没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
聚丙烯高压直流电缆绝缘研究进展与展望.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 179 浏览量
2022-12-15
14:24:39
上传
评论
收藏 795KB DOCX 举报
温馨提示
试读
17页
聚丙烯高压直流电缆绝缘研究进展与展望.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
1 引言
高压直流(High voltage direct current,HVDC)输电是高电压、大容量、远
距离输电和区域电网互联的重要手段,在当今和未来的全球能源互联网中发挥
至关重要的作用
[1,2]
。高压直流挤包绝缘电缆具有输送容量大、损耗低、重量轻、
敷设与维护方便等优势,自 1999 年首次在欧洲投入商业运行以来迎来指数式
快速发展。目前,全球已投运高压直流塑料电缆输电工程 20 余项,总长度超 3
000 km,在海上风 电并网 、海岛 供电、 同/异步电网互联等方面发挥关键作用。
交联聚乙 烯 (Cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘 是 目 前 高 压 直流挤包 电 缆
的主要绝缘材料,自 20 世纪 80 年代初开始逐渐成为高压电缆的重要研究与应
用方向。目前,基于 XLPE 绝缘的±525 kV 高压直流电缆已成功研制,在张北柔
直工程中完成敷设并即将投入运行。
随着 XLPE 绝缘高压直流电缆敷设里程与使用年限的不断增加,XLPE 直流
电缆绝缘的诸多问题日益突显
[3,4,5]
:① XLPE 作为热固性材料,在电缆退役后难
以回收利用,传统的焚烧、掩埋等手段将造成极大的环境污染;② XLPE 电缆绝
缘制 造过程中 ,过氧化二异 丙苯(Dicumyl peroxide,DCP)等交联剂 将产生极 性
小分子副产物,导致绝缘性能下降,目前只能依赖长时间脱气处理降低其含量;③
大长度高压直流海底电缆成为目前的重要发展方向,XLPE 绝缘长时间连续挤
出过程中极易发生 焦烧反应,焦烧产 物阻塞滤网,同时在绝缘中引 入杂质,导致
高压直流电缆绝缘性能大幅下降,此外挤出与交联生产工艺复杂、能耗大。因
此,开发高压直流电缆用热塑性、免交联绝缘材料替代现有 XLPE 绝缘,成为电
缆绝缘领域的国际热点问题。
聚丙烯(Polypropylene,PP)基热塑性绝缘材料具有无需交联、不引入交联
副产物、可熔融再利用等优点,并具有媲美交联聚乙烯的优异绝缘和耐热性能,
是公认可替代交联聚乙烯的环保型电缆绝缘重要发展方向
[6,7]
。2003 年,日本三
菱电线工业株式会社与大阪大学合作研发 22 kV 聚丙烯绝缘电缆并开展示范运
行
[8]
;2015—2016 年,意大利普睿司曼先后成功研制±320 kV、±525 kV 和±600
kV 聚丙烯高压直流电缆并通过出厂试验
[7]
。目前,高压直流电缆用聚丙烯绝缘
专利与技术被普睿司曼、北欧化工、日本三菱等国外企业垄断。开发高压直流
电缆用高性能聚丙烯绝缘,对我国热塑性绝缘电缆的大规模应用和直流输电领
域的发展具有重大意义。
聚丙烯绝缘存在电气和力学性能难以协同提升的矛盾,是制约国产高压直
流电缆聚丙烯绝缘的瓶颈问题。一方面,聚丙烯绝缘自身刚性大、韧性差、耐
低温冲击性能差,无法满足高压直流电缆绝缘力学性能要求。等规、间规聚丙
烯绝缘拉伸强度往往超过 30 MPa
[9,10]
,而交联聚乙烯绝缘拉伸强度大于等于 17
MPa。目前,针对热塑性电缆的改性方法主要分为化学改性和物理改性。化学
改性主要是通过改变聚合物分子链结构达到改性的目的,方法包括接枝改性、
共聚改性等。物理改性是通过加入添加物改善聚合物材料的性能或赋予材料新
的性能,其方法包括共混改性、纳米改性及改变晶型等。采用共混、共聚改性
等手段虽然能够改善聚丙烯绝缘的力学性能,但也将导致其电气性能的下降
[11]
。
研究表明,质量分数为 20%~40%的 POE、EPDM 等弹性体共混改性可将等规
聚丙烯拉伸强度降低至 20~28 MPa,但直流击穿场强下降 5%~15%,同时加剧
同极性空间电荷的注入
[11,12]
;与等规聚丙烯相比,乙烯-丙烯嵌段共聚物冲击强度
可提高近 20 倍,但直流击穿场强下降约 20%~30%
[13,14]
。如表 1 所示,为解决共
混、共聚绝缘电气性能下降的问题,已有研究通过无机纳米添加
[15,16,17]
和有机小
分子复配
[18,19]
等手段提高其电导率、空间电荷和击穿性能,但在电缆绝缘批量制
备中仍存在添加剂分散性较差、小分子易析出等问题。此外,高压直流电缆绝
缘层主要承受直流电压,其电场分布与体积电阻率呈正比,而聚合物材料电阻率
对温度变化相当明显,通常电阻率随温度增加成指数减小,且直流电导也存在电
场依赖性,因此直流电缆在工作时可能会出现电场反转现象,进而加剧电缆绝缘
的破坏
[17,18]
。综上所述,聚丙烯绝缘电气和力学性能难以协同调控与提升,采用
过度绝缘裕度方法无法从根本上提升绝缘安全可靠性。亟待探索聚丙烯绝缘电
气和力学性能协同调控与提升方法,突破高压直流电缆用聚丙烯绝缘关键技术。
表 1 不同改性方法对宏观性能的影响
电气性能
力学性能
改性方法
空间电荷
直流
电导率
击穿强度
断裂
伸长率
拉伸
强度
弹性体共混
[11,12]
减少
降低
降低
提高
降低
嵌段共聚
[13,14]
减少
提高
降低
提高
降低
无机纳米添加
[15,16,17]
减少
降低
提高
降低
提高
电气性能
力学性能
改性方法
空间电荷
直流
电导率
击穿强度
断裂
伸长率
拉伸
强度
有机小分子复配
[18,19]
减少
降低
提高
无显著影响
无显著影响
新窗口打开| 下载 CSV
聚丙烯绝缘为半晶聚合物,具有由分子链有序折叠形成片晶、片晶生长排
列形成球晶、球晶堆叠形成聚集体的多层次聚集态结构,其聚集态结构是影响
其宏观电气和力学性能的关键因素。结晶区由独立存在的片晶或由片晶呈放射
状构成的球晶组成,球晶中片晶之间也是无定形区域,由连接链、缠结链、短聚
合物链或支链组成
[20]
。聚丙烯绝缘聚集态结构是影响其宏观电气和力学性能的
关键因素。目前,聚丙烯绝缘聚集态结构调控的主要方法包括共混与共聚、添
加成核剂及结晶温度调控等。
本文介绍了聚丙烯绝缘聚集态结构及其表征方法,综述了共混与共聚、成
核剂添加、结晶温度控制三种调控手段在调控聚丙烯聚集态结构及宏观性能方
面的研究进展,论述了不同调控方法对高压直流电缆聚丙烯绝缘电气与力学性
能的作用机理,为聚丙烯电缆绝缘性能提升提供指导。
2 聚丙烯聚集态结构及表征方法
聚丙烯绝缘材料具有 α、β 和 γ 多种晶型,不同晶型对于聚丙烯的宏观性能
有不同的影响
[21,22]
。由于 γ 晶型为亚稳定晶型,形成条件困难且在热力学上稳定
性差,故鲜有针对 γ 晶型在聚丙烯电缆绝缘的应用研究。目前对于聚丙烯电缆
绝缘晶型研究主要集中于 α 和 β 晶型。
α 晶型在热力学上最为稳定,因此在等规聚丙烯中最为常见,在一般加工条
件下获得的等规聚丙烯均为 α 晶型,如图 1a 所示。从微观结构来看,α 晶体体是
由以晶核为中心沿径向方向向四周放射性生长的晶片及其表面附生的切向晶
片组成,附生晶片还会继续引发子晶片,最终形成经纬交织的蛛网状结构。这种
切向晶片对径向晶片的连锁效应使塑性变形变得困难,所以 α 晶型聚丙烯具有
较高的模量和强度,但是冲击韧性较差
[21]
。β 晶体在热力学上是亚稳态的晶型,
具有较低密度的晶胞结构,因而其有序性低于致密排列的 α 晶型。与 α 球晶生
长过程不同,β 球晶是以晶核为中心,晶片平行成束生长,晶片生长过程中不断弯
剩余16页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3658
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功