CN107815081A - 一种高压绝缘电缆 - Google Patents

一种高压绝缘电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压绝缘电缆，包括：至少一根导体线芯、包绕于所述导体线芯外的绝缘层、包绕于所述绝缘层外的屏蔽层、包覆绕于所述屏蔽层外的护套层；所述绝缘层包括以下重量份原材料制备而成：12‑25份的玄武岩纤维、0.001‑0.003份的石墨烯，15‑25份的聚氧基苯甲酸乙酯、50‑60份的聚碳酸酯、8‑12份的改性剂、1‑5份的稳定剂；将经过改性处理的，具有优异绝缘性、耐老化性和耐击穿性的聚碳酸酯材料作为绝缘层，从而，提高了绝缘电缆的击穿电压，也使聚碳酸酯可用于高压绝缘电缆。

Description

一种高压绝缘电缆
技术领域
本发明涉及电缆领域，具体涉及一种高压绝缘电缆。
背景技术
电缆是用一根或多根导线经过绞合制作成导体线芯，再在导体上施以相应的绝缘层，外面包上密封护套而形成的导线，主要由线芯、绝缘层、屏蔽层和护套层构成。电缆具有占用地面和空间少；供电安全可靠，触电可能性小；有利于提高电力***的功率因数；运行、维护工作简单方便；有利于美化城市，具有保密性等诸多优点，被广泛应用于生活和生产中的各个领域。
电缆中绝缘层的作用是将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气上彼此隔离，从而保证在输送电能时不发生相对地或相间击穿短路。经过实验和长期使用经验证明，高品质的电缆中，绝缘层的材料需要具有以下性能：耐压强度高；介质损耗角正切值低；耐电晕性能好；化学性能稳定；耐低温；耐热性能好；机械加工性能好；使用寿命长。现有的电缆绝缘层材料大致可分为油浸纸、橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯和交联聚乙烯等几大类，虽然能满足常规电缆的性能需求，但在用于制备特殊环境下使用的电缆时，其性能略显不足。
聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，聚碳酸酯材料具有较好的综合性能，聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃性好，绝缘性能优异，介电常数小，成型尺寸稳定性好，在使用温度内具有良好的机械性能等诸多优点；但由于聚碳酸酯中存在酯基，在紫外线、电晕等条件下会快速老化，性能快速降低，因而，聚碳酸酯材料不适合用于高压绝缘电缆的绝缘层。
发明内容
本发明的目的在于克服现有聚碳酸酯绝缘电缆击穿电压低的缺陷，提供一种高压绝缘电缆；本发明将经过改性处理的，具有优异绝缘性、耐老化性和耐击穿性的聚碳酸酯材料作为绝缘层，从而，提高了绝缘电缆的击穿电压，使聚碳酸酯可用于高压绝缘电缆。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种高压绝缘电缆，包括：至少一根导体线芯、包绕于所述导体线芯外的绝缘层、包绕于所述绝缘层外的屏蔽层、包覆绕于所述屏蔽层外的护套层；所述绝缘层包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，10-20份的聚氧基苯甲酸乙酯、50-70份的聚碳酸酯、5-12份的改性剂、0.1-0.5份的稳定剂。
本发明一种高压绝缘电缆，该电缆的绝缘层选用经过改性处理的，具有优异绝缘性、耐高温性和耐击穿性的聚碳酸酯材料，使电缆的聚碳酸酯绝缘层在高压情况下可长时间稳定工作；进而使聚碳酸酯电缆应用范围更广，应用领域更多。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的改性剂包括质量比为2-4︰1-3的双氧水和有机酸；所述改性剂能快速对玄武岩纤维表面进行腐蚀、活化，形成粗糙表面，并接枝大量活性基团，不仅提高了玄武岩纤维对石墨烯的负载能力，提高了玄武岩纤维与聚氧基苯甲酸乙酯之间的化学键合和机械铆合能力，还能阻止击穿通道沿玄武岩纤维界面的快速生长，提高了绝缘材料的击穿电压；所述的机械铆合是指基体材料通过收缩应力包紧粗糙表面的纤维而产生的摩擦结合。
其中，石墨烯的量需要控制在规定范围内，用量过大，绝缘材料电阻率大幅降低，绝缘性降低；用量过少，对绝缘材料改性作用小，作用效果不明显；优选的，所述的石墨烯用量为0.002份。
其中，所述的聚氧基苯甲酸乙酯对玄武岩纤维和聚碳酸酯的相容性都好，能增加无机材料与有机材料界面间的键接能力，降低电晕和电树枝化的发生概率。
其中，所述的有机酸为甲酸、乙酸、乙二酸、丁烯二酸、丙烯酸中的一种或多种。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的玄武岩纤维长度≤2mm，直径为1-5μm。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的玄武岩纤维中包括有重量百分数为0.1-1.5%的纳米氧化铝，纳米氧化铝可以阻挡击穿通道的发展，提高玄武岩纤维的击穿强度；所述的纳米氧化铝的含量必须控制在规定范围内，其用量过大，会导致纳米氧化铝在电场作用中起主导作用，反而降低了玄武岩纤维的击穿强度，用量过少，所起的作用小，对玄武岩纤维的击穿强度增加作用小；优选的，所述的纳米氧化铝的重量百分比为0.5-1.2%。其中，优选的，所述的纳米氧化铝的直径为2-10nm；直径过大，相容性降低，对击穿通道的阻挡作用降低，直径过小，不利于分散。
其中，优选的，所述的纳米氧化铝为长径比为1.5-3︰1的氧化铝晶须；晶须能嵌入不同的晶相结构中，对击穿通道的阻挡作用更好；长径比太小，对击穿通道的阻挡作用差，长径比过大，容易发生缠绕或断裂，不利于对玄武岩纤维的改性。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的玄武岩纤维中还包括0.6-2.8%的纳米二氧化硅，纳米二氧化硅能影响玄武岩纤维中晶相分布和大小，使玄武岩纤维中晶相分布更均匀，大小差异更小，使玄武岩纤维的耐电晕和电树枝化的性能更好；所述的纳米二氧化硅的含量必须控制在规定范围内，含量过大，纳米二氧化硅容易积聚，反而对玄武岩纤维中晶相的分布造成影响，使其耐电晕和电树枝化的性能降低，含量过小，对玄武岩纤维均匀性影响作用小；优选的，所述的纳米二氧化硅的重量百分比为1.2-2.1%。
其中，优选的，所述的纳米二氧化硅的粒径为5-20nm；粒径过大，玄武岩纤维中晶相直径大，对耐电晕和电树枝化增强作用降低；粒径过小，不利于分散。
其中，所述的稳定剂为脂肪酸锌；稳定剂能提高聚碳酸酯的化学稳定性，降低老化速度，增加使用寿命。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的导体线芯是由导电材料制备而成的导线；优选的，所述的导体材料为铜、铝及其合金中的一种。
其中，所述的屏蔽层由屏蔽材料构成；优选的，所述的屏蔽材料为复合屏蔽材料。
其中，所述的护套层包括内护套、内衬层、铠装层和外被层；护套层能密封保护电缆免受外界杂质和水分的侵入，防止外力直接损坏电缆内部结构。
上述一种高压绝缘电缆，其中，所述的绝缘层通过以下步骤制备得到：
（1）将玄武岩纤维用改性剂进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将石墨烯负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与聚碳酸酯、稳定剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明电缆的绝缘层为玄武岩纤维改性聚碳酸酯材料，增加了电缆绝缘层的击穿电压，使电缆的应用范围更广、应用领域更多。
2、本发明电缆中的玄武岩纤维纸含有纳米氧化铝或二氧化硅，能显著提高玄武岩纤维的电性能，使其更适合用于高压绝缘电缆的绝缘层。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种高压绝缘电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：将20份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用10份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.002份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与55份聚碳酸酯、3份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚氯乙烯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
实施例2
一种高压绝缘电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜铝合金导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将20份普通玄武岩纤维用10份的包括质量比为2︰1的双氧水和甲酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.002份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与60份聚碳酸酯、3份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚苯硫醚复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
实施例3
一种高压绝缘电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铝导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将12份含有重量百分数为0.1%长径比为1.5︰1、直径为10nm的氧化铝晶须和2.8%的粒径为2nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用8份的包括质量比为4︰1的双氧水和乙二酸、进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.001份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将25份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与60份聚碳酸酯、1份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
密封层：硅橡胶；
屏蔽层：碳纤维-聚碳酸酯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
实施例4
一种高压绝缘电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜合金导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将25份含有重量百分数为1.5%长径比为3︰1、直径为2nm的氧化铝晶须和0.6%的粒径为20nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用12份的包括质量比为2︰3的双氧水和丁烯二酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.003份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将15份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与50份聚碳酸酯、5份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
密封层：聚四氟乙烯；
屏蔽层：金属纤维-聚碳酸酯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
对比例1
一种电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将0.002份石墨烯均匀负载在15份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维上；
（2）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（3）将中间体与55份聚碳酸酯、3份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（4）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚氯乙烯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
对比例2
一种电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将20份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用10份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（3）将中间体与55份聚碳酸酯、3份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（4）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚氯乙烯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
对比例3
一种电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将20份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用10份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.005份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与55份聚碳酸酯、3份脂肪酸锌混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚氯乙烯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层.。
对比例4
一种电缆，由内向外依次为：
导体线芯：铜导线；
绝缘层：通过以下方法制备得到：（1）将20份含有重量百分数为0.8%长径比为2︰1、直径为5nm的氧化铝晶须和1.6%的粒径为10nm纳米二氧化硅的玄武岩纤维用10份的包括质量比为3︰2的双氧水和乙酸进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将0.002份石墨烯均匀负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将20份聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与55份聚碳酸酯混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层；
屏蔽层：碳纤维-聚氯乙烯复合屏蔽材料；
护套层：内护套、内衬层、铠装层和外被层。
将上述实施例1-4和对比例1-4中的电缆，进行击穿电压检测，记录数据如下：
编号 击穿电压（KV）
实施例1 ≥70
实施例2 ≥68
实施例3 ≥66
实施例4 ≥67
对比例1 ≥31
对比例2 ≥26
对比例3 ≥16
对比例4 ≥59
上述实验数据可知，实施例1-4采用本发明技术方案得到的电缆，击穿电压高，可作为高压绝缘电缆使用；对比例1-4没采用本发明技术方案得到的电缆，击穿电压显著降低。

Claims (10)

1.一种高压绝缘电缆，包括：至少一根导体线芯、包绕于所述导体线芯外的绝缘层、包绕于所述绝缘层外的屏蔽层、包覆绕于所述屏蔽层外的护套层；其特征在于，所述绝缘层包括以下重量份原材料制备而成：12-25份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，15-25份的聚氧基苯甲酸乙酯、50-60份的聚碳酸酯、8-12份的改性剂、1-5份的稳定剂；所述的改性剂包括质量比为2-4︰1-3的双氧水和有机酸。
2.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述的有机酸为甲酸、乙酸、乙二酸、丁烯二酸、丙烯酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述的连续玄武岩纤维中包括有重量百分数为0.1-1.5%的纳米氧化铝。
4.根据权利要求3所述的电缆，其特征在于，所述的纳米氧化铝的直径为2-10nm。
5.根据权利要求3-4任一项所述的电缆，其特征在于，所述的纳米氧化铝为长径比为1.5-3︰1的氧化铝晶须。
6.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述的连续玄武岩纤维中还包括有重量百分数为0.6-2.8%的纳米二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的电缆，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的重量百分比为1.2-2.1%。
8.根据权利要求6或7所述的电缆，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的粒径为5-20nm。
9.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述的稳定剂为脂肪酸锌。
10.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述的绝缘层通过以下步骤制备得到：
（1）将玄武岩纤维用改性剂进行处理，得到改性玄武岩纤维；
（2）将石墨烯负载在改性玄武岩纤维上；
（3）将聚氧基苯甲酸乙酯与负载有石墨烯的改性玄武岩纤维混合挤出得到中间体；
（4）将中间体与聚碳酸酯、稳定剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚碳酸酯复合材料；
（5）将聚碳酸酯复合材料包绕于导体线芯外，形成绝缘层。
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