當(dāng)前交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣高壓交、直流電力電纜的電壓等級(jí)和工作穩(wěn)定性仍無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求。使用電壓穩(wěn)定劑能提高XLPE絕緣材料的耐電強(qiáng)度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性,在提高電力電纜電壓等級(jí)方面發(fā)揮過(guò)重要作用。近幾年,國(guó)際知名電纜料與電纜生產(chǎn)制造企業(yè)在電壓穩(wěn)定劑方面的專(zhuān)利和報(bào)道逐漸增多,使用電壓穩(wěn)定劑在進(jìn)一步提高電力電纜電壓等級(jí)方面體現(xiàn)出一定潛力,深入開(kāi)展電壓穩(wěn)定劑的研究工作有助于推進(jìn)高電壓等級(jí)電纜料的研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化。為了獲得性能優(yōu)異的電壓穩(wěn)定劑并系統(tǒng)地研究其對(duì)XLPE交、直流絕緣性能影響,采用理論化學(xué)計(jì)算和直流擊穿強(qiáng)度測(cè)試相結(jié)合的篩選方案,對(duì)17種芳香酮化合物進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)電壓穩(wěn)定劑提高低密度聚乙烯(LDPE)直流擊穿強(qiáng)度的作用效果與其電子親和能顯著正相關(guān),與其HOMO-LUMO能隙顯著負(fù)相關(guān),與其電離勢(shì)相關(guān)性較小。選出三種含有乙烯基且能顯著提高LDPE直流擊穿強(qiáng)度的芳香酮作為繼續(xù)研究的可接枝型電壓穩(wěn)定劑,系統(tǒng)地研究了其對(duì)XLPE交流絕緣性能的影響。發(fā)現(xiàn)ALRB作用效果最優(yōu),在添加量為0.8phr時(shí)能顯著抑制XLPE不同溫度下的交流電樹(shù)枝引發(fā)和生長(zhǎng),同時(shí)能提高XLPE不同溫度下的交流擊穿強(qiáng)度,且對(duì)XLPE的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的負(fù)面影響較小,在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期交流電老化以后,其提高XLPE交流耐電強(qiáng)度的作用效果依然有效存續(xù)。之后,對(duì)ALRB的可接枝性進(jìn)行了紅外光譜表征,并研究了電壓穩(wěn)定劑ALRB接枝對(duì)XLPE的結(jié)晶、交聯(lián)、機(jī)械強(qiáng)度、熱氧老化等絕緣基礎(chǔ)理化性能的影響,發(fā)現(xiàn)ALRB分子在熱交聯(lián)過(guò)程中能通過(guò)其乙烯基上的加成反應(yīng)接枝到XLPE分子上,電壓穩(wěn)定劑ALRB接枝對(duì)現(xiàn)有電力電纜生產(chǎn)工藝的依從性較好,并且對(duì)XLPE的基礎(chǔ)理化性能沒(méi)有顯著負(fù)面影響,是一種實(shí)用價(jià)值較高的改性方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)ALRB接枝后具有優(yōu)異耐的遷出性,其提高XLPE直流擊穿強(qiáng)度的作用能長(zhǎng)期且高效地保持,系統(tǒng)地研究ALRB接枝對(duì)XLPE不同溫度下的直流擊穿強(qiáng)度、電導(dǎo)特性和空間電荷特性的影響及其機(jī)理,同時(shí)也系統(tǒng)地測(cè)試了北歐化工±500kV高壓直流電纜料(±500kV XLPE)的直流絕緣性能作為參照。結(jié)果表明:ALRB接枝能顯著提高XLPE不同溫度下的直流擊穿強(qiáng)度,其直流擊穿性能顯著優(yōu)于±500kV XLPE,其機(jī)理是ALRB具有較高的電子親和能和較窄的能隙,可以俘獲高能電子并通過(guò)自身的激發(fā)將高能電子能量耗散;ALRB接枝使XLPE電導(dǎo)率溫度依賴性略有增大,但對(duì)直流電纜絕緣層電場(chǎng)分布的負(fù)面影響較小;ALRB接枝后降低了XLPE中深陷阱密度,增大了淺陷阱密度,使空間電荷分布更均勻、局部積累量更少、消散更快。以±500kV XLPE為參照,研究添加劑含量、電壓、溫度對(duì)于ALRB接枝改性前后XLPE的直流接地電樹(shù)枝引發(fā)與生長(zhǎng)特性的影響。結(jié)果表明:電壓和溫度升高均會(huì)促進(jìn)直流接地電樹(shù)枝的引發(fā)與生長(zhǎng);±500kV XLPE抑制直流接地電樹(shù)枝引發(fā)與生長(zhǎng)的作用均優(yōu)于普通XLPE;0.4~0.8phr ALRB接枝對(duì)于XLPE直流接地電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)均有顯著抑制作用,其作用效果隨添加劑含量增大而增大,ALRB含量為0.4phr時(shí)其抑制直流接地電樹(shù)枝的效果基本與±500kV XLPE持平;電壓穩(wěn)定劑ALRB接枝無(wú)法抑制電荷的注入和遷移,但能通過(guò)削弱電荷脫陷過(guò)程的破壞作用來(lái)抑制直流接地電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM855
【部分圖文】：

并將酞菁染料和 Al2O3分別混入 LDPE 作為對(duì)Al2O3與酞菁染料電壓穩(wěn)定劑在抑制電樹(shù)枝方面的協(xié)同作 LDPE 材料電樹(shù)枝起始電壓比純 LDPE 高 1.8 倍，但電；僅含納米 Al2O3的復(fù)合材料電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度減慢 3 倍本相同；同時(shí)混入電壓穩(wěn)定劑和納米 Al2O3的復(fù)合材料電壓提高 1.8 倍，并且電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度減慢接近 10 倍。表明，酞菁電壓穩(wěn)定劑加入以后改善了納米 Al2O3顆粒顆粒與 LDPE 基體的界面面積，進(jìn)而增強(qiáng)了納米顆粒對(duì)，推測(cè)這種協(xié)同效應(yīng)的形成機(jī)制可能是酞菁電壓穩(wěn)定劑通過(guò)范德華力相互吸引，從而抑制了納米顆粒之間的吸ndersson 等基于文獻(xiàn)[34]的研究基礎(chǔ)，對(duì)噻噸酮電壓穩(wěn)的復(fù)配效果進(jìn)行了較為全面的研究，將 0.03wt%噻噸酮米 Al2O3分別以如圖 1-4 所示的不同方式混入 LDPE，分枝起始場(chǎng)強(qiáng)，結(jié)果表明電壓穩(wěn)定劑和納米顆粒以物理形僅含納米顆粒的材料電樹(shù)枝起始場(chǎng)強(qiáng)更高，但電壓穩(wěn)定后再混入 LDPE 則使材料的耐電樹(shù)枝性能顯著下降，其到納米 Al2O3表面會(huì)削弱納米顆粒俘獲電荷的陷阱作用[4

與電壓穩(wěn)定劑分子相關(guān)的量子化學(xué)特性參數(shù)主要包括：電子親和能，電離勢(shì)和 HOMO-LUMO 能隙，通過(guò)理論計(jì)算得出的電子親和能又分為絕熱電子親和能 EAa和垂直電子親和能 EAv；計(jì)算方法見(jiàn)公式（2-1）和（2-2），計(jì)算得出的電離勢(shì)又分為絕熱電離勢(shì) IPa和垂直電離勢(shì) IPv，計(jì)算方法見(jiàn)公式（2-3）和（2-4）。其計(jì)算原理如圖 2-2 所示，其中，E(M)為中性分子在基態(tài)時(shí)能量，E+(M+)、E-(M-)分別為正離子和負(fù)離子在各自離子狀態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下的能量，E+(M)為采用中性分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的正離子能量，E-(M)為采用中性分子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的負(fù)離子能量[70]。對(duì)于電壓穩(wěn)定劑的相關(guān)研究而言，絕熱電離勢(shì) IPa和絕熱電子親和能 EAa更賦實(shí)際物理意義，且垂直參數(shù)與絕熱參數(shù)隨分子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律基本相同[38,42-43]，因此下文僅針對(duì)絕熱電離勢(shì) IPa、絕熱電子親和能 EAa以及 HOMO-LUMO 能隙 Eg與電壓穩(wěn)定劑效率的關(guān)系進(jìn)行討論。EAa= E(M)-E-(M-) (2-1)EAv= E(M)-E-(M) ≈ -ELUMO(2-2)IPa= E+(M+)-E(M) (2-3)ΙPv= Ε+(Μ)-Ε(Μ) ≈ -EHOMO(2-4)

圖 2-3 LDPE 及含 7 種芳香酮化合物 LDPE 的直流擊穿強(qiáng)度 Weibull 分布Figure 2-3 Weibull distribution of DC breakdown strength of LDPE and LDPE containing 7different kinds of aromatic ketone voltage stabilizers2.3 電壓穩(wěn)定劑量子化學(xué)特性與其直流擊穿強(qiáng)度關(guān)系為了獲得電壓穩(wěn)定劑提高直流擊穿強(qiáng)度的效率與其量子化學(xué)特性的關(guān)系，分別統(tǒng)計(jì)了電壓穩(wěn)定劑直流擊穿強(qiáng)度提高百分比 Φ 與絕熱電子親和能 EAa、絕熱電離勢(shì) IPa、以及 HOMO-LUMO 能隙差 Eg等量子化學(xué)特性相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性，如圖 2-4 所示。若不考慮 AN、PNAP 和 Benzil-N 三種電壓穩(wěn)定劑快速遷出或無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻混煉的特殊情況，電壓穩(wěn)定劑提高直流擊穿強(qiáng)度的效率 Φ 與其量子化學(xué)特性呈現(xiàn)出一定的線性相關(guān)趨勢(shì)，其中，Φ 與 EAa呈正相關(guān)趨勢(shì)，與 IPa和 Eg呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。排除 AN、PNAP 和 Benzil-N，對(duì)其它 14 種電壓穩(wěn)定劑的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，獲得的線性擬合相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 2-2 所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明線性擬合的相關(guān)性越差；決定因數(shù)越大，說(shuō)明線性擬合的相關(guān)性越好。由表2-2 可知，Φ 與 IPa之間的線性相關(guān)擬合決定因數(shù)僅為 40.4%，與 EAa的線性相關(guān)決定因數(shù)為 70.6%，與 E的線性相關(guān)決定因數(shù)為 69.1%，說(shuō)明電壓穩(wěn)定劑的
【參考文獻(xiàn)】

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