绝缘电缆的复合材料，复合材料包括三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙，三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙的体积比为(85‑95):(5‑15)；复合材料进一步包括硫化剂。与现有技术相比，本发明所述特种绝缘电缆的复合材料的介电性能和击穿强度更好。
Description
技术领域
本发明属于特种电缆技术领域，具体涉及一种特种绝缘电缆的复合材料。
背景技术
随着我国特高压技术的不断发展，高压直流输电已经得到广泛重视和发展。与交流输电相比，高压直流输电具有传输容量大、线路损耗小、不存在无功功率、电源连接方便、易于控制和调节等优点；而且不增加原有的电力系统短路电流的能力，不受系统稳定性的限制，直流电缆线路中不像交流电缆线路，没有电容电流故障，无磁损耗和介电损耗，基本上只有芯线绝缘电阻损耗，有相对较低的绝缘电压和高的可靠性等特点。
高压直流电缆附件是保障输电线路可靠运行的重要连接设备。由于电缆附件为多层复合绝缘结构容易产生凸起、气隙以及杂质等缺陷且承受复杂的工况以及敷设方式，因此也成为直流输电系统最为薄弱的环节。
对电缆附件故障的原因进行研究发现故障部位多集中于附件内半导电应力锥根部以及电缆主绝缘(XLPE)与应力锥增强绝缘界面处。这是由于在直流电压下附件内部的电场分布与各绝缘层材料的电导率有关，如果XLPE与应力锥增强绝缘的电导率差异较大，则附件内部极易出现电场畸变；而且绝缘材料的电导率受温度和电场双重影响，电缆正常运行时线芯温度与外部环境温度形成较大温差，导致各绝缘层温度不同，使得XLPE与增强绝缘的电导率匹配程度下降。这种差异导致附件绝缘承受的电场也不相同即电场强度由内而外逐渐增大，导致附件外侧的介质容易发生击穿。
目前国内外学者大多从优化绝缘结构的角度缓解上述问题，例如改变电极形状、增加绝缘距离等，此方法对绝缘结构的前期设计要求较高，且会增加设备的生产成本。依据Maxwell-Wagner界面极化理论，若复合绝缘结构中界面两侧材料的电导率与介电常数之比不连续会导致界面空间电荷积累；若两侧材料的电导率和介电常数之比接近或者相等，则能抑制界面空间电荷的积聚，均化绝缘结构中电场分布。所以若要改善高压直流电缆附件内的电场分布，除了优化具体的绝缘结构，也可以从调控材料的直流介电性能入手。
中国专利申请CN103080237A公开了一种组合物和材料，所述组合物和材料具有变阻器性质，而且适用于电应力控制装置和电涌放电器装置。所述组合物和材料包括聚合物材料和煅烧的钛酸钙铜填充材料，而且具有可逆的非线性电流-电压特性。作为填充材料，钛酸钙铜的非线性电流-电压特性对组合物起了决定性作用。
中国专利申请CN107622836A公开了一种高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制材料及抑制方法，选用碳化硅SiC作为填料，通过物理共混和热压成型得到三元乙丙橡胶EPDM/SiC复合材料，采用前述EPDM/SiC复合材料作为附件绝缘界面电荷抑制材料制成高压直流电缆附件。
然而，对于特种绝缘电缆附件而言，特种绝缘电缆的复合材料的介电性能和击穿强度仍然不能令人满意。
针对现有技术的上述缺陷，仍然需要寻找一种介电性能和击穿强度更好的特种绝缘电缆的复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特种绝缘电缆的复合材料。相对于现有技术，本发明所述特种绝缘电缆的复合材料的介电性能和击穿强度更好。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种特种绝缘电缆的复合材料，所述复合材料包括三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙，其特征在于，分子式为Ca(1-3x/2)CexCu3Ti4；其中，x＝0.10-0.30。
根据本发明所述的复合材料，其中，三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙的体积比为(85-95):(5-15)。
根据本发明所述的复合材料，其中，所述复合材料进一步包括硫化剂。
根据本发明所述的复合材料，其中，所述三元乙丙橡胶的门尼粘度ML(1+4)125℃；乙烯含量为47.0wt％；乙叉降冰片烯含量为5.0wt％。
根据本发明所述的复合材料，其中，所述复合材料的制备方法包括：将原料共混物放入到100-120℃平板硫化机中，加压5-30min使其熔融，压力为10-20MPa，然后取出放入到160-190℃平板硫化机中交联10-60min。
根据本发明所述的复合材料，其中，x＝0.15-0.25。
根据本发明所述的复合材料，其中，x＝0.18-0.22。
根据本发明所述的复合材料，其中，所述掺铈钛酸铜钙的制备方法包括：
(1)先将四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜置于乙二醇单甲醚，搅拌至完全溶解；随后滴加数滴浓硝酸，搅拌使其混合均匀；然后缓慢加入钛酸四丁酯，搅拌至完全溶解，加入完毕继续反应2-8h；反应完毕，避光静置8-48h，得到掺铈钛酸铜钙溶胶；
(2)将掺铈钛酸铜钙溶胶干燥粉末以3-7℃/min升温至200-400℃，保温1-4h；再升温至1000-1100℃，保温4-12h；
(3)将结晶掺铈钛酸铜钙粉末加入分散介质湿磨，再进行干燥除去分散介质，从而得到掺铈钛酸铜钙。
根据本发明所述的复合材料，其中，原料四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜、钛酸四丁酯和乙二醇单甲醚摩尔比为(1-3x/2):x:3:4:16。
根据本发明所述的复合材料，其中，所述分散介质为无水乙醇。
与现有技术相比，本发明所述特种绝缘电缆的复合材料的介电性能和击穿强度更好。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
应理解，本发明的具体实施方式仅用于阐释本发明的精神和原则，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。
在本发明中，如另有说明，所有百分比为重量百分比。
合成比较例1
按照摩尔比1:3:4:16，准备原料四水合硝酸钙、三水合硝酸铜、钛酸四丁酯和乙二醇单甲醚。先将四水合硝酸钙、三水合硝酸铜置于乙二醇单甲醚，搅拌至完全溶解；随后滴加数滴浓硝酸(质量百分数为68％)，搅拌使其混合均匀。然后缓慢加入钛酸四丁酯，搅拌至完全溶解，加入完毕继续反应4h。反应完毕，避光静置24h，得到钛酸铜钙溶胶。
将钛酸铜钙溶胶在80℃下干燥48h，研磨得到粉末。随后以5℃/min升温至300℃，保温2h；再升温至1050℃，保温8h，得到结晶钛酸铜钙粉末。加入无水乙醇作为分散介质，湿磨12h；再在80℃下干燥48h，得到钛酸铜钙产品。
合成实施例1
按照摩尔比0.7:0.2:3:4:16，准备原料四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜、钛酸四丁酯和乙二醇单甲醚。先将四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜置于乙二醇单甲醚，搅拌至完全溶解；随后滴加数滴浓硝酸(质量百分数为68％)，搅拌使其混合均匀。然后缓慢加入钛酸四丁酯，搅拌至完全溶解，加入完毕继续反应4h。反应完毕，避光静置24h，得到掺铈钛酸铜钙溶胶。
将掺铈钛酸铜钙溶胶在80℃下干燥48h，研磨得到粉末。随后以5℃/min升温至300℃，保温2h；再升温至1050℃，保温8h，得到结晶掺铈钛酸铜钙粉末。加入无水乙醇作为分散介质，湿磨12h；再在80℃下干燥48h，得到掺铈钛酸铜钙产品。
比较例1
将三元乙丙橡胶EPDM 4045M(源自日本三井，门尼粘度ML(1+4)125℃；乙烯含量为47.0wt％；乙叉降冰片烯含量为5.0wt％)、合成比较例1的钛酸铜钙产品和2.0phr硫化剂DCP进行混炼，得到共混物；其中，三元乙丙橡胶与钛酸铜钙产品的体积比为9:1；混炼条件为温度110℃，转速160r/min，时间为10min。
将共混物放入到110℃平板硫化机中，加压15min使其熔融，压力为15MPa，然后取出放入到175℃平板硫化机中交联30min。
最后在80℃下干燥48h，得到比较例1的特种绝缘电缆的复合材料。
实施例1
将三元乙丙橡胶EPDM 4045M(源自日本三井，门尼粘度ML(1+4)125℃；乙烯含量为47.0wt％；乙叉降冰片烯含量为5.0wt％)、合成实施例1的钛酸铜钙产品和2.0phr硫化剂DCP进行混炼，得到共混物；其中，三元乙丙橡胶与钛酸铜钙产品的体积比为9:1；混炼条件为温度110℃，转速160r/min，时间为10min。
将共混物放入到110℃平板硫化机中，加压15min使其熔融，压力为15MPa，然后取出放入到175℃平板硫化机中交联30min。
最后在80℃下干燥48h，得到实施例1的特种绝缘电缆的复合材料。
性能测试
特种绝缘电缆的复合材料的介电特性采用安捷伦产的4284A网络阻抗分析仪进行测定，测试频率范围为600Hz-1MHz。复合材料的样品尺寸为30mm×30mm×0.20mm。结果表明，实施例1特种绝缘电缆的复合材料相对于纯的三元乙丙橡胶EPDM 4045M在整个频率范围内的平均相对介电常数由2.26增加到3.41；比较例1特种绝缘电缆的复合材料相对于三元乙丙橡胶EPDM 4045M在整个频率范围内的平均相对介电常数由2.26增加到3.15。
特种绝缘电缆的复合材料的击穿强度性能按照GB/T 1408.1-2006绝缘材料电气强度试验方法第一部分进行。结果表明，实施例1特种绝缘电缆的复合材料相对于三元乙丙橡胶EPDM 4045M在30℃下的直流击穿强度相对于纯的三元乙丙橡胶EPDM 4045M下降了48.3％；比较例1特种绝缘电缆的复合材料相对于三元乙丙橡胶EPDM 4045M在30℃下的直流击穿强度相对于纯的三元乙丙橡胶EPDM 4045M下降了37.2％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种特种绝缘电缆的复合材料，所述复合材料包括三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙，其特征在于，分子式为Ca(1-3x/2)CexCu3Ti4O12；其中，x=0.15-0.25；
其中，三元乙丙橡胶和掺铈钛酸铜钙的体积比为(85-95):(5-15)；
所述三元乙丙橡胶的乙烯含量为47.0wt%；乙叉降冰片烯含量为5.0wt%；
所述复合材料的制备方法包括：将原料共混物放入到100-120°C平板硫化机中，加压5-30min使其熔融，压力为10-20MPa，然后取出放入到160-190°C平板硫化机中交联10-60min；
所述掺铈钛酸铜钙的制备方法包括：
(1) 先将四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜置于乙二醇单甲醚，搅拌至完全溶解；随后滴加数滴浓硝酸，搅拌使其混合均匀；然后缓慢加入钛酸四丁酯，搅拌至完全溶解，加入完毕继续反应2-8h；反应完毕，避光静置8-48h，得到掺铈钛酸铜钙溶胶；
(2) 将掺铈钛酸铜钙溶胶干燥粉末以3-7°C/min升温至200-400°C，保温1-4h；再升温至1000-1100°C，保温4-12h；
(3) 将结晶掺铈钛酸铜钙粉末加入分散介质湿磨，再进行干燥除去分散介质，从而得到掺铈钛酸铜钙；原料四水合硝酸钙、六水合硝酸铈、三水合硝酸铜、钛酸四丁酯和乙二醇单甲醚摩尔比为(1-3x/2):x:3:4:16。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述复合材料进一步包括硫化剂。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其中，x=0.18-0.22。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述分散介质为无水乙醇。
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| CN102173780A (zh) * | 2011-01-11 | 2011-09-07 | 桂林理工大学 | 一种稀土改性的压敏材料的制备方法 |
| CN102543323A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-07-04 | 河南电力试验研究院 | 一种阶变介电常数复合绝缘子 |
| CN109704396A (zh) * | 2019-01-28 | 2019-05-03 | 广东朗研科技有限公司 | 一种钛酸铜钙的制备方法 |
-
2022
- 2022-06-10 CN CN202210652223.0A patent/CN114835978B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| 高压直流电缆附件三元乙丙橡胶绝缘改性与电气性能研究;李中原;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》(第1期);第C042-260页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN114835978A (zh) | 2022-08-02 |
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