CN113746035B - 一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，属于电工材料技术领域。本发明解决现有预制式电缆附件橡胶增强绝缘制成的应力控制体性能的改善方法，无法兼顾橡胶材料的体绝缘性能和长期有效改善应力控制体界面耐电性能的问题。本发明采用先将可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂熔化混合制成有机改性溶液，然后将有机改性溶液均匀喷洒或涂抹于橡胶应力控制体内侧表面，并通过固化处理使芳香酮化合物接枝于应力控制体内侧橡胶表面，芳香酮化合物接枝后俘获绝缘界面或橡胶浅表层的高能电子并消耗其能量，避免了橡胶表面电子雪崩，进而使应力控制体绝缘界面的耐电性能得到显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，属于电工材料技术领域。
背景技术
电缆附件用于电缆与电缆或电缆与电力***之间的连接，主要分为预制式电缆附件、绕包式电缆附件和模塑式电缆附件三个大类，预制式电缆附件又主要分为预制式电缆终端和预制式电缆中间接头两大类，不同于绕包式电缆附件和模塑式电缆附件，由于预制式电缆附件的增强绝缘是在电缆附件生产车间预先加工制造成型，因此其加工精度高，避免了在安装现场制造绕包式或模塑式增强绝缘所带来的质量问题，预制式电缆附件具有质量可控性高、安装过程简单、安装周期短等诸多优点，因此在35kV及以上电压等级的高压交联聚乙烯绝缘电力电缆线路中几乎成为必然选择。
虽然在电缆绝缘层中仅有径向电场分布，没有沿着电缆纤芯敷设方向的轴向电场，但在电缆附件中由于外屏蔽结构规整性和连续性被破坏，因此电场严重畸变，不仅存在径向电场，也有轴向电场，因此高压电缆附件中的电场分布是电缆***绝缘结构中最集中的部分，也是电缆***中最为薄弱的环节。径向电场通常会在电缆本体绝缘或者增强绝缘中产生贯穿性内部损伤，而轴向电场的存在会导致橡胶材料制成的增强绝缘材料与交联聚乙烯制成的电缆本体绝缘的交界面上出现沿着界面方向的沿面放电或击穿现象。
预制式电缆附件应力控制体结构主要包括半导电应力锥和增强绝缘两部分，通常采用乙丙橡胶或硅橡胶材料制成，提高预制式电缆附件橡胶增强绝缘材料的耐电性能可以有效改善应力控制体的耐电压性能，现有技术主要通过添加纳米颗粒的方式对橡胶的体绝缘特性进行改性，一种是通过纳米颗粒改善橡胶的电导率非线性，从而改善应力控制体的电场分布，使应力控制体中的电场强度远低于材料的击穿强度，保障运行的稳定；另一种是通过纳米颗粒的添加提高橡胶材料的体击穿强度或耐电树枝能力。然而，在橡胶中添加纳米颗粒虽然能一定程度改善材料的界面耐电性能，但无法兼顾材料的体绝缘性能，往往材料的界面性能得到改善时，其体绝缘性能却严重下降，因此，通过添加纳米颗粒的方式通常仅能用于改善增强绝缘橡胶材料的体绝缘性能。
针对应力控制体的界面绝缘性能，目前现有技术没有较好的材料改性方法，现有技术在预制式电缆附件安装过程中，通常在橡胶应力控制体和电缆本体绝缘之间涂抹一层绝缘硅脂，来减少应力控制体套装过程的阻力的同时，改善绝缘界面的耐电性能，然而硅脂在长期运行过程中容易流失或导致橡胶材料溶胀，无法长期有效维持界面耐电性能。因此提供一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有预制式电缆附件橡胶增强绝缘制成的应力控制体性能的改善方法，无法兼顾橡胶材料的体绝缘性能和长期有效改善应力控制体界面耐电性能的问题，提供一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法。
本发明的技术方案：
一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂加热融化混合均匀，获得有机改性溶液；
所述的可接枝芳香酮化合物包括乙烯基和由羟基、羰基和苯环组成的六元螯合环结构；
步骤二、将步骤一获得的有机改性溶液均匀喷涂在预制式电缆附件橡胶应力控制体内侧表面，然后加热使有机改性溶液被预制式电缆附件橡胶应力控制体表面吸收，最后固化处理，使芳香酮化合物在交联引发剂作用下接枝于预制式电缆附件橡胶应力控制体内侧表层的橡胶大分子链上，完成预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能的改性。
进一步限定，可接枝芳香酮化合物为2'-羟基查耳酮、2'-羟基-3'丙烯基查耳酮、4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮、2-丙烯酸2-(4-苯甲酰-3-羟基苯氧基)乙基酯、2-羟基-4-丙烯酰氧基二苯甲酮、2-羟基-4-(异丁烯酰基氧)二苯甲酮和2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚中的一种或两种以上按任意比例混合。
进一步限定，预制式电缆附件橡胶应力控制体制成材料为三元乙丙橡胶或甲基乙烯基硅橡胶经过硫化后制成。
进一步限定，步骤一加热融化温度为70～90℃。
进一步限定，步骤二中使有机改性溶液被预制式电缆附件橡胶应力控制体表面吸收的加热温度为70～110℃。
进一步限定，交联引发剂为紫外光引发剂二苯甲酮。
更进一步限定，步骤一中可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂摩尔比为1：(1～10)：(0.5～5)。
更进一步限定，步骤二中固化处理条件为：紫外线灯波长为360～385nm，辐照时间为1～20min。
进一步限定，交联引发剂为过氧化二异丙苯或过氧化苯甲酰。
更进一步限定，步骤一中可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂摩尔比为1：(0.5～5)：(0～5)。
更进一步限定，步骤二中固化处理条件为：固化温度为120～160℃，固化时间为1～20min。
进一步限定，交联助剂为TAIC、TAC和TMPTMA中的任意一种。
本发明具有以下有益效果：本发明采用有机化学改性方法改善预制式电缆附件橡胶应力控制体与电缆本体相接触界面的耐电压能力。具体具有以下有点：
(1)本发明采用接枝的方式对橡胶材料表面性能进行改善，相对于现有技术中常用的涂抹绝缘硅脂等方式，接枝后的分子没有流失的风险，也不存在使橡胶溶胀的风险，具有长期可靠的稳定性。
(2)芳香酮化合物接枝后能俘获交联聚乙烯与橡胶绝缘界面或橡胶浅表层的高能电子并消耗其能量，避免了存在平行于材料表面的轴向电场时，橡胶表面可能发生的电子加速与电子雪崩，进而使应力控制体绝缘界面的耐电压性能得到显著提高，解决了现有高压电力电缆预制式电缆附件中绝缘材料界面耐电压能力薄弱的问题。
(3)本申请有机改性溶液采用表面喷涂的方式，在应力控制体整体加工成型后，将改性溶液有针对性地喷涂于橡胶绝缘界面，并采用红外加热或紫外线辐照等方式完成表面接枝反应，接枝反应被控制在几微米至几十微米的额厚度，在对应力控制体的界面性能进行改善的同时，对应力控制体增强绝缘材料的体绝缘性能没有负面影响。
(4)由于已经加工成型的应力控制体所采用的材料中已经含有抗氧剂等橡胶材料必备的添加剂，因此，合理控制添加剂含量和接枝反应条件，即可避免应力控制体内表面因接枝反应导致的局部氧化，对于应力控制体内表面的机械性能和耐老化性能也不会产生负面影响。
(5)本申请有机改性溶液在常温下存放时间长，不易二次结晶，保证了加工过程中溶液性能稳定，且有充裕的加工操作时间；
(6)本申请对预制式电缆附件的改善方法不需要使用大型设备完成，对施工环境没有特殊要求，既可以在预制式电缆附件出厂之前完成，也能够在电缆附件安装施工现场完成，具有较好的操作灵活性和实施便捷性。
附图说明
图1为本发明预制式电缆附件的改善过程的反应示意图；
图2为表面击穿电压测试电极及试样结构；
图3为预制式电缆附件的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
(1)将40g三元乙丙橡胶加入密炼机中，在110℃下熔融，转速为50r/min，待其熔融后加入0.8g过氧化二异丙苯，在相同的温度和转速下继续混炼3min，进行熔融共混，得到共混物后，先放入模具在110℃和15MPa的平板硫化机中热压成型，然后在175℃和15MPa的平板硫化机中交联30min，完成乙丙橡胶的硫化反应获得三元乙丙橡胶增强绝缘材料的3mm厚片状试样。
(2)将2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚放入烧杯，在150℃的真空烘箱中加热至完全融化，将二苯甲酮放入烧杯，在80摄氏度的真空烘箱中加热至完全融化，取出0.8g 2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚液体和0.8g二苯甲酮液体和0.4g交联助剂TAIC液体，一起混入烧杯搅拌均匀，放入烘箱加热到80℃，用磁力搅拌器搅拌10min制得有机改性溶液，用硅橡胶刷将获得的有机改性溶液均匀涂抹于上述获得的薄片试样的正面，将试样置于80摄氏度的烘箱中，15min后取出放在紫外LED灯阵列中辐照1min，使二苯甲酮在紫外线作用下激发为自由基，并在交联助剂TAIC的促进作用下，完成2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚在乙丙橡胶表面的接枝反应，反应过程如图1所示。
(3)取厚片状试样放入80℃的真空烘箱中处理48h后，用沾有酒精的无纺布轻轻擦拭表面的残留物，然后在试样正面喷涂如附图2所示形状的半导电石墨漆分别作为表面耐电压实验的高压电极和接地电极，三角形电极作为高压极，两电极间最小距离为2mm，长方形电极作为接地级，对高压电极施加均匀升高的直流高压，直至试样表面两电极之间最近的区域发生沿面击穿，分别测试并记录10个试样的沿面击穿电压。测试结果为：沿面击穿电压平均值为4.03kV，标准差为0.565。
实施例2：
与实施例1的不同之处为：(2)将0.32g 4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮和0.4g过氧化二异丙苯的粉末放入烧杯搅拌均匀，放入烘箱加热到80℃，待粉末完全融化后，用玻璃棒搅拌10min制得有机改性溶液，用硅橡胶刷将获得的有机改性溶液均匀涂抹于上述获得的薄片试样的正面，将试样置于80摄氏度的烘箱中，15min后，将烘箱温度缓慢升高至145摄氏度并维持30min，使过氧化二异丙苯充分分解为自由基，并在自由基作用下完成4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮在乙丙橡胶表面的接枝反应。
本实施例测试10个试样的沿面击穿电压，测试结果为：沿面击穿电压的平均值为3.65kV，标准差为0.510。
实施例3：
(1)将2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚放入烧杯，在150℃的真空烘箱中加热至完全融化，将二苯甲酮和4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮分别放入烧杯，在80℃的真空烘箱中加热至完全融化，取出80g 2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚液体、20g 4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮液体、80g二苯甲酮液体和40g交联助剂TAIC液体，一起混入烧杯搅拌均匀，放入烘箱加热到90℃，用磁力搅拌器搅拌20min制得有机改性溶液。
(2)用内壁液体喷枪将有机改性溶液均匀喷涂在如图3所示的预制式电缆附件的橡胶应力控制体内侧表面，预制式电缆附件为甲基乙烯基硅橡胶应力控制体，将加热管伸入应力控制体的筒状空腔内，匀速绕轴旋转应力控制体，使应力控制体内壁均匀受热，采用红外测温仪监控内壁温度，控制加热管的加热功率使内壁温度维持在80～100℃之间，持续20min，使有机改性溶液被应力控制体内壁吸收，取出加热管，将紫外线LED灯管深入应力控制体的筒状空腔内，匀速绕轴旋转应力控制体，维持10min，使应力控制体内壁吸收的有机改性溶液在紫外线的辐照作用下发生自由基接枝反应，将应力控制体放置于70℃真空烘箱中，烘干10min，采用沾有酒精的无纺布轻轻擦拭应力控制体内壁表面的残留物，静置20min，待酒精挥发，即可获得界面耐电压性能改善的预制式电缆终端橡胶应力控制体。
实施例4：
与实施例3的不同的是，本实施例的预制式电缆附件为三元乙丙橡胶基橡胶应力控制体。
对比例1：
将40g三元乙丙橡胶加入密炼机中，在110℃下熔融，转速为50r/min，待其熔融后加入0.8g过氧化二异丙苯，在相同的温度和转速下继续混炼3min，进行熔融共混，得到共混物后，先放入模具在110℃和15MPa的平板硫化机中热压成型，然后在175℃和15MPa的平板硫化机中交联30min，完成乙丙橡胶的硫化反应获得三元乙丙橡胶增强绝缘材料的3mm厚片状试样。
取厚片状试样放入80℃的真空烘箱中处理48h后，用沾有酒精的无纺布轻轻擦拭表面的残留物，然后在试样正面喷涂如附图2所示形状的半导电石墨漆分别作为表面耐电压实验的高压电极和接地电极，三角形电极作为高压极，两电极间最小距离为2mm，长方形电极作为接地级，对高压电极施加均匀升高的直流高压，直至试样表面两电极之间最近的区域发生沿面击穿，分别测试并记录10个试样的沿面击穿电压，平均值为3.34kV，标准差为0.458。
实施例5：
本实施例为效果实施例，对实施例1、实施例2和对比例1的测试结果进行对比分析，分析结果如下：对比实施例1和对比例1制得的两种橡胶材料沿面击穿电压可知，实施例1制得试样的表面击穿电压比对比例1制得试样高20.6％；对比实施例2和对比例1制得的两种橡胶材料沿面击穿电压可知，实施例2制得试样的表面击穿电压比对比例1制得试样高9.3％。由此可知，本发明提供的采用有机化学改性方法改善了预制式电缆附件橡胶应力控制体与电缆本体相接触界面的耐电压能力。
Claims (8)
1.一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂加热融化混合均匀，获得有机改性溶液；
所述的可接枝芳香酮化合物包括乙烯基和由羟基、羰基和苯环组成的六元螯合环结构；
所述的可接枝芳香酮化合物为2'-羟基查耳酮、2'-羟基-3'丙烯基查耳酮、4-丙烯氧基-2-羟基二苯甲酮、2-丙烯酸2-(4-苯甲酰-3-羟基苯氧基)乙基酯、2-羟基-4-丙烯酰氧基二苯甲酮、2-羟基-4-(异丁烯酰基氧)二苯甲酮和2-丙烯基-4,6-联苯甲酰间苯二酚中的一种或两种以上按任意比例混合；
步骤二、将步骤一获得的有机改性溶液均匀喷涂在预制式电缆附件橡胶应力控制体内侧表面，然后加热使有机改性溶液被预制式电缆附件橡胶应力控制体表面吸收，最后固化处理，使芳香酮化合物在交联引发剂作用下接枝于预制式电缆附件橡胶应力控制体内侧表层的橡胶大分子链上，完成预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能的改性；
所述的预制式电缆附件橡胶应力控制体制成材料为三元乙丙橡胶或甲基乙烯基硅橡胶经过硫化后制成。
2.根据权利要求1所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的交联引发剂为紫外光引发剂二苯甲酮。
3.根据权利要求2所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的步骤一中可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂摩尔比为1：(1～10)：(0.5～5)。
4.根据权利要求2或3所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的步骤二中固化处理条件为：紫外线灯波长为360～385nm，辐照时间为1～20min。
5.根据权利要求1所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的交联引发剂为过氧化二异丙苯或过氧化苯甲酰。
6.根据权利要求5所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的步骤一中可接枝芳香酮化合物、交联引发剂和交联助剂摩尔比为1：(0.5～5)：(0～5)。
7.根据权利要求5或6所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的步骤二中固化处理条件为：固化温度为120～160℃，固化时间为1～20min。
8.根据权利要求1所述的一种预制式电缆附件橡胶应力控制体界面耐电压性能改善方法，其特征在于，所述的交联助剂为TAIC、TAC和TMPTMA中的任意一种。
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