用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電硅橡膠材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)電材料，尤其涉及用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電硅橡膠材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓直流輸電具有線路損耗小、傳輸容量大、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、遠(yuǎn)距離海底電纜或大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡(luò)等方面，目前越來(lái)越受國(guó)內(nèi)重視。但相比于較成熟的高壓交流輸電，高壓直流輸電的應(yīng)用受電纜附件技術(shù)發(fā)展水平限制。
[0003]高壓輸電電纜附件中用的半導(dǎo)電橡膠材料在高電壓環(huán)境應(yīng)用時(shí)，能優(yōu)化電場(chǎng)分布，緩和高壓部位電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)集中的現(xiàn)象，降低運(yùn)行故障概率，是電纜及其附件在高壓輸電過(guò)程中的作為均化電纜附件電場(chǎng)的關(guān)鍵部件，其能恰當(dāng)?shù)馗纳平饘倨帘?或護(hù)套)斷開處和線芯接續(xù)處的電場(chǎng)，使得電纜附件的場(chǎng)強(qiáng)均勻合理分布，從而可大大減少金屬屏蔽層附近的電場(chǎng)集中，防止電纜附件被擊穿，因此其性能能否達(dá)到要求至關(guān)重要，這關(guān)系到電纜附件的實(shí)際使用效果。
[0004]目前高壓交流電纜附件的半導(dǎo)電材料主要采用硅橡膠材料和三元乙丙橡膠材料。傳統(tǒng)的電纜附件在交流電場(chǎng)下，其電場(chǎng)分布主要取決于橡膠介質(zhì)的介電常數(shù)，而介電常數(shù)隨溫度、電場(chǎng)以及頻率變化很小，但是在直流電場(chǎng)下，其電場(chǎng)分布主要取決于材料的電導(dǎo)率，且電導(dǎo)率隨溫度、電場(chǎng)的變化非常明顯，有時(shí)能達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。而電纜附件的半導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率變化將大大削弱其均化電場(chǎng)分布的作用，導(dǎo)致電纜附件的電場(chǎng)分布顯著改變，使絕緣層外徑處的電場(chǎng)強(qiáng)度大大超過(guò)設(shè)計(jì)允許的正常工作場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致電纜附件在使用過(guò)程中被擊穿。因此，在高壓直流電纜附件的研制過(guò)程中，如何減小半導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率受溫度、電場(chǎng)的影響，使其電導(dǎo)特性不出現(xiàn)大幅的呈數(shù)量級(jí)的躍變成為高壓直流輸電安全穩(wěn)定的關(guān)鍵要素。
[0005]專利1，CN102942792A 一種移動(dòng)式電纜用半導(dǎo)電硅橡膠屏蔽材料及其制備方法；專利2，CN102504540A 一種高介電常數(shù)硅橡膠及其制備方法。
[0006]目前應(yīng)用于電纜附件的半導(dǎo)電材料主要采用硅橡膠和三元乙丙橡膠注壓成型，如應(yīng)力錐、應(yīng)力管等，且主要用于高壓交流輸電系統(tǒng)中。隨著近年國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用高壓直流輸電，由于直流輸電與交流輸電對(duì)附件材料屬性的要求不同，導(dǎo)致許多在高壓交流輸電系統(tǒng)中能良好應(yīng)用的附件不適合高壓直流輸電系統(tǒng)。
[0007]專利1所述的專利指的是一種移動(dòng)式電纜用半導(dǎo)電硅橡膠屏蔽材料及其制備方法，主要基于硅橡膠塑性高、柔軟度好，做為半導(dǎo)電屏蔽材料的基體材料，可避免因?qū)щ娞亢诮Y(jié)構(gòu)性強(qiáng)而導(dǎo)致膠片變硬的弊端，從而使得半導(dǎo)電屏蔽材料具有良好的生產(chǎn)加工性能等方面因素考慮。
[0008]專利2所述的是一種高介電常數(shù)硅橡膠及其制備方法，從高壓直流輸電和高壓交流輸電對(duì)材料的屬性要求來(lái)看，其制備的材料主要關(guān)注改善材料的介電常數(shù)用于均化高壓交流輸電的電場(chǎng)，而對(duì)于直流輸電對(duì)材料電導(dǎo)率的要求，其制備方案明顯不實(shí)用。
[0009]綜上，若將現(xiàn)有的半導(dǎo)電材料用于高壓直流輸電系統(tǒng)，由于溫度、電場(chǎng)導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化，影響直流高壓電纜附件電場(chǎng)均布能力。
[0010]高壓直流輸電主要用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離海底電纜或大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡(luò)的直流輸電等方面，由于輸電線路損耗小，輸電距離不受限制，傳輸容量大、可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)非同步互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在輸電網(wǎng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。直流輸電與交流輸電相互配合，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。
[0011]高壓直流電纜附件是高壓直流輸電過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵元件，其技術(shù)發(fā)展水平直接影響高壓直流輸電的安全和穩(wěn)定性。然而，高壓直流輸電一直未得到推廣使用，這是因?yàn)樵谥绷鞲唠妷合?，直流電纜附件的電場(chǎng)問(wèn)題比較復(fù)雜，電纜絕緣層中極易積累空間電荷，導(dǎo)致絕緣層局部電場(chǎng)畸變，達(dá)到正常工作場(chǎng)強(qiáng)的7?8倍，可能導(dǎo)致絕緣的擊穿，因此需采用半導(dǎo)電橡膠材料制成特定的形狀如應(yīng)力錐、應(yīng)力管等對(duì)電纜附件的電場(chǎng)進(jìn)行均化。但是在直流電場(chǎng)下，其電場(chǎng)分布主要取決于材料的電導(dǎo)率，且電導(dǎo)率隨溫度、電場(chǎng)的變化非常明顯，有時(shí)能達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，而材料電導(dǎo)率的變化會(huì)影響應(yīng)力錐和應(yīng)力管均化電場(chǎng)的能力，導(dǎo)致均化電場(chǎng)的效果受到影響。因此，若在高壓直流輸電系統(tǒng)中電纜附件的半導(dǎo)電材料依然采用交流高壓輸電用的材料，會(huì)導(dǎo)致其均化電場(chǎng)能力變差，且隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)和環(huán)境溫度升高，易出現(xiàn)電纜附件擊穿現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電硅橡膠材料，采用納米改性手段調(diào)控半導(dǎo)電硅橡膠的電導(dǎo)率，使其材料性質(zhì)發(fā)生改變，可在高壓直流輸電過(guò)程中將電導(dǎo)率控制在一個(gè)合理的范圍。
[0013]本發(fā)明提供了一種用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電硅橡膠材料，以硅橡膠為基料，加入導(dǎo)電填料、氧化劑、硫化劑、操作油、其他橡膠以及納米改性材料混煉硫化而成；半導(dǎo)電硅橡膠材料具體的材料配比以重量份進(jìn)行計(jì)量，配比如下:硅橡膠基料120份，導(dǎo)電填料80?100份，氧化劑5?10份，硫化劑1?5份，操作油為10?20份，其他橡膠為1?5份，納米改性材料為15?30份。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述納米改性材料為納米碳化娃、納米石墨的一種或兩種。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述基料為二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠中的一種，所述導(dǎo)電填料為乙炔炭黑、超導(dǎo)電炭黑、白炭黑中的一種或幾種，所述氧化劑為氧化鎂和氧化鋅中的一種，所述硫化劑為過(guò)氧化物，所述操作油選擇環(huán)烷基油。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，甲基乙稀基娃橡膠120份，乙炔炭黑90份，氧化鋅6份，雙25硫化劑1份，環(huán)燒基油20份，氣相法白炭黑20份，納米碳化娃15份，納米石墨10份，其他橡膠2份。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，甲基苯基乙稀基娃橡膠100份，乙炔炭黑100份，氧化鎂5份，雙25硫化劑1份，環(huán)烷基油20份，氣相法白炭黑15份，納米碳化硅10份，納米石墨10份，其他橡膠2份。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，甲基乙烯基硅橡膠120份，乙炔炭黑90份，氧化鎂6份，雙25硫化劑1份，環(huán)燒基油20份，氣相法白炭黑10份，納米碳化娃20份，納米石墨15份，其他橡膠2份。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述娃橡膠的分子量為40?60萬(wàn)，在150°C、3小時(shí)條件下，所述硅橡膠的揮發(fā)質(zhì)量百分占比<2.5，乙烯基的摩爾百分比為0.13?0.22 ;所述環(huán)烷基油的相對(duì)密度為0.7?1.0，分子量為550?750，粘度比重常數(shù)為0.75?0.85。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述其他橡膠為天然橡膠或丁腈橡膠中的一種。
[0021]本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)電硅橡膠材料的制備方法，包括如下步驟:
[0022](1)按本發(fā)明半導(dǎo)電硅橡膠材料的配方選擇材料和比重備用；
[0023](2)將硅橡膠基料與導(dǎo)電填料、納米改性材料、氧化劑、操作油、其他橡膠等材料放入混料罐進(jìn)行均勻混合，混合均勻后并采用共混法在密煉機(jī)中混煉成半導(dǎo)電硅橡膠母膠，密煉機(jī)混煉要求溫度不高于45°C，轉(zhuǎn)速不低于80rad/m ；
[0024](3)混煉后的半導(dǎo)電硅橡膠母膠經(jīng)停放，停放時(shí)間不少于24小時(shí)，然后在室溫下進(jìn)行返煉，要求室溫不高于35°C，返煉采用開煉機(jī)，需通循環(huán)水冷卻，避免發(fā)生先期硫化，待膠料變軟，表面光滑平整后即可；
[0025](4)開煉完成后加入的硫化劑進(jìn)行硫化操作，在硫化機(jī)的模具中硫化得到硫化后的半導(dǎo)電硅橡膠材料，要求硫化機(jī)的溫度150°C?180°C，硫化時(shí)間不少于15分鐘，硫化期間模腔壓力5?lOMPa。
[0026]本發(fā)明還提供了一種高壓直流電纜附件，該高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電材料采用所述的半導(dǎo)電硅橡膠材料。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出一種新型的用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電材料配方及其制備方案，通過(guò)在半導(dǎo)電材料如娃橡膠材料中添加納米碳化娃和納米石墨，使其材料性質(zhì)發(fā)生改變，可在高壓直流輸電過(guò)程中將電導(dǎo)率控制在一個(gè)合理的范圍，確保高壓直流輸電線路及其電纜附件安全可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明的電極法測(cè)量電導(dǎo)電流的測(cè)量原理圖。
[0029]圖2是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)電硅橡膠電導(dǎo)特性曲線圖。
[0030]圖3是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)電硅橡膠電導(dǎo)特性曲線圖。
[0031]圖4是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)電硅橡膠電導(dǎo)特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明公開了一種用于高壓直流電纜附件的半導(dǎo)電硅橡膠材料，以硅橡膠為基料，加入導(dǎo)電填料、氧化劑、硫化劑、操作油、其他橡膠以及納米改性材料混煉硫化而成；半導(dǎo)電硅橡膠材料具體的材料配比以重量份進(jìn)行計(jì)量，配比如下:硅橡膠基料120份，導(dǎo)電填料80?100份，氧化劑5?10份，硫化劑1?5份，操作油為10?20份，其他橡膠為1?5份，納米改性材料為15?30份。
[0033]所述納米改性材料為納米碳化娃、納米石墨的一種或兩種。
[0034]所述基料為二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠中的一種，所述導(dǎo)電填料為乙炔炭黑、超導(dǎo)電炭黑、白炭黑中的一種或幾種，所述氧化劑為氧化鎂和氧化鋅中的一種，所述硫化劑為過(guò)氧化物，所述操作油選擇環(huán)烷基油。
[0035]作為本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，甲基乙烯基硅橡膠120份，乙炔炭黑90份，氧化鋅6份，雙25硫化劑1份，環(huán)燒基油20份，氣相法白炭黑20份，納米碳化娃15份，納米石墨10份，其他橡膠2份。
[0036]作為本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例