表面态改善高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法与流程

本发明涉及高压直流电传输、高压直流电缆，具体讲,涉及表面态改善高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法。

背景技术：

随着高压直流电缆敷设距离的不断增长，对电缆附件的需求也在不断扩大。预制式附件在各国已经运行的陆上高压直流交联聚乙烯电缆线路已得到广泛使用。电缆接头由内屏蔽层、附件主绝缘、应力锥、外屏蔽层和外护套等组成，结构比较复杂，但是具有安装时间短、性能稳定等优势。电力电缆附件为多层固体介质复合绝缘结构，相对于传统的交流电缆附件，直流电缆附件内部的电气、机械问题更为突出。研究表明如果复合绝缘界面接触不理想，载流子在迁移过程中由于表面态的存在会形成空间电荷积累，在电场、磁场、温度、机械等多应力共同作用下，将诱发局部放电和聚合物材料的侵蚀破坏，最终导致绝缘失效，使电缆附件成为整个直流电缆系统的薄弱环节和出现故障的典型部位

含氟聚合物具有突出的电学、热学与化学性能，包括优异的耐热性、耐蚀性、电绝缘性、极强的化学惰性和极低的表面能等，在微电子、汽车工业、航空航天和特种涂料等高科技领域发挥着不可替代的作用，这与氟原子独特的性质密切相关，而且c-f键具有突出的化学稳定性和热稳定性。这些氟原子和c-f键的特性使得含氟聚合物在许多方面明显优于其他聚合物。

因此，如何在不影响电缆附件绝缘基体介电性能的情况下通过改善其表面态来调控界面空间电荷积累目前仍是一个难题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于表面态改善的高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法。本发明采用的技术方案是，表面态改善高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法，高压直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料垂直悬挂在反应釜中，向反应釜中注射含氟气体，将直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料表层分子链中的叔氢置换为氟原子，形成一层数微米厚的含氟聚合物过渡层，通过含氟聚合物过渡层实现界面电荷抑制。

具体步骤是，

(1)用酒精擦拭并充分干燥乙丙橡胶epdm试样后，将高压直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料垂直悬挂在反应釜中，做好密封紧固措施；

(2)关闭进气阀，打开排气阀和真空泵，将反应釜内气体抽真空，维持10分钟，关闭排气阀和真空泵，打开进气阀和氮气钢瓶减压阀，向反应釜中充满高纯氮气，使其达到标准大气压，并关闭进气阀，5分钟后再次打开真空泵和排气阀进行抽真空，反复重复上述过程6次后，保证反应釜及管道内的其他气体排净，关闭真空泵和排气阀；

(3)通过反应釜的加热装置调控表面态改善的温度，打开进气阀向反应釜内部缓慢充入n2:f2＝4:1的反应气体，使得反应釜内气压达到0.5个标准大气压，关闭进气阀，通过不同的处理时间得到不同程度表面态改善的试样，最后打开真空泵将内部残余气体抽出，通过尾气处理装置吸收；

(4)按照(2)中步骤使用高纯氮气反复清洗反应釜，保证氟气完全被排出后打开反应釜取出试样。

处理时间分别为15，30或60分钟，得到表面态改善处理的高压直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料。

本发明的特点及有益效果是：

①方法具有工艺简单，成本低，且不会破坏聚合物基体原有的性能的特点。

②能够有效抑制直流电缆附件绝缘系统界面电荷的积累。

附图说明：

图1是本发明中聚合物表面态调控流程图；

图2是本发明中乙丙橡胶表面态调控前后表层形貌及化学元素构成；

图3是本发明中乙丙橡胶表面态调控前后复合绝缘界面电荷积累情况；

图4是本发明中乙丙橡胶表面态调控前后复合绝缘界面电荷消散情况。

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、采用附图1流程图对聚合物进行表面态改善处理。(1)用酒精擦拭并充分干燥epdm试样后，将试样垂直悬挂在反应釜中，做好密封紧固措施。(2)关闭进气阀，打开排气阀和真空泵，将反应釜内气体抽真空，维持10min，关闭排气阀和真空泵，打开进气阀和氮气钢瓶减压阀，向反应釜中充满高纯氮气，使其达到标准大气压，并关闭进气阀，5min后再次打开真空泵和排气阀进行抽真空。反复重复上述过程6次后，保证反应釜及管道内的其他气体排净，关闭真空泵和排气阀。(3)通过反应釜的加热装置可以调控表面态改善的温度，本实验中保持反应釜内温度为25℃。打开进气阀向反应釜内部缓慢充入n2:f2＝4:1的反应气体，使得反应釜内气压达到50kpa(0.5个标准大气压)，关闭进气阀，通过不同的处理时间得到不同程度表面态改善的试样，最后打开真空泵将内部残余气体抽出，通过尾气处理装置吸收。(4)按照(2)中步骤使用高纯氮气反复清洗反应釜，保证氟气完全被排出后打开反应釜取出试样。利用上述方法得到了分别经过15，30和60min表面态改善处理的epdm试样

2、采用pea法空间电荷测试系统，对试样施加5kv/mm直流电场，并持续5s，获得空间电荷分布数据作为参考信号；对试样施加15和30kv/mm直流电场，极化时间为30min；撤去施加在试样上的直流电场并将高压电极与地电极短路，去极化时间为10min，每隔5s采集一次pea信号，测量极化和去极化过程空间电荷动态特性。

在一个具体实例中：

1、(1)用酒精擦拭并充分干燥epdm试样后，将试样垂直悬挂在反应釜中，做好密封紧固措施。(2)关闭进气阀，打开排气阀和真空泵，将反应釜内气体抽真空，维持10min，关闭排气阀和真空泵，打开进气阀和氮气钢瓶减压阀，向反应釜中充满高纯氮气，使其达到标准大气压，并关闭进气阀，5min后再次打开真空泵和排气阀进行抽真空。反复重复上述过程6次后，保证反应釜及管道内的其他气体排净，关闭真空泵和排气阀。(3)通过反应釜的加热装置可以调控表面态改善的温度，本实验中保持反应釜内温度为25℃。打开进气阀向反应釜内部缓慢充入n2:f2＝4:1的反应气体，使得反应釜内气压达到50kpa(0.5个标准大气压)，关闭进气阀，得到表面态改善处理时间为30min的试样，最后打开真空泵将内部残余气体抽出，通过尾气处理装置吸收。(4)按照(2)中步骤使用高纯氮气反复清洗反应釜，保证氟气完全被排出后打开反应釜取出试样。

2、附图2(a)中所示，未经表面态改善处理的界面处积累了大量空间电荷，当极化时间达到1800s之后，最大电荷密度达到7.55c/m³；此外随着加压时间的推移，界面处epdm侧出现了同极性空间电荷的积累。附图2(b)则为30min处理的epdm与纯ldpe匹配条件下的界面电荷动态特性，发现最大电荷密度降至3.65c/m³，且极少量的空间电荷能够注入到epdm基体之中，结果表明30min表面态改善能够有效地抑制界面电荷积累。

技术特征：

技术总结
本发明涉及高压直流电传输，为提出一种基于表面态改善的高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法。本发明采用的技术方案是，表面态改善高压直流电缆附件绝缘界面电荷抑制方法，高压直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料垂直悬挂在反应釜中，向反应釜中注射含氟气体，将直流电缆附件乙丙橡胶绝缘材料表层分子链中的叔氢置换为氟原子，形成一层数微米厚的含氟聚合物过渡层，通过含氟聚合物过渡层实现界面电荷抑制。本发明主要应用于高压直流电传输场合。

技术研发人员：李进;杜伯学;杜强
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2017.08.23
技术公布日：2018.01.19