低交联度LLDPE用于XL...E绝缘的机械及直流电气性能_李银格.pdf
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1、:年 月 第 卷 第 期低交联度 用于 绝缘的机械及直流电气性能李银格,曹亮,刘相辰,刘泳斌,高景晖,钟力生(电力设备与电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学),陕西 西安;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州;西南大学工程技术学院,重庆)摘 要:为了降低直流电缆绝缘材料的电导率,并提升电导率及直流击穿场强的温度稳定性,同时改善绝缘的高温力学性能,文中引入低交联度线性低密度聚乙烯(,)作为直流电缆绝缘材料。文中对比添加不同含量过氧化二异丙苯(,)的 和低密度聚乙烯(,),通过热延伸、动态热机械测试及拉伸试验分析其力学性能,并测试直流电导率和直流击穿场强。结果表明,质量分数为 范围内,交
2、联 具有更低的热延伸率,质量分数为 即可满足高压直流电缆对交联聚乙烯(,)热延伸率的要求。由此结果,结合减少副产物的目的,选出 质量分数为 的 作为传统(质量分数为 的)的对比及替代绝缘材料。动态热机械测试(,)及拉伸试验验证了 质量分数为 的 比传统 拥有更高的杨氏模量及断裂伸长率;电导率及直流击穿实验表明前者在 拥有更低的电导率及更优的电导率和直流击穿场强的温度稳定性。由于实际电缆中的交联副产物难以脱尽且分布不均,严重影响电缆长期安全运行,可考虑将 质量分数为 的低交联度 用作直流电缆绝缘材料,从而在满足高温机械性能的同时降低直流电导率并增强电导率的温度稳定性。关键词:低交联度;线性低密度
3、聚乙烯();热延伸;交联密度;动态热机械测试();电导率中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点基础研究计划资助项目“浮式风电用动态缆测试技术研究”引言柔性直流输电技术因其在远距离、大容量、低损耗方面的优势而应用广泛。高压直流(,)电缆作为柔性直流输电技术的关键设备,其电缆绝缘主要沿用了高压交流电缆的绝缘材料交联聚乙烯(,),。电缆生产制造简单、传输能力强、易于安装和维护、使用成本低、对环境影响小,在世界各地得到了广泛的应用。由于需要添加抗氧剂、交联剂和其他助剂等以提高高温下的机械性能、抗变形和化学腐蚀特性及长期运行稳定性等性能,电缆绝缘在生产和制造过程中
4、不可避免地会产生交联副产物等杂质,这些杂质是绝缘体内空间电荷形成、导致场强畸变、引起局部绝缘劣化的重要因素之一。当外部施加电场时,杂质的存在可能会增加 绝缘空间电荷的浅陷阱,破坏局部电场的均匀性,导致局部放电,加速材料老化,。此外,绝缘层的电导率会随着杂质浓度的升高而升高,增加能源损耗。尽管工厂在 层共挤工艺后对缆芯进行了脱气处理,但脱气工艺不仅耗时耗能,而且无法完全排除绝缘层中的副产物。等人研究指出 电缆绝缘径向位置上电场的不均匀分布情况,并认为可能是由交联副产物的存在、交联度和结晶度的不均匀分布造成的。等人还报告脱气 可改善电缆绝缘的空间电荷特性和导电性能。等人研究发现副产物可增加试样中浅
5、陷阱的数量,减少深陷阱中的电荷数量。减少交联副产物的方法之一是减少过氧化二异丙苯(,)的添加,但由于传统 使用低密度聚乙烯(,)作为基料,其机械性能对 添加量高度依赖,在低交联度下,材料的高温力学性能无法满足要求。文献已经证明,质量分数为 的交联线性低密度聚乙烯(,)在电阻率和机械性能方面、以及在 温度范围内的电导及直流击穿的温度稳定性方面,均优于同等 含量的。在高温下力学性能和导电性的优异表现使得低交联 可能满足 电缆绝缘的要求。因此,应探索使用低交联度 作为 电缆绝缘材料,实现提高 绝缘材料的高温力学性能、降低电导率及增强电导率的温度稳定性。文中提出使用 质量分数为 的交联 作为 电缆绝缘
6、,并且使用交联 作对比。通过热延伸、动态热机械测试(,)和拉伸试验对材料的力学性能进行分析,并且测试 种材料的直流电导率和直流击穿场强,讨论低交联度 作为直流电缆绝缘,在满足降低副产物含量的同时改善绝缘材料机械性能及直流电导率、直流击穿场强的温度稳定性。试样制备及试验方法 试样制备采用压片硫化的片状及块状试样进行测试。选用已商用的密度均为 (条件下)的 和 基料,并分别使用 质量分数含量为、和 的 种配方进行交联制样。文中所有显示的添加 试样均为交联反应后的试样。为表述简便,将其分别命名为、和。制样时,采取浸渍吸收的处理方式,试样添加相应含量的 交联剂后,用广口瓶盛放,并置于 的烘箱中,摇晃至
7、 均匀涂覆吸收后静置。将吸收 后的颗粒置于模具中,使用平板硫化机先在 温度下进行 预交联,然后在 、下进行 交联压片,再通过水冷系统将试样冷却至室温。在开始试验之前,将所有试样置于 的通风烘箱中处理 。试验方法首先使用凝胶含量分析和热延伸的方法分析材料的交联网络结构,再通过 和拉伸测试分析其机械性能,最后用直流电导率及直流击穿场强测量系统分析材料直流导电性能。按照 的要求,使用凝胶含量测试系统对材料的交联度进行测试。将试样制作成 的颗粒,在 的二甲苯溶液中浸泡 ,然后在 真空烘箱中干燥。凝胶含量百分比为最终试样剩余重量占原始总重的百分比。热延伸试验是材料高温力学性能表征的重要方法之一。在 下,
8、使用配备特殊量架的烘箱对所有交联后的试样进行热延伸试验,方法依照 。制作厚度为 、总长度为 的标准哑铃形试样,并在其上标记长度为 的工作区间。所有试样均装有砝码,压力为,放置在 烘箱中静置 后,测量标记之间的新长度。然后剪掉载有砝码的夹具,使试样在烘箱中停留 ,再取出并冷却。冷却至室温后再次测量标记之间的长度。记录载荷下的热延伸率()?,和冷却后的永久伸长率()?。用于分析在周期性振动力作用下,材料的力学和粘弹性随时间、温度或频率的变化。在 测试中,通过梅特勒托莱多 系统测量试样。试样厚度为,用双悬臂夹具固定。试验在 进行,加热速率为 。使用拉伸试验分析材料基本力学性能,依照 中的要求,在拉伸
9、试验中由应力应变曲线可以得到材料的刚度、塑性及强度参数等。测试试样为标准哑铃型试样,其工作区域宽,长度大于 ,厚度约为 ,由 电子万能试验机进行试验,测试温度为 ,拉伸速率为 ,变形传感器为位移型。材料的直流电导率由 静电计测量导电电流后计算得出。使用三电极系统,在、,的直流电场下,测量记录第 的电流值,通过计算得出其电导率。测试试样的尺寸为 。对于每个温度,测量 个试样,并将其平均值用作电导率。材料的直流击穿性能可以反映其在直流电场下保持电气绝缘性质的能力。使用上下电极对称的柱柱电极系统,电极直径为 ,倒角曲率半径为 ,将电极浸没在植物油中以防沿面闪络。使用高压直流发生器作为高压源,升压速率
10、为 ,测量温度为、。每种配方在每个温度点进行 次击穿测试,并使用双参数 统计分析试验结果。交联网络结构分析 及 配方材料的交联度与 含量的关系见图。在 质量分数在 范围内,和 基试样在相同 含量下的交联度的差异较不明显,种材料的交联度均随 含量的增加而增加,而交联度的增长速度也均随 含量的增加而减慢。交联 及交联 的热延伸率与 含量的关系见图。依据 ,在 质量分数为 范围内,交联 材料的热延伸率保持在 以下,满足 对高压电缆 绝缘热延伸率的要求()。交联李银格 等:低交联度 用于 绝缘的机械及直流电气性能图 和 交联度与 含量的关系 材料的伸长率远高于相同 含量的交联,且只有 质量分数为 的试
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