一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法

1.本发明属于绝缘材料领域，尤其涉及一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法。


背景技术：

2.高压直流(hvdc)输电系统由于具有输送容量和距离不受限制等优点，被广泛应用于目前的电力输送网络中。由于在直流电场下电缆绝缘面临着内部易发生空间电荷积累的问题，因此为了更好地适应电网直流运行电压等级的提高，多种方法被用于提高电缆的耐电性能，其中添加电压稳定剂就是重要的方法之一。
3.目前，有关电缆绝缘材料中电压稳定成分优化设计的研究相对较少，虽然添加某种电压稳定剂后确实能够提升电缆绝缘材料的某些绝缘性能，例如直流击穿场强等，但是材料的导热特性以及影响绝缘的其他性能指标则有可能会变差。因此，基于工程等实际应用方面的考量，探索一种综合评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法，将会对电缆绝缘材料中电压稳定成分的优化设计起到十分重要的指导作用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法，本发明提供的方法在同时考虑了电气特性和热学特性的情况下对电缆绝缘材料进行了综合评价，评价结果更符合工程实际的需要，对电缆绝缘材料中电压稳定成分的优化设计具有一定的指导意义。
5.本发明提供了一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法，包括以下步骤：
6.a)制备一系列电压稳定成分不同的电缆绝缘材料样品；
7.b)对所述电缆绝缘材料样品的电导率、电导率温度敏感性、直流击穿场强和热导率进行测量，得到不同电缆绝缘材料样品的测量数据；
8.c)采用topsis模型，以电导率和电导率温度敏感性作为成本型指标，直流击穿场强和热导率作为效益型指标，将各个所述电缆绝缘材料样品的测量数据代入模型中，得到每个电缆绝缘材料样品的综合评分，综合评分最高的电缆绝缘材料样品所对应的电压稳定成分为最优。
9.优选的，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品中含有的电压稳定成分包括4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸中的一种或多种。
10.优选的，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品包括样品1～7，其所含有的电压稳定成分具体如下：
11.样品1中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸；
12.样品2中含有的电压稳定成分为2,5-二甲氧基苯硼酸；
13.样品3中含有的电压稳定成分为邻甲氧基苯硼酸；
14.样品4中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲
氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为1:3:6；
15.样品5中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为6:1:3；
16.样品6中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为3:6:1；
17.样品7中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为1:1:1。
18.优选的，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品中电压稳定成分的总量占电缆绝缘材料基材质量的0.5～2wt％。
19.优选的，步骤a)中，不同所述电缆绝缘材料样品中电压稳定成分的总质量含量相同。
20.优选的，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品中的电缆绝缘材料基材为交联聚乙烯。
21.优选的，步骤b)中，所述电导率包括电缆绝缘材料样品在多个测量温度下的电导率。
22.优选的，步骤b)中，所述电导率的测量温度包括30℃、50℃和70℃。
23.优选的，步骤b)中，所述热导率包括电缆绝缘材料样品在多个测量温度下的热导率。
24.优选的，步骤b)中，所述热导率的测量温度包括30℃、50℃和70℃。
25.与现有技术相比，本发明提供了一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法，包括以下步骤：a)制备一系列电压稳定成分不同的电缆绝缘材料样品；b)对所述电缆绝缘材料样品的电导率、电导率温度敏感性、直流击穿场强和热导率进行测量，得到不同电缆绝缘材料样品的测量数据；c)采用topsis模型，以电导率和电导率温度敏感性作为成本型指标，直流击穿场强和热导率作为效益型指标，将各个所述电缆绝缘材料样品的测量数据代入模型中，得到每个电缆绝缘材料样品的综合评分，综合评分最高的电缆绝缘材料样品所对应的电压稳定成分为最优。本发明提供的方法在同时考虑了电气特性和热学特性的情况下对添加不同电压稳定成分的电缆绝缘材料进行了综合评价，评价结果更符合工程实际的需要，对电缆绝缘材料中电压稳定成分的优化设计具有一定的指导意义。
具体实施方式
26.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明提供了一种评价不同电压稳定成分电缆绝缘材料的方法，包括以下步骤：
28.a)制备一系列电压稳定成分不同的电缆绝缘材料样品；
29.b)对所述电缆绝缘材料样品的电导率、电导率温度敏感性、直流击穿场强和热导率进行测量，得到不同电缆绝缘材料样品的测量数据；
30.c)采用topsis模型，以电导率和电导率温度敏感性作为成本型指标(即越低越好)，直流击穿场强和热导率作为效益型指标(即越高越好)，将各个所述电缆绝缘材料样品的测量数据代入模型中，得到每个电缆绝缘材料样品的综合评分，综合评分最高的电缆绝缘材料样品所对应的电压稳定成分为最优。
31.在本发明提供的方法中，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品含有电缆绝缘材料基材和电压稳定成分；其中，所述电缆绝缘材料基材优选为交联聚乙烯；所述交联聚乙烯的密度优选为0.9～0.95g/cm3，具体可为0.922g/cm3；所述交联聚乙烯的熔体质量流动速率(190℃/2.16kg)优选为1.5～2.5g/10min，具体可为2g/10min；所述交联聚乙烯的拉伸强度优选为≥17mpa；所述交联聚乙烯的断裂伸长率优选为≥450％；所述电压稳定成分优选包括4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸中的一种或多种，4-异丙氧基苯甲酸的化学结构如式(i)所示，2,5-二甲氧基苯硼酸的化学结构如式(ii)所示，邻甲氧基苯硼酸的化学结构如式(iii)所示：
[0032][0033]
在本发明提供的方法中，步骤a)中，所述不同电压稳定成分是指电缆绝缘材料样品中所含有的电压稳定剂的种类和/或含量不同。在本发明提供的一个实施例中，所述电缆绝缘材料样品包括样品1～7，其所含有的电压稳定成分具体如下：
[0034]
样品1中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸；
[0035]
样品2中含有的电压稳定成分为2,5-二甲氧基苯硼酸；
[0036]
样品3中含有的电压稳定成分为邻甲氧基苯硼酸；
[0037]
样品4中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为1:3:6；
[0038]
样品5中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为6:1:3；
[0039]
样品6中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为3:6:1；
[0040]
样品7中含有的电压稳定成分为4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸，4-异丙氧基苯甲酸、2,5-二甲氧基苯硼酸和邻甲氧基苯硼酸的质量比为1:1:1。
[0041]
在本发明提供的方法中，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品中电压稳定成分的总
量优选占电缆绝缘材料基材质量的0.5～2wt％，具体可为0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％或2wt％，最优选为1wt％。
[0042]
在本发明提供的方法中，步骤a)中，不同所述电缆绝缘材料样品中电压稳定成分的总质量含量优选为相同。
[0043]
在本发明提供的方法中，步骤a)中，所述所述电缆绝缘材料样品中的电缆绝缘材料基材优选为交联聚乙烯；所述交联聚乙烯的密度优选为0.9～0.95g/cm3，具体可为0.922g/cm3；所述交联聚乙烯的熔体质量流动速率(190℃/2.16kg)优选为1.5～2.5g/10min，具体可为2g/10min；所述交联聚乙烯的拉伸强度优选为≥17mpa；所述交联聚乙烯的断裂伸长率优选为≥450％。
[0044]
在本发明提供的方法中，步骤a)中，所述电缆绝缘材料样品的具体制备步骤优选包括：
[0045]
将电缆绝缘材料基材和电压稳定成分混合，热压，冷却，得到电缆绝缘材料样品。
[0046]
在本发明提供的上述制备步骤中，所述混合的具体过程优选包括：将电缆绝缘材料基材的粉末、电压稳定成分的粉末和挥发性有机溶剂混合，随后蒸出溶剂，得到电缆绝缘材料基材与电压稳定剂的共混物。其中，所述电缆绝缘材料基材的粉末优选由电缆绝缘材料基材冷冻脆化后研磨制成；所述电压稳定成分的粉末可直接购买获得；所述挥发性有机溶剂优选为乙醇；所述混合的温度优选为15～35℃，具体可为25℃(室温)；所述混合的时间优选为1～5h，具体可为2h；所述蒸出溶剂的方式优选为旋转蒸发。
[0047]
在本发明提供的上述制备步骤中，所述热压的温度优选为150～200℃，具体可为180℃；所述热压的压力优选为18～25mpa，具体可为20mpa；所述热压的时间优选为10～60min，具体可为30min。
[0048]
在本发明提供的上述制备步骤中，所述冷却优选在保压条件下进行，即保持热压时的压力。
[0049]
在本发明提供的上述制备步骤中，冷却结束后，优选对冷却后得到的材料进行脱气，以消除交联副产物的影响。其中，所述脱气的温度优选为60～90℃，具体可为70℃；所述脱气的时间优选为8～16h，具体可为12h。
[0050]
在本发明提供的方法中，步骤b)中，所述电导率优选包括电缆绝缘材料样品在多个测量温度下的电导率，所述测量温度优选包括30℃、50℃和70℃；测量所述电导率时的电场强度优选为40kv/mm；测量所述电导率时的极化和去极化时间优选分别为30min和15min。
[0051]
在本发明提供的方法中，步骤b)中，所述电导率温度敏感性是指电导率对温度的敏感程度，即温度升高后电导率变化的大小。
[0052]
在本发明提供的方法中，步骤b)中，所述直流击穿场强为反映电缆绝缘材料耐直流击穿性能的技术指标，其具体测量过程为：在常温下对测量样品施加快速升压的直流电压，直到试样击穿，升压速率优选为1kv/s；分别重复12次试验，得到样品的直流击穿场强weibull分布图，将63.2％概率处的击穿场强作为统计结果所得的击穿结果。
[0053]
在本发明提供的方法中，步骤b)中，所述热导率优选包括电缆绝缘材料样品在多个测量温度下的热导率，所述测量温度优选包括30℃、50℃和70℃。
[0054]
在本发明提供的方法中，步骤c)中，所述topsis模型即根据有限个评价对象与理
想化目标的接近程度进行排序的评价模型，是在现有的对象中进行相对优劣的评价，是一种逼近于理想解的排序评价模型。topsis模型的基本原理为：通过测量评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好，否则不为最优；其中，最优解的各指标值都达到各评价指标的最优值，最劣解的各指标值都达到各评价指标的最差值。
[0055]
在本发明提供的方法中，步骤c)中，采用所述topsis模型进行数据分析和计算的具体过程如下：
[0056]
1)将原始数据矩阵正向化，全部化成极大型指标：
[0057][0058]
其中，x为指标的测量值，f(x)是正向化后的值，区间型指标计算中m＝max|x-best|。
[0059]
2)将正向化后的矩阵标准化，以消除量纲的影响：
[0060][0061][0062]
其中，x
ij
是第i个选项的第j个指数，n矩阵代表m个选项(不同评价对象)，每个选项有n个指数(评价指标)需要评估，f(xij)代表归一化后的数值，都是效益型指标，这意味着更大的值代表更好的性能。
[0063]
3)计算每个方案各自与最优解和最劣解的距离：
[0064][0065][0066]
其中，第i个选项与最优解的距离，第i个选项与最劣解的距离，是第j个指标中最大值，是第j个指标中最小值。ωj是该指标所对应的权重。
[0067]
4)根据各个选项的综合距离进行评分：
[0068][0069]
其中，fi是第i个选项的综合距离得分，是同时考虑了该选项与最优方案和最劣方案的距离的评分。
[0070]
本发明提供的方法在同时考虑了电气特性和热学特性的情况下对添加不同电压稳定成分的电缆绝缘材料进行了综合评价，评价结果更符合工程实际的需要，对电缆绝缘材料中电压稳定成分的优化设计具有一定的指导意义。
[0071]
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
[0072]
实施例1
[0073]
不同电压稳定成分的电缆绝缘材料样品的制备：
[0074]
在本实施例的下述制备过程中，所使用的交联聚乙烯的密度为0.922g/cm3，熔体质量流动速率(190℃/2.16kg)为2g/10min，拉伸强度为17mpa，断裂伸长率为450％。
[0075]
样品1：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.6g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.6g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0076]
样品2：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.6g 2,5-二甲氧基苯硼酸电压稳定剂粉末，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.6g 2,5-二甲氧基苯硼酸电压稳定剂粉末的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0077]
样品3：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.6g邻甲氧基苯硼酸电压稳定剂粉末，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.6g邻甲氧基苯硼酸电压稳定剂粉末的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0078]
样品4：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.06g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.18g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.36g邻甲氧基苯硼酸，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.06g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.18g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.36g邻甲氧基苯硼酸的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0079]
样品5：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.36g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.06g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.18g邻甲氧基苯硼酸，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.36g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.06g 2,
5-二甲氧基苯硼酸和0.18g邻甲氧基苯硼酸的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0080]
样品6：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.18g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.36g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.06g邻甲氧基苯硼酸，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.18g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.36g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.06g邻甲氧基苯硼酸的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0081]
样品7：将60g交联聚乙烯浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10000r/min的超离心粉碎仪中研磨成xlpe粉末。加入0.2g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.2g 2,5-二甲氧基苯硼酸和0.2g邻甲氧基苯硼酸，使其与xlpe粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2小时后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制得电压稳定剂/xlpe共混物。随后，将共混后的粉末放置在模具中，在180℃和20mpa下的平板硫化机中热压30分钟，之后恒压下快速冷却至室温，制得厚度约为150μm的含有0.2g 4-异丙氧基苯甲酸电压稳定剂粉末、0.2g2,5-二甲氧基苯硼酸和0.2g邻甲氧基苯硼酸的xlpe试样。最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。
[0082]
实施例2
[0083]
不同电压稳定成分电缆绝缘材料的性能测量：
[0084]
对实施例1制备的样品1～7进行电导率、电导率温度敏感性(温度升高后电导率的差值)、直流击穿场强和热导率的测量，具体测量方法如下：
[0085]
1)电导率和电导率温度敏感性：在40kv/mm的电场下，使用与keithley6517b相连的三电极系统在30℃、50℃和70℃时测量直流传导电流，得到不同温度下的电导率和温度升高后电导率的差值；测量时的极化和去极化时间分别为30分钟和15分钟。
[0086]
2)直流击穿场强：在常温下对电缆绝缘材料施加快速升压(升压速率为1kv/s)的直流电压，直到试样击穿，为防止闪络，将球板电极及试样放置在变压器油中；分别重复12次试验，得到试样的直流击穿场强weibull分布图，将63.2％概率处的击穿场强作为统计结果所得的击穿结果。
[0087]
3)热导率：采用drl-iii仪器(湘潭市仪器仪表有限公司)测量样品在30℃、50℃和70℃时的热导率；测量过程中，将导热硅涂在测试样品表面上，以确保电极和样品表面的良好接触并传热。
[0088]
性能测量结果如表1所示：
[0089]
表1电缆绝缘材料样品的性能测量结果
[0090]
[0091][0092]
实施例3
[0093]
基于topsis模型，对不同电压稳定成分电缆绝缘材料进行综合评价：
[0094]
以电导率和温度升高后电导率的差值作为成本型指标，直流击穿场强和热导率作为效益型指标，将各个所述电缆绝缘材料样品的测量数据代入topsis模型中进行分析和计算，其中，各项评价指标(电导率、电导率温度敏感性、直流击穿场强、热导率)设置了相同的权重，不同温度下的同一指标的权重平均分配。利用topsis模型进行数据分析和计算的具体过程和程序代码在前文中已经介绍，在此不再赘述，综合评价结果如表2所示：
[0095]
表2电缆绝缘材料样品的topsis模型评价结果
[0096]
方案样品1样品2样品3样品4样品5样品6样品7得分0.10880.10760.07000.15780.17640.15410.1318
[0097]
通过表2可以看出，样品5的综合评分最高，为最优，其对应的电压稳定成分为：0.6wt％的4-异丙氧基苯甲酸、0.1wt％的2,5-二甲氧基苯硼酸和0.3wt％的邻甲氧基苯硼酸。
[0098]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。