电力电缆用半导电材料在不断进展.doc

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1、.电力电缆用半导电材料在不断进展        Karl-MichaelJager等  引言  自1960年代初期，使用XLPE电力电缆补充然后是替代纸绝缘电缆以来，这种电力电缆的可靠性不断得到提高，最重要的发展阶段是采用挤出导电屏蔽层（Sreens在北美称为Shields）、三层挤出、N2固化（替代蒸汽固化）、对XLPE化合物洁净度的要求提高以及使用高质量半导电材料，所有这些改进综合一起，已能安全设计和生产出可靠的电缆。然而，本文我们将关注的是半导电材料的最新资料。从所有电压[中压（MV）至超高压（EHV）]电缆得到的经验（使用和试验）已清楚表明半导电屏蔽层对电力电缆的成功运行起到极为重要的

2、作用，半导电混合物已成为前二十年快速发展的研究主题，并与电缆技术的其它进展保持同步，在本研究工作中，可能要识别半导电层发展过程中的三项通用导则：● 提高电气性能● 延长电缆耐久性● 更容易和更完善的加工工艺。在实现这些改进并将其转化成实际电缆性能时，必须要关注材料工艺下列的关键特征：● 改善电传导● 降低表面缺陷的密度和尺寸● 提高化学洁净度● 耐焦化性更好● 热稳定性更高● 高级测量技术（光滑度、焦化性等）本文综述了用过氧化物作交联的电缆在这些方面所取得的进步，而且说明在测量方法和材料工艺方面的发展趋势。电传导典型的电力电缆芯是由内外同心的半导电层（导体和绝缘屏蔽层）组成，这种结构的基本功能

3、是使介电绝缘中的电应力呈对称径向分布，并控制电缆内的电场。另外，绝缘屏蔽使电缆不会感应电压、限制无线电干扰及降低电击的危险性。此外，它提供一条泄漏电流和故障电流的对地通道。为保证电缆的正常功能，国际电缆规范规定了一个最大体积电阻率，例如90℃测定时250Ωm（CENELEC）或500Ωm（AEIC、IEC）。然而，商品半导电材料所设计的稳定体积电阻率则比规范值低得多，以保证有足够的电导率，而不考虑材料的加工、老化和运行条件。传导使聚合物具有电导率的最常用方法是添加碳黑，碳黑可以认为是从不完全燃烧的碳氢化合物中得到的粒状填料，在半导电材料中所常用的这类碳黑的基本粒度在15-50..nm之间。但这

4、些基本粒子会链接和聚集成团，其尺寸为几百纳米，基本粒子普遍聚集而成的这种“结构”被称为离散的刚性实体，它是最小的可分散单元。因为在集聚体内的粒子之间留有空隙，一种间接但非常有用的测量集聚体配容的方法是邻苯二甲酸二丁酯的量吸附数（DBPA），它说明填满空隙体积所需要的邻苯二甲酸二丁酯的量。显然，导电填料的特性相当复杂，商品碳黑类型的范围很广，只有深刻的理解聚合物和碳黑是如何发生互相作用，才能研制出最佳的导电体系。常用来说明半导体材料的碳黑网络与直流电导率之间关系的理论是渗透理论[1]。当导电填料粒子（这里是碳黑）以低的体积份φ被混入至聚合物母体时，粒子并不会从样品的一面向另一面传导电流，这是因为

5、粒子与粒子的接触数太少而不形成足够的导电通道。增加体积份，能使粒子间形成更多的连接，但这些接触点仍有可能能断开或本身碎裂。因聚合物母体对电流的阻力几乎为无穷大，在样品中未形成大量通道之前，整个材料的电导率一直很小（图1），在被称为渗透临界值的体积份φc下，电导剧速增大，浓度继续增高，几乎对电导率不造成影响，电导率上上升曲线成为一平台（图2）。采用这种方法，对渗透临界值φc以上的浓度，可以建立直流电导率δ直流与填料体积分φ的关系（1）：   δ直流∝（φ-φc）t          φ＞φc       （1）式中t是指数，理论上应等于2，φc是渗透临界值时的体积份，理论上约0.16。虽然对碳黑

6、充填的半导电材料，t值往往可以从理论上作出估计，但实际上渗透临界值与理论值相差很大，经常是估计过高（图2）。实际渗透临界值取决于原材料的选择（碳黑类型和聚合物类型）、混合条件和挤出条件，这就使在控制半导电材料的电导率时该参数基本为设计变数。重要的是要注意并不是说渗透临界值尽可能低就能得到最佳工艺特性，这基本上是因为1）碳黑集聚体的物理接触点不仅能导电，而且会使机械连接增强，从而显著影响流变性能；2）载流通道未必需要物理接触，这将在下面予以说明。因此，只要正确设计导电网络，对达到合适电导率所要求的含碳黑量较多的半导电材料，其流变性能可能要比含量较低的材料要好的多。简单的渗透模型（1）对理解电导率

7、与碳黑体积份如何相关提供了良好的基础。然而，因为不能提供完整的导电网络图，且该网络在设计过程中还是十分重要，因此需要作一些更详细的解释。渗透理论假定每个球（图1）成为导体或绝缘体具有同等概率，这个要求在碳黑复合物中并不成立。碳黑集聚体（“导电圆球”）趋向于互相接触，而集聚成更大的结构[2]，渗透模型的结果是使导电圆球附近的圆球成为另一个导电圆球的概率增大。采用“有效体积概念”可以弥补这个问题[3]