CB-LDPE納米復合電介質直流電性能改善機理研究.pdf

1、聚乙烯作為高壓直流電纜絕緣一直受到嚴重的制約，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。空間電荷的產(chǎn)生可導致電場畸變，嚴重威脅電纜的安全運行。納米技術的出現(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，納米顆粒與聚乙烯復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，具有非導電特性。Dow化學公司曾推出導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，但相關的改性機理卻鮮有報道。因

2、此有必要進一步對導電納米顆粒改性聚乙烯進行試驗和理論研究。
　　本文以兩種不同性質的炭黑(CB)，分別標記為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顆粒微觀結構和表面化學特性，結果表明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)生更強的相互

3、作用。CB顆粒在LDPE基體內(nèi)通過物理吸附或化學鍵的方式使其周圍分子鏈的運動受到抑制，可以起到錨定作用，使復合介質α松弛強度降低。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及其納米復合介質的空間電荷行為。結果表明，CB1/LDPE和CB2/LDPE納米復合介質均可有效地抑制空間電荷積聚，且前者的抑制能力更強。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松弛運動相關聯(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)和分子動力學模擬法分析復合介質陷阱特性和深陷阱形成機理。結果表明，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的捕獲能力。深陷阱使注入的電子在介質表層積聚形成負電荷層，可削弱電極附近的電場，限制電子的進一步注入。另外炭黑與片晶

5、間的分子鏈產(chǎn)生較強的相互作用，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構缺陷的數(shù)量，從而降低了陷阱密度使LDPE原有的空間電荷捕獲機理被抑制。在這兩種機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納米復合介質對比研究，發(fā)現(xiàn)MgO/LDPE和SiO2/LDPE納米復合介質同樣符合深陷阱抑制空間電荷機理。不同納米復合體系形成深陷阱的機理可能有所差異，基于原子力顯微鏡(AFM)測試技術探討了不

6、同納米復合體系內(nèi)深陷阱的形成機理。SiO2/LDPE納米復合介質的深陷阱可能是由界面電荷產(chǎn)生。而MgO/LDPE納米復合介質深陷阱形成機理可能屬于電場誘導深陷阱模型理論。通過AFM測試進一步證實炭黑顆粒本身攜帶著深能級陷阱，CB/LDPE納米復合介質內(nèi)的深陷阱是由于炭黑顆粒本身具有捕獲電子的能力。
　　實驗研究了LDPE和CB1/LDPE納米復合介質的電導特性，結果表明CB1/LDPE納米復合介質比LDPE具有更低電導率和電導溫度

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