二氧化硅和石墨烯添加剂提高电缆绝缘层抗老化性能的理论研究

发布时间：2020-06-04 05:47

【摘要】：电力电缆绝缘层老化一直是威胁电力系统安全稳定运行的主要因素,近年来,通过将不同纳米颗粒添加剂作为填料加入到电缆绝缘层中,研究其对提高电缆绝缘层抗老化性能的作用,发现了多种有效的纳米填料。但是,对电缆绝缘层的老化机理,以及纳米填料与电缆绝缘层之间的相互作用机制却不清楚,亟待解决。本论文通过第一性原理分别对二氧化硅及石墨烯纳米填料对交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆的抗老化性能的影响进行了理论研究。采用密度泛函理论,利用VASP程序包,通过Bader电荷分析、界面吸附能和化学反应过渡态计算,对比了不同纳米填料的吸引热电子能力大小,限制XLPE链的移动能力强弱以及化学氢迁移过程发生的可能性,最终筛选出潜在的纳米填料来提高XLPE绝缘电缆的抗老化性能。通过研究不同二氧化硅纳米填料与XLPE之间的相互作用发现,完全羟基化、氮掺杂和自然氧空位的二氧化硅均可以不同程度的提高XLPE绝缘电缆的抗老化性能,保护电缆绝缘层免受热电子的侵袭,起到保护电缆绝缘层的作用。然而,一些特殊的改性表面二氧化硅,例如不完全羟基化、硼掺杂和顶层上的氧空位缺陷,会引起XLPE链的氢迁移反应和电树枝生长。通过对本征、氧化、掺杂和空位缺陷石墨烯纳米填料与XLPE之间的研究发现,它们都具有捕捉环境中的热电子的能力,并且可以通过范德华相互作用限制聚乙烯链的移动。由于具有较大的吸附作用和较弱的界面化学活性,氮掺杂的单空位缺陷石墨烯被预测为最好的添加剂(吸附能为-0.46 e V)。本文的研究进一步从理论方面揭示了纳米填料提高电缆抗老化性能的机理,并为电缆绝缘层添加剂的设计和将来的实验研究提供重要的理论指导。
【图文】：

结构图,绝缘电缆,结构图,绝缘层

图 1-1 XLPE 绝缘电缆结构图负荷的不断增加，较早投入使用的电缆的绝缘层已经出绝缘材料的性能发生不可逆转的改变，性能大大降低，威胁电力系统的稳定性[10-13]。电缆绝缘层常见的老化原5]：：XLPE 绝缘电缆在长期高温环境下工作，由于长期过、熔化等氧化质变，影响材料的电气特性(介电常数、绝(机械强度、延展性、弹性、交联度、耐老化)和其他性质成绝缘层被击穿。同时，热老化越严重，绝缘层表面的，也会加速绝缘层老化。电(partial discharge, PD)：局部放电是指外加电压产生的层发生放电的部分被击穿，降低绝缘强度。局部放电会分子结构，伴随的氧化分解反应产生的臭氧遇水会生成，，加速绝缘层被损坏的过程。伤：在电缆的安装铺设过程中，不可避免的会产生涡流

界面模型,聚合物基体

表 1-2 多种类型的电缆绝缘层填料分类学结构填料动物丝绸、羊毛、头发矿物石棉纤维素木材、种子、叶子、水果、秸秆、韧皮无机氧化物：TiO2、SiO2、Al2O3、ZnO、MgO、氢氧化物：Al(OH)3、Mg(OH)2金属：铝、金、银、硼、锡、铜、钢硅酸盐：石棉、滑石、云母、纳米粘土、盐：CaCO3、BaSO4、CaSO4碳化物和氮化物：AlN、BN、SiC有机碳和石墨纤维和薄片、碳纳米管、炭石墨烯、氧化石墨烯天然聚合物：纤维素和木纤维、棉花、亚、合成聚合物：芳族聚酰胺、聚酯、聚酰胺、聚
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM247

【参考文献】