納米Al2O3對中壓變頻電機(jī)聚乙烯電纜介電性能的影響

常文平 馬發(fā)展 郭貝貝 張嘉旗

【摘 要】10 kV變頻電機(jī)在運(yùn)行中，高頻脈沖信號容易導(dǎo)致絕緣下降而引發(fā)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(jìn)行測試，結(jié)果表明：當(dāng)納米Al2O3粒子添加量為1%時，在20 nm、50 nm、100 nm 3種Al2O3復(fù)合材料中，50 nm的Al2O3復(fù)合材料的介質(zhì)損耗因數(shù)最小。這說明添加合適顆粒的1%的Al2O3納米復(fù)合材料，有助于減少空間電荷的集聚和提高變頻電機(jī)聚乙烯電纜的介電特性。

【關(guān)鍵詞】納米Al2O3;空間電荷;介質(zhì)損耗

【中圖分類號】TM215.92 【文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)消耗了約70%的電能，為了提高電機(jī)的效率，變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更多且更全面的應(yīng)用，其中高壓變頻器驅(qū)動電機(jī)以調(diào)速范圍寬、啟動電流小、節(jié)約能耗顯著等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是，變頻器常因IGBT模塊內(nèi)部發(fā)生局部放電而導(dǎo)致故障[3]，其中包括損害連接電機(jī)的電纜，河南心連心化肥有限公司因多次發(fā)生此類故障而嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。

根據(jù)電介質(zhì)的碰撞理論，在強(qiáng)電場作用下，固體中的電子會在運(yùn)動時與晶格發(fā)生碰撞，隨著電子的動能不斷增大，碰撞電離產(chǎn)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(yīng)，能夠構(gòu)造能壘限制電荷的傳輸，相應(yīng)電阻率得到提高，因此能夠提高絕緣材料的擊穿強(qiáng)度。納米材料的特性為中壓變頻電纜絕緣的制備和研發(fā)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(fù)合材料，通過與電纜主絕緣XLPE電導(dǎo)率的良好配合，促進(jìn)中壓變頻電纜內(nèi)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(yùn)行的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原始材料

實(shí)驗(yàn)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(chǎn);乙烯基三（β-甲氧基）乙氧基硅烷偶聯(lián)劑改性氧化鋁為20～100 nm，中國科學(xué)院過程研究所生產(chǎn);無水甲醇，西隴科學(xué)化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 Al2O3/LDPE納米復(fù)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(jīng)60 ℃烘干處理過的LDPE材料，經(jīng)過密煉機(jī)在120 ℃熔融共混下制備為均勻分布的Al2O3/LDPE納米復(fù)合材料，利用平板硫化機(jī)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(jīng)80 ℃真空去應(yīng)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(chǎn)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(zhì)損耗測試：采用馬來西亞KEYSIGHT公司生產(chǎn)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(zhì)損耗隨溫度變化的規(guī)律。

2 結(jié)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(nèi)，DSC曲線出現(xiàn)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(fā)熱安全運(yùn)行。

2.2 介質(zhì)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(qiáng)度，所以本文只對1%的不同Al2O3顆粒材料做介質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(jié)論

本文的所有測試是在河南省線纜結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用提供了參考。主要結(jié)論如下。

（1）復(fù)合材料適當(dāng)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(fā)熱安全運(yùn)行。

（2）1% Al2O3/LDPE納米復(fù)合材料的介質(zhì)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(yùn)行，需要限制變頻器的高頻信號輸出。

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

參 考 文 獻(xiàn)

[1]丘東梅，何旭智，韋高敏.高壓變頻器特性及其應(yīng)用[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，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(jié)能應(yīng)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(yè)科學(xué)學(xué)報，2020

（5）：536-545.

[4]董躍周.新型絕緣納米電介質(zhì)材料的工程應(yīng)用綜述[J].科技與企業(yè)，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.