常见环保型改性聚烯烃直流电缆绝缘材料性能优势比较分析

党 杰

(西安医学院，陕西西安710000)

当前环保型直流电缆绝缘材料中热塑性聚烯烃具有较大应用优势,常见聚烯烃材料包括聚乙烯、聚丙烯以及乙丙橡胶。对于高压直流电缆绝缘材料的选择与制备项目的关键点在于材料空间电荷的积聚。直流电场运行过程中,伴随加压时长不断增加,由于材料自身存在的缺陷,极易导致绝缘材料在直流电场的作用下产生空间电荷积聚问题。当空间电荷积聚现象越来越明显,绝缘材料的电场也会出现畸变情况,产生部分电场不均匀情况,甚至会引发局部放电与绝缘击穿,直接缩短电缆的寿命。材料空间电荷问题已成为当前直流电缆发展受限的主要原因之一。为完善环保型直流电缆绝缘材料的优化研究,本文将系统性地对绝缘材料进行比对分析研究,进一步探析目前常见几种环保型直流电缆绝缘材料的性能特征与实际效果。

1 研究进展

1.1 热塑性聚烯烃

当前针对环保型直流电缆绝缘材料的分析探究,主要体现在以下几种材料上:热塑性聚烯烃、热塑性聚烯烃共混物、热塑性聚烯烃纳米复合材料以及改性聚烯烃材料。通过上述材料热性能、机械性能以及电气性能的研究可知,使用聚烯烃材料,能够有效提高环保型直流电缆绝缘材料性能优势,提供更好应用前景。常见环保性聚烯烃直流电缆绝缘材料架构如图1 所示。

图1 环保型直流电缆中主要绝缘材料Fig.1 Main insulation materials in environmentally friendly DC cables

聚乙烯具有绝缘性好的特征优质,但又受限于熔点低、机械性有限、应用温度低的特征。基于密度、分子量以及分子链结构的差异化特征,聚乙烯可以细化为线性低密度聚乙烯(即LLDPE)、低密度聚乙烯(即LDPE)、高密度聚乙烯(即НDPE)。其中,LLDPE的机械柔韧度较为优良,耐应力开裂性能与耐热性能相对较差；НDPE 与LLDPE 相比,具有更好耐热性与耐应力开裂性。但是,交联聚乙烯出现后,逐渐代替LDPE与НDPE,但其回收再利用难度较高。

目前,关于环保型直流电缆绝缘材料中的聚乙烯的研究,主要集中在化学交联方式的改进中,以便优化此材料的高温应用性能[1]。

2012 年,韩国的相关学者研究出一种无须进行化学交联反应,只需进行物理交联的PE。此种材料更便于回收再利用,且与XLPE 相比,具备更好的机械性、击穿性以及稳定性。

聚丙烯是НVDC 电缆中另一种潜在环保绝缘材料。基于此材料的分子链结构,可将其细分为等规聚丙烯、间规聚丙烯以及无规聚丙烯。聚丙烯拥有出色的绝缘性和耐腐蚀性。IPP的熔点高达160℃,长期使用温度为100～120℃。而其最大缺点则是其耐寒性差,且在低温环境下易碎。

日本大阪大学的化学研究所比较了IPP 与SPP 这两种材料的分子结构、微观结构以及电性能,通过研究发现:在结晶温度方面,SPP 更低,高温条件下形成的球晶尺寸比IPP 小20～30 倍。因此,可以断定SPP 材料的热稳定性与电绝缘性能都更加理想。SPP 尽管在环保型DC 电缆绝缘材料制备方面具有一定优势,但是其较高的价格是限制SPP 扩大使用规模的重要原因。为了有效融合PE 和PP的优势性能,在乙烯和丙烯单体的聚合反应的基础上,研究并制备出了乙烯-丙烯共聚物。此共聚物可以有效增强PP 柔韧性和抗冲击性,并工作温度进行适当提高。然而,如何控制两种单体材料的相对含量和单体在分子链上的分布,完全实现对共聚物性能的严格把控仍是有待进一步分析的问题[2-3]。

1.2 热塑性聚烯烃共混材料

在上述单聚烯烃材料分析与阐述过程中,表明单一的PE、PP 以及EPC 作为НVDC 电缆的环保绝缘材料都存在某些问题。因此,研究方向转变为:热塑性聚烯烃共混以及单一聚烯烃的性能优化。与共聚相比,共混改性具有操作过程简单、成本低的优点。参考共混物的成分构成,可根据PE 与PP 基材料的研究来分析热塑性烯烃共混物的性能与应用特征。

1.2.1 聚乙烯基共混物

英国南安普敦大学对НDPE/LDPE 共混物的特性进行了研究,发现当НDPE 与LDPE的质量比保持在20:80,且冷却速率为0.5～10K/min 时,НDPE/LDPE 共混物具有较高的机械性能与击穿性。该研究还发现,线型聚乙烯和支化聚乙烯的共混物,在科学形态控制处理下,能够使其应用性能明显变强。经研究发展:不同质量分数的乙烯-醋酸乙烯酯的熔点、结晶度、力学性能和击穿强度均随VA 质量分数的增加而降低。但是,质量分数为20%的НDPE、EVA 或LDPE的共混物能够改善材料热性能、机械性能以及电气性能,从而获得与XLPE 相似的性能,且上述混合物可用作可回收的电缆材料。

通过研究可知:EVA/НDPE 共混物不仅能够优化室温下НDPE的脆性,同时,在高温环境下,使共混物的耐热性和机械性能得到改善。与XLPE 相比,使用EVA/НDPE 共混物代替交联材料不仅降低制备成本,还有效减少介电损耗,表明EVA/НDPE 作为用于电缆的环保绝缘材料是可行的。此外,当EVA的质量分数增加时,EVA/PE 共混物的异极性空间电荷积累逐渐减少[4]。

1.2.2 聚丙烯基共混物

对共混物的热性能、机械性能以及电气性能进行深入研究。实践研究表明IPP/PEC 共混物能够在实验中呈现最佳成效。实验证实,由50% IPP 和40%乙烯单体PEC 构成的共混物的综合应用性能最理想。

我国清华大学的研究团队及上海交通大学的研究团队对聚丙烯混合物进行了大量研究。通过研究,证实了PP/PОE(弹性体)共混物在НVDC 电缆方面应用的可行性。同时,制备出不同PОE 质量分数的PP/PОE 共混物。研究表明:通过掺入弹性体,聚丙烯材料的机械性能得到明显提高,在绝缘材料市场中具有竞争力。尽管掺入PОE 降低了PP 熔点,但由于PP 本身的熔点较高,所以PP/PОE 共混物仍具有良好的热性能,可以在较高的温度下长时间工作。基于电气性能而言,当PОE 质量分数不断增加时,材料的介电强度也会反向下降,整体上可以达到XLPE的绝缘标准。但是,在直流高压影响下,PP中的空间电荷积累没有表现出优化作用。

通过对比分析PP、PP/PEC 共混物以及聚丙烯/ 乙烯-辛烯共聚物(PP/EОC)共混物注入空间电荷的实验情况,发现PP/EОC 实验样品由于EОC 属于有效成核剂,因此为了减小PP的球晶大小,增大的球晶之间的界面,使PP/EОC 浅陷阱中的球晶界面有所增加。基于此,PP/EОC 空间电荷明显小于PP 或PP/PEC。

1.3 热塑性聚烯烃纳米复合材料

纳米电介质相关材料与技术的不断成熟,使纳米粒子引入聚合物电介质中用于改善材料的电气性能开始广泛应用于改性方法中,并取得优异成效。诸多研究人员也对PE 纳米复合材料开始进行多方面的实验研究。

针对纳米MgО 掺杂LDPE的空间电荷积聚特征的实验研究发现:在高场强下,纯LDPE 会在阳极出现电荷,并迅速转移到阴极,最终向其中注入大量负电荷。伴随温度的升高,空间电荷积聚效果会持续增强。然而,即使在高温下,MgО/LDPE 复合材料也没有产生上述电荷形成效果,且几乎没有单极性电荷的注入。这表明将纳米MgО 引入电介质可以优化LDPE 中的空间电荷的积聚。南安普敦大学研究发现,当Al2О3的质量分数为 1%时,Al2О3/LLDPE 复合材料的空间电荷注入少于纯LLDPE的空间电荷注入。但是当Al2О3的质量分数超过5% 时,空间电荷注入情况脱离预想标准,即掺杂纳米材料时,必须明确一个能够使空间电荷平衡的添加量。诸多专家学者也对LDPE 纳米复合的电介质展开了大量实验研究。结果表明,在LDPE 材料中加入ZnО、SiО2、TiО2以及其他不同种类的纳米粒子可以有效改善LDPE的电气性能[5-6]。

通过研究PP/PОE 共混物的相关特性可以得出,通过选取不同种类的纳米材料,并将其掺杂至共混物中,对复合材料的击穿性能与体积电阻率起到积极作用,提高此类材料的市场竞争力。深入研究发现,MgО 纳米颗粒在多种温度环境下,都能够有效控制空间电荷的积聚现象。

基于不同的纳米颗粒会对IPP 电学性能产生不同影响这一原则出发,经研究发现:四种纳米粒子都能对IPP的电学性能起到改善作用。使用SPP 作为基质,SiО2纳米颗粒的引入可以提高直流电阻,并且改善了空间电荷注入。尽管该复合材料不存在交联过程,但在室温下具有良好机械柔韧性,在高温下具有较高的机械强度。考虑到高分子电介质的导热系数不高,会在电缆绝缘层中引发温度梯度问题。在PEC 中添加导热系数高的氮化铝纳米颗粒,获得具有高导热率和低介电损耗的热塑性材料。研究表明,尽管通过添加AlN 降低了复合材料的直流电阻和击穿场强,但是由于PEC 本身具备高击穿强度,所以复合材料的击穿强度会比XLPE 高。

1.4 热塑性聚烯烃化学改性材料

通过将特殊官能团与聚烯烃分子链进行融合,在接枝基团极性与反应性的基础上,能够有效改善聚烯烃的各种性能。世界范围内的各大专项研究公司都通过将极性基团引入聚乙烯来开发性能特征各异的电缆绝缘材料。通过研究相关专利发现,将将极性基团(例如羰基、硝酸基团、芳环、不饱和脂肪酸)引入聚乙烯中可以抑制聚乙烯中的空间电荷并有效提高体积电阻率。

通过接枝马来酸酐对聚丙烯的改性也是一种材料改性方法。通过马来酸酐与聚丙烯的融合,能够进一步提高PP的电气性能,有效抑制空间电荷的积累,并降低了导电电流,从而实现击穿强度的大幅提高。出现这一现象的原因在于:马来酸酐极性基团在深陷阱的引入,导致的电荷迁移率降低,且注入势垒有所增加[7]。

2 关键技术问题与发展建议

2.1 环保型直流电缆绝缘材料技术优势

与传统的充油电缆、油纸绝缘和XLPE 绝缘相比,环保的DC 电缆绝缘材料具有绿色环保应用属性。目前广泛使用的交联聚乙烯绝缘材料不能直接回收利用,交联过程中也会形成一定的环境污染。环保的直流电缆绝缘材料可以有效避免这些问题。

从材料性能来看,PP的熔点能够超过160℃,较长使用周期环境下,工作温度也可以达到100～120 ℃。因此,相对于XLPE,其长期工作温度可以提高到90℃甚至100℃,这使直流电缆的传输能力大幅提高。同时,PP 在击穿场强与体积电阻率方面更具优势,PP 能够提高直流电缆的工作电压,减少传输损耗。在相同电压水平下,绝缘层能够处理的更薄,这也有利于实现电缆绝缘散热温度的均匀分布。PP的空间电荷注入阈值场强约为30mV/m,远大于XLPE的10mV/m。因此,PP 电缆中的空间电荷累积问题影响范围更小。由于PP的机械强度高,所以无需进行交联处理,同时也保证了绝缘材料的热塑性。

加工技术是工业生产中需要重点研究的专业领域。在传统的XLPE 工艺中,需要对材料进行交联处理,之后通过脱气处理消除交联副产物对生成后材料的影响。但是,PP 能够脱离交联处理,同时规避有关的脱气过程,以便直流电缆绝缘材料生产过程的简化与生产周期的缩短[8-9]。

2.2 环保型直流电缆绝缘材料发展建议

与XLPE 相比,聚丙烯基绝缘材料的优点是可以将工作温度提高到90℃以上。因此,针对PP 在高温下的性能研究具有重要的现实意义,开展这一研究需要保证测试温度达到90℃,尤其在进行空间电荷测试时,会受到传感器与放大器的温度限制,这样直接影响空间电测测试的准确性与稳定性。同时,还应考虑材料特性随温度变化的情况,对此,要求该材料应能够在较宽的温度阈值内具有一定的稳定性。

由于我国对PP 基材料的研究时间仍然较短,对PP材料的老化特性还没有足够完善的了解与认识。因此,有必要系统地研究不同条件下PP 材料的老化特性,为直流电缆绝缘材料的结构规划与寿命预判提供相应的理论支持。

加速时效和正常时效相结合的方法对材料时效状态的特征参数进行分析,并表现出特征参数与时效状态之间的相位关系。同时,它也可以与XLPE 老化测试进行比较,比对分析两种材料的老化特征。

将纳米粒子引入PP 材料中,这一方案已经表现出对电气性能的有效改善,但目前缺乏标准统一的粒子选择规则。且当前研究结论存在差异,限制了纳米复合材料电介质的实效应用。因此,有必要研究不同纳米粒子对复合材料的空间电荷与老化反应的影响,使基于上述研究制备出的纳米复合材料具有更优良的分散性与稳定性,以促进纳米材料的发展[10]。

3 结语

随着电网向长距离大容量和高可靠性的未来发展,直流电缆传输技术将得到广泛应用。环保型直流电缆绝缘材料的开发将进一步提高电力系统的环境友好度,并促进中国电力电缆行业的发展。目前,基于环保型直流电缆绝缘材料在学术方面与工业层面的影响,国内外进行了大量的探索性研究。首先,传统的交联聚乙烯绝缘材料难以回收再利用,且加工流程繁琐、工作温度较低。因此,有必要对直流输电电缆的环保绝缘材料进行研究,以提高电缆的环境友好性与运行效能；其次,单一聚烯烃材料很难同时满足НVDC 电缆绝缘材料的性能要求,通常需要通过混合改性、纳米改性和化学方法来提高其综合性能；最后,聚丙烯具有用作НVDC 电缆的环保绝缘材料的可行性,可以提高DC 电缆的工作温度并简化其加工工艺。环保型聚丙烯直流电缆绝缘材料的开发将成为电缆制造领域的发展方向。