發(fā)布時間：2020-11-08 21:44

　　 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和工作穩(wěn)定性仍無法滿足日益增長的社會需求。使用電壓穩(wěn)定劑能提高XLPE絕緣材料的耐電強度和長期工作穩(wěn)定性,在提高電力電纜電壓等級方面發(fā)揮過重要作用。近幾年,國際知名電纜料與電纜生產(chǎn)制造企業(yè)在電壓穩(wěn)定劑方面的專利和報道逐漸增多,使用電壓穩(wěn)定劑在進一步提高電力電纜電壓等級方面體現(xiàn)出一定潛力,深入開展電壓穩(wěn)定劑的研究工作有助于推進高電壓等級電纜料的研發(fā)與國產(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XLPE交、直流絕緣性能影響,采用理論化學(xué)計算和直流擊穿強度測試相結(jié)合的篩選方案,對17種芳香酮化合物進行了研究,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能隙顯著負相關(guān),與其電離勢相關(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時能顯著抑制XLPE不同溫度下的交流電樹枝引發(fā)和生長,同時能提高XLPE不同溫度下的交流擊穿強度,且對XLPE的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的負面影響較小,在經(jīng)過長期交流電老化以后,其提高XLPE交流耐電強度的作用效果依然有效存續(xù)。之后,對ALRB的可接枝性進行了紅外光譜表征,并研究了電壓穩(wěn)定劑ALRB接枝對XLPE的結(jié)晶、交聯(lián)、機械強度、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)過程中能通過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接枝對現(xiàn)有電力電纜生產(chǎn)工藝的依從性較好,并且對XLPE的基礎(chǔ)理化性能沒有顯著負面影響,是一種實用價值較高的改性方法。通過實驗證實ALRB接枝后具有優(yōu)異耐的遷出性,其提高XLPE直流擊穿強度的作用能長期且高效地保持,系統(tǒng)地研究ALRB接枝對XLPE不同溫度下的直流擊穿強度、電導(dǎo)特性和空間電荷特性的影響及其機理,同時也系統(tǒng)地測試了北歐化工±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度,其直流擊穿性能顯著優(yōu)于±500kV XLPE,其機理是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,但對直流電纜絕緣層電場分布的負面影響較小;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、溫度對于ALRB接枝改性前后XLPE的直流接地電樹枝引發(fā)與生長特性的影響。結(jié)果表明:電壓和溫度升高均會促進直流接地電樹枝的引發(fā)與生長;±500kV XLPE抑制直流接地電樹枝引發(fā)與生長的作用均優(yōu)于普通XLPE;0.4~0.8phr ALRB接枝對于XLPE直流接地電樹枝的引發(fā)和生長均有顯著抑制作用,其作用效果隨添加劑含量增大而增大,ALRB含量為0.4phr時其抑制直流接地電樹枝的效果基本與±500kV XLPE持平;電壓穩(wěn)定劑ALRB接枝無法抑制電荷的注入和遷移,但能通過削弱電荷脫陷過程的破壞作用來抑制直流接地電樹枝的引發(fā)和生長。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM855
【部分圖文】：

并將酞菁染料和 Al2O3分別混入 LDPE 作為對Al2O3與酞菁染料電壓穩(wěn)定劑在抑制電樹枝方面的協(xié)同作 LDPE 材料電樹枝起始電壓比純 LDPE 高 1.8 倍，但電；僅含納米 Al2O3的復(fù)合材料電樹枝生長速度減慢 3 倍本相同；同時混入電壓穩(wěn)定劑和納米 Al2O3的復(fù)合材料電壓提高 1.8 倍，并且電樹枝生長速度減慢接近 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，進而增強了納米顆粒對，推測這種協(xié)同效應(yīng)的形成機制可能是酞菁電壓穩(wěn)定劑通過范德華力相互吸引，從而抑制了納米顆粒之間的吸ndersson 等基于文獻[34]的研究基礎(chǔ)，對噻噸酮電壓穩(wěn)的復(fù)配效果進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，分枝起始場強，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枝起始場強更高，但電壓穩(wěn)定后再混入 LDPE 則使材料的耐電樹枝性能顯著下降，其到納米 Al2O3表面會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，電離勢和 HOMO-LUMO 能隙，通過理論計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；計算方法見公式（2-1）和（2-2），計算得出的電離勢又分為絕熱電離勢 IPa和垂直電離勢 IPv，計算方法見公式（2-3）和（2-4）。其計算原理如圖 2-2 所示，其中，E(M)為中性分子在基態(tài)時能量，E+(M+)、E-(M-)分別為正離子和負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)的負離子能量[70]。對于電壓穩(wěn)定劑的相關(guān)研究而言，絕熱電離勢 IPa和絕熱電子親和能 EAa更賦實際物理意義，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]，因此下文僅針對絕熱電離勢 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度關(guān)系為了獲得電壓穩(wěn)定劑提高直流擊穿強度的效率與其量子化學(xué)特性的關(guān)系，分別統(tǒng)計了電壓穩(wěn)定劑直流擊穿強度提高百分比 Φ 與絕熱電子親和能 EAa、絕熱電離勢 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)定劑快速遷出或無法實現(xiàn)均勻混煉的特殊情況，電壓穩(wěn)定劑提高直流擊穿強度的效率 Φ 與其量子化學(xué)特性呈現(xiàn)出一定的線性相關(guān)趨勢，其中，Φ 與 EAa呈正相關(guān)趨勢，與 IPa和 Eg呈負相關(guān)趨勢。排除 AN、PNAP 和 Benzil-N，對其它 14 種電壓穩(wěn)定劑的數(shù)據(jù)進行線性擬合，獲得的線性擬合相關(guān)參數(shù)見表 2-2 所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明線性擬合的相關(guān)性越差；決定因數(shù)越大，說明線性擬合的相關(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%，說明電壓穩(wěn)定劑的
【參考文獻】

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本文編號：2875392