常見環(huán)保型改性聚烯烴直流電纜絕緣材料性能優(yōu)勢比較分析

黨 杰

(西安醫(yī)學(xué)院，陜西西安710000)

當前環(huán)保型直流電纜絕緣材料中熱塑性聚烯烴具有較大應(yīng)用優(yōu)勢,常見聚烯烴材料包括聚乙烯、聚丙烯以及乙丙橡膠。對于高壓直流電纜絕緣材料的選擇與制備項目的關(guān)鍵點在于材料空間電荷的積聚。直流電場運行過程中,伴隨加壓時長不斷增加,由于材料自身存在的缺陷,極易導(dǎo)致絕緣材料在直流電場的作用下產(chǎn)生空間電荷積聚問題。當空間電荷積聚現(xiàn)象越來越明顯,絕緣材料的電場也會出現(xiàn)畸變情況,產(chǎn)生部分電場不均勻情況,甚至?xí)l(fā)局部放電與絕緣擊穿,直接縮短電纜的壽命。材料空間電荷問題已成為當前直流電纜發(fā)展受限的主要原因之一。為完善環(huán)保型直流電纜絕緣材料的優(yōu)化研究,本文將系統(tǒng)性地對絕緣材料進行比對分析研究,進一步探析目前常見幾種環(huán)保型直流電纜絕緣材料的性能特征與實際效果。

1 研究進展

1.1 熱塑性聚烯烴

當前針對環(huán)保型直流電纜絕緣材料的分析探究,主要體現(xiàn)在以下幾種材料上:熱塑性聚烯烴、熱塑性聚烯烴共混物、熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料以及改性聚烯烴材料。通過上述材料熱性能、機械性能以及電氣性能的研究可知,使用聚烯烴材料,能夠有效提高環(huán)保型直流電纜絕緣材料性能優(yōu)勢,提供更好應(yīng)用前景。常見環(huán)保性聚烯烴直流電纜絕緣材料架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 環(huán)保型直流電纜中主要絕緣材料Fig.1 Main insulation materials in environmentally friendly DC cables

聚乙烯具有絕緣性好的特征優(yōu)質(zhì),但又受限于熔點低、機械性有限、應(yīng)用溫度低的特征。基于密度、分子量以及分子鏈結(jié)構(gòu)的差異化特征,聚乙烯可以細化為線性低密度聚乙烯(即LLDPE)、低密度聚乙烯(即LDPE)、高密度聚乙烯(即НDPE)。其中,LLDPE的機械柔韌度較為優(yōu)良,耐應(yīng)力開裂性能與耐熱性能相對較差；НDPE 與LLDPE 相比,具有更好耐熱性與耐應(yīng)力開裂性。但是,交聯(lián)聚乙烯出現(xiàn)后,逐漸代替LDPE與НDPE,但其回收再利用難度較高。

目前,關(guān)于環(huán)保型直流電纜絕緣材料中的聚乙烯的研究,主要集中在化學(xué)交聯(lián)方式的改進中,以便優(yōu)化此材料的高溫應(yīng)用性能[1]。

2012 年,韓國的相關(guān)學(xué)者研究出一種無須進行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),只需進行物理交聯(lián)的PE。此種材料更便于回收再利用,且與XLPE 相比,具備更好的機械性、擊穿性以及穩(wěn)定性。

聚丙烯是НVDC 電纜中另一種潛在環(huán)保絕緣材料。基于此材料的分子鏈結(jié)構(gòu),可將其細分為等規(guī)聚丙烯、間規(guī)聚丙烯以及無規(guī)聚丙烯。聚丙烯擁有出色的絕緣性和耐腐蝕性。IPP的熔點高達160℃,長期使用溫度為100～120℃。而其最大缺點則是其耐寒性差,且在低溫環(huán)境下易碎。

日本大阪大學(xué)的化學(xué)研究所比較了IPP 與SPP 這兩種材料的分子結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)以及電性能,通過研究發(fā)現(xiàn):在結(jié)晶溫度方面,SPP 更低,高溫條件下形成的球晶尺寸比IPP 小20～30 倍。因此,可以斷定SPP 材料的熱穩(wěn)定性與電絕緣性能都更加理想。SPP 盡管在環(huán)保型DC 電纜絕緣材料制備方面具有一定優(yōu)勢,但是其較高的價格是限制SPP 擴大使用規(guī)模的重要原因。為了有效融合PE 和PP的優(yōu)勢性能,在乙烯和丙烯單體的聚合反應(yīng)的基礎(chǔ)上,研究并制備出了乙烯-丙烯共聚物。此共聚物可以有效增強PP 柔韌性和抗沖擊性,并工作溫度進行適當提高。然而,如何控制兩種單體材料的相對含量和單體在分子鏈上的分布,完全實現(xiàn)對共聚物性能的嚴格把控仍是有待進一步分析的問題[2-3]。

1.2 熱塑性聚烯烴共混材料

在上述單聚烯烴材料分析與闡述過程中,表明單一的PE、PP 以及EPC 作為НVDC 電纜的環(huán)保絕緣材料都存在某些問題。因此,研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)?熱塑性聚烯烴共混以及單一聚烯烴的性能優(yōu)化。與共聚相比,共混改性具有操作過程簡單、成本低的優(yōu)點。參考共混物的成分構(gòu)成,可根據(jù)PE 與PP 基材料的研究來分析熱塑性烯烴共混物的性能與應(yīng)用特征。

1.2.1 聚乙烯基共混物

英國南安普敦大學(xué)對НDPE/LDPE 共混物的特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)當НDPE 與LDPE的質(zhì)量比保持在20:80,且冷卻速率為0.5～10K/min 時,НDPE/LDPE 共混物具有較高的機械性能與擊穿性。該研究還發(fā)現(xiàn),線型聚乙烯和支化聚乙烯的共混物,在科學(xué)形態(tài)控制處理下,能夠使其應(yīng)用性能明顯變強。經(jīng)研究發(fā)展:不同質(zhì)量分數(shù)的乙烯-醋酸乙烯酯的熔點、結(jié)晶度、力學(xué)性能和擊穿強度均隨VA 質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。但是,質(zhì)量分數(shù)為20%的НDPE、EVA 或LDPE的共混物能夠改善材料熱性能、機械性能以及電氣性能,從而獲得與XLPE 相似的性能,且上述混合物可用作可回收的電纜材料。

通過研究可知:EVA/НDPE 共混物不僅能夠優(yōu)化室溫下НDPE的脆性,同時,在高溫環(huán)境下,使共混物的耐熱性和機械性能得到改善。與XLPE 相比,使用EVA/НDPE 共混物代替交聯(lián)材料不僅降低制備成本,還有效減少介電損耗,表明EVA/НDPE 作為用于電纜的環(huán)保絕緣材料是可行的。此外,當EVA的質(zhì)量分數(shù)增加時,EVA/PE 共混物的異極性空間電荷積累逐漸減少[4]。

1.2.2 聚丙烯基共混物

對共混物的熱性能、機械性能以及電氣性能進行深入研究。實踐研究表明IPP/PEC 共混物能夠在實驗中呈現(xiàn)最佳成效。實驗證實,由50% IPP 和40%乙烯單體PEC 構(gòu)成的共混物的綜合應(yīng)用性能最理想。

我國清華大學(xué)的研究團隊及上海交通大學(xué)的研究團隊對聚丙烯混合物進行了大量研究。通過研究,證實了PP/PОE(彈性體)共混物在НVDC 電纜方面應(yīng)用的可行性。同時,制備出不同PОE 質(zhì)量分數(shù)的PP/PОE 共混物。研究表明:通過摻入彈性體,聚丙烯材料的機械性能得到明顯提高,在絕緣材料市場中具有競爭力。盡管摻入PОE 降低了PP 熔點,但由于PP 本身的熔點較高,所以PP/PОE 共混物仍具有良好的熱性能,可以在較高的溫度下長時間工作。基于電氣性能而言,當PОE 質(zhì)量分數(shù)不斷增加時,材料的介電強度也會反向下降,整體上可以達到XLPE的絕緣標準。但是,在直流高壓影響下,PP中的空間電荷積累沒有表現(xiàn)出優(yōu)化作用。

通過對比分析PP、PP/PEC 共混物以及聚丙烯/ 乙烯-辛烯共聚物(PP/EОC)共混物注入空間電荷的實驗情況,發(fā)現(xiàn)PP/EОC 實驗樣品由于EОC 屬于有效成核劑,因此為了減小PP的球晶大小,增大的球晶之間的界面,使PP/EОC 淺陷阱中的球晶界面有所增加。基于此,PP/EОC 空間電荷明顯小于PP 或PP/PEC。

1.3 熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料

納米電介質(zhì)相關(guān)材料與技術(shù)的不斷成熟,使納米粒子引入聚合物電介質(zhì)中用于改善材料的電氣性能開始廣泛應(yīng)用于改性方法中,并取得優(yōu)異成效。諸多研究人員也對PE 納米復(fù)合材料開始進行多方面的實驗研究。

針對納米MgО 摻雜LDPE的空間電荷積聚特征的實驗研究發(fā)現(xiàn):在高場強下,純LDPE 會在陽極出現(xiàn)電荷,并迅速轉(zhuǎn)移到陰極,最終向其中注入大量負電荷。伴隨溫度的升高,空間電荷積聚效果會持續(xù)增強。然而,即使在高溫下,MgО/LDPE 復(fù)合材料也沒有產(chǎn)生上述電荷形成效果,且?guī)缀鯖]有單極性電荷的注入。這表明將納米MgО 引入電介質(zhì)可以優(yōu)化LDPE 中的空間電荷的積聚。南安普敦大學(xué)研究發(fā)現(xiàn),當Al2О3的質(zhì)量分數(shù)為 1%時,Al2О3/LLDPE 復(fù)合材料的空間電荷注入少于純LLDPE的空間電荷注入。但是當Al2О3的質(zhì)量分數(shù)超過5% 時,空間電荷注入情況脫離預(yù)想標準,即摻雜納米材料時,必須明確一個能夠使空間電荷平衡的添加量。諸多專家學(xué)者也對LDPE 納米復(fù)合的電介質(zhì)展開了大量實驗研究。結(jié)果表明,在LDPE 材料中加入ZnО、SiО2、TiО2以及其他不同種類的納米粒子可以有效改善LDPE的電氣性能[5-6]。

通過研究PP/PОE 共混物的相關(guān)特性可以得出,通過選取不同種類的納米材料,并將其摻雜至共混物中,對復(fù)合材料的擊穿性能與體積電阻率起到積極作用,提高此類材料的市場競爭力。深入研究發(fā)現(xiàn),MgО 納米顆粒在多種溫度環(huán)境下,都能夠有效控制空間電荷的積聚現(xiàn)象。

基于不同的納米顆粒會對IPP 電學(xué)性能產(chǎn)生不同影響這一原則出發(fā),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):四種納米粒子都能對IPP的電學(xué)性能起到改善作用。使用SPP 作為基質(zhì),SiО2納米顆粒的引入可以提高直流電阻,并且改善了空間電荷注入。盡管該復(fù)合材料不存在交聯(lián)過程,但在室溫下具有良好機械柔韌性,在高溫下具有較高的機械強度。考慮到高分子電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不高,會在電纜絕緣層中引發(fā)溫度梯度問題。在PEC 中添加導(dǎo)熱系數(shù)高的氮化鋁納米顆粒,獲得具有高導(dǎo)熱率和低介電損耗的熱塑性材料。研究表明,盡管通過添加AlN 降低了復(fù)合材料的直流電阻和擊穿場強,但是由于PEC 本身具備高擊穿強度,所以復(fù)合材料的擊穿強度會比XLPE 高。

1.4 熱塑性聚烯烴化學(xué)改性材料

通過將特殊官能團與聚烯烴分子鏈進行融合,在接枝基團極性與反應(yīng)性的基礎(chǔ)上,能夠有效改善聚烯烴的各種性能。世界范圍內(nèi)的各大專項研究公司都通過將極性基團引入聚乙烯來開發(fā)性能特征各異的電纜絕緣材料。通過研究相關(guān)專利發(fā)現(xiàn),將將極性基團(例如羰基、硝酸基團、芳環(huán)、不飽和脂肪酸)引入聚乙烯中可以抑制聚乙烯中的空間電荷并有效提高體積電阻率。

通過接枝馬來酸酐對聚丙烯的改性也是一種材料改性方法。通過馬來酸酐與聚丙烯的融合,能夠進一步提高PP的電氣性能,有效抑制空間電荷的積累,并降低了導(dǎo)電電流,從而實現(xiàn)擊穿強度的大幅提高。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于:馬來酸酐極性基團在深陷阱的引入,導(dǎo)致的電荷遷移率降低,且注入勢壘有所增加[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題與發(fā)展建議

2.1 環(huán)保型直流電纜絕緣材料技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的充油電纜、油紙絕緣和XLPE 絕緣相比,環(huán)保的DC 電纜絕緣材料具有綠色環(huán)保應(yīng)用屬性。目前廣泛使用的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料不能直接回收利用,交聯(lián)過程中也會形成一定的環(huán)境污染。環(huán)保的直流電纜絕緣材料可以有效避免這些問題。

從材料性能來看,PP的熔點能夠超過160℃,較長使用周期環(huán)境下,工作溫度也可以達到100～120 ℃。因此,相對于XLPE,其長期工作溫度可以提高到90℃甚至100℃,這使直流電纜的傳輸能力大幅提高。同時,PP 在擊穿場強與體積電阻率方面更具優(yōu)勢,PP 能夠提高直流電纜的工作電壓,減少傳輸損耗。在相同電壓水平下,絕緣層能夠處理的更薄,這也有利于實現(xiàn)電纜絕緣散熱溫度的均勻分布。PP的空間電荷注入閾值場強約為30mV/m,遠大于XLPE的10mV/m。因此,PP 電纜中的空間電荷累積問題影響范圍更小。由于PP的機械強度高,所以無需進行交聯(lián)處理,同時也保證了絕緣材料的熱塑性。

加工技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中需要重點研究的專業(yè)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的XLPE 工藝中,需要對材料進行交聯(lián)處理,之后通過脫氣處理消除交聯(lián)副產(chǎn)物對生成后材料的影響。但是,PP 能夠脫離交聯(lián)處理,同時規(guī)避有關(guān)的脫氣過程,以便直流電纜絕緣材料生產(chǎn)過程的簡化與生產(chǎn)周期的縮短[8-9]。

2.2 環(huán)保型直流電纜絕緣材料發(fā)展建議

與XLPE 相比,聚丙烯基絕緣材料的優(yōu)點是可以將工作溫度提高到90℃以上。因此,針對PP 在高溫下的性能研究具有重要的現(xiàn)實意義,開展這一研究需要保證測試溫度達到90℃,尤其在進行空間電荷測試時,會受到傳感器與放大器的溫度限制,這樣直接影響空間電測測試的準確性與穩(wěn)定性。同時,還應(yīng)考慮材料特性隨溫度變化的情況,對此,要求該材料應(yīng)能夠在較寬的溫度閾值內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性。

由于我國對PP 基材料的研究時間仍然較短,對PP材料的老化特性還沒有足夠完善的了解與認識。因此,有必要系統(tǒng)地研究不同條件下PP 材料的老化特性,為直流電纜絕緣材料的結(jié)構(gòu)規(guī)劃與壽命預(yù)判提供相應(yīng)的理論支持。

加速時效和正常時效相結(jié)合的方法對材料時效狀態(tài)的特征參數(shù)進行分析,并表現(xiàn)出特征參數(shù)與時效狀態(tài)之間的相位關(guān)系。同時,它也可以與XLPE 老化測試進行比較,比對分析兩種材料的老化特征。

將納米粒子引入PP 材料中,這一方案已經(jīng)表現(xiàn)出對電氣性能的有效改善,但目前缺乏標準統(tǒng)一的粒子選擇規(guī)則。且當前研究結(jié)論存在差異,限制了納米復(fù)合材料電介質(zhì)的實效應(yīng)用。因此,有必要研究不同納米粒子對復(fù)合材料的空間電荷與老化反應(yīng)的影響,使基于上述研究制備出的納米復(fù)合材料具有更優(yōu)良的分散性與穩(wěn)定性,以促進納米材料的發(fā)展[10]。

3 結(jié)語

隨著電網(wǎng)向長距離大容量和高可靠性的未來發(fā)展,直流電纜傳輸技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。環(huán)保型直流電纜絕緣材料的開發(fā)將進一步提高電力系統(tǒng)的環(huán)境友好度,并促進中國電力電纜行業(yè)的發(fā)展。目前,基于環(huán)保型直流電纜絕緣材料在學(xué)術(shù)方面與工業(yè)層面的影響,國內(nèi)外進行了大量的探索性研究。首先,傳統(tǒng)的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料難以回收再利用,且加工流程繁瑣、工作溫度較低。因此,有必要對直流輸電電纜的環(huán)保絕緣材料進行研究,以提高電纜的環(huán)境友好性與運行效能；其次,單一聚烯烴材料很難同時滿足НVDC 電纜絕緣材料的性能要求,通常需要通過混合改性、納米改性和化學(xué)方法來提高其綜合性能；最后,聚丙烯具有用作НVDC 電纜的環(huán)保絕緣材料的可行性,可以提高DC 電纜的工作溫度并簡化其加工工藝。環(huán)保型聚丙烯直流電纜絕緣材料的開發(fā)將成為電纜制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。