本发明属于电力输电技术领域，具体涉及一种耐高压输电管道材料及其制备方法。
背景技术：
在构建全球互联电网的规划中，超大容量高压输电管线成为重要的技术支撑手段之一。现有输电线路主要有架空线路和电力电缆两种方式。架空线为空中导线，导体散热不是问题，但相间(极间)绝缘主要是依靠空气绝缘，因此相间距离较大，占用通道宽度，高电压或超高电压输电时需进一步增大通道宽度和导线对地高度，综合造价将增加；电力电缆输电通常采用有机材料绝缘，相间距离紧凑，占用空间小，但面临散热和有机绝缘材料在高温环境下的老化和绝缘劣化问题，输送容量受到一定限制，并且成本造价昂贵。所以综合解决这两个问题，才能大幅提高电力线路输送容量。
作为超大容量高压输电管线的设计重点，绝缘材料的选取至关重要。电力电缆通常采用SF6、交联聚乙烯、绝缘油等作绝缘介质；树脂混凝土作为一种新型绝缘材料，其性能结合聚合物材料、无机胶结材料及混凝土材料性能，保证了绝缘和散热性能的协调。PC(树脂混凝土)作为绝缘材料的研究始于上世纪80年代，美国用PC替代陶瓷制造绝缘子，并在75kV电压等级中得到应用，其绝缘结构材料中除SiO2(一般为玻璃纤维或硅微粉填料)无机材料外，其余全部为有机高分子材料，且树脂占绝缘结构体积的40％-60％。ABB公司选用丙烯酸酯或乙烯酸酯作为聚合物，并混入4种骨料，与水泥混合而成的PCC，其介电耐压冲击强度达到24kV/mm，是良好的耐高压绝缘材料。但是PC绝缘子由于其表面不如陶瓷光滑，因此自洁性能不如陶瓷或玻璃，在重污秽地区表现欠佳，限制了其推广应用。
中国专利“一种绝缘混凝土材料及其制备技术”(公开号为CN102617079 A)将聚合物和防水剂配制到混凝土来实现混凝土疏水性，减少混凝土内部吸水率从而达到混凝土的高电阻，但是这种方法制备的PCC绝缘强度还远达不到高容量高电压输电线路要求。中国专利“一种高阻抗高抗渗混凝土材料及其制备方法”(公开号为CN 200810046967 A)提出了聚合物和轻骨料来实现混凝土内部的高致密性和高抗渗性能，但经预湿处理的轻骨料易导致整个混凝土体系内部湿度的增加，使得其混凝土电阻率降低，且不适合用于高电压环境中。
技术实现要素：
为实现超高容量高电压输电管道良好绝缘性能，解决传统交联聚乙烯等有机绝缘材料散热、有机绝缘材料在高温环境下的老化和绝缘劣化问题和传统PC绝缘子自清洁性能差、树脂含量高而带来的经济成本问题，本发明提供一种高绝缘、耐高温、易散热、耐久性好且经济的耐高压输电管道材料及其制备方法，所述耐高压输电管道材料可以有效解决传统电力电缆有机材料散热慢的问题，延缓在高温环境下的老化、绝缘劣化，减小电力传输的损耗，增加产品使用耐久性，降低经济成本，保证在35kV电压等级下安全运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种耐高压输电管道材料，它由水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:(150-300):(5-50):(15-40):(0.5-1.0):(0.05-0.10):(0.02-0.08)的质量比混合而成。
上述方案中，所述水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或几种。
上述方案中，所述水泥的颗粒粒径范围满足：1-20μm占总质量的10-20％，80-100μm占总质量的50-70％；或者满足：1-4μm占总质量的2-5％，10-15μm占总质量的15-25％，100-120μm占总质量的50-65％；或者满足：0.5-4μm占总质量的2-5％，8-15μm占总质量的7-15％，40-60μm占总质量的20-30％，110-130μm占总质量的30-40％。
上述方案中，所述超细集料为高纯度特细石英砂，SiO2含量≥99.9％，Fe2O3含量小于0.001％，使用前集料需经105℃烘干不少于4h。
上述方案中，所述微细粉料为粉煤灰、硅灰石、云母粉、偏高岭土中的一种或多种。
上述方案中，所述高分子乳液为水性环氧树脂、乙烯酸酯乳液、丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯兔爷、乙酸乙烯酯乳液、醋酸乙烯酯、丁苯胶乳、丙苯胶乳中的一种或多种。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂，固含为20-25％，减水率为25-27％。
上述方案中，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
上述方案中，所述纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。
上述一种耐高压输电管道材料的制备方法，包括以下步骤：
1)各组分的称量：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:(150-300):(5-50):(15-40):(0.5-1.0):(0.05-0.10):(0.02-0.08)的质量比进行称量；
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入到高速搅拌容器内进行干拌1-2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1-2min，再加入减水剂和消泡剂以剪切搅拌得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)；
上述方案中，所述剪切搅拌速率为100-200rpm，时间为4-5min。
将按上述方法制备的耐高压输电管道材料应用于制备耐高压输电管道材料，具体步骤如下：安装输电管道内部输电金属管和屏蔽保护层，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经6-12小时常温负压和12-24小时80℃常压养护后，两端采用绝缘树脂密封得耐耐高压输电管道材料。
上述方案中，所述屏蔽保护层可采用聚乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚氯乙烯、橡皮尽缘护套等。
本发明的机理为：
本发明通过控制管道输电材料的致密性和吸水性来保证其优异的绝缘性能：通过优化水泥颗粒级配分布区，使之成双态(或三态、四态)区间分布，形成胶凝体系的密实骨架堆积，减小水化需水量，使水胶比小于0.25；同时采用高分子乳液全部替代拌合用水与粉煤灰、硅灰石、云母粉或偏高领土等微细填料来改善混凝土的界面过渡区密实结构，减少水泥水化后留下的溶液孔数量；同时在不额外加水的情况下，绝缘优异的高分子聚合物乳液参与水泥水化反应吸收乳液中的水分，促进高分子聚合物破乳固化交联，形成集料-聚合物-无机胶凝材料的结合体；聚合物失水固化后形成聚合物薄膜有效阻断了输电管道材料内部溶液孔隙传递通道，保证了在高电压环境中输电管道材料的绝缘性；消泡剂有助于消纳搅拌成型过程中引入的空气，显著减少体系气泡含量，保证整个体系的致密性能；同时采用负压真空和泵送注压工艺，成型完成后采用常温负压和高温常压养护，保证输电管道材料在整个成型养护过程中无外界空气进入，最后管道两端用绝缘树脂密封处理，整个处理工艺不额外加水且与外界水份无接触，屏蔽保护层和两端绝缘树脂层有效阻隔了外界水分的进入；另外，填料还可以部分参与水泥水化，起到二次水化效应，降低体系自由水含量，改善了水泥石过渡区的界面结构，有利于混凝土整体结构稳定性和致密性，提高了抗渗性能。
本发明通过合理的组成和工艺设计，使制备的耐高压输电管道材料(PCC)达到有机绝缘材料80-100％的绝缘强度，同时导热系数增加到1.0W/mK以上，具有高强度、高绝缘、耐高温、易散热、耐久性好、耐磨、耐化学腐蚀、高抗渗性、高弹性模量等优点，用于管道输电导体之间的绝缘层填充材料，且可显著降低生产成本。传统有机绝缘材料和本发明制备的耐高压输电管道材料的生产成本见表1。
表1
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明所述耐高压输电管道材料的介电强度可达15Kv/mm，稳定工作电压可达35Kv，持续稳定工作温度大于90℃，短时绝缘工作可达到160℃，且自然环境下制备的耐高压输电管道构件不会开裂及粉化。
2)该耐高压输电管道材料可以显著改善绝缘体系传热、导热水平，导热系数由传统的0.01-0.5W/m·K提高到1.3-1.7W/m·K，耐高温性、耐老化性能更加优异。
3)该耐高压输电管道材料可以降低绝缘材料成本，其绝缘性能达到传统有机绝缘材料的80-100％，体积电阻率可达到1010-1011Ω·cm；采用耐高压输电管道材料代替传统的有机绝缘材料、金属封闭气体绝缘材料及聚合物胶结混凝土有利于降低电力运输线路运行和维修成本，提高整体结构耐久性。
4)该耐高压输电管道材料与输电金属管、屏蔽保护层粘结强度高，胀缩系数小，不易出现分层开裂问题，制备的耐高压输电管道可用于35kV高压电输送工程。
附图说明
图1为本发明实施例1所得耐高压输电管道的结构示意图。
其中，1为输电金属管，2为耐高压输电管道材料，3为屏蔽保护层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例如无具体说明，采用的试剂为市售化学试剂或工业产品。
以下实施例中，所述超细集料为万川石英发展有限公司生产的高纯石英砂，粒度范围0.1-0.01mm，SiO2有效含量大于99.9％，Fe2O3含量小于0.001％；所述减水剂为江苏博特生产的YJ系列高效减水剂，固含量为25％，减水率为26％；所述消泡剂为合肥万成环保科技有限公司生产的BYC-014A聚醚改性有机硅消泡剂，活性物有效含量大于18％。
实施例1
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:280:6:30:0.6:0.07:0.04的质量比进行称量，其中水泥选用52.5R普通硅酸盐水泥，其粒径满足80-100μm占总质量(水泥总质量)的60％，1-20μm占总质量(水泥总质量)的20％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料选用硅灰石；高分子乳液选用苯乙烯-丙烯酸酯乳液；纤维选用聚丙烯纤维。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌1min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合2min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(150rpm)剪切搅拌5min得新拌的耐高压输电管道材料。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(交联聚乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经8小时常温负压和20小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构示意图见图1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例2
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:160:40:19:0.8:0.06:0.05的质量比进行称量，其中水泥选用42.5普通硅酸盐水泥，其粒径满足80-100μm占总质量(水泥总质量)的65％，1-20μm占总质量(水泥总质量)的12％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料选用云母粉；高分子乳液由乙烯酸酯和丙烯酸酯以质量比1:1的质量比混合而成；纤维选用玄武岩纤维。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(120rpm)剪切搅拌4min得新拌的耐高压输电管道材料。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(聚氯乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经12小时常温负压和24小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例3
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:220:18:16:0.5:0.05:0.07的质量比进行称量，其中水泥选用52.5R硫铝酸盐水泥，其粒径满足80-100μm占总质量(水泥总质量)的68％，1-20μm占总质量(水泥总质量)的18％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料由云母粉和偏高岭土以3:1的质量比混合而成；高分子乳液水性环氧树脂；纤维选用聚乙烯纤维。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合2min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(180rpm)剪切搅拌4min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(聚乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经7小时常温负压和16小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例4
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:260:10:35:0.9:0.08:0.08的质量比进行称量，其中水泥选用42.5R硫铝酸盐水泥，其粒径满足100-120μm占总质量(水泥总质量)的55％，10-15μm占总质量(水泥总质量)的20％，1-4μm占总质量(水泥总质量)的4％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料选用粉煤灰；高分子乳液由丁苯胶乳和丙苯胶乳以1:1的质量比混合而成；纤维由玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维以1:1的质量比混合而成。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(120rpm)剪切搅拌4min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(橡皮尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经10小时常温负压和20小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例5
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:200:48:18:0.7:0.06:0.09的质量比进行称量，其中水泥选用CA-60铝酸盐水泥，其粒径满足100-120μm占总质量(水泥总质量)的60％，10-15μm占总质量(水泥总质量)的22％，1-4μm占总质量(水泥总质量)的3％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料由粉煤灰和硅灰石以4:1的质量比混合而成；高分子乳液由丙烯酸酯乳液和苯乙烯-丙烯酸酯乳液以1:2的质量比混合而成；纤维选用聚乙烯醇纤维。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌1min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(150rpm)剪切搅拌4min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(交联聚乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经7小时常温负压和13小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例6
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:180:45:28:0.6:0.06:0.03的质量比进行称量，其中水泥选用CA-70铝酸盐水泥，其粒径满足80-100μm占总质量(水泥总质量)的50％，1-20μm占总质量(水泥总质量)的14％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料由粉煤灰和偏高岭土以5:1的质量比混合而成；高分子乳液由选用水性环氧树脂；纤维由聚乙烯纤维和聚丙烯纤维以1:1的质量比混合而成。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(120rpm)剪切搅拌5min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(交联聚乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经8小时常温负压和14小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例7
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:250:25:25:0.7:0.09:0.09的质量比进行称量，其中水泥由铝酸盐水泥和42.5R硫铝酸盐水泥以2:1的质量比混合而成，其粒径满足110-130μm占总质量(水泥总质量)的35％，40-60μm占总质量(水泥总质量)的25％，8-15μm占总质量(水泥总质量)的12％，0.5-4μm占总质量(水泥总质量)的4％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料由硅灰石和云母粉以4:1的质量比混合而成；高分子乳液由苯乙烯-丙烯酸酯乳液和醋酸乙烯酯乳液以3:1的质量比混合而成；纤维选用玄武岩纤维。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌1min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(180rpm)剪切搅拌5min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(交联聚氯乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经8小时常温负压和14小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
实施例8
一种耐高压输电管道材料，其制备方法包括以下步骤：
1)原料称取：将水泥、超细集料、微细粉料、高分子乳液、减水剂、消泡剂和纤维以100:290:30:38:0.7:0.09:0.07的质量比进行称量，其中水泥由CA-70铝酸盐水泥和42.5R普通硅酸盐水泥以2:1的质量比混合而成，其粒径满足100-120μm占总质量(水泥总质量)的62％，10-15μm占总质量(水泥总质量)的16％，1-4μm占总质量(水泥总质量)的3％，剩余部分为其他粒径所占质量百分比；微细粉料选用偏高岭土；高分子乳液由乙酸乙烯酯乳液和乙烯酸酯乳液以1:2的质量比混合而成；纤维由聚丙烯腈纤维和玄武岩纤维以1:1的质量比混合而成。
2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料和纤维加入高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合2min，再加入减水剂和消泡剂并进行高速(150rpm)剪切搅拌4min得新拌的耐高压输电管道材料(无宏观缺陷水泥混凝土)。
将本实施例所得耐高压输电管道材料应用于装配耐高压输电管道，具体步骤如下：安装输电管道内部的输电金属管和屏蔽保护层(聚乙烯尽缘护套)，采用抽真空泵送技术将制备的水泥混凝土从输电管道底部压入，在管道顶部抽取空气保持负压0.2Mpa，同时采取一定的管壁振动装置排除浆体中的气泡，保证水泥混凝土良好的密实度，经7小时常温负压和10小时80℃常压养护后，两端用绝缘树脂密封得所述耐高压输电管道(结构同实施例1)。
本实施例所得耐高压输电管道材料的性能测试结果见表2。
将实施例1～8所述耐高压输电管道材料进行绝缘击穿强度(介电强度，Kv/mm)、耐热等级、导热系数等性能测试，测试前105℃烘干试样24h，参考标准GBT 1408-2006《绝缘材料电气强度试验方法》、GBT 11021-2014《电气绝缘耐热性和表示方法测试结果》，结果见表2。
表2实施例1～8所得耐高压输电管道材料的性能测试结果
根据表1中数据可以看出：采用该方法制备的耐高压输电管道材料性能达到国家标准要求，介电强度≥15Kv/mm，耐热等级达到F级标准，混凝土抗压强度≥55Mpa，导热系数≥1.2W/m·K，显著优于全有机绝缘电力电缆，且生产成本更低。
综上所述，本发明所述耐高压输电管道材料具有强度高、高绝缘、耐高温、易散热、耐久性好等优异性能，满足标准规定的各项性能指标，有利于实际工程应用。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。