一种直流电缆绝缘材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种直流电缆绝缘材料及其制备方法，属于直流电缆技术领域。

背景技术：

随着输送容量需求的不断提高以及跨海工程、洲际联网工程的日益增加，直流输电在电力系统的应用越来越广泛。与交流输电相比，直流输电具有传输容量大、损耗小(基本上只有电阻损耗，没有电磁损耗和介电损耗)、不存在无功功率、电源连接方便、易于调节和控制等优点。与此同时，直流电缆线路没有电容电流的干扰，可靠性更高。

直流输电大多采用的是xlpe绝缘电缆，然而在高压直流作用下，xlpe内部极易积累空间电荷，由于空间电荷不断积累，导致局部电场发生畸变，从而使xlpe内部最大电场比平均电场高出5～11倍，严重情况下甚至会导致绝缘电击穿。目前，最常用的方法是采用纳米复合抑制xlpe内部的空间电荷。现有直流电缆绝缘材料的纳米复合技术主要通过在低密度聚乙烯基料内，加入一定量的纳米粉末、交联剂以及抗氧剂。

玻璃粉目前仅报道可用于提高材料的耐热性能和机械性能，且粒子尺寸在微米级。尚未见到采用纳米级玻璃粉提高直流电缆绝缘材料的直流性能的报道。

目前，直流电缆绝缘材料普遍采用的是固体氧化剂，熔点在120℃以上。若绝缘材料的加工温度<120℃，抗氧剂未熔化，不仅抗氧化效果差，还容易结块影响绝缘材料性能，若绝缘材料的加工温度>120℃，加工过程中交联剂易发生分解造成绝缘材料的预交联。

对于制备方法，由于纳米粒子的粒径小，表面能高，非常容易团聚，很难在基料中均匀分散，目前直流电缆绝缘材料通常是通过密炼机混合制得母料后在通过往复式单螺杆挤出机二次分散造粒而成，后续还需增加后渗透工艺添加交联剂，二步法制备绝缘材料工艺复杂，制备过程中还易引入杂质影响绝缘材料的洁净度。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种直流电缆绝缘材料，有效降低了绝缘材料的体积电阻率对温度的敏感性，极大提高了绝缘材料高温下的直流耐压水平；并且制备流程简单，制备过程洁净无杂质影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种直流电缆绝缘材料，包括如下重量份计的组分：基料100份，纳米级玻璃粉6-15份，液体抗氧剂0.1-0.2份，交联剂1-1.5份。

进一步地，所述基料为低密度聚乙烯，数均分子量大小为10000-20000，分子量分布宽度为4-6，双键含量为5-10/10000c，熔融温度为100-105℃。

进一步地，所述纳米级玻璃粉的原始粒径为15±3nm，所述纳米级玻璃粉为经两亲分子十八烯酸聚乙醇单酯进行了表面处理的。

进一步地，所述表面处理的过程如下：

取两亲分子十八烯酸聚乙二醇单酯溶于无水乙醇中，在65℃下充分搅拌均匀，再加入纳米级玻璃粉，继续在65℃下搅拌30min，然后经过超声波分散30min后静置1h，在75℃下搅拌去除乙醇，最后再在90℃下干燥24h。

进一步地，所述两亲分子十八烯酸聚乙二醇单酯与纳米级玻璃粉的重量比为1:100。

进一步地，所述液体抗氧剂的熔点小于30℃。

进一步地，所述交联剂为过氧化物类交联剂，分解温度>120℃，分解活化能>35kcal/mol。

一种直流电缆绝缘材料的制备方法，包括如下过程：

分别将基料、液体抗氧剂、交联剂通过主喂料口加入双螺杆挤出机，将纳米级玻璃粉通过侧喂料机输送至双螺杆挤出机，计量精度不低于±0.1％；在双螺杆挤出机内一次完成原材料的混炼分散，混炼温度在110-120℃；通过熔体泵加压后，经连续换网器500目以上的多层滤网精密过滤后，通过水下切粒机在去离子超纯水环境中切粒，干燥机干燥至水分含量≤100ppm。

进一步地，原料配比混合前，清洁整个制备环境并启动百级洁净系统连续运行不低于72小时；物料输送过程密闭，输送气体洁净度满足百级。

有益效果：本发明提供的一种直流电缆绝缘材料，具有优异的直流电气性能，尤其是在高温下，有效抑制了绝缘材料中空间电荷的注入与积累，降低了绝缘材料的体积电阻率对温度的敏感性，极大提高了绝缘材料高温下的直流耐压水平。纳米级玻璃粉经过两亲分子十八烯酸聚乙二醇单酯表面处理，在低密度聚乙烯中分散与分布性良好。

本发明还提供了一种直流电缆绝缘材料的制备方法，采用较低的制备温度，抗氧剂能够完全熔融，均匀溶解于绝缘材料中，同时无需采用后渗透法添加交联剂的方式即可一次性完成直流电缆绝缘材料的制备。

附图说明

图1为表面处理后的纳米级玻璃粉分散在低密度聚乙烯中的扫描电镜图；

图2为实施例1的绝缘材料1#在-20kv/mm、20℃下的空间电荷图；

图3为实施例2的绝缘材料2#在-20kv/mm、20℃下的空间电荷图；

图4为实施例3的绝缘材料3#在-20kv/mm、20℃下的空间电荷图；

图5为对比例1’的绝缘材料1’#在-20kv/mm、20℃下的空间电荷图；

图6为不同温度下实施例1-3及对比例1’的绝缘材料电阻率图；

图7为不同温度下实施例1-3及对比例1’的绝缘材料直流击穿场强图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

一种直流电缆绝缘材料，由如下按重量份计的组分组成：基料低密度聚乙烯100份，纳米级玻璃粉6份，抗氧剂2,4-二(正辛基硫亚甲基)-6-甲基苯酚0.1份，交联剂叔丁基异丙苯基过氧化物1.5份。

纳米级玻璃粉的处理方法，包括以下步骤：

取重量份计1份两亲分子十八烯酸聚乙二醇单酯溶于无水乙醇中，在65℃下充分搅拌均匀，再加入重量份计100份纳米级玻璃粉，继续在65℃下搅拌30min，然后经过超声波分散30min后静置1h，在75℃下搅拌去除乙醇，最后再在90℃下干燥24h。

如图1所示，经过两亲分子十八烯酸聚乙二醇单酯表面处理后的纳米级玻璃粉，在低密度聚乙烯中分散与分布均匀。

上述直流电缆绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：

彻底清洁整个制备环境并启动百级洁净系统连续运行不低于72小时，按照前述配方用量，分别将基料、抗氧剂、交联剂，通过主喂料口加入双螺杆挤出机，将纳米级玻璃粉通过侧喂料机输送至双螺杆挤出机，通过失重称精确计量后，计量精度不低于±0.1％，在双螺杆挤出机内一次完成原材料的混炼分散，混炼温度在110-120℃；通过熔体泵加压后，经连续换网器500目以上的多层滤网精密过滤后，通过水下切粒机在去离子超纯水环境中切粒，干燥机干燥至水分含量≤100ppm，输送至储料罐中。整个输送过程密闭，输送气体要求洁净度满足百级。

实施例2

一种直流电缆绝缘材料，由如下按重量份计的组分组成：基料低密度聚乙烯100份，纳米级玻璃粉15份，抗氧剂2,6-二叔丁基对仲丁基(苯)酚0.2份，交联剂过氧化二异丙苯1份。

其中纳米级玻璃粉的处理方法，以及该直流电缆绝缘材料的制备方法与实施例1操作相同，只改变其原料组分，不再赘述。

实施例3

一种直流电缆绝缘材料，由如下按重量份计的组分组成：基料低密度聚乙烯100份，纳米级玻璃粉10份，抗氧剂β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸异辛醇酯0.15份，交联剂2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷1.2份。

其中纳米级玻璃粉的处理方法，以及该直流电缆绝缘材料的制备方法与实施例1操作相同，只改变其原料组分，不再赘述。

对比例1’

采用国产商业化220kv交流电缆绝缘材料。

对上述实施例1-3及对比例1’制备得到的绝缘材料的机械性能和电气性能进行测试，结果见表1和图2-7。

表1实施例1-3及对比例1’制备得到的绝缘材料的机械性能和电气性能测试结果

根据表1中的数据显示，实施例1-3所得的直流电缆绝缘材料的机械性能与对比例接近，均符合gb/t22078.2标准中关于500kv交联聚乙烯绝缘电缆绝缘材料的性能要求。但是电气性能方面，结合图2-图7，可知实施例1-3明显优于对比例，即根据本发明提供的配方用量及制备方法制备得到的直流电缆绝缘材料具有优异的直流电气性能(尤其是在高温下)，有效抑制了绝缘材料中空间电荷的注入与积累，降低了绝缘材料的体积电阻率对温度的敏感性，极大提高了绝缘材料高温下的直流耐压水平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。