电压稳定剂对XLPE交、直流绝缘性能影响及机理研究

发布时间：2020-11-08 21:44

　　 当前交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压交、直流电力电缆的电压等级和工作稳定性仍无法满足日益增长的社会需求。使用电压稳定剂能提高XLPE绝缘材料的耐电强度和长期工作稳定性,在提高电力电缆电压等级方面发挥过重要作用。近几年,国际知名电缆料与电缆生产制造企业在电压稳定剂方面的专利和报道逐渐增多,使用电压稳定剂在进一步提高电力电缆电压等级方面体现出一定潜力,深入开展电压稳定剂的研究工作有助于推进高电压等级电缆料的研发与国产化。为了获得性能优异的电压稳定剂并系统地研究其对XLPE交、直流绝缘性能影响,采用理论化学计算和直流击穿强度测试相结合的筛选方案,对17种芳香酮化合物进行了研究,发现电压稳定剂提高低密度聚乙烯(LDPE)直流击穿强度的作用效果与其电子亲和能显著正相关,与其HOMO-LUMO能隙显著负相关,与其电离势相关性较小。选出三种含有乙烯基且能显著提高LDPE直流击穿强度的芳香酮作为继续研究的可接枝型电压稳定剂,系统地研究了其对XLPE交流绝缘性能的影响。发现ALRB作用效果最优,在添加量为0.8phr时能显著抑制XLPE不同温度下的交流电树枝引发和生长,同时能提高XLPE不同温度下的交流击穿强度,且对XLPE的相对介电常数和介质损耗的负面影响较小,在经过长期交流电老化以后,其提高XLPE交流耐电强度的作用效果依然有效存续。之后,对ALRB的可接枝性进行了红外光谱表征,并研究了电压稳定剂ALRB接枝对XLPE的结晶、交联、机械强度、热氧老化等绝缘基础理化性能的影响,发现ALRB分子在热交联过程中能通过其乙烯基上的加成反应接枝到XLPE分子上,电压稳定剂ALRB接枝对现有电力电缆生产工艺的依从性较好,并且对XLPE的基础理化性能没有显著负面影响,是一种实用价值较高的改性方法。通过实验证实ALRB接枝后具有优异耐的迁出性,其提高XLPE直流击穿强度的作用能长期且高效地保持,系统地研究ALRB接枝对XLPE不同温度下的直流击穿强度、电导特性和空间电荷特性的影响及其机理,同时也系统地测试了北欧化工±500kV高压直流电缆料(±500kV XLPE)的直流绝缘性能作为参照。结果表明:ALRB接枝能显著提高XLPE不同温度下的直流击穿强度,其直流击穿性能显著优于±500kV XLPE,其机理是ALRB具有较高的电子亲和能和较窄的能隙,可以俘获高能电子并通过自身的激发将高能电子能量耗散;ALRB接枝使XLPE电导率温度依赖性略有增大,但对直流电缆绝缘层电场分布的负面影响较小;ALRB接枝后降低了XLPE中深陷阱密度,增大了浅陷阱密度,使空间电荷分布更均匀、局部积累量更少、消散更快。以±500kV XLPE为参照,研究添加剂含量、电压、温度对于ALRB接枝改性前后XLPE的直流接地电树枝引发与生长特性的影响。结果表明:电压和温度升高均会促进直流接地电树枝的引发与生长;±500kV XLPE抑制直流接地电树枝引发与生长的作用均优于普通XLPE;0.4~0.8phr ALRB接枝对于XLPE直流接地电树枝的引发和生长均有显著抑制作用,其作用效果随添加剂含量增大而增大,ALRB含量为0.4phr时其抑制直流接地电树枝的效果基本与±500kV XLPE持平;电压稳定剂ALRB接枝无法抑制电荷的注入和迁移,但能通过削弱电荷脱陷过程的破坏作用来抑制直流接地电树枝的引发和生长。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM855
【部分图文】：

并将酞菁染料和 Al2O3分别混入 LDPE 作为对Al2O3与酞菁染料电压稳定剂在抑制电树枝方面的协同作 LDPE 材料电树枝起始电压比纯 LDPE 高 1.8 倍，但电；仅含纳米 Al2O3的复合材料电树枝生长速度减慢 3 倍本相同；同时混入电压稳定剂和纳米 Al2O3的复合材料电压提高 1.8 倍，并且电树枝生长速度减慢接近 10 倍。表明，酞菁电压稳定剂加入以后改善了纳米 Al2O3颗粒颗粒与 LDPE 基体的界面面积，进而增强了纳米颗粒对，推测这种协同效应的形成机制可能是酞菁电压稳定剂通过范德华力相互吸引，从而抑制了纳米颗粒之间的吸ndersson 等基于文献[34]的研究基础，对噻吨酮电压稳的复配效果进行了较为全面的研究，将 0.03wt%噻吨酮米 Al2O3分别以如图 1-4 所示的不同方式混入 LDPE，分枝起始场强，结果表明电压稳定剂和纳米颗粒以物理形仅含纳米颗粒的材料电树枝起始场强更高，但电压稳定后再混入 LDPE 则使材料的耐电树枝性能显著下降，其到纳米 Al2O3表面会削弱纳米颗粒俘获电荷的陷阱作用[4

与电压稳定剂分子相关的量子化学特性参数主要包括：电子亲和能，电离势和 HOMO-LUMO 能隙，通过理论计算得出的电子亲和能又分为绝热电子亲和能 EAa和垂直电子亲和能 EAv；计算方法见公式（2-1）和（2-2），计算得出的电离势又分为绝热电离势 IPa和垂直电离势 IPv，计算方法见公式（2-3）和（2-4）。其计算原理如图 2-2 所示，其中，E(M)为中性分子在基态时能量，E+(M+)、E-(M-)分别为正离子和负离子在各自离子状态稳定结构下的能量，E+(M)为采用中性分子稳定结构的正离子能量，E-(M)为采用中性分子稳定结构的负离子能量[70]。对于电压稳定剂的相关研究而言，绝热电离势 IPa和绝热电子亲和能 EAa更赋实际物理意义，且垂直参数与绝热参数随分子结构的变化规律基本相同[38,42-43]，因此下文仅针对绝热电离势 IPa、绝热电子亲和能 EAa以及 HOMO-LUMO 能隙 Eg与电压稳定剂效率的关系进行讨论。EAa= E(M)-E-(M-) (2-1)EAv= E(M)-E-(M) ≈ -ELUMO(2-2)IPa= E+(M+)-E(M) (2-3)ΙPv= Ε+(Μ)-Ε(Μ) ≈ -EHOMO(2-4)

图 2-3 LDPE 及含 7 种芳香酮化合物 LDPE 的直流击穿强度 Weibull 分布Figure 2-3 Weibull distribution of DC breakdown strength of LDPE and LDPE containing 7different kinds of aromatic ketone voltage stabilizers2.3 电压稳定剂量子化学特性与其直流击穿强度关系为了获得电压稳定剂提高直流击穿强度的效率与其量子化学特性的关系，分别统计了电压稳定剂直流击穿强度提高百分比 Φ 与绝热电子亲和能 EAa、绝热电离势 IPa、以及 HOMO-LUMO 能隙差 Eg等量子化学特性相关参数的相关性，如图 2-4 所示。若不考虑 AN、PNAP 和 Benzil-N 三种电压稳定剂快速迁出或无法实现均匀混炼的特殊情况，电压稳定剂提高直流击穿强度的效率 Φ 与其量子化学特性呈现出一定的线性相关趋势，其中，Φ 与 EAa呈正相关趋势，与 IPa和 Eg呈负相关趋势。排除 AN、PNAP 和 Benzil-N，对其它 14 种电压稳定剂的数据进行线性拟合，获得的线性拟合相关参数见表 2-2 所示。其中，标准差越大，说明线性拟合的相关性越差；决定因数越大，说明线性拟合的相关性越好。由表2-2 可知，Φ 与 IPa之间的线性相关拟合决定因数仅为 40.4%，与 EAa的线性相关决定因数为 70.6%，与 E的线性相关决定因数为 69.1%，说明电压稳定剂的
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王亚林;吴建东;万佳东;陈亚丁;尹毅;;低密度聚乙烯空间电荷与电导电流的联合测量[J];南方电网技术;2015年10期

2 谢书鸿;傅明利;尹毅;薛建凌;胡明;;中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳:从160kV到200kV再到320kV[J];南方电网技术;2015年10期

3 杨佳明;赵洪;郑昌佶;王暄;杨超尘;;纳米粒子分散性对SiO_2/LDPE纳米复合介质直流介电性能的影响[J];中国电机工程学报;2015年19期

4 欧阳本红;赵健康;周福升;李建英;闵道敏;刘孟佳;;基于等温表面电位衰减法的直流电缆用低密度聚乙烯和交联聚乙烯陷阱电荷分布特性[J];高电压技术;2015年08期

5 钟琼霞;兰莉;吴建东;尹毅;;交联副产物对交联聚乙烯中空间电荷行为的影响[J];中国电机工程学报;2015年11期

6 何金良;党斌;周垚;胡军;;挤压型高压直流电缆研究进展及关键技术述评[J];高电压技术;2015年05期

7 操卫康;李喆;龚瑾;盛戈皞;江秀臣;;纳米颗粒填充浓度和表面处理对纳米MgO/PP空间电荷行为的影响[J];高电压技术;2015年05期

8 李红强;谢湖;吴文剑;钟勇;赖学军;郭建华;曾幸荣;;大分子抗氧剂的合成及应用进展[J];高分子材料科学与工程;2015年05期

9 周远翔;赵健康;刘睿;陈铮铮;张云霄;;高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J];高电压技术;2014年09期

10 刘英;曹晓珑;;直流电压下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝的生长特性研究[J];西安交通大学学报;2014年04期

本文编号：2875392