發(fā)布時間：2020-04-13 05:17

【摘要】：紫外光交聯(lián)聚乙烯技術(shù)是指采用高強度紫外光源對熔融透明態(tài)的聚乙烯材料進(jìn)行輻照并使其交聯(lián)的一種電纜制造工藝。相比于傳統(tǒng)的過氧化物交聯(lián)法,紫外光交聯(lián)法具有交聯(lián)速度快、節(jié)能環(huán)保以及材料非熱敏性等優(yōu)點,目前已成功應(yīng)用于低壓電力電纜制造領(lǐng)域。本文在863前沿探索項目支持下,對用于生產(chǎn)中、高壓電力電纜的紫外光交聯(lián)技術(shù)以及紫外光交聯(lián)聚乙烯的相關(guān)材料性能開展了研究。根據(jù)中、高壓電力電纜絕緣結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一種可實現(xiàn)絕緣層紫外光交聯(lián)、屏蔽層過氧化物交聯(lián)的聯(lián)合交聯(lián)工藝。提出了先共同擠出導(dǎo)體屏蔽和絕緣,待絕緣經(jīng)紫外光輻照交聯(lián)后,再擠出絕緣屏蔽的“2+1”擠出加工模式。根據(jù)大厚度絕緣充分交聯(lián)所需的紫外輻照劑量以及防止材料高溫快速熱老化等要求,提出了紫外汞燈和紫外LED聯(lián)合應(yīng)用的輻照系統(tǒng)。設(shè)計了聯(lián)合交聯(lián)工藝的具體加工流程,并在測量絕緣和屏蔽材料熱物性參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過仿真軟件計算了電纜在加工過程中的溫度場分布。仿真結(jié)果表明,絕緣和屏蔽在加工過程中能夠保持在合理的溫度范圍內(nèi),均可以實現(xiàn)充分交聯(lián)。針對傳統(tǒng)汞弧燈光源光強快速衰減的問題,根據(jù)大厚度絕緣的輻照度需求,研制了長壽命、高穩(wěn)定性的微波無極紫外固化燈。結(jié)合橢圓聚焦和微波諧振特性,應(yīng)用幾何光學(xué)與電磁學(xué)的聯(lián)合仿真分析,重點解決了微波諧振腔在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的難點。實驗結(jié)果表明,研制的微波無極紫外固化燈樣機具有合理的紫外發(fā)射光譜和輻照度分布,并且比傳統(tǒng)汞弧燈具有更高的輻照交聯(lián)效率,更適合作為聯(lián)合交聯(lián)工藝中的紫外汞燈光源。研究了紫外光交聯(lián)聚乙烯和傳統(tǒng)過氧化物交聯(lián)聚乙烯在結(jié)晶特性、機械物理性能以及作為中壓電力電纜應(yīng)用、與機械物理性能密切相關(guān)的抗水樹性能上的差異。研究結(jié)果表明,采用線性低密度聚乙烯作為基礎(chǔ)樹脂是紫外光交聯(lián)聚乙烯具有較高的結(jié)晶度、熔融溫度以及機械強度的主要原因。通過對材料的應(yīng)變硬化能力的分析,證實了材料片晶間的連接分子鏈能夠有效阻礙水分子在電場力作用下向材料中的滲入,并且交聯(lián)鍵和線性低密度聚乙烯密集分布的短支鏈能夠顯著增加片晶間的連接分子鏈密度,解釋了交聯(lián)度越高、水樹枝越短以及紫外光交聯(lián)聚乙烯在抗水樹性能上優(yōu)于過氧化物交聯(lián)聚乙烯等現(xiàn)象。另外,通過動態(tài)熱機械分析證實了交聯(lián)鍵的存在使得材料的β松弛變強,能夠緩沖電場力作用下微水珠對材料無定形相的沖擊力,降低了水樹枝的生長速率。研究了紫外光交聯(lián)聚乙烯用于高壓直流電纜絕緣的相關(guān)電性能。研究結(jié)果表明,相對于過氧化物交聯(lián)聚乙烯,紫外光交聯(lián)聚乙烯的耐電強度較低,并且電導(dǎo)率以及電導(dǎo)溫度依賴性較高,其可能原因在于紫外光交聯(lián)副產(chǎn)物苯并哪醇分子量較大不易從材料中遷出。紫外光交聯(lián)聚乙烯的α松弛導(dǎo)致其熱釋電峰溫度顯著升高,使其在電纜絕緣正常使用溫度下的空間電荷特性明顯優(yōu)于過氧化物交聯(lián)聚乙烯。研究還表明,紫外光交聯(lián)聚乙烯接枝馬來酸酐后可以顯著抑制電導(dǎo)率和電導(dǎo)溫度依賴性,并有效提升直流耐電強度,其機理與材料引入深陷阱抑制電極電荷注入和載流子的輸運有關(guān)。本文的研究結(jié)果表明,應(yīng)用紫外光交聯(lián)聚乙烯技術(shù)制造中、高壓電力電纜是可行的,用于中壓電纜制造時其絕緣具有優(yōu)異的抗水樹性能,用于高壓電纜制造時其絕緣具有較好的直流電性能。
【圖文】：

（a）CCV 生產(chǎn)線 （b）VCV 生產(chǎn)線圖 1-1 CCV 和 VCV 生產(chǎn)線Figure 1-1 CCV and VCV production lines在 CCV 和 VCV 生產(chǎn)線中，除交聯(lián)管道以外還有偏心度控制、凈化控制以及導(dǎo)體預(yù)熱裝置等以保證電纜的質(zhì)量。出于工藝控制的考慮，交聯(lián)管道中各個管內(nèi)惰性氣體的溫度略有不同，由初節(jié)到末節(jié)逐漸降低，并根據(jù)電纜的生產(chǎn)規(guī)格、生產(chǎn)速度等要求被設(shè)定在 320~410 ℃之間、管內(nèi)惰性氣體壓力在1.0~1.2Mpa，用于抑制絕緣層內(nèi)部氣泡的形成[30]。由于在交聯(lián)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的甲烷、枯基醇、苯乙酮、α-甲基苯乙烯和水等副產(chǎn)物會對絕緣的介電性能產(chǎn)生負(fù)面影響[31-33]，因此在電力電纜交聯(lián)加工后還需要進(jìn)行脫氣處理。與中壓電力電纜不同，由于高壓電力電纜具有金屬密封護(hù)層，所以通常不會出現(xiàn)水樹枝，其絕緣材料料通常為超凈電纜料，，而非中壓電力電纜主要采用的抗水樹電纜料。而對于高壓交流電纜和高壓直流電纜，則通常分別采用物理純和化學(xué)純電纜料。所謂物理純，是指電纜絕緣材料中的雜質(zhì)顆粒含量最低，而化學(xué)純是指能夠產(chǎn)生空間電荷和載流子的化學(xué)物質(zhì)在材料中含量最低。1.2.2 過氧化物交聯(lián)法的局限性

甚至造成絕緣的擊穿，這在電壓極性反轉(zhuǎn)時尤為明顯[74]。因此效抑制 XLPE 絕緣在直流電場下其空間電荷的累積，對高壓直流電力電纜全運行尤為重要。.5.1 空間電荷產(chǎn)生機理聚合物在直流電場下能夠產(chǎn)生空間電荷的累積，其主要原因在于其能帶中除了導(dǎo)帶和價帶以外還有大量的局域態(tài)[75]，如圖 1-2 所示。這些局域態(tài)以稱之為陷阱，可以捕獲載流子。陷阱中的電子或空穴只能依靠隧道效應(yīng)個局域態(tài)轉(zhuǎn)移至另一個局域態(tài)，又或者依賴熱激發(fā)到導(dǎo)帶上去。對半晶性物而言，其晶區(qū)與無定向相的界面、無定形相、分子支鏈與端基，甚至雜殘留催化劑等，均能夠形成陷阱[76]。
【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】：TM24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2625633