發(fā)布時間：2020-05-13 10:29

【摘要】：隨著我國高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展,高壓直流XLPE電纜在異步聯(lián)網(wǎng)、城市地下電網(wǎng)建設(shè)和海上孤島、海底遠距離輸電中得到了廣泛的應(yīng)用。高壓直流電纜的安全運行穩(wěn)定性對于整個直流輸電系統(tǒng)十分重要,其中電纜附件的絕緣損壞問題尤為突出。在直流電壓作用下,由于空間電荷的積聚和電纜附件復(fù)合絕緣電導(dǎo)率的不連續(xù)性,將導(dǎo)致電纜附件內(nèi)電場分布集中和畸變,致使局部場強遠高于正常工作場強,從而引發(fā)絕緣擊穿造成輸電事故,這已成為影響我國高壓直流電纜及其附件安全穩(wěn)定運行的主要因素。鑒于以上存在的問題,本文從電纜附件絕緣研發(fā)角度著手,通過納米摻雜改性來改善調(diào)控電纜附件絕緣的介電性能,促進它與電纜主絕緣XLPE電導(dǎo)率的匹配,從而實現(xiàn)對附件內(nèi)電場分布的均化和空間電荷的抑制,以提高直流電纜附件的絕緣可靠性和運行穩(wěn)定性。本文采用納米SiC和TiO2粒子為填料,通過對直流電纜附件絕緣進行納米改性,制備了一定摻雜濃度的納米復(fù)合液體硅橡膠試樣,分別研究了摻雜濃度、溫度和電場強度等因素對納米復(fù)合液體硅橡膠電導(dǎo)特性的影響。結(jié)果表明:與純硅橡膠試樣相比,兩種納米粒子的摻雜均使得納米復(fù)合液體硅橡膠材料具有較好的非線性電導(dǎo)特性。隨著摻雜濃度的增加,納米復(fù)合液體硅橡膠的電導(dǎo)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,其中納米SiC粒子的最佳摻雜濃度為3wt%,它的引入主要提高了納米復(fù)合液體硅橡膠電導(dǎo)對于溫度的敏感特性;納米TiO2粒子的最佳摻雜濃度為4wt%,它的摻雜顯著提升了納米復(fù)合液體硅橡膠電導(dǎo)對電場強度的依賴特性。采用熱刺激電流法(TSC)對納米復(fù)合液體硅橡膠的陷阱特性進行了測試分析,發(fā)現(xiàn)納米粒子的摻雜,在硅橡膠基體中引入了大量的界面層,使得載流子能夠沿著相鄰納米顆粒形成導(dǎo)電通道和逾滲網(wǎng)絡(luò),致使參與導(dǎo)電的遷移載流子數(shù)目增大,因此宏觀上表現(xiàn)為其電導(dǎo)率快速增大,具有較好的非線性電導(dǎo)特性。未摻雜納米粒子時,純硅橡膠主要依靠載流子在外電場作用下克服勢壘形成跳躍躍遷電導(dǎo),所以電導(dǎo)率較低。納米粒子的摻雜降低了硅橡膠材料的陷阱能級和深度,改變了載流子的遷移特性和電荷輸運特性,從而影響改變了聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的宏觀介電性能。研究了納米復(fù)合液體硅橡膠的介電譜特性和直流擊穿特性,發(fā)現(xiàn)納米改性后的硅橡膠試樣其相對介電常數(shù)均高于純硅橡膠,且隨著納米摻雜濃度的增加介電常數(shù)增大。納米復(fù)合液體硅橡膠的直流擊穿特性均低于純硅橡膠試樣,且隨著摻雜濃度的增加擊穿場強下降,但下降幅度較小、納米復(fù)合硅橡膠材料依然具有較好的絕緣裕度。采用電聲脈沖法(PEA)對納米復(fù)合液體硅橡膠的空間電荷特性進行了測試分析,發(fā)現(xiàn)不同溫度和電場強度下納米復(fù)合硅橡膠內(nèi)積聚的空間電荷量均低于純硅橡膠,其中以4wt%-TiO2/LSR試樣對空間電荷的抑制效果最為明顯。通過仿真分析,驗證了采用納米復(fù)合液體硅橡膠為附件絕緣時,相比于純硅橡膠應(yīng)用下直流電纜附件內(nèi)的電場分布更為均勻,縮小了由溫度和電場強度變化引起的與電纜主絕緣XLPE電導(dǎo)之間的差異,電場集中程度得到了較大改善。開展了純硅橡膠和納米復(fù)合液體硅橡膠試樣的耐老化特性研究,發(fā)現(xiàn)熱氧老化后的純硅橡膠試樣介電性能影響不大,但是力學(xué)拉伸性能卻大幅度下降,高彈性逐漸喪失,呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力松弛特性,從而不能為電纜附件繼續(xù)提供足夠的界面抱緊力,致使復(fù)合絕緣界面處容易出現(xiàn)放電。采用阿倫尼烏斯壽命模型(Arrhenius)以應(yīng)力松弛特性為老化性能指標(biāo),對純硅橡膠和納米復(fù)合液體硅橡膠進行了壽命預(yù)測分析。發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合液體硅橡膠的力學(xué)拉伸性能相比于純硅橡膠有所提高,隨著老化進行其性能下降幅度有所減緩,且預(yù)測壽命高于純硅橡膠,表明納米SiC的摻雜有助于硅橡膠耐老化特性的提升,為提高XLPE直流電纜附件的使用壽命提供了一定地參考價值。
【圖文】：

升到 85℃[36]，電壓等級也將有所提高，但截至目前仍然沒有獲得大規(guī)模的業(yè)應(yīng)用。2016 年 9 月，用于連接挪威 Tonstand 和德國 Wilster 的海底高壓流電纜項目 Nordlink 工程已正式開工建設(shè)，電纜全長 623km，使用的是電等級為±525kV 的 MI 電纜，輸送功率將高達 1400MW。充油式電纜出現(xiàn)較早技術(shù)較為成熟，且使用壽命長，運行安全可靠。1976，世界上第一條海底直流充油電纜在加拿大溫哥華敷設(shè)運行[37]，電壓等級±300kV。充油式電纜最主要的問題是必需安裝供油設(shè)備，但供給的油量距有限，因而整個電纜在長度上受到了一些限制，同時存在著較大地環(huán)境污隱患，一旦有漏油事故發(fā)生，將對海上環(huán)境造成嚴(yán)重地污染和危害[38]，不于綠色環(huán)保能源，所以目前充油電纜的使用已經(jīng)逐漸減少。相比于 OF、MI 直流電纜，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜出現(xiàn)和發(fā)展較晚，但其有工作溫度相對較高高、現(xiàn)場安裝簡單方便、輸送功率較大、重量較輕和環(huán)境污染等一系列優(yōu)點[39]，所以問世后得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。XLPE流電纜是一種由線芯屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠成型的單極性纜[40]，從里到外依次包含纖芯導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、XLPE 絕緣、絕緣屏蔽層、屬套、外護套等，其結(jié)構(gòu)示意圖和橫截面如圖 1-1 所示。

納米粒子在基體中的分散狀態(tài)很大程度上影響了聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的綜合性能，在購置的實驗原料中由于納米 TiO2是親油型顆粒，能很好地在有機介質(zhì)中分散，而納米 SiC 粒子與液體硅橡膠的界面相容性較差，所以采用硅烷偶聯(lián)劑對 KH-560 其進行表面改性修飾。一般來說，硅烷偶聯(lián)劑分子兩端連接的是兩種不同類型的結(jié)構(gòu)官能團，其中一端結(jié)構(gòu)能發(fā)生水解并與納米粉體表面的官能團發(fā)生反應(yīng)，形成某種化學(xué)鍵合；而另一端可與聚合物基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在粉體表面形成一定的包覆層。采用偶聯(lián)劑對納米 SiC 粒子處理的具體實驗步驟如下：稱量一定量的納米碳化硅粉末溶于氫氟酸溶液中(20wt%)，攪拌酸洗10min 后，混合溶液用蒸餾水稀釋、抽濾至中性，取出濾餅 SiC 粉末溶于適當(dāng)量的乙醇水(體積比 9：1)溶液中，間歇性超聲 30min，將混合溶液移至 250ml四口燒瓶中，用 NaOH 溶液調(diào)節(jié) pH，逐漸滴加已配制水解好的不同含量硅烷偶聯(lián)劑溶液(偶聯(lián)劑 20%、乙醇 72%、水 8%)，并置于 80℃恒溫水浴箱中攪拌反應(yīng) 4h，再用去離子水和無水乙醇清洗抽濾，將得到的 SiC 粉末置于120℃真空箱內(nèi)干燥 10h，最后經(jīng)球磨機研磨、過篩得到表面處理修飾后的納米 SiC 粉末，實驗流程如下圖 2-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM21

【參考文獻】

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10 馬為民;吳方R，

本文編號：2661817