高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料及半导电屏蔽材料热性能及机械性能分析

为实现高压直流电缆绝缘料国产化和保证直流电缆系统运行的长期可靠性,选取了两种配方体系的典型直流电缆交联聚乙烯（XLPE）绝缘料及半导电屏蔽料制备试验样品。利用差示扫描量热分析（DSC）、热失重分析（TGA）等技术,分析了试验样品的基本组成成分和分子结构特征,为判断电缆材料的优劣提供重要依据。对直流电缆绝缘料的热性能及机械性能进行了试验研究,考察了材料的导热性及热老化前后材料的力学性能变化,并对试验结果进行了对比分析,为未来直流电缆系统工程设计选型及建立直流绝缘料质量评价体系提供了基础试验数据支持。     

直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响

随着交联聚乙烯（XLPE）绝缘直流电缆电压等级的提高,对半导电屏蔽料的质量及可靠性的要求也越来越高。选用了2种国外高电压等级用直流半导电屏蔽料、一种国产较为优秀的半导电屏蔽料和国内XLPE直流电缆绝缘料作为试验材料,测试了3种屏蔽料的热、电性能,屏蔽与绝缘的复合性能,研究了3种屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响。通过对试验结果的综合分析,提出了炭黑填充量、炭黑粒径和基体树脂以及界面结合情况是影响半导电屏蔽料体积电阻率和空间电荷注入的关键因素。     

半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘电气性能的影响

为研究半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘中电荷输运行为的影响,本研究选用国内外3种不同型号的半导电屏蔽材料配合同一XLPE绝缘,模拟实际电缆结构试制了屏蔽-绝缘-屏蔽的三明治结构试样,并对其进行高场强电导测试以及空间电荷测量。结果表明：屏蔽层的引入使绝缘内部的电导方式发生了改变。相较于纯XLPE绝缘试样,含屏蔽层配合的绝缘试样电荷注入明显增加,其中进口屏蔽料配合的试样绝缘-屏蔽界面对电荷注入的抑制能力较强,电荷注入程度较弱。电荷注入会对空间电荷在绝缘内部的积聚程度产生影响,其中,含国产屏蔽料配合的试样的空间电荷积聚较为严重,含进口屏蔽料配合的试样空间电荷积聚程度较轻。此外,空间电荷测量还需要注意因试样结构的特殊性带来的阻抗不匹配问题。     

高压电缆半导电屏蔽材料研究进展与展望

半导电屏蔽层是高压交直流电缆的重要组成部分,起到消除电缆绝缘与导体/金属屏蔽界面缺陷、均匀电场的作用.本文阐述了半导电屏蔽复合材料的导电机理及正、负温度电阻系数(PTC/NTC)效应;分析半导电屏蔽层表面光滑度的影响因素,提出基于白光干涉三维表面轮廓扫描的表面光滑度精确评估方法;综述了聚合物基体和导电填料对半导电屏蔽复...     

纳米导电炭黑的表面改性对超高压电缆用半导电屏蔽料性能影响的研究

采用熔融共混法制备了超高压电缆用半导电屏蔽料,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)技术研究了纳米导电炭黑的表面改性对超高压半导电屏蔽料的相容性的影响;研究了复合材料的表面光洁度、物理机械性能、电气性能;通过热失重技术(TG)、差示扫描量热技术(DSC)研究了复合材料的高温稳定性。当炭黑添加量为25份(phr)时,半导电屏蔽料的综合性能最佳。     

导电碳黑填充EVA半导电电极对聚乙烯中空间电荷注入的影响

为探索导电碳黑填充EVA半导电电极对聚乙烯中空间电荷注入的影响,分别将碳黑以3种不同的比例填充到EVA中作为聚乙烯的电极,碳黑的体积分数分别为27％,32％和34％。高压下,采用压力波法研究聚乙烯中空间电荷的注人情况,并对测量结果进行定性的比较和分析。结果表明,聚乙烯样品中空间电荷的注入量随着电极中碳黑填充率的增大,空间电荷的注入量反而减小。这与理论预测相符,电极中碳黑的填充率越大,与聚合物接触的界面处碳黑颗粒的排列就越密集,颗粒表面最高场强就越低,且表面局部高场区在平均场强的延伸范围就越小,从而就减少了空间电荷的注入。     

半导电材料对纳米MgO/XLPE复合介质空间电荷影响的研究

聚合物纳米复合介质中空间电荷的注入与半导电电极材料密切相关,文中采用电声脉冲(PEA)法测量了预压-60 kV/mm电场1 h后,对比研究了六种不同半导电电极材料下交联聚乙烯(XLPE)和MgO/XLPE复合介质中的空间电荷分布;并对不同半导电电极材料下MgO/XLPE复合介质中的平均电荷密度进行了计算。对比实验表明:配方不同的半导电电极材料确实对试样中空间电荷的分布以及空间电荷量影响很大;以乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)为基础材料、添加30wt%炭黑的第二种半导电材料对MgO/XLPE复合介质中空间电荷的抑制效果最好。     

预处理温度对高压直流电缆附件绝缘材料空间电荷的影响

采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)研究了经过不同预处理温度处理后的高压直流电缆附件绝缘材料——硅橡胶(silicone rubber,SIR)及三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)绝缘层的空间电荷分布。为分析导致此空间电荷积累不同的原因,采用拉伸性能测试和动态热机械分析(dynamic thermal mechanical analysis,DMA)研究了高压直流电缆附件绝缘材料化学分子结构的变化。实验结果表明,SIR材料经过150℃预处理后,硫化更充分、交联密度增加,从而使得绝缘层中的空间电荷量减少,因此SIR的预处理以150℃为宜;EDPM材料经过150℃预处理后,综合表现为解聚反应,从而使得绝缘层中的空间电荷量增加,因此EDPM预处理温度以80℃为宜。     

加工助剂对高压电缆半导电屏蔽料性能影响研究

高压电缆半导电屏蔽料主要由基体树脂、导电炭黑和加工助剂通过熔融混合加工而成。其中,加工助剂是影响高压电缆半导电屏蔽料品质的重要因素,然而加工助剂对高压电缆半导电屏蔽料性能的影响鲜有报道。该文采用熔融共混法制备导电炭黑(CB)/乙烯–丙烯酸丁酯共聚物(EBA)半导电屏蔽料,系统研究导电炭黑用量、分散剂类型与含量、交联剂类型与用量对半导电屏蔽料结构与性能的影响。采用扫描电子扫描显微镜和光学显微镜观察CB/EBA半导电屏蔽料内部微观结构和表面光洁度,通过电阻率测试仪和电子万能试验机评价CB/EBA半导电屏蔽料电性能和力学性能。实验结果表明：在导电炭黑质量分数为30%、分散剂N.N’-乙撑双硬脂酰胺为2.0%及交联剂双叔丁基过氧异丙基苯在1.0%时达到最优性能,半导电屏蔽料23℃和90℃电阻率为13.6Ω·cm和307.9Ω·cm,拉伸强度和断裂伸长率分别为18.5MPa和241.5%,且试样表面没有直径大于50μm的突起点,能够满足高压电缆屏的应用要求。此外,对比分析发现,我国自主研制的高压电缆半导电屏蔽料与国外同类产品拥有同等性能水平。该文工作为高压电缆半导电屏蔽料国产化提供了理论依据和数...     

POE增韧聚丙烯基电缆半导电屏蔽材料导电网络的建立及性能

为了探究聚丙烯电缆屏蔽料的性能,以聚丙烯/乙烯–辛烯共聚物弹性体(polypropylene/ethylene-octene copolymer elastomer,PP/POE)为基体树脂,添加碳黑作为导电填料,使用转矩流变仪制备了不同POE比例的半导电屏蔽材料。使用扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)观察了碳黑在材料中的分布特征,使用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)表征了材料的熔融结晶行为,对试样的动态热力学进行了分析,并使用四电极系统测量了试样在不同温度下的体积电阻率。结果表明：POE的添加改变了碳黑的分布情况,使碳黑主要分布在POE中。随着POE质量份数的增加,碳黑网络分布区域更大,但碳黑浓度降低;体积电阻率的正温度系数(positive temperature coefficient,PTC)效应变大。综合来看,PP与POE的质量份数比例为60:40和50:50的试样在兼顾力学性能的同时,具有较为理想的导电性能。     

基于外半导电层注入的全尺寸电缆用脉冲电声法空间电荷测量技术

高压交联聚乙烯电缆是直流输电的关键装备,但直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。基于脉冲电声(PEA)法空间电荷测量技术,根据待测电缆绝缘厚度,合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度;采用电缆外半导电层注入脉冲技术实现了高电压、长电缆下空间电荷的测量;同时分析了同轴电缆中的声波传输特点及波形矫正方法。结果表明:半导电层注入脉冲方式是测量高电压、长电缆下空间电荷特性最简单有效的办法,但脉冲沿外半导电层的分压作用会导致脉冲幅值衰减;测量系统的精度和分辨率可通过合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度而实现;另外,该系统中采用示波器对地隔离,电脑与示波器间引入数字光纤隔离技术,有效避免了传统模拟光纤对测量波形频带的限制。     

电缆半导电屏蔽层中导电离子析出模型分析

中低压电力电缆主绝缘的水树现象是造成电缆故障的一个很重要的因素,在温度和高电场等外界条件共同作用下,电缆半导电屏蔽层中含有的游离导电离子析出后在电缆主绝缘表面形成水树现象的起始点。通过对半导电屏蔽试样水煮得到的数据进行分析,建立扩散模型,利用Fick第二扩散方程对该模型进行解析,得到t时刻试样中导电离子的浓度分布并与导电离子的析出试验数据相符。     

高压电缆半导电屏蔽料关键问题及研究进展

半导电屏蔽层作为高压电缆的重要组成部分,在电缆结构中起到均匀电场的作用。目前,我国高压电缆制造技术快速发展,然而高电压等级电缆料严重依赖进口,存在较多的技术壁垒。该文从高压电缆屏蔽料发展历程及关键问题、屏蔽料组成及关键性能参数、屏蔽料性能提升及改性3个方面综述了高压电缆屏蔽料的研究进展。首先,梳理高压电缆半导电屏蔽料发展历程,提炼当前屏蔽料面临的主要技术瓶颈和关键问题;其次,探讨屏蔽料导电和导热机理,从基体树脂、导电填充物和添加剂3个方面分析屏蔽料组成及性能,分析不同电压等级屏蔽料关键性能参数与技术要求;最后,探讨半导电屏蔽层配方,半导电屏蔽层–绝缘层界面特性和半导电屏蔽层性能对绝缘层电荷积聚特性的影响,并提出通过半导电屏蔽层改性抑制高压直流电缆绝缘层电荷积聚的方法。该文所做工作可为我国高压电缆半导电屏蔽料的研发、高压电缆性能评估提供理论参考。     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

关于电缆半导电屏蔽层电阻率试验的研究

对国内外不同的电缆屏蔽料生产的电缆内外半导电屏蔽层的电阻率(或电阻)进行了实验研究,实验结果表明:电缆屏蔽层的电阻率与测量时间、测试温度均存在相关性。由此分析认为,IEC 60840和IEC 60502,以及国家标准GB/T 12706—2002中关于半导电屏蔽层电阻率的测试方法,存在测试条件规定不明确的问题,并提出了执行该标准的具体建议。     

用于高压直流电缆的纳米复合聚乙烯绝缘材料研制成功

将某种1％含量的纳米填料加入电缆绝缘用聚乙烯基料中,该纳米填料经特殊工艺处理后,仅需通过机械共混法就能均匀地分散在聚乙烯基料中,因此可用于大规模工业生产。聚乙烯中加入1％的纳米填料不仅能有效降低聚乙烯电阻对温度的依赖性,消除直流电压作用下由于导体温升引起的温度梯度场对聚乙烯绝缘电阻以及场强畸变特性,而且能大幅度提高电极上电荷注入阈值场强,     

碳纳米管在半导电屏蔽材料中的应用

分析导电炭黑和碳纳米管在半导电屏蔽料中的导电机理,分别对导电炭黑、碳纳米管及两种材料复配后的体系进行试验,分析其导电性。试验显示碳纳米管不能简单地完全取代导电炭黑,需进行复配使用。复配后可大大降低屏蔽料的体积电阻率并减少整个配方中导电体系的份数。     

中压橡套电缆用半导电屏蔽料导电性能的研究

为了研究各种参数对中压橡套电缆用半导电屏蔽料导电性能的影响,从而更好地提升材料的性能,控制材料的成本,更有依据地对材料配方进行调整,考察了导电炭黑用量、不同基体材料、不同测试温度以及导电炭黑的种类对半导电屏蔽料导电性能的影响。     

预鉴定试验对直流电缆中空间电荷特性的影响

为研究预鉴定试验对直流交联聚乙烯(XLPE)电缆的影响,对国内自主研发的200 k V直流XLPE电缆进行了预鉴定试验,并采用傅里叶红外光谱测试(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)、空间电荷测试等方法,分析了预鉴定试验前后电缆XLPE绝缘中层绝缘的状态变化。结果表明:预鉴定试验前后,电缆绝缘材料本征基团对应的特征吸收峰基本不变,熔融温度、结晶温度变化不大,电缆材料未发生明显老化。预鉴定试验前后,电缆绝缘中层切片试样均有明显的异极性空间电荷积累,30℃下预鉴定试验后试样短路过程中的平均体电荷密度明显大于预鉴定试验前的试样。预鉴定试验使电缆绝缘层内的交联副产物沿电缆径向由线芯侧向外侧扩散,使电缆绝缘中部的交联副产物含量增多。电缆绝缘中层切片经实验室脱气处理后,异极性空间电荷的积累量大幅下降,表明现有200 k V直流XLPE电缆经脱气处理后,仍留存大量的交联副产物,需要进一步改进生产过程中的脱气工艺。