直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响.pdf

2 0 1 5 年第9 卷第1 0 期 2 0 1 5V 0 1 9N o 1 0 南方电网技术绝缘与屏蔽材料技术 S o U T H E R NP o W E RS Y S T E MT E C H N o L O G Y I n s u l a t i n g S h i e l d i n gM a t e r i a l 文章编号：1 6 7 4 - 0 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 1 9 一0 7中图分类号：T M 4 6 4文献标志码：A D O I ：1 0 1 3 6 4 8 j c 幽i s s n l 6 7 4 - ( 】6 2 9 2 0 1 5 1 0 0 0 3 直流电缆屏蔽料对X L PE 绝缘空间电荷的影响 张伟1 ，慕蚯林1 ，姚晶晶1 ，徐曼1 ，傅明利2 ，侯帅2 ，田野2 ，王国利2 ( 1 西安交通大学电气绝缘研究中心，西安7 1 0 0 4 9 ；2 南方电网科学研究院，广州5 1 0 0 8 0 ) 摘要：随着交联聚乙烯( x L P E ) 绝缘直流电缆电压等级的提高，对半导电屏蔽料的质量及可靠性的要求也越来越高。 选用了2 种国外高电压等级用直流半导电屏蔽料、一种国产较为优秀的半导电屏蔽料和国内x L P E 直流电缆绝缘料作 为试验材料，测试了3 种屏蔽料的热、电性能，屏蔽与绝缘的复合性能，研究了3 种屏蔽料对x L P E 绝缘空间电荷的 影响。通过对试验结果的综合分析，提出了炭黑填充量、炭黑粒径和基体树脂以及界面结合情况是影响半导电屏蔽料 体积电阻率和空间电荷注入的关键因素。 关键词：高压直流电缆；半导电屏蔽；空间电荷；绝缘一屏蔽复合界面 E f f e c t so fD CC a b l eS l l i e l d i n gM a t e r i a l so nS p a c eC h a r g ei nX L P EI n s u l a t i o n Z H A N GW e i l ，M UQ i u l i n l ，Y A 0J i n 鲥i n 9 1 ，X UM a I l l ，F UM i n g l i 2 ，H O US h u a i 2 ，T I A NY e 2 ，W A N GG u o l i 2 ( 1 E 1 e c t r i cI n s u l a t i o nR e s e a r c hC e n t e r ，a nJ i a o t o n gU n i V e r s i t y ，X i a 1 17 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C S G ，G u a l l g z h o u5 1 0 0 8 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：w i mt h er i s eo f ) ( L P Ei n s u l a t e dD Cc a b l eV o l t a g el e v e l ，t h er e q u i r e m e n t so nm eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i c yo fs e m i c o n d u c t i v e s h i e l d i n gm a t e r i a la r ei n c r e a s i n g I nt h i sp a p e r ，t w oi m p o n e da I l do n ed o m e s t i ch i 曲q u a l i t yH V D Cs e m i c o n d u c t i v es h i e l d i n gm a t e r i “s i nc o m b i n a t i o nw i mo n ed o m e s t i cX L F ED Cc a b l ei n s u l a t i o nm a t e r i a la r es e l e c t e df o rt e s t i n g T h e i rm e m a l ，e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ， s h i e l d e da I l di n s u l a t e dc o m p o s i t ep e r f o m a n c ea r et e s t e d 7 r h ee f f e c t so fD Cc a b l e ss I l i e l d i n gm a t e r i a l so ns p a c ec h a r g ei nX L P Ei n s u l a t i o na r ea I l a l y z e d O nt I l eb a s i so ft l l e s er e s u l t sa n da n a l y s i s ，t h ef l l l i n ga m o u n ta dp a n i c l es i z eo fc a r b o nb l a c k ，t h em a t r i xr e s i n a r e a 1 1 di n t e r f a c eb o n d i n ga r ep r o p o s e dt ob et h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt 1 1 eV o l u m er e s i s t i V i t ya I l ds p a c ec h a 唱eo fs e I I l i c o n d u c t i v es h i e l d i n gm a t e r i a l s K e yw o r d s ：H V D Cc a b l e ；s e m i c o n d u c t i V es h i e l d i n g ；s p a c ec h a r g e ；i n s u l a t i o n s h i e l d i n gc o m p o s i t ei n t e r f h c e 0引言 近年来高压直流输电( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，H V D C ) 获得了快速发展，与交流输电相比， 高压直流输电具有输送量大、线路损耗小等特点， 在远距离水下输电、异步交流系统联网、大容量远 距离输电等方面具有着广阔的应用前景。1 J 。然而 高压直流电缆的研究仍然存在难点，其中一个重要 的难点就是空间电荷的产生与积聚。直流电缆中极 基金项目：特高压工程技术( 昆明、广州) 国家工程实验室开放基金 项目( N E L 2 0 1 5 0 2 ) 。 F o u n d a 6 0 ni t e m ：s u p p o r t e db yN 撕o n a lE n 百n e e r i n gIa b a 阴t o r yf o rU H v E n g i 岫g1 鼬n o l o g y ( a 删 1 】i n ga I l dG u a n g z h o u ) ( N 2 0 1 5 0 2 ) 易积累空间电荷，而空间电荷的存在可能会导致局 部电场的畸变。当空间电荷积累到一定程度时，就 会加速绝缘材料的电老化，缩短绝缘材料的使用寿 命。当空间电荷积累特别多时，就可能引发绝缘击 穿，使绝缘失效旧一。因此目前认为减少和消除绝 缘材料中的空间电荷是研制高压直流电缆的关键。 在高压直流电缆中，半导体屏蔽层在电缆内部 紧密包围在绝缘层内外，其主要作用是使电场分布 更均匀，降低电场强度，减少导体与绝缘层交界面 上的气隙，提高电缆起始电晕放电和电缆耐游离放 电性能，并在一定程度上降低绝缘层的温升，保护 主绝缘1 | 。电缆屏蔽层的性能对电缆使用寿命及 长期运行安全性的影响主要体现在屏蔽的光洁性、 杂质的迁移等，这些性能对电缆的长期安全运行都 万方数据 南方电网技术第9 卷 有不可忽略的影响。 国外已有不少聚烯烃制造商开发并生产了高压 直流电缆所需的半导体屏蔽料。由于高压和超高压 屏蔽料对生产设备、环境等要求非常高，国内大多 数电缆屏蔽料生产厂家只能生产低压x L P E 电缆用 屏蔽料，只有个别厂家开发出1 1 0k V 直流高压电 力电缆超光滑屏蔽料，其性能符合I E c6 0 8 4 0 2 0 1 l 和G B T1 1 0 1 7 2 0 1 4 的要求。”j 。 本文采用两种国外高压直流屏蔽料和一种国内 中低压屏蔽料，分别与国产中低压x L P E 绝缘直流 电缆配合，通过对屏蔽料的热分解性能、电学性 能、及屏蔽一绝缘复合性能的测试，研究了该3 种 直流电缆绝缘系统中空间电荷的注入与差异，以及 引起此差异的原因。 1 试样制备与试验方法 1 1 试样制备 本文采用两种国外屏蔽料1 号、2 号，一种国 内屏蔽料3 号，同时选用国内3 5k V 以下等级的直 流x L P E 绝缘料与这3 种屏蔽料配合。 用平板硫化仪制备屏蔽料试样，温度设定为 1 7 5 ，加压1 0M P a ，持续时间为1 0I I l i n ，自然冷 却至室温，试样厚度为1m m 、3m m 分别用于体积 电阻率测试和D M A 测试。 进行屏蔽绝缘复合试样制备时，先将绝缘料在 平板硫化仪上压制成中间带有深度1m m 、厚度0 5 m m 、直径为2 0m m 的凹槽片层试样，温度设定为 1 2 0 ，加压1 0M P a ，持续时问为1 0I I l i n ；待试样 冷却后，再将屏蔽料放入凹槽中，温度1 7 5 ，加 压1 0M P a ，持续时问为1 0r I l i n ，自然冷却至室温， 此试样用于测试空间电荷及扫描电镜测试。 1 2 结构表征及性能测试 引起屏蔽料对x L P E 绝缘中空间电荷注入差异 的原因可能与屏蔽料中是否含有杂质、交联过程中 能否贴合、炭黑的填充量以及炭黑在屏蔽料中的分 散性等因素相关。通过以下一系列试验，可以综合 总结出引起差异的原因。 1 ) 空问电荷测试 采用脉冲电声法( P E A ) 测量材料的空问电荷性 能，空间电荷P E A 测量系统如图1 所示J 。试样 两端加载铝电极，试样为屏蔽一绝缘复合材料，其 中屏蔽层厚度为1m m ，直径为2 0m m ，绝缘层厚 度为0 5m m ，直径为3 0m m ，如图2 所示。对试 样施加不同的电压( 平均电场强度为l ok v m m 、 2 0k v m m 、4 0k v m m ) ，采用逐步升压的方式， 首先持续施加1 0k V m m 电场强度2 0I I l i n ，之后去 极化1 0I I l i n ，再施加2 0k V m m 电场强度2 01 1 1 i n ， 去极化1 0m i n 后，依次由低到高施加电压。 图1空间电荷P E A 测量系统示意图 F j g 1 S p a c ec h a r g eP E Am e a s u r e m e n ts y s t e m 图2 空间电荷测试试样示意图 F i g 2D i a g r a mO fS p a c ec h a r g es a m p I e 2 ) 热重分析( T G ) 使用T G A s D T A 8 51 型热重分析仪研究屏蔽料 的热稳定性，分析材料分解速度、分解温度及热分 解后的残余量。试验温度2 5 6 0 0 ，升温速率1 0 I I l i n ，高纯氮气保护。 3 ) 扫描电镜( S E M ) 测试 采用扫描电镜观察不同屏蔽料与国内x L P E 绝 缘料界面脆断后的断面形态，屏蔽料与绝缘料界面 复合状态会影