[發明專利]高壓交流電纜交聯聚乙烯絕緣材料配方設計和優化方法

在審

• 申請號: 202211070878.3
• 申請日: 2022-09-02
• 公開（公告）號: CN116625427A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 侯帥;傅明利;黎小林;賈磊;樊靈孟;章彬;伍國興;朱聞博;徐曙;惠寶軍;展云鵬;馮賓;張逸凡;曹寧;李春陽
• 申請（專利權）人: 南方電網科學研究院有限責任公司;深圳供電局有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;C08L23/06;H01B3/44
• 代理公司: 北京智繪未來專利代理事務所(普通合伙) 11689
• 代理人: 趙卿

一種高壓交流電纜XLPE絕緣材料配方設計和優化的方法，包括以下步驟：步驟1：確定初始配方要素，包括基礎樹脂、抗氧劑、交聯劑的種類；步驟2：對純基礎樹脂熱壓成型制成的試樣進行測試，依次通過定性評價指標I，定量評價指標I；獲得優選基礎樹脂；步驟3：準備多組交聯劑/抗氧劑/基礎樹脂共混物，依次通過定性評價指標II，定量評價指標II；獲得優化交聯劑配方；步驟4：準備多組交聯劑/抗氧劑/基礎樹脂共混物，依次通過定性評價指標III，定量評價指標III；獲得優化抗氧劑配方；步驟5：電氣性能校驗，測試結果參數全部滿足要求時，該材料配方視為優化配方；否則返回對備選待測進行測試。本發明提高了高壓交流電纜絕緣材料普遍關注的關鍵性能。

技術領域

本發明屬于輸電技術領域，更具體屬于交聯聚乙烯電力電纜絕緣技術領域，涉及高壓交流電纜交聯聚乙烯絕緣材料配方設計和優化方法。

背景技術

對于城市供電來說，不宜采用高壓架空線，XLPE(Cross?linked?polyethylene，交聯聚乙烯)絕緣高壓電纜具有占地面積小、安全性高、不易受天氣影響等優點，因此，XLPE絕緣高壓交流電纜成為目前最重要的電能傳輸載體之一。高壓XLPE絕緣材料配方主要由LDPE(Low?Density?Polyethylene，低密度聚乙烯)基礎樹脂、交聯劑和抗氧劑構成。

35kV及以上電壓等級XLPE絕緣材料為保障優異的絕緣性能，通常采用過氧化物DCP(Dicumyl?Peroxide，過氧化二異丙苯)作為交聯劑，在熱的作用下引發并完成交聯反應。在基礎樹脂不變的前提下，交聯劑DCP含量對于高壓電纜XLPE絕緣材料的性能有顯著影響。若交聯劑含量過少，則無法滿足材料交聯生產效率，可能造成材料交聯度不足，進而對材料機械性能和長期耐溫性能產生負面影響。為了達到國際常用XLPE電纜絕緣材料的各項性能指標，國內XLPE電纜絕緣材料交聯過程中添加的過氧化物的量是國外的1-1.5倍，國產35kV?XLPE絕緣材料的DCP用量有時會高達2～2.2phr。而DCP添加量過高，亦會引起一系列問題，其一，將會導致材料過度交聯，機械性能下降；其二，交聯副產物如苯乙酮、枯基醇等的量增加，會對電纜絕緣層脫氣工藝提出更嚴苛要求，進而對電纜實際生產效率具有顯著影響，從而增加生產成本；其三，部分交聯副產物無法通過脫氣工藝排出或排盡，致使電纜絕緣材料中出現微孔，會顯著降低電纜絕緣層的綜合性能。因此，在保證XLPE電纜絕緣料優異性能的前提下，減少DCP的添加量是改進XLPE電纜絕緣料的重要途徑。

XLPE作為電纜的主要絕緣材料，其在生產和使用過程中均不可避免地工作于高溫環境中，因此極易在熱和氧的作用下發生老化，從而影響其電氣性能、機械性能和熱穩定性，并會降低電纜的使用壽命。抗氧劑作為聚合物材料常用的添加劑，其能延緩聚合物的氧化老化，是XLPE電纜絕緣材料必不可少的組分。不同的抗氧劑及其含量對XLPE電纜絕緣材料電氣、熱、機械性能的影響均不同，其耐熱氧老化能力亦有顯著差異。同時，由于抗氧劑主要作用機理是清除聚合物中的活性自由基，而XLPE的熱交聯反應必須在DCP引發的高活性自由基作用下才能完成，因此抗氧劑對于材料交聯反應行為也有顯著影響。

高壓交聯聚乙烯絕緣材料配方設計主要包括：確定LDPE基礎樹脂、設計防老化配方、設計交聯反應配方等三個大部分。以往為設計出高壓交聯聚乙烯絕緣材料的配方，通常需要對多種LDPE樹脂、多種抗氧劑、多種交聯劑在多個組分下開展全面實驗，對不同配方的材料性能做全面的對比和分析，之后得到合格的配方。如前文所述，交聯后的材料與交聯之前的LDPE基礎樹脂有顯著性能差異，同時，交聯劑和抗氧劑兩種重要的配方添加劑之間從原理上是相互影響的，顯然高壓交聯聚乙烯絕緣材料配方設計是一個復雜問題，對于復雜問題的解決，理論上可以采用正交試驗法，正交試驗法原理上具有試驗次數少、效果好、方法簡單、使用方便、效率高等諸多優點。然而，絕緣材料的性能評價存在交聯性能、機械性能、電氣性能、老化性能等多個方面，交聯劑、抗氧劑、大分子相互作用的機理復雜，采用正交試驗法很不精確，無法確定試驗規律，也并不能得到可靠的結果。