用于高壓直流電纜附件的半導電硅橡膠材料及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導電材料，尤其涉及用于高壓直流電纜附件的半導電硅橡膠材料及制備方法。
【背景技術】
[0002]高壓直流輸電具有線路損耗小、傳輸容量大、運行穩(wěn)定性高等優(yōu)點，主要用于遠距離大容量輸電、遠距離海底電纜或大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡等方面，目前越來越受國內重視。但相比于較成熟的高壓交流輸電，高壓直流輸電的應用受電纜附件技術發(fā)展水平限制。
[0003]高壓輸電電纜附件中用的半導電橡膠材料在高電壓環(huán)境應用時，能優(yōu)化電場分布，緩和高壓部位電場場強集中的現(xiàn)象，降低運行故障概率，是電纜及其附件在高壓輸電過程中的作為均化電纜附件電場的關鍵部件，其能恰當?shù)馗纳平饘倨帘?或護套)斷開處和線芯接續(xù)處的電場，使得電纜附件的場強均勻合理分布，從而可大大減少金屬屏蔽層附近的電場集中，防止電纜附件被擊穿，因此其性能能否達到要求至關重要，這關系到電纜附件的實際使用效果。
[0004]目前高壓交流電纜附件的半導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下，其電場分布主要取決于橡膠介質的介電常數(shù)，而介電常數(shù)隨溫度、電場以及頻率變化很小，但是在直流電場下，其電場分布主要取決于材料的電導率，且電導率隨溫度、電場的變化非常明顯，有時能達幾個數(shù)量級的差異。而電纜附件的半導電材料的電導率變化將大大削弱其均化電場分布的作用，導致電纜附件的電場分布顯著改變，使絕緣層外徑處的電場強度大大超過設計允許的正常工作場強，導致電纜附件在使用過程中被擊穿。因此，在高壓直流電纜附件的研制過程中，如何減小半導電材料的電導率受溫度、電場的影響，使其電導特性不出現(xiàn)大幅的呈數(shù)量級的躍變成為高壓直流輸電安全穩(wěn)定的關鍵要素。
[0005]專利1，CN102942792A 一種移動式電纜用半導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]目前應用于電纜附件的半導電材料主要采用硅橡膠和三元乙丙橡膠注壓成型，如應力錐、應力管等，且主要用于高壓交流輸電系統(tǒng)中。隨著近年國內開始應用高壓直流輸電，由于直流輸電與交流輸電對附件材料屬性的要求不同，導致許多在高壓交流輸電系統(tǒng)中能良好應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式電纜用半導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，做為半導電屏蔽材料的基體材料，可避免因導電炭黑結構性強而導致膠片變硬的弊端，從而使得半導電屏蔽材料具有良好的生產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材料的屬性要求來看，其制備的材料主要關注改善材料的介電常數(shù)用于均化高壓交流輸電的電場，而對于直流輸電對材料電導率的要求，其制備方案明顯不實用。
[0009]綜上，若將現(xiàn)有的半導電材料用于高壓直流輸電系統(tǒng)，由于溫度、電場導致材料的電導率發(fā)生變化，影響直流高壓電纜附件電場均布能力。
[0010]高壓直流輸電主要用于遠距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠距離海底電纜或大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡的直流輸電等方面，由于輸電線路損耗小，輸電距離不受限制，傳輸容量大、可實現(xiàn)電網(wǎng)非同步互聯(lián)等優(yōu)點，將會在輸電網(wǎng)得到越來越廣泛的應用。直流輸電與交流輸電相互配合，構成現(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程中不可或缺的關鍵元件，其技術發(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，這是因為在直流高電壓下，直流電纜附件的電場問題比較復雜，電纜絕緣層中極易積累空間電荷，導致絕緣層局部電場畸變，達到正常工作場強的7?8倍，可能導致絕緣的擊穿，因此需采用半導電橡膠材料制成特定的形狀如應力錐、應力管等對電纜附件的電場進行均化。但是在直流電場下，其電場分布主要取決于材料的電導率，且電導率隨溫度、電場的變化非常明顯，有時能達幾個數(shù)量級的差異，而材料電導率的變化會影響應力錐和應力管均化電場的能力，導致均化電場的效果受到影響。因此，若在高壓直流輸電系統(tǒng)中電纜附件的半導電材料依然采用交流高壓輸電用的材料，會導致其均化電場能力變差，且隨著使用時間延長和環(huán)境溫度升高，易出現(xiàn)電纜附件擊穿現(xiàn)象。

【發(fā)明內容】

[0012]為了解決現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供了一種用于高壓直流電纜附件的半導電硅橡膠材料，采用納米改性手段調控半導電硅橡膠的電導率，使其材料性質發(fā)生改變，可在高壓直流輸電過程中將電導率控制在一個合理的范圍。
[0013]本發(fā)明提供了一種用于高壓直流電纜附件的半導電硅橡膠材料，以硅橡膠為基料，加入導電填料、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；半導電硅橡膠材料具體的材料配比以重量份進行計量，配比如下:硅橡膠基料120份，導電填料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)明的進一步改進，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)明的進一步改進，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，所述導電填料為乙炔炭黑、超導電炭黑、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，所述硫化劑為過氧化物，所述操作油選擇環(huán)烷基油。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，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)明的進一步改進，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)明的進一步改進，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)明的進一步改進，所述娃橡膠的分子量為40?60萬，在150°C、3小時條件下，所述硅橡膠的揮發(fā)質量百分占比<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)明的進一步改進，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行均勻混合，混合均勻后并采用共混法在密煉機中混煉成半導電硅橡膠母膠，密煉機混煉要求溫度不高于45°C，轉速不低于80rad/m ；
[0024](3)混煉后的半導電硅橡膠母膠經停放，停放時間不少于24小時，然后在室溫下進行返煉，要求室溫不高于35°C，返煉采用開煉機，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行硫化操作，在硫化機的模具中硫化得到硫化后的半導電硅橡膠材料，要求硫化機的溫度150°C?180°C，硫化時間不少于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電材料采用所述的半導電硅橡膠材料。
[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電材料配方及其制備方案，通過在半導電材料如娃橡膠材料中添加納米碳化娃和納米石墨，使其材料性質發(fā)生改變，可在高壓直流輸電過程中將電導率控制在一個合理的范圍，確保高壓直流輸電線路及其電纜附件安全可靠。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的電極法測量電導電流的測量原理圖。
[0029]圖2是本發(fā)明的第一個實施例的半導電硅橡膠電導特性曲線圖。
[0030]圖3是本發(fā)明的第二個實施例的半導電硅橡膠電導特性曲線圖。
[0031]圖4是本發(fā)明的第三個實施例的半導電硅橡膠電導特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明公開了一種用于高壓直流電纜附件的半導電硅橡膠材料，以硅橡膠為基料，加入導電填料、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；半導電硅橡膠材料具體的材料配比以重量份進行計量，配比如下:硅橡膠基料120份，導電填料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，所述導電填料為乙炔炭黑、超導電炭黑、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)明的第一個實施例，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)明的第二個實施例