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復(fù)合聚乙烯體積電阻率與直流擊穿強(qiáng)度的測(cè)量與研究
1 前 言
高壓電纜運(yùn)行中由于導(dǎo)體發(fā)熱而引起絕緣由內(nèi)到外形成溫度梯度。在溫度梯度場(chǎng)作用下?聚合物電阻的負(fù)溫度特性及高溫側(cè)電極 （電纜導(dǎo)體） 上的電荷注入和遷移?加劇了位于電纜絕緣層外表面 的電荷積聚和場(chǎng)強(qiáng)畸變?降低絕緣電氣穿強(qiáng)度?更易 造成電纜在斷電或電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)的早期破壞。 因此?研制高壓直流塑料電纜的關(guān)鍵是削除絕緣材料中的空間電荷。目前?國內(nèi)外很多學(xué)者通過添加、共混、接枝、共聚等各種聚合物改性方法?努力尋找更好的適用于直流電纜絕緣的添加劑。具有代表性的有90年代末日本學(xué)者在 XLPE 中添加極 性／導(dǎo)電無機(jī)填料成功研制了±250kV 超高壓直流電纜。而近期日本學(xué)者提出的納米 MgO 粒子添加劑也成功的用于超高壓電纜的研發(fā)。我國學(xué)者 在電纜絕緣材料改性方面也進(jìn)行了大量的研究工作?但尚未取得突破性進(jìn)展。 制備了一種低密度聚乙烯（LDPE）納米復(fù)合材料?研究了這種復(fù)合材料的空間電荷、體積電阻率與直流擊穿特性。結(jié)果表明?含有1％納米填料的這種 LDPE 納米復(fù)合材料能有效消弱溫度梯度場(chǎng)下LDPE 材料中電荷積聚和場(chǎng)強(qiáng)畸變現(xiàn)象。
2 實(shí) 驗(yàn)
2．1 試樣制備
基料選用大慶產(chǎn)18D 低密度聚乙烯 （LDPE）? 密度約為0．917g／cm 3。添加劑選用進(jìn)口納米粉末? 粒徑約20～30nm?利用在130℃的密式混煉機(jī)上熔融共混?制備成分散均勻的 LDPE 納米復(fù)合材 料。在120℃的平板硫化機(jī)中?壓力為2～2．5 MPa?熱壓成10mm×10mm×0．5mm 的薄片試 樣?壓制時(shí)間為20min。
2．2 直流擊穿特性
將厚度100μm 的試樣夾在直經(jīng) ●16mm 球－ 球電極中?為防止空氣擊穿?將試樣和電極浸入硅 油中?直流電壓以2kV／s 速度升壓至試樣擊穿。試驗(yàn)結(jié)果取十個(gè)試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。
2．3體積電阻率測(cè)量
用國產(chǎn) ZST-121型航天縱橫電阻率測(cè)試儀? 測(cè)量試樣的體積電阻率?試樣兩面以硅脂粘貼標(biāo)準(zhǔn) 的鋁箔三電極系統(tǒng)?試樣厚度約為0．5mm。
3 結(jié)果與討論
3．1 空間電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布
圖1為純 LDPE 試樣在電極溫度差 ΔT =40 ℃時(shí)不同直流電場(chǎng)（30MV／m、50MV／m、70MV／ m）作用下的空間電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布。圖中虛線表示兩 個(gè)電極的位置?左側(cè)為正電極（低溫側(cè)?Al 表示為鋁 電極）?右側(cè)為負(fù)電極（高溫側(cè)?SC 表示為半導(dǎo)體電 極）?圖中箭頭表示在加壓0～20min 過程中的空間 電荷及場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)。 從圖1可見?外施場(chǎng)強(qiáng)越高?試樣低溫側(cè)附近的 負(fù)電荷積聚越來越多?伴隨著低溫側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)畸變也 越來嚴(yán)重。 圖2所示為1％納米復(fù)合 LDPE 材料的在電極 溫度差ΔT =40℃時(shí)不同直流電場(chǎng)（30MV／m、50 MV／m、70MV／m）作用下的空間電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布。 由圖2可見?外施場(chǎng)強(qiáng)增加?試樣低溫側(cè)附近的負(fù)電 荷積聚較少?場(chǎng)強(qiáng)畸變量不明顯。表明此1％納米復(fù) 合 LDPE 材料?能有效抑制溫度梯度效應(yīng)引起的電 導(dǎo)梯度變化及高溫側(cè)電極同極性電荷注入對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的 畸變作用。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果?做出溫度差ΔT =40℃時(shí)? 純 LDPE 及1％納米復(fù)合 LDPE 材料中外施場(chǎng)強(qiáng) 與最大畸變電場(chǎng)的關(guān)系?如圖3所示。
由圖3可見?當(dāng)外施場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到70MV／m 時(shí)?純 LDPE 中最大畸變場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到240MV／m?超過平均 場(chǎng)強(qiáng)3倍以上。而1％納米復(fù)合 LDPE 材料中?最大 畸變電場(chǎng)與外施場(chǎng)強(qiáng)基本相同
3．2 體積電阻率與直流擊穿強(qiáng)度
表1為純 LDPE 與1％納米 LDPE 復(fù)合材料 的體積電阻率與直流擊穿強(qiáng)度值。
表1 純 LDPE 及添加1％納米復(fù)合 LDPE 后 的體積電阻率與直流擊穿強(qiáng)度
由表1可見?1％納米 LDPE 復(fù)合材料的體積 電阻率略有增加?而直流擊穿強(qiáng)度基本保持不變。
研究表明?研制的1％納米 LDPE 復(fù)合材料能有效消弱溫度梯度場(chǎng)對(duì) LDPE 絕緣的場(chǎng)強(qiáng)畸變特 性?且未改變 LDPE 的直流擊穿強(qiáng)度。探討其改性 機(jī)理可能是：①其中的納米粉末降低了 LDPE 絕緣 電阻對(duì)溫度的依賴性;②納米粉末能提高電荷注入 閾值場(chǎng)強(qiáng)?從而有效抑制電極上電荷注入。因此?研 制的納米復(fù)合 LDPE 絕緣材料有望用于高壓直流 電纜絕緣的改性研究。針對(duì)上述的分析?可通過一 些列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?如此種納米復(fù)合絕緣材料的電 阻率的溫度特性、高場(chǎng)強(qiáng)電導(dǎo)與電荷入陷特性、陷阱 能級(jí)的變化、直流預(yù)壓反極性擊穿強(qiáng)度等?希望能對(duì) 國產(chǎn)高壓直流電纜的研發(fā)找到新的突破。
4 結(jié) 論
研究1％納米復(fù)合 LDPE 絕緣材料在溫度梯度 場(chǎng)下的空間電荷特性、直流擊穿強(qiáng)度及體積電阻率 的變化?主要結(jié)論如下：
（1）研制的納米復(fù)合 LDPE 能有效消弱溫度梯 度場(chǎng)對(duì) LDPE 絕緣的場(chǎng)強(qiáng)畸變特性。
（2）1％納米 LDPE 復(fù)合材料未改變 LDPE 的 直流擊穿強(qiáng)度?但體積電阻率略有增加。