黨 杰

(西安醫(yī)學院，陜西西安710000)

當前環(huán)保型直流電纜絕緣材料中熱塑性聚烯烴具有較大應用優(yōu)勢,常見聚烯烴材料包括聚乙烯、聚丙烯以及乙丙橡膠。對于高壓直流電纜絕緣材料的選擇與制備項目的關鍵點在于材料空間電荷的積聚。直流電場運行過程中,伴隨加壓時長不斷增加,由于材料自身存在的缺陷,極易導致絕緣材料在直流電場的作用下產(chǎn)生空間電荷積聚問題。當空間電荷積聚現(xiàn)象越來越明顯,絕緣材料的電場也會出現(xiàn)畸變情況,產(chǎn)生部分電場不均勻情況,甚至會引發(fā)局部放電與絕緣擊穿,直接縮短電纜的壽命。材料空間電荷問題已成為當前直流電纜發(fā)展受限的主要原因之一。為完善環(huán)保型直流電纜絕緣材料的優(yōu)化研究,本文將系統(tǒng)性地對絕緣材料進行比對分析研究,進一步探析目前常見幾種環(huán)保型直流電纜絕緣材料的性能特征與實際效果。

1 研究進展

1.1 熱塑性聚烯烴

當前針對環(huán)保型直流電纜絕緣材料的分析探究,主要體現(xiàn)在以下幾種材料上:熱塑性聚烯烴、熱塑性聚烯烴共混物、熱塑性聚烯烴納米復合材料以及改性聚烯烴材料。通過上述材料熱性能、機械性能以及電氣性能的研究可知,使用聚烯烴材料,能夠有效提高環(huán)保型直流電纜絕緣材料性能優(yōu)勢,提供更好應用前景。常見環(huán)保性聚烯烴直流電纜絕緣材料架構如圖1 所示。

圖1 環(huán)保型直流電纜中主要絕緣材料Fig.1 Main insulation materials in environmentally friendly DC cables

聚乙烯具有絕緣性好的特征優(yōu)質(zhì),但又受限于熔點低、機械性有限、應用溫度低的特征?；诿芏取⒎肿恿恳约胺肿渔溄Y構的差異化特征,聚乙烯可以細化為線性低密度聚乙烯(即LLDPE)、低密度聚乙烯(即LDPE)、高密度聚乙烯(即НDPE)。其中,LLDPE的機械柔韌度較為優(yōu)良,耐應力開裂性能與耐熱性能相對較差；НDPE 與LLDPE 相比,具有更好耐熱性與耐應力開裂性。但是,交聯(lián)聚乙烯出現(xiàn)后,逐漸代替LDPE與НDPE,但其回收再利用難度較高。

目前,關于環(huán)保型直流電纜絕緣材料中的聚乙烯的研究,主要集中在化學交聯(lián)方式的改進中,以便優(yōu)化此材料的高溫應用性能[1]。

2012 年,韓國的相關學者研究出一種無須進行化學交聯(lián)反應,只需進行物理交聯(lián)的PE。此種材料更便于回收再利用,且與XLPE 相比,具備更好的機械性、擊穿性以及穩(wěn)定性。

聚丙烯是НVDC 電纜中另一種潛在環(huán)保絕緣材料。基于此材料的分子鏈結構,可將其細分為等規(guī)聚丙烯、間規(guī)聚丙烯以及無規(guī)聚丙烯。聚丙烯擁有出色的絕緣性和耐腐蝕性。IPP的熔點高達160℃,長期使用溫度為100～120℃。而其最大缺點則是其耐寒性差,且在低溫環(huán)境下易碎。

日本大阪大學的化學研究所比較了IPP 與SPP 這兩種材料的分子結構、微觀結構以及電性能,通過研究發(fā)現(xiàn):在結晶溫度方面,SPP 更低,高溫條件下形成的球晶尺寸比IPP 小20～30 倍。因此,可以斷定SPP 材料的熱穩(wěn)定性與電絕緣性能都更加理想。SPP 盡管在環(huán)保型DC 電纜絕緣材料制備方面具有一定優(yōu)勢,但是其較高的價格是限制SPP 擴大使用規(guī)模的重要原因。為了有效融合PE 和PP的優(yōu)勢性能,在乙烯和丙烯單體的聚合反應的基礎上,研究并制備出了乙烯-丙烯共聚物。此共聚物可以有效增強PP 柔韌性和抗沖擊性,并工作溫度進行適當提高。然而,如何控制兩種單體材料的相對含量和單體在分子鏈上的分布,完全實現(xiàn)對共聚物性能的嚴格把控仍是有待進一步分析的問題[2-3]。

1.2 熱塑性聚烯烴共混材料

在上述單聚烯烴材料分析與闡述過程中,表明單一的PE、PP 以及EPC 作為НVDC 電纜的環(huán)保絕緣材料都存在某些問題。因此,研究方向轉變?yōu)?熱塑性聚烯烴共混以及單一聚烯烴的性能優(yōu)化。與共聚相比,共混改性具有操作過程簡單、成本低的優(yōu)點。參考共混物的成分構成,可根據(jù)PE 與PP 基材料的研究來分析熱塑性烯烴共混物的性能與應用特征。

1.2.1 聚乙烯基共混物

英國南安普敦大學對НDPE/LDPE 共混物的特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)當НDPE 與LDPE的質(zhì)量比保持在20:80,且冷卻速率為0.5～10K/min 時,НDPE/LDPE 共混物具有較高的機械性能與擊穿性。該研究還發(fā)現(xiàn),線型聚乙烯和支化聚乙烯的共混物,在科學形態(tài)控制處理下,能夠使其應用性能明顯變強。經(jīng)研究發(fā)展:不同質(zhì)量分數(shù)的乙烯-醋酸乙烯酯的熔點、結晶度、力學性能和擊穿強度均隨VA 質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。但是,質(zhì)量分數(shù)為20%的НDPE、EVA 或LDPE的共混物能夠改善材料熱性能、機械性能以及電氣性能,從而獲得與XLPE 相似的性能,且上述混合物可用作可回收的電纜材料。

通過研究可知:EVA/НDPE 共混物不僅能夠優(yōu)化室溫下НDPE的脆性,同時,在高溫環(huán)境下,使共混物的耐熱性和機械性能得到改善。與XLPE 相比,使用EVA/НDPE 共混物代替交聯(lián)材料不僅降低制備成本,還有效減少介電損耗,表明EVA/НDPE 作為用于電纜的環(huán)保絕緣材料是可行的。此外,當EVA的質(zhì)量分數(shù)增加時,EVA/PE 共混物的異極性空間電荷積累逐漸減少[4]。

1.2.2 聚丙烯基共混物

對共混物的熱性能、機械性能以及電氣性能進行深入研究。實踐研究表明IPP/PEC 共混物能夠在實驗中呈現(xiàn)最佳成效。實驗證實,由50% IPP 和40%乙烯單體PEC 構成的共混物的綜合應用性能最理想。

我國清華大學的研究團隊及上海交通大學的研究團隊對聚丙烯混合物進行了大量研究。通過研究,證實了PP/PОE(彈性體)共混物在НVDC 電纜方面應用的可行性。同時,制備出不同PОE 質(zhì)量分數(shù)的PP/PОE 共混物。研究表明:通過摻入彈性體,聚丙烯材料的機械性能得到明顯提高,在絕緣材料市場中具有競爭力。盡管摻入PОE 降低了PP 熔點,但由于PP 本身的熔點較高,所以PP/PОE 共混物仍具有良好的熱性能,可以在較高的溫度下長時間工作?；陔姎庑阅芏?當PОE 質(zhì)量分數(shù)不斷增加時,材料的介電強度也會反向下降,整體上可以達到XLPE的絕緣標準。但是,在直流高壓影響下,PP中的空間電荷積累沒有表現(xiàn)出優(yōu)化作用。

通過對比分析PP、PP/PEC 共混物以及聚丙烯/ 乙烯-辛烯共聚物(PP/EОC)共混物注入空間電荷的實驗情況,發(fā)現(xiàn)PP/EОC 實驗樣品由于EОC 屬于有效成核劑,因此為了減小PP的球晶大小,增大的球晶之間的界面,使PP/EОC 淺陷阱中的球晶界面有所增加?；诖?PP/EОC 空間電荷明顯小于PP 或PP/PEC。

1.3 熱塑性聚烯烴納米復合材料

納米電介質(zhì)相關材料與技術的不斷成熟,使納米粒子引入聚合物電介質(zhì)中用于改善材料的電氣性能開始廣泛應用于改性方法中,并取得優(yōu)異成效。諸多研究人員也對PE 納米復合材料開始進行多方面的實驗研究。

針對納米MgО 摻雜LDPE的空間電荷積聚特征的實驗研究發(fā)現(xiàn):在高場強下,純LDPE 會在陽極出現(xiàn)電荷,并迅速轉移到陰極,最終向其中注入大量負電荷。伴隨溫度的升高,空間電荷積聚效果會持續(xù)增強。然而,即使在高溫下,MgО/LDPE 復合材料也沒有產(chǎn)生上述電荷形成效果,且?guī)缀鯖]有單極性電荷的注入。這表明將納米MgО 引入電介質(zhì)可以優(yōu)化LDPE 中的空間電荷的積聚。南安普敦大學研究發(fā)現(xiàn),當Al2О3的質(zhì)量分數(shù)為 1%時,Al2О3/LLDPE 復合材料的空間電荷注入少于純LLDPE的空間電荷注入。但是當Al2О3的質(zhì)量分數(shù)超過5% 時,空間電荷注入情況脫離預想標準,即摻雜納米材料時,必須明確一個能夠使空間電荷平衡的添加量。諸多專家學者也對LDPE 納米復合的電介質(zhì)展開了大量實驗研究。結果表明,在LDPE 材料中加入ZnО、SiО2、TiО2以及其他不同種類的納米粒子可以有效改善LDPE的電氣性能[5-6]。

通過研究PP/PОE 共混物的相關特性可以得出,通過選取不同種類的納米材料,并將其摻雜至共混物中,對復合材料的擊穿性能與體積電阻率起到積極作用,提高此類材料的市場競爭力。深入研究發(fā)現(xiàn),MgО 納米顆粒在多種溫度環(huán)境下,都能夠有效控制空間電荷的積聚現(xiàn)象。

基于不同的納米顆粒會對IPP 電學性能產(chǎn)生不同影響這一原則出發(fā),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):四種納米粒子都能對IPP的電學性能起到改善作用。使用SPP 作為基質(zhì),SiО2納米顆粒的引入可以提高直流電阻,并且改善了空間電荷注入。盡管該復合材料不存在交聯(lián)過程,但在室溫下具有良好機械柔韌性,在高溫下具有較高的機械強度?？紤]到高分子電介質(zhì)的導熱系數(shù)不高,會在電纜絕緣層中引發(fā)溫度梯度問題。在PEC 中添加導熱系數(shù)高的氮化鋁納米顆粒,獲得具有高導熱率和低介電損耗的熱塑性材料。研究表明,盡管通過添加AlN 降低了復合材料的直流電阻和擊穿場強,但是由于PEC 本身具備高擊穿強度,所以復合材料的擊穿強度會比XLPE 高。

1.4 熱塑性聚烯烴化學改性材料

通過將特殊官能團與聚烯烴分子鏈進行融合,在接枝基團極性與反應性的基礎上,能夠有效改善聚烯烴的各種性能。世界范圍內(nèi)的各大專項研究公司都通過將極性基團引入聚乙烯來開發(fā)性能特征各異的電纜絕緣材料。通過研究相關專利發(fā)現(xiàn),將將極性基團(例如羰基、硝酸基團、芳環(huán)、不飽和脂肪酸)引入聚乙烯中可以抑制聚乙烯中的空間電荷并有效提高體積電阻率。

通過接枝馬來酸酐對聚丙烯的改性也是一種材料改性方法。通過馬來酸酐與聚丙烯的融合,能夠進一步提高PP的電氣性能,有效抑制空間電荷的積累,并降低了導電電流,從而實現(xiàn)擊穿強度的大幅提高。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于:馬來酸酐極性基團在深陷阱的引入,導致的電荷遷移率降低,且注入勢壘有所增加[7]。

2 關鍵技術問題與發(fā)展建議

2.1 環(huán)保型直流電纜絕緣材料技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的充油電纜、油紙絕緣和XLPE 絕緣相比,環(huán)保的DC 電纜絕緣材料具有綠色環(huán)保應用屬性。目前廣泛使用的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料不能直接回收利用,交聯(lián)過程中也會形成一定的環(huán)境污染。環(huán)保的直流電纜絕緣材料可以有效避免這些問題。

從材料性能來看,PP的熔點能夠超過160℃,較長使用周期環(huán)境下,工作溫度也可以達到100～120 ℃。因此,相對于XLPE,其長期工作溫度可以提高到90℃甚至100℃,這使直流電纜的傳輸能力大幅提高。同時,PP 在擊穿場強與體積電阻率方面更具優(yōu)勢,PP 能夠提高直流電纜的工作電壓,減少傳輸損耗。在相同電壓水平下,絕緣層能夠處理的更薄,這也有利于實現(xiàn)電纜絕緣散熱溫度的均勻分布。PP的空間電荷注入閾值場強約為30mV/m,遠大于XLPE的10mV/m。因此,PP 電纜中的空間電荷累積問題影響范圍更小。由于PP的機械強度高,所以無需進行交聯(lián)處理,同時也保證了絕緣材料的熱塑性。

加工技術是工業(yè)生產(chǎn)中需要重點研究的專業(yè)領域。在傳統(tǒng)的XLPE 工藝中,需要對材料進行交聯(lián)處理,之后通過脫氣處理消除交聯(lián)副產(chǎn)物對生成后材料的影響。但是,PP 能夠脫離交聯(lián)處理,同時規(guī)避有關的脫氣過程,以便直流電纜絕緣材料生產(chǎn)過程的簡化與生產(chǎn)周期的縮短[8-9]。

2.2 環(huán)保型直流電纜絕緣材料發(fā)展建議

與XLPE 相比,聚丙烯基絕緣材料的優(yōu)點是可以將工作溫度提高到90℃以上。因此,針對PP 在高溫下的性能研究具有重要的現(xiàn)實意義,開展這一研究需要保證測試溫度達到90℃,尤其在進行空間電荷測試時,會受到傳感器與放大器的溫度限制,這樣直接影響空間電測測試的準確性與穩(wěn)定性。同時,還應考慮材料特性隨溫度變化的情況,對此,要求該材料應能夠在較寬的溫度閾值內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性。

由于我國對PP 基材料的研究時間仍然較短,對PP材料的老化特性還沒有足夠完善的了解與認識。因此,有必要系統(tǒng)地研究不同條件下PP 材料的老化特性,為直流電纜絕緣材料的結構規(guī)劃與壽命預判提供相應的理論支持。

加速時效和正常時效相結合的方法對材料時效狀態(tài)的特征參數(shù)進行分析,并表現(xiàn)出特征參數(shù)與時效狀態(tài)之間的相位關系。同時,它也可以與XLPE 老化測試進行比較,比對分析兩種材料的老化特征。

將納米粒子引入PP 材料中,這一方案已經(jīng)表現(xiàn)出對電氣性能的有效改善,但目前缺乏標準統(tǒng)一的粒子選擇規(guī)則。且當前研究結論存在差異,限制了納米復合材料電介質(zhì)的實效應用。因此,有必要研究不同納米粒子對復合材料的空間電荷與老化反應的影響,使基于上述研究制備出的納米復合材料具有更優(yōu)良的分散性與穩(wěn)定性,以促進納米材料的發(fā)展[10]。

3 結語

隨著電網(wǎng)向長距離大容量和高可靠性的未來發(fā)展,直流電纜傳輸技術將得到廣泛應用。環(huán)保型直流電纜絕緣材料的開發(fā)將進一步提高電力系統(tǒng)的環(huán)境友好度,并促進中國電力電纜行業(yè)的發(fā)展。目前,基于環(huán)保型直流電纜絕緣材料在學術方面與工業(yè)層面的影響,國內(nèi)外進行了大量的探索性研究。首先,傳統(tǒng)的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料難以回收再利用,且加工流程繁瑣、工作溫度較低。因此,有必要對直流輸電電纜的環(huán)保絕緣材料進行研究,以提高電纜的環(huán)境友好性與運行效能；其次,單一聚烯烴材料很難同時滿足НVDC 電纜絕緣材料的性能要求,通常需要通過混合改性、納米改性和化學方法來提高其綜合性能；最后,聚丙烯具有用作НVDC 電纜的環(huán)保絕緣材料的可行性,可以提高DC 電纜的工作溫度并簡化其加工工藝。環(huán)保型聚丙烯直流電纜絕緣材料的開發(fā)將成為電纜制造領域的發(fā)展方向。