母料制備環(huán)境潔凈度對(duì)高壓直流電纜絕緣材料性能的影響

高 凱，曾 浩，王傳博，李 棟，馬一力，朱智恩，楊黎明，周茂鳳，龔 圓

（南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 211106）

0 引言

隨著電力輸送容量需求不斷提高，遠(yuǎn)海新能源工程以及跨海、國際聯(lián)網(wǎng)工程日益增加，±320 kV及以上直流輸電應(yīng)用越來越廣泛[1]。直流輸電線路中直流電纜主要采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）材料作為絕緣。交聯(lián)聚乙烯在直流電場下存在空間電荷積聚問題，添加納米材料是目前抑制直流電纜絕緣材料空間電荷的主要工藝路線之一。但目前國內(nèi)高壓交直流電纜絕緣料生產(chǎn)線很難實(shí)現(xiàn)納米材料直接添加，因此需要增加制備直流電纜絕緣母料的工序。

對(duì)于高壓、超高壓電纜絕緣料來說，雜質(zhì)是影響絕緣料性能的關(guān)鍵因素之一。絕緣材料中的雜質(zhì)一般分為物理雜質(zhì)和化學(xué)雜質(zhì)，增加一道工序流程意味著物理雜質(zhì)引入的可能性提高。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)雜質(zhì)對(duì)絕緣材料體積電阻率和空間電荷特性等性能的影響進(jìn)行了研究，在低密度聚乙烯（LDPE）原料、絕緣料生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的物理、化學(xué)雜質(zhì)、缺陷及助劑對(duì)絕緣材料的體積電阻率、空間電荷積聚以及擊穿強(qiáng)度都有一定的影響[2-9]。絕緣油的工頻擊穿場強(qiáng)隨雜質(zhì)顆粒數(shù)量的增加而降低，且與雜質(zhì)顆粒數(shù)量對(duì)數(shù)呈近似線性關(guān)系；雜質(zhì)顆粒數(shù)量相同時(shí)，絕緣油的工頻擊穿電壓隨雜質(zhì)粒徑增大而降低。絕緣油的電導(dǎo)率隨銅雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加而線性增大，隨溫度升高呈指數(shù)增大[10]。但未見單獨(dú)針對(duì)制備環(huán)境對(duì)絕緣材料性能影響的研究報(bào)道。

空氣中含有大量的固體顆粒，分為非金屬粒子、重金屬粒子、有機(jī)微粒及微生物等，是空氣中來源最廣泛、成分最復(fù)雜的一大類污染物[11]，很難逐一分析不同成分對(duì)絕緣料性能的影響。因此可以在一般非超凈環(huán)境中和超凈無塵環(huán)境中進(jìn)行對(duì)比分析。

由于現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)在多種潔凈環(huán)境下分別進(jìn)行母料制備，本文僅采用非超凈環(huán)境制備的母料制備1#直流絕緣料（以下簡稱1#絕緣料）和采用百級(jí)超凈環(huán)境制備的母料制備2#超凈直流絕緣料（以下簡稱2#超凈絕緣料），研究母料制備環(huán)境潔凈度對(duì)直流電纜絕緣料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 絕緣料的制備

本實(shí)驗(yàn)采用的絕緣料基礎(chǔ)樹脂為揚(yáng)子-巴斯夫高壓電纜絕緣料專用超凈LDPE，密度為0.92 g/cm3,熔融指數(shù)（MI）為2 g/10 min；采用的空間電荷抑制劑為一種高比表面積無機(jī)納米材料，比表面積為100～150 m2/g；采用的助劑為進(jìn)口抗氧劑300，密度為1.1 g/cm3，灰分含量≤0.05%；采用的交聯(lián)劑為高橋石化DCP。

為獲得不同制備環(huán)境下的直流電纜絕緣母料，分別在不清潔環(huán)境且不啟動(dòng)百級(jí)潔凈系統(tǒng)條件下和按照無塵室標(biāo)準(zhǔn)要求徹底清潔環(huán)境并啟動(dòng)百級(jí)潔凈系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行不低于24 h后，采用失重稱分別將LDPE和助劑通過主喂料口加入雙螺桿擠出機(jī)，將空間電荷抑制劑通過側(cè)喂料機(jī)輸送至雙螺桿擠出機(jī)，母料制備流程圖如圖1所示。原材料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)一次完成原材料的混煉分散，通過熔體泵加壓，經(jīng)連續(xù)換網(wǎng)器300目多層濾網(wǎng)精密過濾后，通過水下切粒機(jī)在去離子超純水環(huán)境中切粒，在干燥機(jī)中干燥、篩選后直接將直流電纜絕緣母料儲(chǔ)存在儲(chǔ)料罐中。

分別將制備的兩種母料通過往復(fù)式單螺桿擠出機(jī)按照一定比例稀釋，經(jīng)500目濾網(wǎng)過濾、水下切粒后，采用后滲透法添加一定比例的交聯(lián)劑，制備成直流電纜絕緣料，直流電纜絕緣料制備流程圖如圖2所示。將采用非超凈環(huán)境制備的母料制備的1#直流絕緣料（簡稱1#絕緣料）和采用百級(jí)超凈環(huán)境制備的母料制備的2#超凈直流絕緣料（簡稱2#超凈絕緣料）在170℃的平板硫化機(jī)中加壓15 MPa，保溫保壓15 min，壓制出厚度分別為0.2、0.5、1.0 mm的試片。

圖1 直流電纜絕緣超凈母料制備流程圖Fig.1 Preparation process flow chart of super-clean DC cable insulation masterbatch

圖2 直流電纜絕緣料制備流程圖Fig.2 Preparation process flow chart of HVDC cable insulation material

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 潔凈度檢測（OCS）

按照J(rèn)B/T 10437—2004規(guī)定，采用德國OCS公司的高精度光學(xué)設(shè)備擠出流延制備厚度為0.1 mm的薄膜，通過光學(xué)系統(tǒng)，檢測1 kg樣品中雜質(zhì)與晶點(diǎn)的數(shù)量與大小[12]。

1.2.2 體積電阻率

按照GB/T 1410—2006規(guī)定測試體積電阻率，試片厚度為1.0 mm，每組5個(gè)試樣，試驗(yàn)溫度分別為20、50、70、90 ℃，試驗(yàn)場強(qiáng)為-20 kV/mm。為了改善金屬電極與試片的接觸，試片表面涂覆導(dǎo)電銀漆作為電極材料。

1.2.3 空間電荷

采用壓力波法（PWP法）測量絕緣材料的空間電荷密度[13-14]。絕緣料試樣兩面熱貼屏蔽材料，其中絕緣料直徑為170 mm，厚度為1 mm，屏蔽層直徑為50 mm，厚度為0.5 mm。測試溫度為40℃，測試時(shí)需先將試樣預(yù)熱2 h，然后對(duì)試樣施加-40 kV的直流電壓（平均場強(qiáng)為40 kV/mm），保持60 min，記錄60 min內(nèi)的空間電荷分布波形。

通過場增強(qiáng)因子（field enhancement factor，F(xiàn)EF）[15-16]表征空間電荷注入情況，如式（1）所示。

式（1）中：U為測試電壓40 kV；Ucal為校對(duì)電壓5 kV；vpeak為施加40 kV高壓時(shí)的地電極信號(hào)電壓，mV；vpeak,cal為無空間電荷注入時(shí)低電壓Ucal（kV）下的校準(zhǔn)地電極信號(hào)電壓，mV。

1.2.4 不同溫度的直流擊穿強(qiáng)度

按照GB/T 1408—2006規(guī)定測試直流擊穿電壓，試片厚度為0.25 mm，每組10個(gè)試片，試片先在70℃下恒溫脫氣24 h，然后在試驗(yàn)溫度下預(yù)熱10 min，周圍媒介為絕緣油，電極為球形電極，試驗(yàn)溫度分別為20、50、70、90℃。采用快速升壓方式，升壓速度為5 kV/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 潔凈度

表1為直流電纜絕緣料潔凈度檢測結(jié)果。

表1 直流電纜絕緣料晶點(diǎn)含量 （單位：PCs/kg）Tab.1 Spots content of DC cable insulation material

經(jīng)人工目視以及顯微鏡二次確認(rèn)，1#絕緣料和2#超凈絕緣料均無黑色雜質(zhì)，雜質(zhì)檢測結(jié)果均為晶點(diǎn)。從表1可以看出，1#絕緣料試樣的晶點(diǎn)含量為48 PCs/kg，2#超凈絕緣料試樣的晶點(diǎn)含量為34 PCs/kg，1#試樣晶點(diǎn)含量較2#試樣多41%。即使母料和絕緣料分別通過300目和500目濾網(wǎng)，母料制備環(huán)境潔凈度仍對(duì)直流電纜絕緣料潔凈度有較大影響。

2.2 不同溫度的體積電阻率

1#絕緣料和2#超凈絕緣料試樣分別在20、50、70、90℃下的體積電阻率如圖3所示。從圖3可以看出，2#超凈絕緣料在20℃和50℃的體積電阻率均為1013Ω·m數(shù)量級(jí)，而1#絕緣料在20℃和50℃的體積電阻率均為1012Ω·m數(shù)量級(jí)；2#超凈絕緣料70℃下的體積電阻率為1012Ω·m數(shù)量級(jí)，而1#絕緣料70℃下的體積電阻率為1011Ω·m數(shù)量級(jí)；2#超凈絕緣料90℃下的體積電阻率為1011Ω·m數(shù)量級(jí)，而1#絕緣料90℃下的體積電阻率為1010Ω·m數(shù)量級(jí)。

圖3 絕緣料不同溫度下的體積電阻率Fig.3 Volume resistivity of DC insulation materials at different temperatures

絕緣材料中的電子、空穴和離子直接影響著其體積電阻率。離子載流子分為來源于聚合物長分子鏈或支鏈斷裂的本征電離載流子和來源于助劑和生產(chǎn)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)引入的雜質(zhì)電離載流子。

離子晶體電導(dǎo)率（σ）存在式（2）所示關(guān)系。

式（2）～（4）中：T為熱力學(xué)溫度，K；N為離子濃度；υ0為相鄰半穩(wěn)定位置間的位移，cm；q為電荷數(shù)，C；δ為間隙離子的振動(dòng)頻率，s-1；kB為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10?23m2kg·s?2K?1；φ為活化能，eV。

由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子與空穴，因此在相同的電場下，離子遷移速度遠(yuǎn)小于電子與空穴[19-20]。在分析絕緣材料在高電場下的直流體積電阻率時(shí)，往往不考慮離子遷移對(duì)絕緣材料體積電阻率的影響。然而不同溫度下百級(jí)潔凈度環(huán)境中制備的2#超凈絕緣料的體積電阻率較非潔凈環(huán)境中制備的1#絕緣料整體高一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明實(shí)際條件下，母料制備環(huán)境潔凈度對(duì)最終直流電纜絕緣料的體積電阻率有較大影響。

2.3 空間電荷

空間電荷在絕緣材料中的積聚以及由此引起的電場畸變直接影響著直流電纜的使用壽命。圖4為1#絕緣料和2#超凈絕緣料試樣配合博祿超高壓直流屏蔽材料LS0550DCE，在40℃下對(duì)試樣施加-40 kV直流電壓，加壓60 min時(shí)的空間電荷分布波形。

圖4 絕緣料空間電荷密度分布圖Fig.4 Space charge density distribution in DC insulation materials

從圖4可以看出，1#絕緣料試樣配合超高壓直流電纜屏蔽材料LS0550DCE施加-40 kV/mm電場60 min后，試樣電極附近形成較高的異極性空間電荷密度峰，峰值約為28 C/m3，經(jīng)計(jì)算其場增強(qiáng)因子FEF為1.36。

2#超凈絕緣料試樣配合超高壓直流電纜屏蔽料LS0550DCE施加-40 kV/mm電場60 min后，試樣電極附近形成較低的異極性空間電荷密度峰，峰值約為22 C/m3，經(jīng)計(jì)算其場增強(qiáng)因子FEF為1.17。

通過上述兩種絕緣材料試樣空間電荷密度分布圖與場增強(qiáng)因子分析可知，1#絕緣料試樣中異極性空間電荷較多，空間電荷密度為2#超凈絕緣料試樣的1.27倍。

一般來說，異性電荷來源于樣品內(nèi)的極性分子或雜質(zhì)的極化或電離[19]。通過對(duì)比1#絕緣料和2#超凈絕緣料空間電荷測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于母料制備環(huán)境導(dǎo)致絕緣料中雜質(zhì)含量不同，引起空間電荷密度和FEF數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯差異。

2.4 不同溫度下的直流擊穿性能

考慮絕緣材料擊穿為弱點(diǎn)擊穿，而且擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果有一定的離散性，采用Weibull分布理論確定直流擊穿特征值。絕緣材料在電場E下發(fā)生擊穿的概率[21-22]為式（5）。

式（5）中：E為隨機(jī)變量，E=U/d，其中U為絕緣材料的耐受電壓(kV)，d為絕緣料試樣厚度(mm)；P(E)為累積擊穿概率；E0為特征擊穿強(qiáng)度，表示累計(jì)擊穿概率為63.2%時(shí)擊穿強(qiáng)度的大??；β為形狀參數(shù)，表征擊穿電壓分散度。

絕緣材料試樣累積擊穿概率隨電場強(qiáng)度增大而提高，不同溫度下絕緣材料試樣擊穿概率為63.2%的威布爾分布特征值如圖5所示。

圖5 直流絕緣料不同溫度下的直流擊穿強(qiáng)度Fig.5 DC breakdown field strength of DC insulation materials at different temperatures

從圖5可以看出，2#超凈絕緣料20℃下的直流擊穿強(qiáng)度（381 kV/mm）較1#絕緣料（321 kV/mm）高18.82%，2#超凈絕緣料50、70、90 ℃下的直流擊穿強(qiáng)度較1#絕緣料分別高33.70%、23.67%、25.29%。

通過對(duì)比1#絕緣料和2#超凈絕緣料直流擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于母料制備環(huán)境導(dǎo)致的潔凈度差異，兩種絕緣料的直流擊穿場強(qiáng)出現(xiàn)明顯差異。雜質(zhì)電離產(chǎn)生的異性電荷提高了電極/絕緣界面的電場強(qiáng)度，對(duì)絕緣材料擊穿強(qiáng)度具有較大的影響。

3 結(jié)論

采用非超凈環(huán)境制備的母料制備的非超凈直流絕緣料較采用百級(jí)超凈環(huán)境制備的母料制備的超凈直流絕緣料雜質(zhì)多41%，空間電荷密度高27%；超凈直流絕緣料在20、50、70、90℃下的體積電阻率整體較非超凈直流絕緣料高一個(gè)數(shù)量級(jí)，直流擊穿場強(qiáng)高20%～30%；直流電纜絕緣母料制備環(huán)境的潔凈度直接影響著直流電纜絕緣料的潔凈度，并對(duì)直流電纜絕緣料的空間電荷、不同溫度下的體積電阻率和直流擊穿強(qiáng)度有較大的負(fù)面影響。