基于聚丙烯的高压直流电缆绝缘改性与空间电荷特性研究

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1、基于聚丙烯的高压直流电缆绝缘改性与空间电荷特性研究ModificationandSpaceChargeInvestigationofPolypropyleneCompositesforHVDCCables一级学科：电气工程学科专业：高电压与绝缘技术研究生：徐航指导教师：杜伯学教授天津大学电气与自动化工程学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的

2、材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要传统交联聚乙烯直流电缆绝缘存在杂质多、生产工艺复杂和不可回收

3、再利用等缺点，开发非交联的环保型直流电缆绝缘，实现电缆绝缘材料的突破，对于直流电缆输电技术的发展具有重要意义。直流电缆绝缘材料在直流电场长期作用下容易产生空间电荷积聚，引起局部电场畸变并加速绝缘老化。本文以聚丙烯为研究对象，通过弹性体共混和无机纳米颗粒填充的方法对聚丙烯复合绝缘的机械性能和电性能进行综合调控，并对聚丙烯复合材料在机械拉伸条件下的空间电荷特性进行测试，以期为非交联环保型直流电缆绝缘的研发提供理论基础和实验依据。论文主要研究工作和取得的成果如下：（1）通过在聚丙烯基体中分别添加EPDM、POE和EVA三种弹性体以改善其机械韧性，对比不

4、同聚丙烯/弹性体共混物用于高压直流电缆的可行性。发现添加弹性体后，聚丙烯熔融温度、结晶温度和晶型等参数变化较小，其机械韧性得到明显提升；由于聚丙烯和弹性体相界面的影响，共混物中空间电荷积聚量增多，电荷消散速度变慢；随着弹性体含量的增加，聚丙烯的体电阻率增大，击穿场强下降；PP/EPDM共混物的电气性能较差，PP/EVA共混物的增韧效果不够显著，而PP/POE共混物的综合性能较为优异，有很大的潜力应用在高压直流电缆中。（2）通过在PP/POE共混物中添加纳米ZnO以改善其电气性能，发现聚丙烯纳米复合材料具有较高的熔点和良好的机械韧性；随着纳米ZnO

5、含量的增加，试样的空间电荷积聚总量先减小后增大，体电阻率和直流击穿场强呈现出先升高后降低的趋势；纳米ZnO在PP/POE共混物中引入深陷阱，从而抑制同极性电荷注入；同时采用弹性体共混和纳米颗粒填充的方法对聚丙烯进行改性是研制聚丙烯电缆绝缘材料的有效手段。（3）通过研究不同机械拉伸比下聚丙烯复合材料的空间电荷特性，发现机械拉伸后试样内部空间电荷总量增多；随着拉伸比的增加，试样的视在载流子迁移率先升高后降低，陷阱深度先减小后增大；对于POE含量较高的PP/POE共混物，其载流子迁移率出现最高值时对应的拉伸比较大；机械拉伸后，PP/POE/ZnO复合材

6、料保持了良好的空间电荷抑制能力，其内部空间电荷积聚量低于未添加纳米颗粒的聚丙烯共混物。关键词：直流电缆，聚丙烯，弹性体，纳米ZnO，空间电荷，机械拉伸I万方数据II万方数据ABSTRACTWiththedisadvantagesoftraditionalXLPEinHVDCcables,suchascross-linkingbyproducts,complicatedprocessingtechnologyandnon-recyclable,itisnecessarytodevelopenvironment-friendlycableinsula

7、tionmaterialstoachievethebreakthroughincableinsulatingmaterialsandpromotethedevelopmentofHVDCtransmissiontechnology.TheinsualtingmaterialsofHVDCpowertransmissioncableareseverlyrestrictedbytheaccumulationofspacecharge,whichcauseselectricfielddistortionandhasagreateffectonagein

8、gandbreakdowncharacteristics.Thisthesistakespopropylene(PP)asthestud