复合聚乙烯体积电阻率与直流击穿强度的测量与研究
时间：2023-02-01 阅读：821
1 前 言
高压电缆运行中由于导体发热而引起绝缘由内到外形成温度梯度。在温度梯度场作用下聚合物电阻的负温度特性及高温侧电极 （电缆导体） 上的电荷注入和迁移加剧了位于电缆绝缘层外表面 的电荷积聚和场强畸变降低绝缘电气穿强度更易 造成电缆在断电或电压极性反转时的早期破坏。 因此研制高压直流塑料电缆的关键是削除绝缘材料中的空间电荷。目前国内外很多学者通过添加、共混、接枝、共聚等各种聚合物改性方法努力寻找更好的适用于直流电缆绝缘的添加剂。具有代表性的有90年代末日本学者在 XLPE 中添加极 性／导电无机填料成功研制了±250kV 超高压直流电缆。而近期日本学者提出的纳米 MgO 粒子添加剂也成功的用于超高压电缆的研发。我国学者 在电缆绝缘材料改性方面也进行了大量的研究工作但尚未取得突破性进展。 制备了一种低密度聚乙烯（LDPE）纳米复合材料研究了这种复合材料的空间电荷、体积电阻率与直流击穿特性。结果表明含有1％纳米填料的这种 LDPE 纳米复合材料能有效消弱温度梯度场下LDPE 材料中电荷积聚和场强畸变现象。
2 实 验
2．1 试样制备
基料选用大庆产18D 低密度聚乙烯 （LDPE） 密度约为0．917g／cm 3。添加剂选用进口纳米粉末 粒径约20～30nm利用在130℃的密式混炼机上熔融共混制备成分散均匀的 LDPE 纳米复合材 料。在120℃的平板硫化机中压力为2～2．5 MPa热压成10mm×10mm×0．5mm 的薄片试 样压制时间为20min。
2．2 直流击穿特性
将厚度100μm 的试样夹在直经 ●16mm 球－ 球电极中为防止空气击穿将试样和电极浸入硅 油中直流电压以2kV／s 速度升压至试样击穿。试验结果取十个试样击穿场强的平均值并计算标准偏差。
2．3体积电阻率测量
用国产 ZST-121型航天纵横电阻率测试仪 测量试样的体积电阻率试样两面以硅脂粘贴标准 的铝箔三电极系统试样厚度约为0．5mm。
3 结果与讨论
3．1 空间电荷及场强分布
图1为纯 LDPE 试样在电极温度差 ΔT =40 ℃时不同直流电场（30MV／m、50MV／m、70MV／ m）作用下的空间电荷及场强分布。图中虚线表示两 个电极的位置左侧为正电极（低温侧Al 表示为铝 电极）右侧为负电极（高温侧SC 表示为半导体电 极）图中箭头表示在加压0～20min 过程中的空间 电荷及场强变化趋势。 从图1可见外施场强越高试样低温侧附近的 负电荷积聚越来越多伴随着低温侧的场强畸变也 越来严重。 图2所示为1％纳米复合 LDPE 材料的在电极 温度差ΔT =40℃时不同直流电场（30MV／m、50 MV／m、70MV／m）作用下的空间电荷及场强分布。 由图2可见外施场强增加试样低温侧附近的负电 荷积聚较少场强畸变量不明显。表明此1％纳米复 合 LDPE 材料能有效抑制温度梯度效应引起的电 导梯度变化及高温侧电极同极性电荷注入对场强的 畸变作用。
根据上述实验结果做出温度差ΔT =40℃时 纯 LDPE 及1％纳米复合 LDPE 材料中外施场强 与最大畸变电场的关系如图3所示。
由图3可见当外施场强达到70MV／m 时纯 LDPE 中最大畸变场强达到240MV／m超过平均 场强3倍以上。而1％纳米复合 LDPE 材料中最大 畸变电场与外施场强基本相同
3．2 体积电阻率与直流击穿强度
表1为纯 LDPE 与1％纳米 LDPE 复合材料 的体积电阻率与直流击穿强度值。
表1 纯 LDPE 及添加1％纳米复合 LDPE 后 的体积电阻率与直流击穿强度
由表1可见1％纳米 LDPE 复合材料的体积 电阻率略有增加而直流击穿强度基本保持不变。
研究表明研制的1％纳米 LDPE 复合材料能有效消弱温度梯度场对 LDPE 绝缘的场强畸变特 性且未改变 LDPE 的直流击穿强度。探讨其改性 机理可能是：①其中的纳米粉末降低了 LDPE 绝缘 电阻对温度的依赖性;②纳米粉末能提高电荷注入 阈值场强从而有效抑制电极上电荷注入。因此研 制的纳米复合 LDPE 绝缘材料有望用于高压直流 电缆绝缘的改性研究。针对上述的分析可通过一 些列实验进行验证如此种纳米复合绝缘材料的电 阻率的温度特性、高场强电导与电荷入陷特性、陷阱 能级的变化、直流预压反极性击穿强度等希望能对 国产高压直流电缆的研发找到新的突破。
4 结 论
研究1％纳米复合 LDPE 绝缘材料在温度梯度 场下的空间电荷特性、直流击穿强度及体积电阻率 的变化主要结论如下：
（1）研制的纳米复合 LDPE 能有效消弱温度梯 度场对 LDPE 绝缘的场强畸变特性。
（2）1％纳米 LDPE 复合材料未改变 LDPE 的 直流击穿强度但体积电阻率略有增加。