高压直流电缆附件绝缘用纳米改性硅橡胶介电及老化特性研究

发布时间：2020-05-13 10:29

【摘要】：随着我国高压直流输电网络的建设和柔性直流输电技术的发展,高压直流XLPE电缆在异步联网、城市地下电网建设和海上孤岛、海底远距离输电中得到了广泛的应用。高压直流电缆的安全运行稳定性对于整个直流输电系统十分重要,其中电缆附件的绝缘损坏问题尤为突出。在直流电压作用下,由于空间电荷的积聚和电缆附件复合绝缘电导率的不连续性,将导致电缆附件内电场分布集中和畸变,致使局部场强远高于正常工作场强,从而引发绝缘击穿造成输电事故,这已成为影响我国高压直流电缆及其附件安全稳定运行的主要因素。鉴于以上存在的问题,本文从电缆附件绝缘研发角度着手,通过纳米掺杂改性来改善调控电缆附件绝缘的介电性能,促进它与电缆主绝缘XLPE电导率的匹配,从而实现对附件内电场分布的均化和空间电荷的抑制,以提高直流电缆附件的绝缘可靠性和运行稳定性。本文采用纳米SiC和TiO2粒子为填料,通过对直流电缆附件绝缘进行纳米改性,制备了一定掺杂浓度的纳米复合液体硅橡胶试样,分别研究了掺杂浓度、温度和电场强度等因素对纳米复合液体硅橡胶电导特性的影响。结果表明:与纯硅橡胶试样相比,两种纳米粒子的掺杂均使得纳米复合液体硅橡胶材料具有较好的非线性电导特性。随着掺杂浓度的增加,纳米复合液体硅橡胶的电导率呈现先增大后减小的趋势,其中纳米SiC粒子的最佳掺杂浓度为3wt%,它的引入主要提高了纳米复合液体硅橡胶电导对于温度的敏感特性;纳米TiO2粒子的最佳掺杂浓度为4wt%,它的掺杂显著提升了纳米复合液体硅橡胶电导对电场强度的依赖特性。采用热刺激电流法(TSC)对纳米复合液体硅橡胶的陷阱特性进行了测试分析,发现纳米粒子的掺杂,在硅橡胶基体中引入了大量的界面层,使得载流子能够沿着相邻纳米颗粒形成导电通道和逾渗网络,致使参与导电的迁移载流子数目增大,因此宏观上表现为其电导率快速增大,具有较好的非线性电导特性。未掺杂纳米粒子时,纯硅橡胶主要依靠载流子在外电场作用下克服势垒形成跳跃跃迁电导,所以电导率较低。纳米粒子的掺杂降低了硅橡胶材料的陷阱能级和深度,改变了载流子的迁移特性和电荷输运特性,从而影响改变了聚合物纳米复合电介质的宏观介电性能。研究了纳米复合液体硅橡胶的介电谱特性和直流击穿特性,发现纳米改性后的硅橡胶试样其相对介电常数均高于纯硅橡胶,且随着纳米掺杂浓度的增加介电常数增大。纳米复合液体硅橡胶的直流击穿特性均低于纯硅橡胶试样,且随着掺杂浓度的增加击穿场强下降,但下降幅度较小、纳米复合硅橡胶材料依然具有较好的绝缘裕度。采用电声脉冲法(PEA)对纳米复合液体硅橡胶的空间电荷特性进行了测试分析,发现不同温度和电场强度下纳米复合硅橡胶内积聚的空间电荷量均低于纯硅橡胶,其中以4wt%-TiO2/LSR试样对空间电荷的抑制效果最为明显。通过仿真分析,验证了采用纳米复合液体硅橡胶为附件绝缘时,相比于纯硅橡胶应用下直流电缆附件内的电场分布更为均匀,缩小了由温度和电场强度变化引起的与电缆主绝缘XLPE电导之间的差异,电场集中程度得到了较大改善。开展了纯硅橡胶和纳米复合液体硅橡胶试样的耐老化特性研究,发现热氧老化后的纯硅橡胶试样介电性能影响不大,但是力学拉伸性能却大幅度下降,高弹性逐渐丧失,呈现出明显的应力松弛特性,从而不能为电缆附件继续提供足够的界面抱紧力,致使复合绝缘界面处容易出现放电。采用阿伦尼乌斯寿命模型(Arrhenius)以应力松弛特性为老化性能指标,对纯硅橡胶和纳米复合液体硅橡胶进行了寿命预测分析。发现纳米复合液体硅橡胶的力学拉伸性能相比于纯硅橡胶有所提高,随着老化进行其性能下降幅度有所减缓,且预测寿命高于纯硅橡胶,表明纳米SiC的掺杂有助于硅橡胶耐老化特性的提升,为提高XLPE直流电缆附件的使用寿命提供了一定地参考价值。
【图文】：

直流电缆,结构示意图

升到 85℃[36]，电压等级也将有所提高，但截至目前仍然没有获得大规模的业应用。2016 年 9 月，用于连接挪威 Tonstand 和德国 Wilster 的海底高压流电缆项目 Nordlink 工程已正式开工建设，电缆全长 623km，使用的是电等级为±525kV 的 MI 电缆，输送功率将高达 1400MW。充油式电缆出现较早技术较为成熟，且使用寿命长，运行安全可靠。1976，世界上第一条海底直流充油电缆在加拿大温哥华敷设运行[37]，电压等级±300kV。充油式电缆最主要的问题是必需安装供油设备，但供给的油量距有限，因而整个电缆在长度上受到了一些限制，同时存在着较大地环境污隐患，一旦有漏油事故发生，将对海上环境造成严重地污染和危害[38]，不于绿色环保能源，所以目前充油电缆的使用已经逐渐减少。相比于 OF、MI 直流电缆，交联聚乙烯绝缘电缆出现和发展较晚，但其有工作温度相对较高高、现场安装简单方便、输送功率较大、重量较轻和环境污染等一系列优点[39]，所以问世后得到了广泛的应用和发展。XLPE流电缆是一种由线芯屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层共挤成型的单极性缆[40]，从里到外依次包含纤芯导体、导体屏蔽、XLPE 绝缘、绝缘屏蔽层、属套、外护套等，其结构示意图和横截面如图 1-1 所示。

流程图,纳米SiC,表面处理,粒子

纳米粒子在基体中的分散状态很大程度上影响了聚合物纳米复合电介质的综合性能，在购置的实验原料中由于纳米 TiO2是亲油型颗粒，能很好地在有机介质中分散，而纳米 SiC 粒子与液体硅橡胶的界面相容性较差，所以采用硅烷偶联剂对 KH-560 其进行表面改性修饰。一般来说，硅烷偶联剂分子两端连接的是两种不同类型的结构官能团，其中一端结构能发生水解并与纳米粉体表面的官能团发生反应，形成某种化学键合；而另一端可与聚合物基体发生化学反应，在粉体表面形成一定的包覆层。采用偶联剂对纳米 SiC 粒子处理的具体实验步骤如下：称量一定量的纳米碳化硅粉末溶于氢氟酸溶液中(20wt%)，搅拌酸洗10min 后，混合溶液用蒸馏水稀释、抽滤至中性，取出滤饼 SiC 粉末溶于适当量的乙醇水(体积比 9：1)溶液中，间歇性超声 30min，将混合溶液移至 250ml四口烧瓶中，用 NaOH 溶液调节 pH，逐渐滴加已配制水解好的不同含量硅烷偶联剂溶液(偶联剂 20%、乙醇 72%、水 8%)，并置于 80℃恒温水浴箱中搅拌反应 4h，再用去离子水和无水乙醇清洗抽滤，将得到的 SiC 粉末置于120℃真空箱内干燥 10h，最后经球磨机研磨、过筛得到表面处理修饰后的纳米 SiC 粉末，实验流程如下图 2-1 所示。
【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】：TM21

【参考文献】