納米Al2O3對中壓變頻電機聚乙烯電纜介電性能的影響

常文平 馬發展 郭貝貝 張嘉旗

【摘 要】10 kV變頻電機在運行中，高頻脈沖信號容易導致絕緣下降而引發故障。針對這一問題，采用共混法制備不同顆粒大小和不同摻雜濃度的納米Al2O3材料，對其介電性能進行測試，結果表明：當納米Al2O3粒子添加量為1%時，在20 nm、50 nm、100 nm 3種Al2O3復合材料中，50 nm的Al2O3復合材料的介質損耗因數最小。這說明添加合適顆粒的1%的Al2O3納米復合材料，有助于減少空間電荷的集聚和提高變頻電機聚乙烯電纜的介電特性。

【關鍵詞】納米Al2O3;空間電荷;介質損耗

【中圖分類號】TM215.92 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0047-03

0 引言

我國是能源消耗大國，其中電機消耗了約70%的電能，為了提高電機的效率，變頻調速技術實現了更多且更全面的應用，其中高壓變頻器驅動電機以調速范圍寬、啟動電流小、節約能耗顯著等優點得到廣泛應用[1-2]。但是，變頻器常因IGBT模塊內部發生局部放電而導致故障[3]，其中包括損害連接電機的電纜，河南心連心化肥有限公司因多次發生此類故障而嚴重影響生產安全。

根據電介質的碰撞理論，在強電場作用下，固體中的電子會在運動時與晶格發生碰撞，隨著電子的動能不斷增大，碰撞電離產生更多的自由電子，電阻率下降。由于納米顆粒具有庫侖阻塞效應，能夠構造能壘限制電荷的傳輸，相應電阻率得到提高，因此能夠提高絕緣材料的擊穿強度。納米材料的特性為中壓變頻電纜絕緣的制備和研發提供了新方法。

本文采用納米Al2O3為改性粒子加XLPE，制備了不同組分的納米復合材料，通過與電纜主絕緣XLPE電導率的良好配合，促進中壓變頻電纜內電場的均勻分布和對空間電荷的抑制，提高中壓變頻電纜運行的可靠性。

1 實驗材料及方法

1.1 原始材料

實驗原料：密度為0.922 g/cm3的低密度聚乙烯（LDPE），潔凈度為64%，熔體流動速率為2.3 g/10 min，制備條件為190 ℃/2.16 kg，北京石化燕山石化公司生產;乙烯基三（β-甲氧基）乙氧基硅烷偶聯劑改性氧化鋁為20～100 nm，中國科學院過程研究所生產;無水甲醇，西隴科學化工有限公司生產。

1.2 Al2O3/LDPE納米復合材料的制備

將含量分別為0.1%、0.2%、0.5%和1%的不同顆粒大小的納米Al2O3材料和經60 ℃烘干處理過的LDPE材料，經過密煉機在120 ℃熔融共混下制備為均勻分布的Al2O3/LDPE納米復合材料，利用平板硫化機在130 ℃、10 MPa壓力下熱壓成一定厚度的面積為15 cm×15 cm的試樣，經80 ℃真空去應力24 h制備得到試樣材料。

1.3 測試

熱重測試：DSC測試所用儀器為瑞士梅特勒-托利多（METTLER TOLEDO）公司生產的DSC3型差示掃描量熱儀。測試坩堝為25 μL，測試溫度范圍為25～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

介質損耗測試：采用馬來西亞KEYSIGHT公司生產的阻抗分析儀，型號為E4990，用于測量1%含量不同顆粒納米材料的介質損耗隨溫度變化的規律。

2 結果與討論

2.1 熱分解

不同含量的Al2O3納米低密度聚乙烯的DSC曲線如圖1至圖4所示，由圖1至圖4可知，在測試溫度范圍內，DSC曲線出現2個不明顯的峰，其中低溫峰為熔融吸熱峰，高溫峰為分解放熱峰，4種不同添加含量的低密度聚乙烯波形十分接近，說明添加不同含量的納米材料不會影響樣品的分解溫度，可以保障電纜的發熱安全運行。

2.2 介質損耗測試

黃興溢等人[5]證明1% Al2O3納米顆粒可提高線性低密度聚乙烯材料的擊穿強度，所以本文只對1%的不同Al2O3顆粒材料做介質損耗測試。圖5至圖7是不同頻率下的1%含量不同Al2O3顆粒tanφ隨溫度變化的曲線，可以看出，tanφ隨著頻率的增加而增大，并且tanφ隨著溫度升高呈現先減小再增加后又減小的趨勢。圖8至圖9是不同顆粒下的1%含量Al2O3隨溫度的變化曲線，可以看出，tanφ隨顆粒的變化而變化，并且tanφ隨著顆粒的增大呈現先減小后增大的趨勢。說明隨著Al2O3納米顆粒的混入，引入的陷阱吸附了原始材料LDPE中的部分游離電荷，從而減少了自由電荷的數量，但對不同Al2O3納米顆粒的影響是不同的，顆粒過小或過大都將影響陷阱的吸附能力。

3 結論

本文的所有測試是在河南省線纜結構與材料重點實驗室張營堂教授和張靜老師的支持和幫助下完成的，研究了不同含量和不同顆粒大小下Al2O3納米材料對LDPE電氣性能的影響，為中壓變頻電纜絕緣材料的研究與應用提供了參考。主要結論如下。

（1）復合材料適當添加不同密度的納米材料不會影響樣品的分解溫度，可以保障電纜的發熱安全運行。

（2）1% Al2O3/LDPE納米復合材料的介質損耗在常溫下隨著頻率的增加而增加，說明為了電纜的安全運行，需要限制變頻器的高頻信號輸出。

（3）1% Al2O3/LDPE納米復合材料在20 nm時，介質損耗最低，說明納米顆粒既不能過小，也不能過大。

參 考 文 獻

[1]丘東梅，何旭智，韋高敏.高壓變頻器特性及其應用[J].電氣技術與經濟，2021（1）：46-48.

[2]劉旭辰，張文忠，惠婉玉.淺談某熱源廠項目高壓變頻器的節能應用[J].電氣傳動自動化，2020（5）：13-15.

[3]王彥文，馮琛，陳鵬，等.礦用高壓變頻器中IGBT模塊在階躍脈沖下局部放電特性[J].礦業科學學報，2020

（5）：536-545.

[4]董躍周.新型絕緣納米電介質材料的工程應用綜述[J].科技與企業，2015（9）：229.

[5]Huang X Y，Li F，Jiang P K.Effect of nanoparticle surface treatment on morphology，electrical and water treeing behavior of LLDPE composites[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（6）：1697-1704.