紫外光交联聚乙烯中高压电缆制造技术及材料性能研究

发布时间：2020-04-13 05:17

【摘要】：紫外光交联聚乙烯技术是指采用高强度紫外光源对熔融透明态的聚乙烯材料进行辐照并使其交联的一种电缆制造工艺。相比于传统的过氧化物交联法,紫外光交联法具有交联速度快、节能环保以及材料非热敏性等优点,目前已成功应用于低压电力电缆制造领域。本文在863前沿探索项目支持下,对用于生产中、高压电力电缆的紫外光交联技术以及紫外光交联聚乙烯的相关材料性能开展了研究。根据中、高压电力电缆绝缘结构特点,设计了一种可实现绝缘层紫外光交联、屏蔽层过氧化物交联的联合交联工艺。提出了先共同挤出导体屏蔽和绝缘,待绝缘经紫外光辐照交联后,再挤出绝缘屏蔽的“2+1”挤出加工模式。根据大厚度绝缘充分交联所需的紫外辐照剂量以及防止材料高温快速热老化等要求,提出了紫外汞灯和紫外LED联合应用的辐照系统。设计了联合交联工艺的具体加工流程,并在测量绝缘和屏蔽材料热物性参数的基础上,通过仿真软件计算了电缆在加工过程中的温度场分布。仿真结果表明,绝缘和屏蔽在加工过程中能够保持在合理的温度范围内,均可以实现充分交联。针对传统汞弧灯光源光强快速衰减的问题,根据大厚度绝缘的辐照度需求,研制了长寿命、高稳定性的微波无极紫外固化灯。结合椭圆聚焦和微波谐振特性,应用几何光学与电磁学的联合仿真分析,重点解决了微波谐振腔在结构设计上的难点。实验结果表明,研制的微波无极紫外固化灯样机具有合理的紫外发射光谱和辐照度分布,并且比传统汞弧灯具有更高的辐照交联效率,更适合作为联合交联工艺中的紫外汞灯光源。研究了紫外光交联聚乙烯和传统过氧化物交联聚乙烯在结晶特性、机械物理性能以及作为中压电力电缆应用、与机械物理性能密切相关的抗水树性能上的差异。研究结果表明,采用线性低密度聚乙烯作为基础树脂是紫外光交联聚乙烯具有较高的结晶度、熔融温度以及机械强度的主要原因。通过对材料的应变硬化能力的分析,证实了材料片晶间的连接分子链能够有效阻碍水分子在电场力作用下向材料中的渗入,并且交联键和线性低密度聚乙烯密集分布的短支链能够显著增加片晶间的连接分子链密度,解释了交联度越高、水树枝越短以及紫外光交联聚乙烯在抗水树性能上优于过氧化物交联聚乙烯等现象。另外,通过动态热机械分析证实了交联键的存在使得材料的β松弛变强,能够缓冲电场力作用下微水珠对材料无定形相的冲击力,降低了水树枝的生长速率。研究了紫外光交联聚乙烯用于高压直流电缆绝缘的相关电性能。研究结果表明,相对于过氧化物交联聚乙烯,紫外光交联聚乙烯的耐电强度较低,并且电导率以及电导温度依赖性较高,其可能原因在于紫外光交联副产物苯并哪醇分子量较大不易从材料中迁出。紫外光交联聚乙烯的α松弛导致其热释电峰温度显著升高,使其在电缆绝缘正常使用温度下的空间电荷特性明显优于过氧化物交联聚乙烯。研究还表明,紫外光交联聚乙烯接枝马来酸酐后可以显著抑制电导率和电导温度依赖性,并有效提升直流耐电强度,其机理与材料引入深陷阱抑制电极电荷注入和载流子的输运有关。本文的研究结果表明,应用紫外光交联聚乙烯技术制造中、高压电力电缆是可行的,用于中压电缆制造时其绝缘具有优异的抗水树性能,用于高压电缆制造时其绝缘具有较好的直流电性能。
【图文】：

生产线

（a）CCV 生产线（b）VCV 生产线图 1-1 CCV 和 VCV 生产线Figure 1-1 CCV and VCV production lines在 CCV 和 VCV 生产线中，除交联管道以外还有偏心度控制、净化控制以及导体预热装置等以保证电缆的质量。出于工艺控制的考虑，交联管道中各个管内惰性气体的温度略有不同，由初节到末节逐渐降低，并根据电缆的生产规格、生产速度等要求被设定在 320~410 ℃之间、管内惰性气体压力在1.0~1.2Mpa，用于抑制绝缘层内部气泡的形成[30]。由于在交联反应过程中产生的甲烷、枯基醇、苯乙酮、α-甲基苯乙烯和水等副产物会对绝缘的介电性能产生负面影响[31-33]，因此在电力电缆交联加工后还需要进行脱气处理。与中压电力电缆不同，由于高压电力电缆具有金属密封护层，所以通常不会出现水树枝，其绝缘材料料通常为超净电缆料，，而非中压电力电缆主要采用的抗水树电缆料。而对于高压交流电缆和高压直流电缆，则通常分别采用物理纯和化学纯电缆料。所谓物理纯，是指电缆绝缘材料中的杂质颗粒含量最低，而化学纯是指能够产生空间电荷和载流子的化学物质在材料中含量最低。1.2.2 过氧化物交联法的局限性

能带模型,聚合物,局域态,空间电荷

甚至造成绝缘的击穿，这在电压极性反转时尤为明显[74]。因此效抑制 XLPE 绝缘在直流电场下其空间电荷的累积，对高压直流电力电缆全运行尤为重要。.5.1 空间电荷产生机理聚合物在直流电场下能够产生空间电荷的累积，其主要原因在于其能带中除了导带和价带以外还有大量的局域态[75]，如图 1-2 所示。这些局域态以称之为陷阱，可以捕获载流子。陷阱中的电子或空穴只能依靠隧道效应个局域态转移至另一个局域态，又或者依赖热激发到导带上去。对半晶性物而言，其晶区与无定向相的界面、无定形相、分子支链与端基，甚至杂残留催化剂等，均能够形成陷阱[76]。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM24

【参考文献】