一种绝缘结构及高压直流电缆

1.本发明属于电缆技术领域，具体涉及一种绝缘结构及包含该绝缘结构的高压直流电缆。


背景技术：

2.高压直流电缆在制造过程中，由于高压直流电缆的绝缘层内外经历的热加工温度有所不同，使得绝缘层从内侧到外侧的交联度逐渐降低(如图3所示)，并且，高压直流电缆在去除副产物过程中，由于绝缘层从内侧到外侧的交联副产物分解外排速度不同，使得绝缘层中的交联副产物残余量由内侧到外侧逐渐减小(如图5所示)，从而导致绝缘层的绝缘性能不均一，造成高压直流电缆的电气绝缘性能下降的问题。
3.此外，在直流电缆设备运行过程中，随着电力负荷的变化，高压直流电缆的绝缘层存在内外温差，电场受温度梯度的影响，会在绝缘层内部发生反转等问题，直接影响电缆的安全、稳定运行，并且，较大的内外温差还会限制其工作温度，导致其无法在高温下运行，而无法高温运行意味着要降容量运行，这不仅会浪费资源，还会限制电压等级的提高，长期以往将会无法满足用户需求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种绝缘结构以及包含该绝缘结构的高压直流电缆，该绝缘结构各个位置的绝缘性能均一，可提高电气绝缘性能。
5.解决本发明技术问题所采用的技术方案如下：
6.根据本发明的一个方面，提供一种绝缘结构，其技术方案如下：
7.一种绝缘结构，包括多层环形结构，各层环形结构均包括基体，所述基体采用基础料与交联剂的混合物料加工制成，且各层环形结构的基体所用的混合物料中的交联剂的含量由内层到外层逐渐增加。
8.优选的是，所述绝缘结构包括三层环形结构，由内到外依次为内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层。
9.优选的是，所述基础料为聚乙烯，所述混合物料为交联聚乙烯材料，所述内层绝缘层采用的交联聚乙烯材料中的交联剂的含量为1.0-1.1wt％；所述中层绝缘层采用的交联聚乙烯材料中的交联剂的含量为1.2-1.3wt％；所述外层绝缘层采用的交联聚乙烯材料中的交联剂的含量为1.4-1.5wt％。
10.优选的是，所述内层绝缘层的厚度为所述绝缘结构总厚度的20-25％；所述中层绝缘层的厚度为所述绝缘结构总厚度的45-55％；所述外层绝缘层的厚度为所述绝缘结构总厚度的25-30％。
11.优选的是，各层环形结构还包括导热粒子，所述导热粒子均匀分散在各层环形结构的基体中。
12.优选的是，各层环形结构中的导热粒子的含量均为0.5-3.0wt％。
13.优选的是，所述导热粒子为纳米氮化硼、纳米氧化铝中的一种或多种。
14.根据本发明的另一个方面，提供一种高压直流电缆，其技术方案如下：
15.一种高压直流电缆，包括导体和保护层，所述保护层包括绝缘层，所述绝缘层设于所述导体外，且所述绝缘层采用以上所述的绝缘结构。
16.优选的是，所述保护层还包括内半导电屏蔽层和外半导电屏蔽层，所述内半导电屏蔽层设于所述导体与所述绝缘层之间；所述外半导电屏蔽层包裹在所述绝缘层外。
17.优选的是，所述保护层还包括半导电缓冲层、金属护层、以及外护套，所述半导电缓冲层包裹在所述外半导电屏蔽层外；所述金属护层包裹在所述半导电缓冲层外；所述外护套包裹在所述金属护层外。
18.本发明的绝缘结构，特别适合用于高压直流电缆等设备中作为绝缘层，其采用分层设计，且各层环形结构采用的原料中的交联剂的含量由内层向外层逐渐增加，不仅可以降低绝缘结构中各层环形结构的交联度的差异，使各层环形结构从内到外具有均一的交联度，还可以降低绝缘结构中各层环形结构中的交联副产物残余量的差异，使各层环形结构中的交联副产物的残余量一致，从而使绝缘结构中各层环形结构的绝缘性能一致(即绝缘性能均一)，从而提高电气绝缘性能，并且，通过引入导热粒子，可以提高导热性能，减小高压直流电缆的绝缘层的内外温差，从而可以削弱绝缘层内电场反转等问题和提高高压直流电缆的工作温度。
19.本发明的高压直流电缆，由于采用了上述的绝缘结构作为绝缘层，不仅可提高高压直流电缆的电气绝缘性能，还可以降低高压直流电缆中绝缘层的内外温差，削弱绝缘层内电场反转等问题，提高高压直流电缆的工作温度。
附图说明
20.图1为本发明实施例的高压直流电缆的结构图；
21.图2为本发明实施例的绝缘结构的交联度测试结果；
22.图3为现有高压直流电缆的绝缘层的交联度测试结果；
23.图4为本发明实施例绝缘结构经过不同去除副产物时间处理后的交联副产物的残余量测试结果；
24.图5为现有高压直流电缆的绝缘层经过不同去除副产物时间处理后的交联副产物的残余量测试结果；
25.图6为本发明实施例绝缘结构的直流击穿强度测试结果；
26.图7为现有高压直流电缆的绝缘层的直流击穿强度测试结果；
27.图8为本发明实施例绝缘结构与现有高压直流电缆的绝缘层的直流击穿强度测试对比图；
28.图9为本发明实施例绝缘结构与现有高压直流电缆的绝缘层的的导热系数测试对比图。
29.图中：1-导体；2-绝缘层；21-内层绝缘层；22-中层绝缘层；23-外层绝缘层；3-内半导电屏蔽层；4-外半导电屏蔽层；5-半导电缓冲层；6-金属护层；7-外护套。
具体实施方式
30.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例1
35.本实施例公开一种绝缘结构，该绝缘结构可用于高压直流电缆中作为绝缘层，其包括多层环形结构，且各层环形结构均包括基体，基体采用基础料与交联剂的混合物料加工制成，且各层环形结构的基体所采用的混合物料中的交联剂的含量由内层到外层逐渐增加。
36.具体来说，各层环形结构的基体所采用的混合物料中的基础料均优选采用聚乙烯，以保持各层环形结构的基体材料的一致性，这样可以在用作高压直流电缆等设备中作为绝缘层时可有效避免绝缘层界面带来层间问题。交联剂优选采用dcp(dicumyl peroxide，过氧化二异丙苯)。混合物料为交联聚乙烯材料。通过控制各层环形结构的基体所用的混合物料中的交联剂的含量由内层到外层逐渐增加，可以电缆制造过程中(即加工制成基体的过程中)降低绝缘结构中各层环形结构的交联度的差异，使各层环形结构从内到外具有均一的交联度，同时，在电缆去除副产物过程中降低绝缘结构中各层环形结构中的交联副产物(聚乙烯与dcp在高温下进行交联形成交联聚乙烯，同时，交联后会产生α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇、甲烷等副产物，这些副产物属于绝缘中的杂质、气泡)的残余量的差异，使各层环形结构中的交联副产物的残余量一致，从而使各层环形结构具有一致的绝缘性能，提高电气绝缘性能。
37.需要注意的是，本绝缘结构除了可用于高压直流电缆，还可以用于高压电缆附件、绝缘子等其他设备，而不限于用于高压直流电缆。
38.在一些实施方式中，如图1所示，本绝缘结构优选包括三层环形结构，由内到外依次为内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23。
39.在一些更具体的实施方式中，内层绝缘层的基体所采用的混合物料中的交联剂的含量优选为1.0-1.1wt％，以使内层绝缘层21的交联度控制在80％左右；中层绝缘层的基体
所采用的混合物料中的交联剂的含量优选为1.2-1.3wt％，以使中层绝缘层的交联度控制在80％左右；外层绝缘层的基体所采用的混合物料中的交联剂的含量优选为1.4-1.5wt％，以使外层绝缘层的交联度控制在80％左右。
40.在一些实施方式中，由于在采用相同含量交联剂绝缘材料产出的绝缘结构产品中，经过特定的副产物去除工艺，内层绝缘层21临近电缆导体，副产物含量残留相对最多，中层绝缘层22中的副产物含量残留次之，外层绝缘层23临近绝缘屏蔽(即远离导体)，副产物含量残留最低，副产物的存在会导致空间电荷积聚，直接影响高压直流电缆的电气绝缘性能，因此，为了降低副产物对电气绝缘性能的影响，内层绝缘层21的厚度优选为绝缘结构总厚度的20-25％，中层绝缘层22厚度优选为绝缘结构总厚度的45-55％，外层绝缘层23的厚度优选为绝缘结构总厚度的25-35％。本实施例中，绝缘结构的总厚度优选为20-30mm。
41.在一些实施方式中，内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23均还包括导热粒子，导热粒子均匀分散在内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23的基体中，导热粒子可以提高导热性能，在高压直流电缆工作过程中，能够减小高压直流电缆的绝缘层的内侧(即靠近高压直流电缆的导体1的一侧)与外侧(即远离高压直流电缆的导体1的一侧)的温度差，即降低高压直流电缆的绝缘层的内外层之间的温度梯度，从而可以削弱绝缘层内电场反转等问题和提高高压直流电缆的工作温度。
42.具体来说，内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23中的导热粒子的含量为0.5-3.0wt％，具体可以根据实验结果进行选择。本实施例中，内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23中的导热粒子的含量均优选为0.5wt％。
43.在一些实施方式中，内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23三者中的导热粒子均为纳米氮化硼、纳米氧化铝中的一种或多种(两种)，具体可根据该绝缘结构在实际应用中对其导热性能的需求进行选择。
44.本实施例中，内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23三者中的导热粒子均优选为纳米氮化硼，更具体来说，是氮化硼纳米片(bnns)。
45.下面以三层环形结构的绝缘结构为例，其中，内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层的厚度分别占绝缘结构总厚度的20％、50％和30％，内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层的基体所采用的混合物料中的交联剂的含量分别为1.0wt％、1.2wt％、1.4wt％，内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层中的氮化硼纳米片(bnns)含量为0.5wt％，对其各层绝缘层的交联度、交联副产物的残余量等参数进行测试，测试结果如图2、图4所示。
46.由图2可知，本实施例的绝缘结构中的内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层的交联度基本相同，均为80％左右，即各层环形结构从内到外具有均一的交联度。
47.由图4可知，本实施例的绝缘结构中的内层绝缘层、中层绝缘层、以及外层绝缘层中的α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇的残余量均基本相同，三种交联副产物的残余量分别约为0.14mg/g、0.86mg/g、以及1.23mg/g，即各层环形结构从内到外具有趋于均一的交联副产物残余量。
48.由于本实施例的绝缘结构的各层环形结构的具有均一的交联度和交联副产物残余量，而交联度和交联副产物的残余量均会影响绝缘性能，因此，本实施例的绝缘结构的各层环形结构具有一致的绝缘性能。
49.并且，采用纵向切片方式，分别对本实施例的绝缘结构的内层、中层、外层绝缘层和现有高压直流电缆的绝缘层的内侧、中侧、外侧(内侧、中侧、以及外侧分别可按厚度占比分别为20％、50％和30％划分)进行切片制样，制得的样片的厚度为0.81-1.1mm，样片的直径为5cm，采用直径为25mm的圆柱电极系统在室温下(25℃)对各样片进行直流击穿强度测试，测试结果如图6、图7所示：
50.由图6可知，本实施例绝缘结构的内层绝缘层样片的平均直流击穿强度约为121kv/mm，中层绝缘层样片的平均直流击穿强度约为122kv/mm，外层绝缘层样片的平均直流击穿强度约为124kv/mm；由图7可知，现有高压直流电缆的绝缘层的内侧样片、中侧样片、以及外侧样片的平均直流击穿强度分别约为100kv/mm、104kv/mm、以及106kv/mm。由此可见，相比于现有高压直流电缆的绝缘层，本实施例绝缘结构的各层环形结构的直流击穿强度增强，电气绝缘性能增强。
51.进一步的，分别从本实施例中的氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构(记0.5wt％bnnss)和现有高压直流电缆的绝缘层(记pure xlpe)中取样，得到厚度为0.2-0.3mm、直径为5cm的样品，采用直径为25mm的圆柱电极系统在室温下(25℃)对上述两种样品进行直流击穿强度测试，测试结果如图8所示：
52.由图8可知，现有高压直流电缆的绝缘层的击穿强度约为306.30kv/mm，氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构的击穿强度约为407.38kv/mm，相比于现有高压直流电缆的绝缘层，本实施例氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构的击穿强度提高了大约33％，也就是说，电气绝缘性能明显增强，掺杂导热粒子提升了电气绝缘性能。
53.综上所述，相比于现有技术，本实施例的绝缘结构可提高电气绝缘性能，电气绝缘性能好。
54.此外，分别取本实施例中的氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构的样品(记0.5wt％bnnss)和现有高压直流电缆的绝缘层的样品(记pure xlpe)，两种样品的厚度均为0.2-0.3mm，在相同条件下进行导热系数测试(测试温度为20℃、50℃、70℃、90℃)，测试结果如图9所示；
55.由图9可知，氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构和现有高压直流电缆的绝缘层两者的导热系数都随温度升高而增大，且在相同温度条件下，氮化硼纳米片含量为0.5wt％的绝缘结构的导热系数比现有高压直流电缆的绝缘层的导热系数大(大约提高14.6％)，也就是说，本实施例中的含有氮化硼纳米片的绝缘结构的导热性更好，采用这种绝缘结构作为高压直流电缆的绝缘层时，绝缘层的的内、外层间的温差会变小，从而可降低解决绝缘层内、外层间温度梯度高的问题，进而可以削弱绝缘层内电场反转问题和提高高压直流电缆的工作温度。
56.本实施例的绝缘结构，特别适合用于高压直流电缆等设备中作为绝缘层，通过采用分层设计，且各层环形结构采用的原料中的交联剂的含量由内层向外层逐渐增加，不仅可以降低绝缘结构中各层环形结构的交联度的差异，使各层环形结构从内到外具有均一的交联度，还可以降低绝缘结构中各层环形结构中的交联副产物残余量的差异，使各层环形结构中的交联副产物的残余量一致，从而使绝缘结构中各层环形结构的绝缘性能一致(即绝缘性能均一)，从而提高电气绝缘性能，并且，通过引入导热粒子，可以提高导热性能，减小高压直流电缆的绝缘层的内外温差，从而可以削弱绝缘层内电场反转问题和提高高压直
流电缆的工作温度。
57.实施例2
58.本实施例公开一种高压直流电缆，包括导体1和保护层，保护层包括绝缘层2，绝缘层2设于导体1外，且绝缘层2采用实施例1中所述的绝缘结构。
59.具体来说，如图1所示，本实施例高压直流电缆的绝缘层2优选包括三层环形结构，由内到外依次为内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23，内层绝缘层21包裹在导体1外，通过在内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23中使用不同含量的交联剂，使得内层绝缘层21、中层绝缘层22、以及外层绝缘层23三者具有基本相同的交联度和交联副产物残余量，有效解决高压直流电缆的绝缘层绝缘性能不均一的问题，从而可提高高压直流电缆的电气绝缘性能。并且，通过在绝缘层中引入导热粒子，使提高绝缘层导热性能，可降低绝缘层内、外层间的温度梯度，削弱绝缘层内电场反转问题和提高高压直流电缆的工作温度，从而确保高压直流电缆的安全、稳定运行。
60.在一些实施方式中，保护层还包括内半导电屏蔽层3和外半导电屏蔽层4，其中：内半导电屏蔽层3设于导体1与绝缘层2中的内层绝缘层21之间；外半导电屏蔽层4包裹在绝缘层2中的外层绝缘层23外。
61.在一些实施方式中，保护层还包括半导电缓冲层5、金属护层6、以及外护套7，其中：半导电缓冲层5包裹在外半导电屏蔽层4外；金属护层6包裹在半导电缓冲层5外；外护套7包裹在金属护层6外。
62.本实施例的高压直流电缆，由于采用了实施例1所述的绝缘结构作为绝缘层，因此，不仅可提高高压直流电缆的电气绝缘性能，还可以降低高压直流电缆中绝缘层的内外温差，削弱绝缘层内电场反转问题，提高高压直流电缆的工作温度。
63.可以理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，然而本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。