紫外光交联聚乙烯中高压电缆制造技术及材料性能研究

摘要

紫外光交联聚乙烯技术是指采用高强度紫外光源对熔融透明态的聚乙烯材料进行辐照并使其交联的一种电缆制造工艺。相比于传统的过氧化物交联法，紫外光交联法具有交联速度快、节能环保以及材料非热敏性等优点，目前已成功应用于低压电力电缆制造领域。本文在863前沿探索项目支持下，对用于生产中、高压电力电缆的紫外光交联技术以及紫外光交联聚乙烯的相关材料性能开展了研究。
　　根据中、高压电力电缆绝缘结构特点，设计了一种可实现绝缘层紫外光交联、屏蔽层过氧化物交联的联合交联工艺。提出了先共同挤出导体屏蔽和绝缘，待绝缘经紫外光辐照交联后，再挤出绝缘屏蔽的“2+1”挤出加工模式。根据大厚度绝缘充分交联所需的紫外辐照剂量以及防止材料高温快速热老化等要求，提出了紫外汞灯和紫外LED联合应用的辐照系统。设计了联合交联工艺的具体加工流程，并在测量绝缘和屏蔽材料热物性参数的基础上，通过仿真软件计算了电缆在加工过程中的温度场分布。仿真结果表明，绝缘和屏蔽在加工过程中能够保持在合理的温度范围内，均可以实现充分交联。
　　针对传统汞弧灯光源光强快速衰减的问题，根据大厚度绝缘的辐照度需求，研制了长寿命、高稳定性的微波无极紫外固化灯。结合椭圆聚焦和微波谐振特性，应用几何光学与电磁学的联合仿真分析，重点解决了微波谐振腔在结构设计上的难点。实验结果表明，研制的微波无极紫外固化灯样机具有合理的紫外发射光谱和辐照度分布，并且比传统汞弧灯具有更高的辐照交联效率，更适合作为联合交联工艺中的紫外汞灯光源。
　　研究了紫外光交联聚乙烯和传统过氧化物交联聚乙烯在结晶特性、机械物理性能以及作为中压电力电缆应用、与机械物理性能密切相关的抗水树性能上的差异。研究结果表明，采用线性低密度聚乙烯作为基础树脂是紫外光交联聚乙烯具有较高的结晶度、熔融温度以及机械强度的主要原因。通过对材料的应变硬化能力的分析，证实了材料片晶间的连接分子链能够有效阻碍水分子在电场力作用下向材料中的渗入，并且交联键和线性低密度聚乙烯密集分布的短支链能够显著增加片晶间的连接分子链密度，解释了交联度越高、水树枝越短以及紫外光交联聚乙烯在抗水树性能上优于过氧化物交联聚乙烯等现象。另外，通过动态热机械分析证实了交联键的存在使得材料的β松弛变强，能够缓冲电场力作用下微水珠对材料无定形相的冲击力，降低了水树枝的生长速率。
　　研究了紫外光交联聚乙烯用于高压直流电缆绝缘的相关电性能。研究结果表明，相对于过氧化物交联聚乙烯，紫外光交联聚乙烯的耐电强度较低，并且电导率以及电导温度依赖性较高，其可能原因在于紫外光交联副产物苯并哪醇分子量较大不易从材料中迁出。紫外光交联聚乙烯的α松弛导致其热释电峰温度显著升高，使其在电缆绝缘正常使用温度下的空间电荷特性明显优于过氧化物交联聚乙烯。研究还表明，紫外光交联聚乙烯接枝马来酸酐后可以显著抑制电导率和电导温度依赖性，并有效提升直流耐电强度，其机理与材料引入深陷阱抑制电极电荷注入和载流子的输运有关。
　　本文的研究结果表明，应用紫外光交联聚乙烯技术制造中、高压电力电缆是可行的，用于中压电缆制造时其绝缘具有优异的抗水树性能，用于高压电缆制造时其绝缘具有较好的直流电性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题来源、背景及研究意义

1．2中、高压XLPE绝缘电力电缆制造工艺发展现状

1．2．1过氧化物交联法技术原理

1．2．2过氧化物交联法的局限性

1．3紫外光交联法发展现状

1．3．1紫外光交联法技术原理

1．3．2紫外光交联法发展历程

1．3．3紫外光交联法的优越性

1．4中压电力电缆XLPE绝缘材料的关键问题—水树枝老化

1．4．1水树枝引发与生长机理

1．4．2水树枝改性研究现状

1．5高压直流电力电缆XLPE绝缘材料的关键问题—空间电荷

1．5．1空间电荷产生机理

1．5．2空间电荷改性研究现状

1．6本文主要研究内容

第2章紫外光交联聚乙烯中高压电缆工艺研究

2．1紫外光交联大厚度绝缘研究

2．1．1汞灯辐照系统的组成结构及辐照均匀性分析

2．1．2紫外LED辐照系统的组成结构及辐照均匀性分析

2．1．3大厚度绝缘紫外光交联系统研究

2．2绝缘交联过程中的温升效应

2．3热物性参数测试

2．3．1导热系数与比热容的测量

2．3．2绝缘热辐射吸收系数测试

2．3．3汞灯辐照系统的热辐射功率推算

2．4“2+1”式交联工艺研究

2．4．2“2+1”式交联工艺温度场计算及可行性分析

2．5本章小结

第3章微波无极紫外固化灯的研制

3．1微波无极紫外固化灯的优势

3．2微波无极紫外固化灯的设计原则与方法

3．3谐振腔的结构设计

3．3．1反光罩光学结构设计

3．3．2谐振频率的调节

3．3．3耦合孔的设计与优化

3．4微波无极紫外固化灯性能测试

3．4．1微波无极紫外固化灯结构组成

3．4．2发射光谱测试

3．4．3辐照度分布与交联效率测试

3．5本章小结

第4章紫外光交联聚乙烯结晶、力学和抗水树性能研究

4．1试样的制备

4．1．1紫外光交联聚乙烯的制备

4．1．2过氧化物交联聚乙烯的制备

4．2交联度的测试与表征

4．3结晶特性测试与表征

4．3．1片晶形貌

4．3．2熔融-结晶特性

4．4应力应变特性

4．4．1应力应变测试

4．4．2应力应变特性分析

4．5动态热机械特性

4．5．1动态热机械特性测试

4．5．2动态热机械特性分析

4．6抗水树枝老化特性

4．6．1水刀电极法

4．6．2水树枝形貌观察

4．6．3抗水树性能分析

4．7本章小结

第5章紫外光交联聚乙烯电性能及其化学接枝改性研究

5．1工频击穿特性

5．2直流电性能研究

5．2．1直流击穿特性

5．2．2直流电导特性

5．2．3空间电荷特性

5．2．4基于分子链松弛角度的空间电荷特性分析

5．2．5直流电性能总结

5．3接枝法改善直流电性能研究

5．3．1接枝法的工艺可应用性分析

5．3．2试样的制备与表征

5．3．3局域态能级计算

5．3．4接枝马来酸酐改善直流电导特性

5．3．5接枝马来酸酐对空间电荷影响

5．3．6接枝马来酸酐改善直流击穿特性

5．3．7接枝改性法总结

5．4本章小结

结论

参考文献

博士学位期间的学术成果

致谢