CB-LDPE納米復(fù)合電介質(zhì)直流電性能改善機(jī)理研究.pdf

1、聚乙烯作為高壓直流電纜絕緣一直受到嚴(yán)重的制約，其中最主要的原因是聚乙烯在直流電場作用下易于產(chǎn)生空間電荷?？臻g電荷的產(chǎn)生可導(dǎo)致電場畸變，嚴(yán)重威脅電纜的安全運(yùn)行。納米技術(shù)的出現(xiàn)為解決聚乙烯內(nèi)空間電荷積聚等問題提供了解決方案。大量的研究也證實(shí)，納米顆粒與聚乙烯復(fù)合獲得了較好的改性效果，而這些納米顆粒多為納米氧化物顆粒，具有非導(dǎo)電特性。Dow化學(xué)公司曾推出導(dǎo)電納米顆粒改性聚乙烯絕緣材料，具有較好的空間電荷抑制能力，但相關(guān)的改性機(jī)理卻鮮有報(bào)道。因

2、此有必要進(jìn)一步對導(dǎo)電納米顆粒改性聚乙烯進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究。
　　本文以兩種不同性質(zhì)的炭黑(CB)，分別標(biāo)記為CB1和CB2，作為納米填充相，采用熔融共混法制備低密度聚乙烯(LDPE)基納米復(fù)合材料。采用透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)等測試方法表征CB1和CB2顆粒微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性，結(jié)果表明CB1比CB2具有更加粗糙的表面和更高的表面活性，因此可與LDPE基體產(chǎn)生更強(qiáng)的相互

3、作用。CB顆粒在LDPE基體內(nèi)通過物理吸附或化學(xué)鍵的方式使其周圍分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到抑制，可以起到錨定作用，使復(fù)合介質(zhì)α松弛強(qiáng)度降低。相比CB2，CB1顆粒與LDPE基體間的作用更加顯著，可以更有效地限制α松弛。
　　利用電聲脈沖法(PEA)研究了LDPE及其納米復(fù)合介質(zhì)的空間電荷行為。結(jié)果表明，CB1/LDPE和CB2/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)均可有效地抑制空間電荷積聚，且前者的抑制能力更強(qiáng)。通過分析LDPE空間電荷熱釋放過程和α松弛特

4、性，發(fā)現(xiàn)空間電荷的脫陷與α松弛運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，說明LDPE內(nèi)積聚的空間電荷是由參與α松弛的分子形成的陷阱捕獲，主要積聚在片晶間的無定形區(qū)內(nèi)。采用熱刺激電流法(TSC)和分子動(dòng)力學(xué)模擬法分析復(fù)合介質(zhì)陷阱特性和深陷阱形成機(jī)理。結(jié)果表明，炭黑摻雜在LDPE基體內(nèi)引入了大量能級較深的陷阱，并且這些深陷阱的產(chǎn)生歸因于炭黑對電子具有非常強(qiáng)的捕獲能力。深陷阱使注入的電子在介質(zhì)表層積聚形成負(fù)電荷層，可削弱電極附近的電場，限制電子的進(jìn)一步注入。另外炭黑與片晶

5、間的分子鏈產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，使分子鏈排列更加緊密，減少了參與α松弛的分子形成的結(jié)構(gòu)缺陷的數(shù)量，從而降低了陷阱密度使LDPE原有的空間電荷捕獲機(jī)理被抑制。在這兩種機(jī)理的共同作用下有效地提高了抑制空間電荷積聚的能力。
　　通過與CB/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)對比研究，發(fā)現(xiàn)MgO/LDPE和SiO2/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)同樣符合深陷阱抑制空間電荷機(jī)理。不同納米復(fù)合體系形成深陷阱的機(jī)理可能有所差異，基于原子力顯微鏡(AFM)測試技術(shù)探討了不

6、同納米復(fù)合體系內(nèi)深陷阱的形成機(jī)理。SiO2/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)的深陷阱可能是由界面電荷產(chǎn)生。而MgO/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)深陷阱形成機(jī)理可能屬于電場誘導(dǎo)深陷阱模型理論。通過AFM測試進(jìn)一步證實(shí)炭黑顆粒本身攜帶著深能級陷阱，CB/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的深陷阱是由于炭黑顆粒本身具有捕獲電子的能力。
　　實(shí)驗(yàn)研究了LDPE和CB1/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)的電導(dǎo)特性，結(jié)果表明CB1/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)比LDPE具有更低電導(dǎo)率和電導(dǎo)溫度

7、依賴特性。電纜絕緣層電場分布計(jì)算表明，CB1/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)合理的電導(dǎo)特性使得其在較高溫度梯度下能夠有效抑制絕緣層外側(cè)電場強(qiáng)度的顯著增加，提高了電纜運(yùn)行的可靠性。另外耐電強(qiáng)度測試結(jié)果表明，低溫(30℃)時(shí)CB1/LDPE和CB2/LDPE納米復(fù)合介質(zhì)耐電強(qiáng)度較LDPE明顯降低，但高溫(70℃)時(shí)復(fù)合介質(zhì)耐電強(qiáng)度略低于或高于LDPE。由于電纜的擊穿強(qiáng)度是由電纜在使用溫度范圍內(nèi)的最低擊穿強(qiáng)度決定的，所以炭黑摻雜LDPE復(fù)合介質(zhì)在低溫時(shí)