摘要：现在大多数高压直流输电都采用直流电力电缆以及直流塑料电缆。但是相比之下，油纸绝缘电缆的制造较为复杂，同时也有较高的运营维护成本。但是随着电缆温度的升高，电缆就会在局部出现受压膨胀变形的问题。而聚合物直流电缆也可以称为直流塑料电缆，其内部主要介质为聚乙烯，其结构非常坚固，可以在海底和陆地上的直流输电电缆当中大规模应用，其不仅制造简单，并且介质损耗降低，具有较大的再亮，优势非常明显。现阶段聚乙烯高性能绝缘材料的应用越来越普遍，针对其电性能进行研究探讨就显得尤其重要。
关键词：聚乙烯；绝缘材料；电性能
聚乙烯材料具有优秀的电绝缘性能以及力学性能，在电缆绝缘当中可以实现广泛应用。然而在这种高电厂的环境下长期应用，将会难以避免出现局部放电问题，从而导致产生电树，影响其自身的绝缘性能。现在纳米复合材料展现出了较为优秀的机械性能，其在热性能和光学方面能表现出的优势也开始引起人们的重视。本文以蒙脱土改性聚乙烯复合材料的电性能进行分析和总结，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
一、高压直流电缆的发展
电场的分布会在一定程度上受到电阻率的影响，但是交流电场具有非常快的变化速度，而材料当中政府电荷迁移速度也会出现一定的改变，所以绝缘当中并不会产生空间电荷，但是这些空间电荷也会在直流电场当中形成，进而影响电解质内的电场分布，尤其是在高电压的条件下更会导致聚合物老化速度加快。
高压直流电缆分为两种，分别是纸绝缘电缆和塑料绝缘电缆，在五十年代发展出整体浸渍纸绝缘电缆的应用最为广泛，其特点为传输具有较高的可靠性，同时容量也较大，近年来发展出的塑料挤出电缆也开始得到了一定的应用。交联聚乙烯直流电缆的应用时间较短，现在只有两家公司能够进行商业化生产，分别是西门子和ABB，所以具有一定的垄断性。ABB已经可以生产320kv电压等级的直流电缆，但仍然没有投入商业运行。
近年来，高压直流电缆在我国也得到了充分的发展，并且也已经成为日本之后第二个城市电缆中应用500kv超高电力电缆的国家，并且奠定了我国电缆发展的趋势在未来，这种超高电压电缆的应用汇越来越广泛，也会不断实现突飞猛进的发展，但是目前我国的高压和超高压电缆的技术研发水平还有待遇提高，和国外的先进水平相比，无论是研发能力还是施工能力、乃至于运行水平，均远远落后，需要采取一定的措施来进行改进。
二、实验方法试样制备
采用的Na-蒙脱土粒径尺寸在40～70μm之间,其阳离子交换量约为90～120mol/100g。用十六烷基铵盐插层剂对蒙脱土进行阳离子交换反应,获得有机化蒙脱土。将聚乙烯、有机化蒙脱土、相容剂、抗氧剂等分别按照不同的配比,在密炼机上进行混炼和熔融插层复合,混炼温度为160℃,混炼时间10min,分别制成聚乙烯/有机化蒙脱土(LDPE/O-MMT)和聚乙烯/相容剂/有机化蒙脱土(LDPE/C/O-MMT)纳米复合材料。将插层复合后的材料,分别在平板硫化机上以模压温度160℃、压力10MPa的工艺参数,热压成3mm厚的板材,然后将其切成10mm×8mm×3mm的试样,并在底面喷镀金电极。电极系统采用典型的针-板结构,针电极为曲率半径(5±1)μm的钢针。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆钢针在使用前用丙酮清洗,再用台式精密小钻床改制成的插针机将钢针插入到切好的试片中,并使钢针电极与平板电极之间的距离控制在3mm左右
三、试验结果与讨论
（一）不同试样电树特性的分析
分别将LDPE、LDPE/MMT、LDPE/O-MMT和LDPE/C/O-MMT4种材料标记为1#、2#、3#和4#,每种材料取5个试样为一组,分别观测其在交流电场作用下电树长度随时间的变化规律。将每组试样树长度中值作为对比数据,可以看出:1#和2#在最初的10min时间里,其电树都迅速生长到大约250μm左右,3#的电树生长较缓慢,仅达到约150μm左右,而加入相容剂的4#电树生长最慢,在经过20min后其电树长度还未达到100μm,经过60min后,电树才扩展至200μm左右。在经过120min引发后,1#的电树枝长度达到670μm左右,2#与1#的电树长度比较接近,为680μm左右;而3#和4#2种纳米复合材料的电树长度都在360μm左右。3#和4#本2种纳米复合材料具有较好耐电树性能可能有以下原因:(1)有机/无机界面的散射作用:经有机化处理的蒙脱土,由于体积较大的有机阳离子交换了原来的钠离子,层间距增大,同时因其片层表面被有机阳离子覆盖,蒙脱土由亲水性变为亲油性。当有机化蒙脱土与聚合物混合时,蒙脱土的层状结构及其吸附性和膨胀性的特点,使得聚合物分子能够向有机蒙脱土的层间迁移并插入层间,从而得到了插层型纳米复合材料。聚合物基体是通过离子键同硅酸盐片层相连接,从而提高了聚合物与层状硅酸盐间的界面相互作用。(2)陷阱能级对载流子的捕获和调制作用:纳米蒙脱土片层进入聚乙烯基体后,改变了其结晶相和非晶相的结构,特别是在其非晶区形成了更多的精细结构,从而引入了更多的陷阱能级。陷阱能级的增多,使载流子在迁移过程中受陷的概率提高,从而减小了载流子浓度或者使载流子迁移率降低,因此,抑制了电树的生长速度。
（二）空间电荷极性效应对试样电树特性的影响
在正针尖直流预电应力下,1#和4#都有较长的电树潜伏期,且1#的电树长度仍然大于4#;而在负针尖直流预电应力时,在1#中几乎看不到明显的电树潜伏期,在引发80min之内电树长度不到500μm,明显低于正针尖时的长度,但是,到100min以后,则迅速生长并远远超过正针尖的长度。而4#中的电树则始终以较缓慢的速度增长。在直流电场作用下,注入电荷陷入聚合物的陷阱中从而在其中形成空间电荷。按照空间电荷引起的极性效应原理可知:在负针尖时,电离起始电压较低而间隙击穿电压较高;反之,在正针尖的情况下,则电离起始电压较高而间隙击穿电压较低。这可以解释1#的试验结果。对于4#来说,只有在正针尖预直流电场作用下,电树在初、中期生长速度比直接引发速度快,在负针尖时反而远低于直接引发电树的长度,这也说明纳米复合材料中的陷阱能级,有可能使载流子迁移率降低,从而抑制了电树的生长速度。
四、讨论
聚乙烯纳米复合材料和纯聚乙烯材料相比，其可以更好地抑制电树的生长，具有更好的绝缘性能，同时也延长了使用寿命。而直流与电厂对聚乙烯纳米复合材料的空间电荷作和常规聚乙烯的记性效应相比存在明显的区别，但对于电树的生长组度并不会产生太大的影响。在聚乙烯纳米复合材料当中加入相容剂之后，并不会对电树生长速度造成影响。加入了相容剂后，聚合物内部就会形成更多的界面势垒，让纳米复合材料体内的载流子自由行程得到缩减，这样一来就让其具有更高的介电性能。本文针对上述问题进行了简要分析，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
参考文献：
[1]武宇波, 李入鹏, 高俊国,等. 蒙脱土改性聚乙烯复合材料的高场介电性能研究[J]. 绝缘材料, 2007, 40(3):41-44.
[2]李维康, 张翀, 闫轰达,等. 高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料交联特性及机理[J]. 高电压技术, 2017, 43(11):3599-3606.
[3]王思蛟, 查俊伟, 王俊甫,等. 纳米Al_2O_3对低密度聚乙烯高压直流电缆绝缘材料性能影响研究[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(24):6613-6618.
[4]陈向荣, 徐阳, 刘英,等. 交联聚乙烯电缆绝缘材料中电树枝的导电特性研究[J]. 物理学报, 2012, 61(8):963-963.
论文作者:吉超
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/27
标签：聚乙烯论文; 电缆论文; 复合材料论文; 纳米论文; 电荷论文; 载流子论文; 针尖论文; 《防护工程》2018年第22期论文;