高压电缆附件应用力锥材料的制备与性能研究

高压电缆附件应用力锥材料的制备与性能研究高压电缆附件应用力锥材料的制备与性能研究 ff录目录摘要 IAbstract II1绪论 l1 1引言 11 2高压电缆硅橡胶预制式附件结构 21 2 1电缆终端结构 21 2 2I乜缆附件结构类型 41 3硅橡胶复合材料的补强与改性 51 3 1硅 橡胶的力学补强 51 3 2复合材料t乜导率改性 81 3 3复合材料的导热性能研究现状 1l1 3 4复合材料的介电改性 121 4本文的主要工作 132电缆系统的有限元仿真分析 152 1交直流 电场下电缆终端型电场仿真 152 1 1交直流电场下的介质 极化与弛豫时问 152 1 2电缆终端计算模型选择 162 1 3电缆终端建模 162 1 4血流电场结 果分析 202 1 5交流电场结果分析 232 2多物理场耦合计算电缆载流量计算 262 2 1 电缆金属护套涡流损耗分析 262 2 2电缆温度场 272 2 3计算模型 282 2 4载流员计算 302 2 5计算结果与分析 3l2 3本 章小结 33门录3添加不同填料的硅橡胶制备及改性分 析 343 1引言 343 2复合填充硅橡胶材 料的制薪 343 2 I原料 343 2 2制稀设桥及方法 373 3不同填料硅橡胶复合材料性 能分析 383 3 1材料测试设备与方法 383 3 2不同填料对硅橡胶力学性能分析 393 3 3添加不同填 料的砝橡胶介l乜性能分析 413 3 4氧化铝对硅橡胶材料 热导率影响 443 3 5热重分析 463 4本 章小结 474正交试验法制桥介电 高导热半导电材料 484 1正交试验简介 484 2正交实验设计 484 2 1实验冈素与水平确定 484 2 2正交实验表 494 2 3试样制各 494 3测试结果 504 4试验指标的直观分析 524 4 1正交试验的直观分析方法 524 4 2 补强指标的亢观分析 534 4 3改性指标的亢观分析 544 5正交试验的方差分析 554 5 1正 交试验的方差分析简介 554 5 2正交试验的交互作用分 析 574 5 3力学补强指标的方差分析 584 5 4改性指标的方差分析 594 6结论 605结论与展望 615 1结论 61l 录5 2后续上作展望 62参考文献 63致谢 66附录 67个人简历 在学期问发表的学术论文与研究成果 681绪论1 绪论1 1引言电缆附件的安全运行是整个屯缆系统安全的基本保障 从电缆运行故障的事故分析可知 11导致电力电缆线路运行绝缘 故障的原凶中 除外力破坏凶素外 电缆附件的质量问题占据了系 统故障的60 以上 因此 电缆终端要求必须具有适应在各种状态下长期安全运行的电 气绝缘性能 良好的密封性 同时能够承受一定的机械应力 能经 受电气设备交接验收试验标准所规定的交直流耐压试验 日前我围电缆附件设计制造水平尚不成熟 供应产品主要集为中低 压电缆附件 220kV以上电缆附件产品被国外一些厂家12J ABB 西 门子 NKF Pi rel l i公司等 所垄断 而儿进几电缆附件材料纷繁复杂 结构形式不一 斟此许多电缆附件一旦出现运行故障 由于技术原 天I以及维修 程序繁琐 影响电力运行与维护 对电力系统也造成极人损失 电缆附件是连接电缆与输配电线路及干几关配电装簧的连接设备 电缆附件常见型式有绕包式 浇灌式 模掣式 冷缩式 热缩式 预制式等 31 电缆附件巾对于电场应力分布的控制主要有以下两种方式 1 结构控制 通过增绕绝缘或装设应力锥 增大l U缆终端处等效半径 减小金属护套边缘的最大场强 2 材料控制 通过在绝缘层表而涂一层非线性半导电材料或非线性 电容材料 改变绝缘层表而r乜m和电容大小 进而改善电场分布 对于交联聚乙烯绝缘电缆系统 一般采用橡胶预制式应力锥 rl前 用于制作应力锥的橡胶主要有两种硅橡胶和三元乙丙橡胶 与较硬的三元乙丙橡胶市丌比 具有高弹性的硅橡胶材料与不规则 的电缆农而的配合更好 本文亦选用硅橡胶作为应力锥的材料基体 硅橡胶作为绝缘材料自20世纪60年代后开始在固外电力系统中应用 41 我国于80年代开始采用硅橡胶作为电缆附件基础材料 51 由于与其他附件产品相比 硅橡胶式附件耐漏电起痕能力强 进口产 品可达IA4 5级 使用温度范闱J 50 200 C之问 耐辐照 X射线 Y射线能力强 憎水性能人幅提高 淋浴 状态下可门动清除污秽 安装后与I乜缆本体贴合较紧 具有较高的 密封性能 凶此在高压l也缆附件巾 硅橡胶绝缘材料被大量应用于制造预制式 应力锥和硅橡胶绝缘护套上 围电公司已在 2l世纪电力电缆运行管理工作重点 中 j确指出 将大力推广应用硅橡胶制造的电力电缆附件 硅橡胶木体的弹性较高 耐高温等性能决定了其适合作为电缆附件 中的应力锥材料 但是 由于不同方法制的硅橡胶本体的力学性能不一致 而电缆附 件在安装过程巾常常由于方法不当受损 导致裂纹以及 他机械 损害 并儿应力锥对材料的电阻率 介质损耗 导热等性能都有一 定要求 因此在实际应用中通常对硅橡胶添加一定的结构补强剂和 改性填料米实现某些性能的提升 目前 对其力学补强以及导电性 能提高的研究较为成熟 对其介电特性以及导热性能的改善方法还 有待发展 1 2高压电缆硅橡胶预制式附件结构 硅橡胶材料 有优异的耐高 低温 耐漏电起痕性能 l大I此围内外电缆厂家多以其为材料基体 研制电缆附件产品 fn于巾l缆终端型I乜场分御较为集巾 闪此电缆附件巾的应力锥材 料性能和应力锥结构设计是电缆附件的最重要部分 通过 些r乜缆附件击穿事故的教 i Ji l表叨 11 屯缆附件由于结构复杂 电缆附件巾漏电流和介质损耗 过高 以及 fj于终端结构不合理引起的屯缆终端局部发热量过大 引起绝缘材料老化速度加剧 最终导致击穿事故 冈此电缆附件的 材料和结构选型对其安伞运行至关重要 几前国内生产110kV及以下电缆附4 t h应力锥材料多为炭黑添加的半导电材料和铝 铅等金属材料 71 采用电阻分压模型控制电缆终端的电位和电场分布 研究发现 8H旧 电阻分压式控制结构对直流r乜场Srl7 l 击电压 下电场控制适J IJ 工频交流电压下应采用电容分压式终端结构 因此 电缆附件 应力锥的介电性能还有待进一步研究 1 2 1电缆终端结构电缆终端电场是指由于电缆金属护套剥开后 电缆本体与金属护套开口位簧形成的电缆高电位与护套地电位之问 的电场分布 见图1 1 由于电缆终端电场分布较为复杂 屯场由原来的只有轴向分量 转变为不仅有轴向分量 而儿还有径向分量 电场在电缆线芯和金属护套开n处较为集巾 fU场最大伍位于屏蔽层 开口处 引 rh电缆终端结构可知其边界条件为在x O处 ux 0 x l处 ux Uo 分析上式可得最大屯场强度发生在金属护套边缘 处21绪论 x O 其值为 脚 厣c序 导体图1 1I l缆终端I乜位分布从式中可以看出 要减小金属护 套边缘x O处的电场强度 可以通过增加等效半径 增加表而介电常 数 减小体积介屯常数等方法 IU缆附件可实现IU缆与其他设箭或l乜缆之问的有效连接 并改善 大I外屏蔽切断所带来的局部电场分布集 材料的力学性能 电气性能以及电热稳定性等都是决定电缆附件质 量的重要刚素 冈此 对高压电缆附件的设计要考虑以下儿个方而i坦j 1 导体连接的方法及其设计 2 电气性能 电气性能是电缆附件质景的首要l天I素 主要包括咆缆附件应力锥控制下电场的畸变程度大小 改善电场分 布的方法是否合适 应力锥材料的介IU强度 介质损耗和产 的绝 缘裕度等 同时 还须考虑IU性能的稳定性 包括所用材料的化学 物理性能 和结构的稳定性等 例如应力控制材料性能是甭稳定 电缆绝缘同 缔对电缆附件的电场分布的影响及防止措施 各层材料之间是否栩 容 连接部分的界而稳定性等 3 热性能问题 如介质损耗 导体连接的接触电阻及其稳定性 热 量的传导释放 热胀冷缩对各介电性能和机力学性能的影响等 4 力学性能问题 电缆附件应该有足够的抗弯 防震的能力 5 密封性能问题 6 工艺性能 附件的安装工艺应尽量简单 便于现场施工 对安装 环境要求以及对工人技术水平要求不高 安装程序容易控制等 心 力锥结构位于电缆接头处的外屏蔽切断处 其附近屯场分布比电缆 本身31绪论暑曼曼 曼曼皇曼蔓曼量 舅舅鼍曼皇璺曼曼I II I IIII皇曼曼曼毫鼍鼍曼曼曼曼皇皇鲁曼皇葛皇复杂得多 切断处的电场不仅有垂直于电缆轴向的分量 同时还有沿轴向即沿l U缆长度方向分布的不均匀分量 沿I乜缆长度方向的l乜场分量在外屏蔽处比较集巾 并儿在靠外屏 蔽边缘处达到最大 该电场分量是发生沿面击穿的主要I大J素 在110kv及以上电压等级的电缆附件ftl 大都使用应力锥结构来减 小沿电缆长度方向的电场分量17l 1 2 2电缆附件结构类型 I 应力锥式附件应力锥式电缆附件根据 材料选用又分为增绕式 硅橡胶预制式等 应力锥而设计规则按 表而轴向场强小于允许最大轴向场强设计 其曲线方程如下式 7 旦 丛墨 型岛垒 In R r In X R q 1 2 其中 U一导 体与接地屏蔽问r乜压 4一交联咆缆绝缘与橡胶应力锥界而上设计 切向电场梯度 尺一交联电缆绝缘半径 一I l缆导体屏蔽半 径 己z一橡胶应力锥绝缘材料介电常数 6 一交联电缆绝缘材料介电常数 x y 橡胶应力锥 l jl线坐标 111二j二制造工艺控制难度较大 低压f乜缆终端产 巾 常以一根 直线代替IIl I线 由于应力锥末端也存在较严重的屯场集中问题 而且在高压产品巾 一根直线代替曲线后所得应力锥而太长 因此往往用多根折线来 代稀 并在应力锥末端采川弧线来减少l乜场集巾程度 应力锥控制结构下终端电位分布如图1 2 冈1 2应力锥对f乜缆终端I乜场的改善4l绪沦 2 电容屏式附件从结构上控制l乜场分布的另一种方法是f乜容屏结 构 电容屏结构主要应J fJ于变压器套管和充油电缆终端中 其方法是通过在咆缆终端部位 插入N个电容屏 强制套管内部和表而轴向r包场分布均匀化 电容式终端的主要部分是其内绝缘 也即是电容占子 材料一般采 用胶纸和油浸纸 基本结构 131如图1 3 图1 3电容屏式终端咆场控制结构1 3硅橡胶复合材料的补强与改 性1 3 1硅橡胶的力学补强1 3 1 1力学补强理论研究硅橡胶是 以线形聚有机硅氧烷的聚合物为生胶料 通过加入交联剂 催化剂 使硅氧烷分二子之问产牛缩聚反应或者加成反应而生成的高分子 材料 硅橡胶具有良好的耐冷热性能 疏水性 抗黏性 生化卡 j容性以 及电绝缘性等特点 在化工 电子 医疗J TI品等行业应用广泛 由于硅橡胶分子链较长 闲此链问栩互作用较弱 未经填料补强的 石睾橡胶强度很小 吲此必须通过添加补姒填料以便于应用 兀前应用较多的补强填料为Si02和碳酸钙等 关于其补强机理主要 有以下几力 而 1 复合三维网补强机理复合三维网理论认为 当白炭黑等补强填料 与硅橡胶牛胶混炼后 白炭黑粒子链通过广1身接触形成的三维网格 和吸附在粒子链表而的硅橡胶聚硅氧烷 PDMS 分子形成复合三维网 复合材料巾门炭黑粒子与硅氧烷分子网络棚互交错形成 脖颈 两种材料互才兀交锵延伸 使得两者之问界而能差降低 复合材 料受力时 三维复合网结构使得白炭黑粒予链和硅氧烷分予链沿着 受力方向51绢论 II 墨 量曼曼薯皇皇皇皇拉伸变形 不易形成应力集中 受力达到 临界伉时 胶体裂缝产生于白炭黑与聚硅氧烷分予结合不够紧密处 的聚硅氧烷Si O单元之问 或是巾于白炭黑分散性较差而形成的门炭黑聚集体处 2 复合团聚体补强机理与复合三维网理论不同 复合川聚体补强理 论认为r11于n炭黑纳米粒子具有集聚性 同时关于补强填料于硅橡 胶生胶混炼制备复合材料的控制过程较为复杂 而儿不能保证混料 的均匀性 填料粒子链与束缚橡胶分子将不可避免的形成复合的团 聚体 I天l此填充复合材料的补强机理不能完全用三维网链理论来 解释 通过观察 151 白炭黑粒子与束缚橡胶分子l J l聚体结构呈球形 比白炭黑团聚体和聚硅氧烷分子团聚体具有更为 复杂的结构 受力时复合团聚体表现为各向同性 而儿复合团聚体 在材料受力过程巾能被迫发生屈服变形 从球形向拉仲方向渐变为 扁球形 从而I吸收大量的应力 3 协同补强机理对于亡l炭黑添加的复合材料 广l炭黑在基体巾既 不可能完全与基体分子形成复合三维网链 也不可能全部与集体分 子形成复合吲聚体 而是与基体材料组 成混合体 也即白炭黑纳 米粒了链与基体材料分予链栩瓦交错混合 形成协同补强作用 洲此通过改变填料向炭黑的粒径 增添ZDMA等方法 15H171 增大 纳米白炭黑的比表而积和在基体材料巾的分散性 可以使自炭黑粒 子链吸附基体材料中的分子量增加 对复合材料性能提高显著增加 1 3 1 2硅橡胶力学补强的国内外研究现状白炭黑分子式为Si02 H 是液体硅橡胶的主要补强原料 其结构如图1 4 按其生产方法主要分为气才丌法白炭黑和沉淀法 其巾气相法又称热解法 干法或燃烧法 rh四氯化硅或 e他硅的氯 化物和氧气 氢气在高温下水解生成 沉淀法则是山硅酸钠在盐酸或硫酸IfJ反应制得 气科 法F1炭黑平均粒径为5 20纳米 沉淀法白炭黑平均粒径为25 60纳米 前者比表面积为100 400Int02 g 略大于后者 两种白炭黑粒子都以聚集体形式存在 由于白炭黑表而具有大量的硅羟基而表现出亲水性 不能与硅汕棚 容 凶此应川于工业生产时 需对其进行表而处理 常门 的处理方法是添加有机硅偶联剂和醇类物质 使其与自炭黑表 而活性基团反应 消去人量羟基 使自炭黑由亲水性变为疏水性 从而达到表而改性的几的 61绵沦曩膏陉基相邻弪基赣氯基 OHI r r 0 llIII l l ll图1 4白炭黑的羟基类型结构图何颖 18 对气栩法自炭黑对高 温硫化硅橡胶的流变性能进行了分析 通过添加20 50份白炭黑 研究发现 白炭黑粒子能在硅橡胶基体巾形成聚集体网络结构 可 以提高填料的有效体积 抵抗硅橡胶流动变形能力从而提高剪切模 量 另外刚性白炭黑粒子的加入使硅橡胶体系的粘度增加 l91 增加硅 橡胶的损耗模量 在添加浓度小于一定范围时 发生形变的硅橡胶 内部门炭黑粒子聚集体网络结构问破坏速率将小于重建速率 冈此 硅橡胶剪切模量将随填料增加而提高 通过对比不同结构气栩法广1炭黑对胶体剪切模量的影响发现 DBP 吸汕值越大的气栩法I l炭黑 在硅橡胶体系rfl形成的聚集体粒径 越小 分支较多 子网络数量多 硅橡胶的剪切模量也较高 陈莉等f20l采用沉淀法和气棚法纳米门炭黑补强硅橡胶 考察了添 加量和比表而积对结合橡胶量 橡胶吸附层厚度以及硅橡胶力学性 能的影响 测试结果表明 I l炭黑添加量改变对硅橡胶力学性能影响显著 填料质量比为40 时 广 炭黑粒予与硅橡胶分子之问形成的复合三 维网结构较为紧密 硅橡胶力学性能改善最好 其拉仲强度大于6MP a 断裂仲长率大到350 之后随着填料的增加 从扫捕电镜图片 巾可以看到fLl炭黑粒子 结构化 现象严重 影响了填料与硅橡胶 的有效接触而积 自炭黑与硅橡胶分子之间孝n互作用减弱 受力作 J J时硅橡胶流动性减弱 导致断裂仲长率降低 通过大量的研究表明J 1炭黑应用于室泓硫化硅橡胶和高巍 硫化 硅橡胶时 当r1炭黑添加量为液体硅橡胶基体30 一40 之问时 硅橡胶获得最佳的拉仰强度与撕裂强度 同时其邵 尔硬度得到提高 另外 巾于未经表丽处里的门炭黑表而存存的羟基与液体硅橡胶的 基础聚合物浸润性不好 存在一定的亲水性 冈此 在添加之前对白炭黑表而厂仃硅烷进行疏水处理 可以获得 更好的补强作用f2oi 通过对高温硫化硅橡胶添加气市仃法白炭黑 沉淀法广1炭黑和经过 表而处里广 炭黑的补强效果比较发现在添加量质量分数栩同条件下 添加气村l法门炭黑粒子的硅橡胶拉仲强度为3 9 8 8MPa 断 裂仲长率为450 添加沉淀法71绪论墨曼曼曼蔓毫葛皇鼍寡鼍曼量 曼皇詈鼍皇舅曼曼曼皇曼曼皇曼曼皇曼曼I皇曼皇量曼皇篁曼曼皇曼 曼舅曼皇曼曼曼皇曼尝曼鼍曼曼曼曼 皇曼量寡曼皇曼篁鼍广丁炭 黑粒子硅橡胶拉仲强度为2 9 5 9MPa 断裂仲长率为400 添加 经过表而处理的臼炭黑粒子的硅橡胶拉仲强度达到7 3 9 8MPa 断裂仲长率达到600 另外添加表而处理气棚自炭黑硅橡胶撕裂强 度也较添加气市兀法白炭黑硅橡胶提高1 5倍 221 23 1 3 2复合材料电导率改性1 3 2 1复合材料导电理论研究现状 在复合绝缘子 硅橡胶预制电缆附件中用到的硅橡胶复合材料 其 而临的主要问题是高压输电线路巾存在的过压电压和闪络导致的电 击穿问题 热化学反应和机械负荷等导致的材料老化问题等 尤其是应用于复合绝缘子和IU缆附件应力锥的硅橡胶材料 在硅橡 胶分子结构承受污闪和局部放电以及局部发热等问题时 聚合物存 在凶电击穿或者受热导致的分子链断裂是硅橡胶材料老化和破坏的 主要原I夭I 斟此 如何提高材料的导热性能 使硅橡胶对局部发热具有较高的 热扩散效率 对高压使J j环境下的硅橡胶材料应J玎十分重要 同时 妇于电缆附件中的结构控制方式不同 对材料的电气参数如 电导率和介电常数要求不同 对于如何使得材料获得较为理想的电 导率和介电特性 在合理控制电缆终端电场分布条件下保持较低介 质损耗 一直是附件用硅橡胶材料的研究热点 随着科技进步和制造工业的发展 传统导电金属材料已不能满足航 空航天 和电力电子等领域对导电材料的需求 导电硅橡胶作为弹 性基体在设备巾能够起到良好的减震作刚 而儿其半导电特性能够 满足电子器件的电气连接 因此通过各种填料 金属颗粒 导电炭黑 和镀银铜粉等 对硅橡胶导电性能的研究较多 同时 硅橡胶作为绝缘材料时 其耐电起痕和介电强度特性优良 凶此广泛用于复合绝缘子与预制式I乜缆附件巾 由于fU力设备运行中的发热效应 运行产品巾的硅橡胶材料长期处 于高温状态 容易导致硅橡胶分子链的断裂从而引发绝缘破坏发生 事故 因此对绝缘硅橡胶材料的导热性能研究也较为迫切 口前较 为通用的方式是通过添加高导热氧化铝颗粒来提高材料的热导率 关于导IU填料对于复合材料的性能改善机制研究 士要有以下几种 理论 1 渗流理论 导电通路理论 渗流理论认为导电性的提高是r11于导 电填料在绝缘性基体巾形成通路实现81绪论曼I 111蔓暑寡皇詈鲁鼍 量曼皇曼曼皇量 量詈皇皇皇曼曼鼍曼曼曼皇蔓鼍寰曼墨的 复合材 料的导电性能由基体和填料综合作用决定 加入填料较少时 曲于 改性填料粒予之问距离较大 不能相互接触 材料总体仍表现为较 低的导I乜能力 如图1 5中第1阶段 随着填料加入最的增大 改 性填料粒子之问问距变小 粒子孝几互接触形成链状和网状结构 并最终表现为材料的电阻率急剧下降 如图中II区 当填料增加至一定浓度时 导电通路已经趋于完善 电阻率变化趋 于平稳 如图中 区 y 罔1 5渗流理论示意图 2 隧道效应理论隧道效应 即当绝缘基体rfl的导电粒子间距还足 够大时 粒子问尚未形成导电通路 但是南于绝缘基体中导电粒子 问的电场足够大 引起导电粒子之问的I乜子跃迁 形成电予隧道 产生IU流 使材料表现出导l乜性 隧道效应本质一卜是电子跃迁 穿越能量势垒 Pol ley Sheng等人也对隧道导电理论巾电导率与温度问的关系做了实 验研究 从导电粒子浓度增加 材料电导率和温度变化的角度证明 了隧道效应的存在 在导电材料中渗流理论和隧道效应理论是I列时存在的 存导电填料 浓度较低时 导电粒子问距较大 电子受热效应影响发生跃迁形成 隧道电流 或由于导电粒子问内部电场较大 形成场致发射形成电 子通道 隧道效应处于主导 导电粒予浓度较高时 导电通路形成 渗流效应l与主导 1 3 3 2复合材料导电性能研究现状纳米炭黑具有良好的浸润和 分散性 比表而积人 高导电性 做为硅橡胶补j虽填料 不仅可以提高其力学强度和耐磨性 而儿当 炭黑添加量达到某一位时 材料电目l率迅速下降 111绝缘材料向 半导电材料转变 研究发现 24 251 填充炭黑质量分数为30 35 时 硅橡胶复合材料电阻率下降至104 l O巧数罱级 91绪论曼曼曼皇皇曼寰曼毫曼IIII鼍皇鼍曼曼曼曼皇曼 皇曼皇曼曼曼皇曼曼曼鼍皇鼍量曼墨用量超过40 时 由于导电通 路已形成 凶此电阻率下降不叨显 同时其拉仲强度与撕裂强度在1 5 20份时达到最优 35份以后下降程度不明显 邵尔硬度则持续增 大 谢泉 PRINCY 26 等人对半导电硅橡胶电阻温度特性进行的试验 分析表明 当硅橡胶巾炭黑添加量小于30 隋况下 硅橡胶复合材 料的电阻在O 160 范罔内呈现正温度系数 超过40份时 材料 在温度高于80 之后表现出负温度系数效应 张洁 KOSTt27 对炭黑填充硅橡胶的E Ij Jt效应做了研究 建立了材料电阻率随时问 应变而变化的定量模 型 陈克正等 28 将纳米炭黑 纳米碳纤维应用于高温硫化硅橡胶 通过四电极法对试样进行IU阻率测试发现 纳米碳纤维 Nano F 超导电炭黑 HGCB 和两者混合体系作为填料均能在一定浓度下 使高温硫化硅橡胶的电阻率降低至103Q m数量级 由于Nano F本身的电阻牢稍大于HG CB 冈此要使材料电阻率降低至同一水平 其用量大于HG CB Nan o F HG CB共混填料填充时 其用量介于HG CB和Nano F之问 通过扫捕咆镜观察 并用系统一11的HG CB聚集体可以通过搭载Nano F的纤维结构而形成较好的分散结构 其I V Im线表明复合材料的导电网络呈欧姆线性关系 并且具有一定的热 稳定性 李宏建等 291根据一定的选材方泫将炭黑与石墨进行混合配比作为 导l乜填料 对炭黑和石墨在不同比例配方下对硅橡胶电阻率影响 和硅橡胶电阻率随温度变化关系进行了分析 当石墨与炭黑比例为7 1时 混合填料电阻率为580Q m 30份填充时硅橡胶材料IUI n率 降低至103Q m数量级 文献还对填料处理时问以及硅橡胶混炼时间对电阻率影响进行了分 析 研究发现 热处理时问越长 材料电阻率越低 并且在200 C以 上电阻率表现为负温度系数 另外在 汜炼时问小于40mi n条件下 由于炭黑导电结构受到池炼工艺影响 材料电阻率稍有上 升 当混炼时间大于40rai n时 炭黑在硅橡胶材料中的分布变的较为均匀 其导电结构也随混 炼时问增加而趋于完善 希 应其电阻率也有所降低 对于炭黑加石墨共混材料 由于石墨对炭黑的补充效应 材料的整 体电阻率较单添加炭黑有较大降低 张继阳 30l 等人对镀银玻璃微珠 镀银镍粉 镀银铜粉等填充 硅橡胶的电阻特性进行了分析 其巾镀银玻璃微珠的改善效果最好 当填充量为38 8 时 材料巾绝缘体转变为导体 同时从不同填充材料表而处理试剂 填充材料粒径等方面对合成硅 橡胶的力学性能和导 U性能做了比较 101绪论1 3 3复合材料的导热性能研究现状 文献 33卜 35 巾 作者通过添加55份微米氧化铝填料 使硅橡胶基体的热导率冲0 65W m K提高到0 889W m K 并且通过热失重分析表明掺杂 后硅橡胶热稳定性明显增加 与微米氧化铝市兀比 纳米氧化铝具有更小的粒径与比表而积 纳 米填充硅橡胶的力学性能较微米填充有较大改善 断裂仲长率与撕 裂强度均提高一倍以上 邵尔硬度提高40 左右 热导率也提高约0 4W m K 研究还发现 以微米氧化铝或微米氮化硅与纳米氧化铝组成混合填 料填充的硅橡胶 在添加质量分数远远小于单一一种填料下 其热 导率达到1 45w m K 高于添加任何一种填料 同时还能保证其 力学性能不会因为添加过量而下降 导致加工网难 由于纳米氧化铝本身具有高分散性和较大比表面积 凶此硅氧烷偶 联剂或硬脂酸对其表而处理与否对合成硅橡胶导热性能影响不是小 分突出 321 但是对复合材料力学性能有较为明显的提升 361 黄钰等人 37 还分析了添加氧化锅和炭黑及氮化硅混合填料时硅 橡胶复合材料的电气性能 添加微米氮化硅填料硅橡胶击穿强度大 于微米氧化钒材料 在丰兀同质量比例的两者混合填料添加下 材料击穿强度比原来提 高大约15 另外 在0 60份范围内 微米碳化硅和氧化铝填充的硅橡胶介电常 数呈线性增长趋势 其介质损耗角正切在106Hz范罔内保持在O 006 以下 仍然可以作为绝缘材料 纪乐等 38 对氮化硅添加双组份室温硫化硅橡胶的导热性能进行 了分析 通过添加微米级碳化硅发现 双匀l份室温硫化硅橡胶在填 料质量小于90份条件下 其热导率随填料增加而提高 并且提高速 度较快 硅橡胶热导率从没有添加的0 4w m K 上升到90份时的 1 O W m K 填料纽分高于90份时 热导率上升缓慢 填料为150份时 其热导率为1 2W m K 文献还对不同粒径的纳米碳化硅对热导率的影响进行了研究 由于 大粒径的碳化硅粒子之问更容易才1I互连接形成导热通路 因此 填料比例较小时 粒径大的碳化硅填料对室温硫化硅橡胶的导热性 能提高更为明显 当填料比例高于某一比例时 由于碳化硅粒子数I 4足够多 因此粒径小的碳化硅粒子也能棚互接触形成导热网链 从 而使粒径对硅橡胶导热性能的影响差别减小 1绪论1 3 4复合材料的介电改性1 3 4 1复合介电模型随着介 电弹性体的研究发展 高介电材料已经不再局限于陶瓷材料 通过在硅橡胶 环氧等材料中添加高介电常数填料 必然会引起多 棚复合材料的介电常数升高 南于其提高程度与填料质量分数关系 与填料本身性能及与基体的结合等因素之问的微观关系尚不清楚 而且对不同材料应用频段的不同 因此复合材料介电常数与成分之 问的关系日前尚在探索之中 其中最常用的数学模型是J ayasundere Smi th模型和Bruggeman模型 39 40 刍g二尘 墨塑 垒 鱼 兰刍狸 至堡二垒 鱼 三垒 1一矽 3 乞 2厶 1 3 q一毛 毛 Z 13 其中 为高介电常数填料的质量分数 毛 t为绝缘基体和填料 的相对介电常数 满足乞 如 由此可推导m Jc J o 此时 屯场按电5儿率参数分布 可rfl稳恒电流场方程 44l 451 拭述 不同材料的交界而条件f 1法向全电流连续退化为法向传导电流连续 亦即矗1 矾2 因此 直流场条件下 开关本体的电场分布应采用传导电流场方法 求解 46 工频交流屯场作用下 电压周期远小于介质的弛豫时问 冈此传导 电流远小于位移IU流 因此 交流场下fU缆附件巾I乜场应按材料的 介I乜常数分布 此时 拭述电场分布的方程有恒定电流场方程退化 为静电场方程 不同材料的交界而亦有法相全电流连续退化为电位移连续 即DIfD2 斟此 交流电场下 也缆附件巾电场分布应采用静电场方法求解 2 1 2电缆终端计算模型选择实体建模以长沙电缆附件厂某型号产 品为原型 其基木结构如图2 1 下页 2 1 3电缆终端建模2 1 3 1电缆终端材料参数根据电缆对交直 流电场下电缆终端电磁场分析 采川ANSYS有限元软件对电缆终端进 行建模仿真 二 0体模型参数如表2 1 表2 1屯缆材料基本电气参数结构材料尺 J ram I乜导率 S m 棚对介I l常数导体铜300 58X10810z绝缘层XLPE3410q 2 5半 导体屏蔽层PE 无纺布ll O 2 5应力锥硅橡胶l O10 13 l2 3 104金属护套铝60 38X108105空4t空 e lO 23l162电缆系统的有限元仿真分析力彭接线埔 线苍含罩帽绝缘主 体铜编织带00图2 1长沙电缆附件厂预制式终端结构2 1 3 2模 型设置整体模型图及电缆终端应力锥局部模型如图2 2 电缆终端外围空气区域半圆区域半径4000mi n 用来模拟有限空气场中电场分布 外围300IIIITI 模拟无限远 空气中电场分布 应力锥根部采用半径为O 5i llln圆弧处理 如图2 2 b 删图2 2电缆终端整体结构 a 与局部结构 b 模型由于电缆终端 具有轴对称性 因此采用二维模型替代三维结构 基于上述172l 缆系统的有限元仿真分析 曼皇鼍曼鼍置曼曼皇曼曼寰皇舅皇基曼鼍 曼曼曼皇舅曼皇曼曼 曼 曼皇曼曼曼皇皇皇曼曼曼E曼曼曼 曼曼曼 曼皇皇曼曼鼍I一一一 曼I对电缆电场分析 直流运行条件下电缆终端分析类型为电流场 选用Pl ane230单元 交流运行条件下I乜缆终端分析类型为静I乜场 选川P l anel21单元 根据电场分析为更好模拟实际电场分布 在外同增加静电场分析无 限远单元区域 选丌 Infi nl10单元 各个单元属性如表2 2 表2 2ANSYS静电场单元揣述2 1 3 3模型剖分剖分过程巾 对无 限远区域赋予和空气棚同的I乜气参数 剖分采用映射网络 对伞群结构进行细化处理 设饩单元尺寸0 l mm 其他结构均采用剖分精度为l 自Fh剖分结果如图2 3 下页 共划分单元数256953 节点数520333 182 1O 2电缆系统的有限元仿真分析一 图2 3计算区域剖 分示意图 b 图2 5电缆终端整体 a 与局部 b 电场分布192电缆系 统的有限元仿寅分析从图中可以看出应力锥对电缆终端起到了一定 的改善作用 计算得到电场强度最大值位于电缆导体与绝缘层交界 面 最大场强23 486kWmm 根据同轴圆柱电极间隙中电场分布 双 层绝缘同轴电缆电场计算公式为 删E 二 一 2 4 rnn生 Cll n垒 i乞呸 其中U为电位差 眨 为导体 绝缘层 1 绝缘层2的半径 62为绝缘层 1 绝缘层2的介电常数 忽略电缆绝缘屏蔽层影响 计算得到绝缘层表面电场强度的理论计 算值为23 4959kWmm 对比理论计算与仿真结果可见 二者非常接 近 可以证明ANSYS计算结果是可信的 2 1 4直流电场结果分析2 1 4 1应力锥曲面电场分析以应力锥 曲面上剖分节点和应力锥根部之间的距离为横坐标 通过ANSYS后处 理程序得到应力锥面上的电位分布 电场强度 轴向场强与径向场 强分布如图2 6 图2 7 电场的不均匀系数如表2 3 2502 一 50主扣50O0204060801001xx040 1 沿应力锥曲面 长度 ram 沿应力锥曲面长度 a b 图2 6料电阻率对应力锥 曲面电位 a 与电场 b 分布影响20 r王酽睡乳删 2电缆系统的有限元仿寅分析 箍力锥曲酱长度 盏 1 沿应40力锥曲n面O长度 一 80 图2 7直流电场下材料电阻率变化对应力锥曲面径向 a 与轴向 b 电场影响表2 3电阻率对应力锥曲面电场不均匀系数影 响电场不均匀系数2 88801 55361 33891 31911 31671 31651 31651 3164由图2 6可知 直流电场下 电缆终端电场分布规律 按照各部分材料电阻率分布 当材料为绝缘材料时 电阻率 10 必m 用应力锥没有改善作用 应 力锥附近电位从电缆金属护套末端开始 下降趋势十分明显 相应的从电场强度分布中可以看出 电场最大值和畸变较为严重部 分位于电缆应力锥起始处 随着应力锥材料电阻率的降低 其电位 下降趋势逐渐缓和 应力锥根部电场分布逐渐趋于缓和 由于所选 应力锥形状原因 电场集中部位转移至应力锥距离起始端1 3处 另外随着应力锥材料电阻率降低 其末端电位上升 由于应力锥形 状控制不够均匀而导致末端附近电场发生轻微畸变 从材料电阻率与电场不均匀系数关系可以看出 随着电阻率降低 电场由不均匀电场逐步转变为稍不均匀电场 电阻率小于109Q m时 由于应力锥曲面上电场畸变程度增加 电场不均匀系数减小趋势 降低 从径向电场与轴向电场分布可以看出 应力锥面径向电场强度随着 材料电阻率下降 其方向随着电场改变发生转向 综合两者可以得出 当应力锥材料为绝缘材料时 应力锥没有优化 作用 当其电阻率小于1010Q m以下时 应力锥根部轴向电场均由 原来的10kV mm 降低至2kV mm以下 符合电缆附件在高压下的使 用条件 另外应力锥端部在半导电条件下电位抬升较大 端部电场径向分量 和轴向分量有所升高 应通过提高结构设计与生产工艺解决 由于本文主要探讨应力锥材料属性对电场分布影响 对结构优化暂 不分析 21O24O8O2一I 占趔嘿墼f脚厘撂 一0 一趟譬脚画强 I2电缆系统的有限元仿贾分析2 1 4 2应 力锥与绝缘层交界面电场分析如前所述 电缆附件中电场主要集中 部分是应力锥面和硅橡胶与电缆绝缘层交界面 交界面上若有毛刺 或者其他杂质 易形成局部极不均匀电场 导致电场畸变程度加剧 引起局部放电 使得电缆绝缘层与硅橡胶附件间发生电化学与热 分解等反应 产生气体以及炭等物质 导致空间电荷集聚与发热加 剧 最终使得交界面发生界面击穿和沿面闪络的概率增大 直流电场下 随着应力锥材料电阻率变化 电缆附件中硅橡胶与绝 缘层交界面的电位 电场分布如图2 8 图2 9 Om200 兰掣1 脚1 O图2 8