高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法及系统技术方案

一种高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化的方法及系统，包括：获取高压交流电缆半导电屏蔽料配方，包括基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂的种类；通过种类指标分析I获得优选基体树脂；通过种类分析指标II、用量分析指标II获得优选导电炭黑；准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、偶联剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，种类分析指标Ⅲ、用量分析指标Ⅲ进行优选；准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，通过种类分析指标Ⅳ、用量分析指标Ⅳ进行优选；对获得的材料配方进行配方性能校验，得到优化配方或重新进行选择。本发明专利技术提高了高压交流电缆半导电屏蔽料普遍关注的关键性能。交流电缆半导电屏蔽料普遍关注的关键性能。交流电缆半导电屏蔽料普遍关注的关键性能。

【技术实现步骤摘要】
高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法及系统


[0001]本专利技术属于输电
，更具体属于高压交流电缆半导电屏蔽料
，涉及一种高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着远距离高压输电的快速发展，高压电缆的需求量一直在增加，对于高压电缆材料的研发工作显得尤为迫切。相对于中低压电缆，高压、超高压电缆对屏蔽料的性能及挤出状况提出了更高的要求，即屏蔽料成品的超清洁，挤出表面的超光滑。因而对屏蔽料的原料，配方，生产工艺等均有更严苛的要求。目前，35kV及以下的交联聚乙烯(XLPE)电缆用屏蔽料已基本实现国产化，但110kV及以上高压半导电屏蔽料研发基本处于空白区域。高压交流电缆半导电屏蔽料以乙烯
‑
丙烯酸丁酯(EBA)或乙烯
‑
丙烯酸乙酯(EEA)为基体树脂，添加导电炭黑、功能助剂等填料，通过双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，并加入交联剂进行预交联制备而成。
[0003]半导电屏蔽层主要由乙烯
‑
醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)和导电炭黑(CB)组成。此外在制备过程中，还需添加交联剂、润滑剂、抗氧剂等。EVA用于提高半导电屏蔽料延展性，PE用于改善半导电屏蔽料与绝缘层界面相容性，而炭黑用于调节半导电屏蔽料电阻率。一般来说半导电屏蔽料电阻率要求＜103Ω
·
cm，因此需要添加大量炭黑或其它导电填料。高填充带来半导电屏蔽料加工性变差、力学性能劣化等问题。半导电屏蔽料基体树脂随着温度升高体积膨胀会破坏由导电填料组成的导电网络，从而造成材料电阻率急剧上升，尤其是当温度接近基体树脂熔点附近，导电网络被大量破坏，呈现明显的正温度系数(PTC)效应。PTC效应严重限制XLPE电缆使用温度，因此半导电屏蔽料不仅需要具备良好的电阻率，电阻率的温度稳定性也同样重要
[0004]高压交流电缆半导电屏蔽材料配方设计主要包括：确定基础树脂选择，设计导电炭黑配方、设计分散配方、设计交联反应配方等四个大部分。以往为设计出高压交流电缆半导电屏蔽材料的配方，通常需要对多种基体树脂、多种导电炭黑、多种抗氧剂、多种交联剂在多个组分下开展全面实验，对不同配方的材料性能做全面的对比和分析，之后得到合格的配方。如前文所述，不同的基体树脂和导电炭黑有显著性能差异，同时，交联剂和分散剂两种重要的配方添加剂对屏蔽料的各项性能由很大的影响，显然高压交流电缆半导电屏蔽材料配方设计是一个复杂问题，对于复杂问题的解决，理论上可以采用正交试验法，正交试验法原理上具有试验次数少、效果好、方法简单、使用方便、效率高等诸多优点。然而，半导电屏蔽料材料的性能评价存在机械性能、电气性能、表面光洁度、交联特性等多个方面，交联剂、分散剂、导电炭黑相互作用的机理复杂，采用正交试验法很不精确，无法确定试验规律，也并不能得到可靠的结果。
[0005]目前，我国企业生产的高压电缆半导电屏蔽料仍存在批量化制备产品电阻率不稳定、表面光洁度差等问题。并且生产所用的高压屏蔽料基础树脂和导电炭黑均采用国外进口，因此尚未真正意义上实现国产化。现在国内厂家制造高压交流电缆半导电屏蔽料设计
材料配方时，并没有依据确定可行的方法。目前确定材料配方主要有两种形式：一种是依据国家标准，通过大量不系统、不成体系的试验探索得到的初步配方；另一种，则是借鉴了常用的半导电屏蔽料配方，并未根据其采用的具体材料特性而做配方的优化设计。前一种方法的配方设计由于缺乏系统方法设计，具有明显的盲目性，造成大量的时间、人力、物力的浪费。后者，由于厂家具体采用的基体树脂、导电炭黑、功能助剂、分散剂、交联剂的牌号和生产厂家不同，材料的性能也有明显不同，若采用其它商用材料的配比，并未考虑原材料差异所致的影响，因此也不能得到最优的材料配方。
[0006]国内对于半导电屏蔽料的开发研制起步较晚，从上世纪90年代才开始陆续有电缆制造企业开始使用国产10kV电缆屏蔽料。经过多年的技术研发积累，目前35kV及其以下屏蔽料已完全实现国产化，但110kV及其以上电压等级的高压电缆用屏蔽料仍主要依赖进口。材料配方设计缺失，将导致研发成本和研发周期的增大。现在高压电缆半导电屏蔽料制造商但面临以下三种情况，需要对配方进行优化：(1)高电压等级电缆半导电屏蔽料其各项材料性能任然与国际先进水平存在差距，需要对材料体系配方进行优化。(2)高压电缆半导电屏蔽料用导电炭黑需要进口，基于国产导电炭黑研究屏蔽料配方任处于探索阶段，此时材料的性能发生变化，配方需要重新优化(3)加工助剂、分散剂和交联剂会相互影响，对材料性能产生影响，因此对其材料类型以及含量的系统性研究极为重要。
[0007]综上，高压电缆半导电屏蔽料配方设计和优化是改善材料性能和产品升级的关键。然而，目前缺乏系统性的配方设计和优化方法。现有技术多是盲目性、大体量的试验，极不利于缩短研发周期和提升半导电屏蔽材料性能，存在至少以下问题：(1)缺乏对不同材料类型的系统性选择；(2)缺乏对材料配方的系统性研究，实验周期长；(3)配方设计仅参考基本相关标准，欠缺对关键性能的评价和优化。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种设计和优化高压电缆半导电屏蔽材料的方法，能够提高对高压交流电缆半导电屏蔽料普遍关注的关键性能的关注，实现对材料配方的系统选择和优化。
[0009]本专利技术采用如下的技术方案。
[0010]一种高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：获取高压交流电缆半导电屏蔽料配方，所述高压交流电缆半导电屏蔽料配方包括基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂的种类；
[0012]步骤2：基于步骤1中获取的基体树脂种类，对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试并通过种类分析指标I进行种类分析，获得优选基体树脂；
[0013]步骤3：基于步骤1中获取的导电炭黑种类，对不同种类导电炭黑进行微观结构与性能测试，依次通过种类分析指标II、用量分析指标II进行选择，获得优选导电炭黑；
[0014]基于步骤2、3优选的基体树脂和导电炭黑，准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、偶联剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，其中多组基体树脂、导电炭黑、润滑剂、抗氧剂和交联剂的质量份数保持不变，设置偶联剂与分散剂质量分数比为1：1，对多组分散剂与偶联剂种类进行筛选，再对其最优质量分数进行分析，对每组共混物的试样进行测试，依次通过种类分析指标Ⅲ、用量分析指标Ⅲ两级指标进行优选，获得优化分散配方；
[0015]步骤5：基于步骤2、3优选的基体树脂和导电炭黑，准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，其中多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂和抗氧剂共混物的质量份数保持不变，多组交联剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过种类分析指标Ⅳ、用量分析指标Ⅳ两级指标进行优选，获得优化交联剂配方；
[0016]步骤6：对获得的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取高压交流电缆半导电屏蔽料配方，所述高压交流电缆半导电屏蔽料配方包括基体树脂、导电炭黑、分散剂、偶联剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂的种类；步骤2：基于步骤1中获取的基体树脂种类，对纯基础树脂热压成型制成的试样进行测试并通过种类分析指标I进行种类分析，获得优选基体树脂；步骤3：基于步骤1中获取的导电炭黑种类，对不同种类导电炭黑进行微观结构与性能测试，依次通过种类分析指标II、用量分析指标II进行选择，获得优选导电炭黑；步骤4：基于步骤2、3优选的基体树脂和导电炭黑，准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、偶联剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，其中多组基体树脂、导电炭黑、润滑剂、抗氧剂和交联剂的质量份数保持不变，设置偶联剂与分散剂质量分数比为1：1，对多组分散剂与偶联剂种类进行筛选，再对其最优质量分数进行分析，对每组共混物的试样进行测试，依次通过种类分析指标Ⅲ、用量分析指标Ⅲ两级指标进行优选，获得优化分散配方；步骤5：准备多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂、抗氧剂和交联剂共混物，其中多组基体树脂、导电炭黑、分散剂、润滑剂和抗氧剂共混物的质量份数保持不变，多组交联剂的质量份数呈从小到大设定序列排序，对每组共混物的试样进行测试，依次通过种类分析指标Ⅳ、用量分析指标Ⅳ两级指标进行优选，获得优化交联剂配方；步骤6：对获得的材料配方进行配方性能校验，当测试结果参数全部满足要求时，该材料配方视为优化配方，否则更换配方并重新进行校验。2.根据权利要求1所述的高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法，其特征在于，所述步骤2、3、4、5中，种类分析是指判断测试结果参数满足种类分析指标I、II、III、Ⅳ，若满足视为合格，若不满足，则放弃该材料，进入下一种备选材料的种类分析，直到所有备选材料完成种类分析指标I、II、III、Ⅳ的测试，筛得满足种类分析指标I的材料，然后进入用量分析指标I、II、III、Ⅳ。3.根据权利要求2所述的高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法，其特征在于：种类分析指标I包括：基于差示扫描量热测试获得基体树脂的结晶行为，基于应力
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应变测试获得的拉伸强度参数和断裂伸长率参数，基于热重分析测试获得材料热稳定性，基于动态热机械分析表征粘弹性材料力学性能与温度的依赖关系，基于旋转流变仪测得的流变性能参数，基于熔融指数测试仪测试熔融指数。4.根据权利要求2所述的高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化的方法，其特征在于：种类分析指标Ⅱ包括：基于XRD测试获得碳材料的晶化程度和晶粒尺寸，基于扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察获得CB粒子聚集形态并对其导电炭黑粒径进行统计，基于X射线光电子能谱分析测试获得CB元素含量，基于万用表测试获得CB导电性能。5.根据权利要求2所述的高压交流电缆半导电屏蔽料配方设计和优化方法，其特征在于：用量分析指标Ⅱ包括：复合材料电阻率参数和机械性能参数，对所有组分的材料进行优先级排序，电阻率特性越低，优先级越高；
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【专利技术属性】
技术研发人员：侯帅，傅明利，贾磊，黎小林，展云鹏，惠宝军，朱闻博，冯宾，张逸凡，何文，周粤，黄罡，李欢，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司东莞供电局，
类型：发明
国别省市：