發(fā)布時(shí)間：2020-05-13 10:29

【摘要】：隨著我國(guó)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(yuǎn)距離輸電中得到了廣泛的應(yīng)用。高壓直流電纜的安全運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)直流輸電系統(tǒng)十分重要,其中電纜附件的絕緣損壞問(wèn)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(chǎng)分布集中和畸變,致使局部場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于正常工作場(chǎng)強(qiáng),從而引發(fā)絕緣擊穿造成輸電事故,這已成為影響我國(guó)高壓直流電纜及其附件安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。鑒于以上存在的問(wèn)題,本文從電纜附件絕緣研發(fā)角度著手,通過(guò)納米摻雜改性來(lái)改善調(diào)控電纜附件絕緣的介電性能,促進(jìn)它與電纜主絕緣XLPE電導(dǎo)率的匹配,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)附件內(nèi)電場(chǎng)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(yùn)行穩(wěn)定性。本文采用納米SiC和TiO2粒子為填料,通過(guò)對(duì)直流電纜附件絕緣進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)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(shì),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(duì)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(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的依賴特性。采用熱刺激電流法(TSC)對(duì)納米復(fù)合液體硅橡膠的陷阱特性進(jìn)行了測(cè)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(shí),純硅橡膠主要依靠載流子在外電場(chǎng)作用下克服勢(shì)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(jí)和深度,改變了載流子的遷移特性和電荷輸運(yùn)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)納米復(fù)合液體硅橡膠的空間電荷特性進(jìn)行了測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)不同溫度和電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)空間電荷的抑制效果最為明顯。通過(guò)仿真分析,驗(yàn)證了采用納米復(fù)合液體硅橡膠為附件絕緣時(shí),相比于純硅橡膠應(yīng)用下直流電纜附件內(nèi)的電場(chǎng)分布更為均勻,縮小了由溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度變化引起的與電纜主絕緣XLPE電導(dǎo)之間的差異,電場(chǎng)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(duì)純硅橡膠和納米復(fù)合液體硅橡膠進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)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(jìn)行其性能下降幅度有所減緩,且預(yù)測(cè)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(jià)值。
【圖文】：

升到 85℃[36]，電壓等級(jí)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(guó) Wilster 的海底高壓流電纜項(xiàng)目 Nordlink 工程已正式開工建設(shè)，電纜全長(zhǎng) 623km，使用的是電等級(jí)為±525kV 的 MI 電纜，輸送功率將高達(dá) 1400MW。充油式電纜出現(xiàn)較早技術(shù)較為成熟，且使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)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(yùn)行[37]，電壓等級(jí)±300kV。充油式電纜最主要的問(wèn)題是必需安裝供油設(shè)備，但供給的油量距有限，因而整個(gè)電纜在長(zhǎng)度上受到了一些限制，同時(shí)存在著較大地環(huán)境污隱患，一旦有漏油事故發(fā)生，將對(duì)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(duì)較高高、現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)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(diǎn)[39]，所以問(wèn)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(hù)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(gòu)置的實(shí)驗(yàn)原料中由于納米 TiO2是親油型顆粒，能很好地在有機(jī)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(duì) KH-560 其進(jìn)行表面改性修飾。一般來(lái)說(shuō)，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(tuán)，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(tuán)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(duì)納米 SiC 粒子處理的具體實(shí)驗(yàn)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(wú)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(jī)研磨、過(guò)篩得到表面處理修飾后的納米 SiC 粉末，實(shí)驗(yàn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM21

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 謝書鴻;傅明利;尹毅;薛建凌;胡明;;中國(guó)交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓直流電纜發(fā)展的三級(jí)跳:從160kV到200kV再到320kV[J];南方電網(wǎng)技術(shù);2015年10期

2 楊佳明;趙洪;鄭昌佶;王暄;楊超塵;;納米粒子分散性對(duì)SiO_2/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)直流介電性能的影響[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年19期

3 鐘海杰;王佩龍;王錦明;黃洪;夏云杰;;用于抑制界面空間電荷的直流電纜附件設(shè)計(jì)[J];高電壓技術(shù);2015年04期

4 蘭莉;吳建東;王雅妮;尹毅;;低密度聚乙烯/乙丙橡膠雙層介質(zhì)的界面空間電荷特性[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2015年05期

5 周遠(yuǎn)翔;劉睿;張?jiān)葡?張旭;郭大衛(wèi);;硅橡膠電樹枝的引發(fā)與生長(zhǎng)過(guò)程[J];高電壓技術(shù);2014年12期

6 周孝信;魯宗相;劉應(yīng)梅;陳樹勇;;中國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2014年29期

7 鐘瓊霞;蘭莉;吳建東;史文祥;尹毅;;不同表面處理劑對(duì)納米MgO/LDPE空間電荷行為的影響[J];高電壓技術(shù);2014年09期

8 張冶文;趙暉;李宗澤;鄭飛虎;安振連;;聚乙烯與聚丙烯中空間電荷注入特性的比較[J];高電壓技術(shù);2014年09期

9 韓寶忠;傅明利;李春陽(yáng);趙洪;侯帥;李忠華;;硅橡膠電導(dǎo)特性對(duì)XLPE絕緣高壓直流電纜終端電場(chǎng)分布的影響[J];高電壓技術(shù);2014年09期

10 馬為民;吳方R，

本文編號(hào)：2661817