CN115124784A - 一种耐高压直流电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电缆技术领域，公开了一种耐高压直流电缆，包括缆芯和套设于缆芯外部的保护套，所述保护套由聚丙烯复合材料构成，所述聚丙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：1)将聚丙烯基料置于烘箱中烘干，除去原料中的水分；2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，送入密炼机中进行混炼，得到预混料；3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，继续混炼，得到聚丙烯复合材料。本发明制备得到的耐高压直流电缆具有优异的耐高压性能。
Description
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其是涉及一种耐高压直流电缆。
背景技术
高压直流电缆输电是高压直流输电的重要组成部分，在电力传送过程中，采用电缆输电具有以下优点：埋没在低下管道或沟道中，输电线路走廊窄，占地面积小，适用在地形条件复杂的江河湖泊或者山区，也适用于在人口密度高、交通拥挤、土地资源紧张和输电走廊少的城市地区。几乎不受周围环境污染和气候条件的影响，输电稳定性高，地下敷设电缆对人身安全可靠。相对于交流电缆，直流塑料电缆的发展水平较为滞后，这主要是因为聚合物绝缘材料在直流和交流下的电气性能有着明显差异。交流电场下，绝缘介质中的电场分布有介电常数决定。而介电常数不受温度变化和电场分布的影响。直流电场下，绝缘介质中的电场分布主要取决于电阻，而电阻对温度和电场的变化非常敏感，有时能达几个数量级的差异。由于电缆正常工作时其绝缘温度由内向外减小，而绝缘的电导率随温度的增加呈指数下降，因此某些情况下会出现绝缘外径处的电场强度比内径电场强度高的现象。除此之外，交流电场下电压极性在不断变化，所以交流电缆绝缘中的空间电荷积聚现象不太显著。但是在直流电场中，电缆绝缘长期处于单一极性电压作用下，非常容易产生空间电荷的积聚问题。空间电荷积聚会造成电缆内的电场分布造成畸变，引发局部高场强，从而进一步诱发局部放电和老化击穿问题。电力电缆的水平是决定电缆电压水平和运行可靠性的关键。目前市场上存在的聚丙烯直流电缆容易产生空间电荷的积聚问题，电缆耐高压性能差。
发明内容
本发明是为了克服现有技术问题，提供一种耐高压直流电缆。本发明制备得到的耐高压直流电缆具有优异的耐高压性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种耐高压直流电缆，包括缆芯和套设于缆芯外部的保护套，所述保护套由聚丙烯复合材料构成，所述聚丙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中烘干，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，送入密炼机中进行混炼，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，继续混炼，得到聚丙烯复合材料。
作为优选，所述步骤1）中烘干温度为50-70℃，烘干时间为10-20h。
作为优选，所述步骤2）中二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的2-5wt%。
作为优选，所述步骤3）中聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2-3。
作为优选，所述步骤3）中乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.2-0.8%。
作为优选，所述步骤2）中二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠作为分散剂，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至85-90℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.5-0.8，然后加入稀硫酸调节pH值至8-10，在恒温条件下陈化，过滤后置于马弗炉中在高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
本发明主要通过在聚丙烯电缆中添加二氧化钛复合粒子增强聚丙烯电缆的耐高压性能。本发明通过在二氧化钛纳米粒子表面沉积更小颗粒的纳米二氧化硅，能够在二氧化钛表面覆盖形成二氧化硅点状凸起结构，二氧化硅点状凸起结构与聚丙烯高分子之间形成大量的结构，形成深陷阱，从而抑制电荷在试样内部的集聚，减少聚合物中电场畸变，改变载流子的迁移特性，从而提高击穿场强。本发明二氧化钛复合粒子与聚丙烯之间形成的界面结构不同于现有一般粒子，本发明添加的二氧化钛复合粒子为二氧化钛表面覆盖形成二氧化硅点状凸起结构，凸起结构与聚丙烯之间形成较高的陷阱能级密度和深度，能够捕获更多的电荷，从而抑制电荷在试样内部的集聚。本发明进一步研究发现通过硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比在合理的区间能够形成较为显著且完成的二氧化硅点状凸起结构，硅酸钠添加量少不能形成足够多的二氧化硅点状凸起结构，硅酸钠添加量大则二氧化硅沉积在二氧化钛表面较为密集，不能形成完成的二氧化硅点状凸起结构，本发明通过控制硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比在合理的区间能够形成较为显著且完成的二氧化硅点状凸起结构，聚丙烯与粒子之间形成较高的陷阱能级密度和深度能够捕获更多的电荷，从而抑制电荷在试样内部的集聚，提高聚丙烯电缆的抗击穿场强。
作为优选，所述悬浮液中二氧化钛纳米粒子的质量浓度为1-3wt%。
作为优选，所述陈化时间为6-10h。
因此，本发明具有如下有益效果：
本发明通过改进的聚丙烯复合材料来制备保护套，得到具有优异的耐高压性能的耐高压直流电缆。本发明通过在二氧化钛纳米粒子表面沉积更小颗粒的纳米二氧化硅，能够在二氧化钛表面覆盖形成二氧化硅点状凸起结构，二氧化硅点状凸起结构与聚丙烯高分子之间形成大量的结构，形成深陷阱，从而抑制电荷在试样内部的集聚，减少聚合物中电场畸变，改变载流子的迁移特性，从而提高击穿场强。
具体实施方式
本发明中若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明均为本领域的常规方法。
本发明公开一种耐高压直流电缆，包括缆芯和套设于缆芯外部的保护套，所述保护套由聚丙烯复合材料构成，所述聚丙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中烘干，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，送入密炼机中进行混炼，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，继续混炼，得到聚丙烯复合材料。
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。具体实施例中所使用的聚烯烃弹性体为DOW化学公司生产的Engage8150，乙烯-烯共聚物，密度0.868g/cm3，乙烯含量75%，熔体流速0.5g/10min。
实施例1
二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成质量浓度为2wt%的悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠分散剂，六偏磷酸钠添加量为二氧化钛纳米粒子的0.5wt%，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至90℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.7，然后加入稀硫酸调节pH值至9，在恒温条件下陈化9h，过滤后置于马弗炉中在120℃高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中在60℃下烘干20h，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的4wt%，送入密炼机中在150℃进行混炼15min，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2.5，乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.7%，继续混炼30min，经过冷却、造粒，得到聚丙烯复合材料。
将上述步骤制得的聚丙烯复合材料制成保护套，套设于缆芯外，即可得到本发明的耐高压直流电缆。
实施例2
二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成质量浓度为1.5wt%的悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠分散剂，六偏磷酸钠添加量为二氧化钛纳米粒子的0.5wt%，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至85℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.6，然后加入稀硫酸调节pH值至8，在恒温条件下陈化7h，过滤后置于马弗炉中在120℃高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中在60℃下烘干20h，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的2.5wt%，送入密炼机中在150℃进行混炼15min，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2，乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.3%，继续混炼30min，经过冷却、造粒，得到聚丙烯复合材料。
将上述步骤制得的聚丙烯复合材料制成保护套，套设于缆芯外，即可得到本发明的耐高压直流电缆。
实施例3
二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成质量浓度为2wt%的悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠分散剂，六偏磷酸钠添加量为二氧化钛纳米粒子的0.5wt%，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至87℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.6，然后加入稀硫酸调节pH值至9，在恒温条件下陈化8h，过滤后置于马弗炉中在120℃高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中在60℃下烘干20h，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的3wt%，送入密炼机中在150℃进行混炼15min，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2.5，乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.5%，继续混炼30min，经过冷却、造粒，得到聚丙烯复合材料。
将上述步骤制得的聚丙烯复合材料制成保护套，套设于缆芯外，即可得到本发明的耐高压直流电缆。
实施例4
二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成质量浓度为3wt%的悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠分散剂，六偏磷酸钠添加量为二氧化钛纳米粒子的0.5wt%，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至90℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.8，然后加入稀硫酸调节pH值至10，在恒温条件下陈化10h，过滤后置于马弗炉中在120℃高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中在60℃下烘干20h，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的5wt%，送入密炼机中在150℃进行混炼15min，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:3，乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.8%，继续混炼30min，经过冷却、造粒，得到聚丙烯复合材料。
将上述步骤制得的聚丙烯复合材料制成保护套，套设于缆芯外，即可得到本发明的耐高压直流电缆。
实施例5
二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成质量浓度为1wt%的悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠分散剂，六偏磷酸钠添加量为二氧化钛纳米粒子的0.5wt%，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至85℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.5，然后加入稀硫酸调节pH值至8，在恒温条件下陈化6h，过滤后置于马弗炉中在120℃高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中在60℃下烘干20h，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的2wt%，送入密炼机中在150℃进行混炼15min，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2，乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.2%，继续混炼30min，经过冷却、造粒，得到聚丙烯复合材料。
将上述步骤制得的聚丙烯复合材料制成保护套，套设于缆芯外，即可得到本发明的耐高压直流电缆。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于将二氧化钛复合粒子替换为等量的二氧化硅。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.9。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.4。
性能测试：
1.根据ASTM D638标准采用万能材料试验机测试材料的力学性能，试验温度25℃，拉伸速率30mm/min，试样为哑铃状，长度16mm，厚度1mm，宽度4mm；
2.采用基于表面电位衰减的方法分析试样SPD方法测试试样的陷阱能级为1eV的陷阱能级密度；
3.采用球-球电极测量聚丙烯复合材料的击穿场强，测试前试样经过酒精擦拭去除表面的杂质，然后在60℃烘箱中放置24h，去除水分干扰，采用连续升压法测试试样的直流击穿强度，升压速率为0.5Kv/s。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
| 拉伸强度（MPa） | 33.8 | 33.2 | 33.5 | 33.2 | 33.7 | 33.9 |
| 陷阱能级密度（10<sup>20</sup>ev<sup>-1</sup>m<sup>-3</sup>） | 4.6 | 4.1 | 4.3 | 2.8 | 3.3 | 3.5 |
| 击穿场强kv/mm | 365.3 | 355.2 | 362.6 | 287.6 | 323.2 | 331.8 |
由上表所示的测试结果，可以得到实施例1-3中陷阱能级密度和击穿场强均高于对比例1，这是由于本发明通过在二氧化钛纳米粒子表面沉积更小颗粒的纳米二氧化硅，能够在二氧化钛表面覆盖形成二氧化硅点状凸起结构，二氧化硅点状凸起结构与聚丙烯高分子之间形成大量的结构，形成深陷阱，更好的抑制电荷在试样内部的集聚。
本技术领域中的普通人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，还要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变型都将落在本发明去哪里要求书范围内。
Claims (8)
1.一种耐高压直流电缆，包括缆芯和套设于缆芯外部的保护套，其特征在于，所述保护套由聚丙烯复合材料构成，所述聚丙烯复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚丙烯基料置于烘箱中烘干，除去原料中的水分；
2)将聚丙烯基料与二氧化钛复合粒子混合均匀，送入密炼机中进行混炼，得到预混料；
3)向预混料中添加聚烯烃弹性体和乙撑双油酸酰胺分散剂，继续混炼，得到聚丙烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述步骤1）中烘干温度为50-70℃，烘干时间为10-20h。
3.根据权利要求1所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述步骤2）中二氧化钛复合粒子添加量为聚丙烯基料的2-5wt%。
4.根据权利要求1所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述步骤3）中聚烯烃弹性体与聚丙烯基料的质量比为1:2-3。
5.根据权利要求1所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述步骤3）中乙撑双油酸酰胺分散剂添加量为聚丙烯基料的0.2-0.8%。
6.根据权利要求1所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述步骤2）中二氧化钛复合粒子的制备方法包括以下步骤：
将二氧化钛纳米粒子加入去离子水中超声振荡配置成悬浮液，向悬浮液中加入六偏磷酸钠作为分散剂，继续超声振荡分散均匀，得到分散液，将分散液加热至85-90℃，加入硅酸钠，硅酸钠与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:0.5-0.8，然后加入稀硫酸调节pH值至8-10，在恒温条件下陈化，过滤后置于马弗炉中在高温条件下烘干，研磨，得到二氧化钛复合粒子。
7.根据权利要求6所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述悬浮液中二氧化钛纳米粒子的质量浓度为1-3wt%。
8.根据权利要求6所述的一种耐高压直流电缆，其特征在于，所述陈化时间为6-10h。
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Non-Patent Citations (1)
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| 高俊国等: "纳米SiO_2/低密度聚乙烯复合材料的陷阱特性与电击穿机制", 《复合材料学报》 * |
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