文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜SiR/CNT复合材料＞-
交联聚乙烯（XLPE）电缆被广泛用于电力传输系统，特别是在空间有限的城市和海底应用中。
根据服务数据，电力电缆系统的可靠性受到电缆附件（接头和终端）的限制，因为它们的故障概率比电缆本身高得多。
电缆附件的脆弱性与内部电场（E-field）的不均匀分布密切相关。这种局部强化的电场应力会导致电树和局部放电，进一步导致绝缘失效。
接下来，煜捷将为你讲述SiR/CNT复合材料的介电性，在电缆接头的优化设计中的作用。
传统上，利用结构性场分级部件（如应力锥和连接屏蔽）来控制电场分布。
如下图所示，场控制部件通常由半导电硅橡胶材料制成，作为电压分级电极。
通过优化应力锥的结构，电场被限制在周围绝缘介质可接受的水平。
尽管它们在电场分级方面很有效，但应力锥和绝缘介质之间在介电常数或电导率方面的强烈不匹配可能成为电场强化的新来源，特别是当考虑到不当的安装或残留的杂质。
最近，功能分级材料（FGMs）已经成为电气绝缘系统中电场调节问题的一个有前途的解决方案。
FGM是一种具有空间非均匀的微观结构和由此产生的异质性的介电常数和/或电导率的材料系统。
通过仔细调整介电性能的空间分布，可以有效地解决电场控制问题，从而在简化绝缘结构的情况下显著提高介电强度。
例如，Kato等人使用离心法制作的FGM间隔件在0.4MPa的SF6环境下，将50%的击穿电压提高了69%。
然而，在以前的研究中存在一些局限性，包括优化程序是在理想条件下进行的，没有考虑材料的可行性。
例如，利用非常高的最大允许率值（εr>100）来实现更好的电场调节性能，这通常不适用于实际的绝缘材料。
其他FGM配置在FGM电缆接头中的有效性，例如，通过拓扑优化设计的二维点状FGM，缺乏系统的调查。
在这项研究中，我们研究了不同类型的FGM在电力电缆接头中的适用性，其中对材料的可行性进行了实验研究。
-＜电缆接头材料＞-
A. 材料和方法
1) 原材料
为了调整接头绝缘材料的介电常数和电导率，在硅橡胶（SiR POWERSIL 737, Wacker Chemie AG）基体中掺入了不同数量的多壁碳纳米管。
如透射电子显微镜图像所示，MWCNTs的直径为2030nm，长度为500-2000nm。
在使用之前，对SiR基体进行了真空干燥处理（<10-1帕，40℃，8小时）。
将MWCNTs在N2气氛中球磨10小时，以打破聚集的颗粒，并进行干燥（在真空中60℃24小时）以消除残留的水分。
2）SiR/MWCNT试样的制作
如下图所示，SiR/MWCNT试样是按照以下步骤制备的。
材料混合： 使用三辊研磨机混合SiR基体的两种成分（A和B，A：B=1：1的重量）。
在研磨过程中，一定量的MWCNT填料被添加到硅材料中。三辊研磨过程持续了60-90分钟，以充分混合原材料并促进MWCNT纳米填料在SiR基体中的均匀分散。
脱气和成型： 将步骤1中产生的SiR/MWCNT混合物在真空中脱气30分钟，以消除内部气泡。
在脱气过程中，环境温度被提高到50℃。这样做是为了降低橡胶的粘度，促进脱泡过程。
脱气后的橡胶被放置在不锈钢热压模具中进行进一步的硫化处理。
两步硫化： 使用热压装置在120℃、15MPa压力下进行15分钟的第一次硫化。
然后，在200℃下进行第二次硫化，持续4小时，从而获得更好的机械和绝缘性能。
由此产生的SiR/MWCNT纳米复合材料被命名为SiR-x CNT，其中x是MWCNT填充物的百分数重量分数。
3) 表征
使用扫描电子显微镜（SEM，VE9800S，KEYENCE）观察SiR-x CNT复合材料的横截面微观结构。
在SEM观察之前，试样在液态氮中低温断裂，横截面被溅上金以避免电荷积累。在SEM观察期间，电子加速电压为15kV。
SiR-x CNT试样的介电性能（介电常数εr、介电损耗tanδ、体积电导率σv和击穿强度Eb）在所制备的橡胶板（100×100×0.5毫米）上进行了表征。
具体来说，εr和tanδ是用Schering电桥（2821HA，Tettex，瑞士）测量的，如下图所示。
σv（S/m）是用带有8009测试夹具（与ASTM D257兼容）的电测仪在500V直流电压下测试的，如图所示。每个试样的介电性能测试重复五次
使用下图中的实验装置对Eb进行了评估。
击穿试验是在交流电压下进行的，其中电压以1kV/s的速度增加，直到发生击穿。
对于每种类型的试样，Eb测试重复了15次以上，并使用双参数Weibull统计来分析数据。
拉伸性能是根据ISO 527标准测试的。在拉伸试验中，记录了应力-应变曲线拉伸强度（MPa）、拉伸模量（MPa）和断裂伸长率（%）。
从准备好的纯SiR或SiR/MWCNT橡胶板上切下哑铃形（5A型，如图所示）试样。
用一台万能试验机（MTS-880/25，美国）来进行拉伸试验。
在测试过程中，夹钳之间的初始距离为20毫米，拉伸速度为50毫米/分钟。试验重复了5次。
B. 介电性能
下图显示了介电常数（εr）、体积电导率（σv）、介电损耗（tanδ）和击穿强度（Eb）。
与纯SiR试样相比，即使采用非常低的MWCNT掺杂率，例如不超过0.5wt%，SiR-x CNT纳米复合材料的εr和σv也有很大增加。
具体来说，εr从2.24上升到15.85，σv从1.05×10-13 S/m上升到1.08×10-7 S/m。
εr和σv的快速增长可以归因于MWCNTs的大表面积、高长径比和高电导率，这很容易诱发Maxwell-Wagner-Sillars界面极化，并在纳米复合材料内部产生渗流传导路径，导致即使在非常低的掺杂比下也能提高介电率和导电率
然而，MWCNTs在SiR复合材料中的存在可能会限制其在电绝缘中的应用。
从图5c和5d可以看出，当MWCNT负载从0增加到0.5wt%时，tanδ从5.24×10-4上升到9.26×10-2，Eb从58.01 kV/mm下降到36.39 kV/mm，28.01 kV/mm，10. 92 kV/mm（SiR-0.3CNT），2.83 kV/mm（SiR-0.4CNT）和1.53 kV/mm（SiR-0.5CNT），表明绝缘性能急剧恶化。
介电损耗tanδ的大幅增加是由于σv的增加导致了传导损耗的上升。此外，SiR基体和CNT填料之间的界面上的Maxwell-Wagner-Sillars极化也会增加tanδ 。
击穿强度Eb的急剧下降主要是由于MWCNTs（>102 S/cm）和SiR（<10-14 S/cm）之间电导率的巨大差异造成的，这诱发了界面电场的强化，并导致CNT/SiR界面的击穿。
此外，由于介电损耗的增加，在交流电场下会产生更多的热量，这增加了热解和热击穿的可能性。
C. 机械性能
SiR-x CNT试样的应力-应变曲线显示在图a中。
当MWCNT的负载率不超过0.3wt%时，可以观察到线性的应力-应变关系。
在更高的加载比下，存在着对线性曲线的偏离，试样的断裂也会提前发生。
图b-d中描述了SiR-x CNT试样的拉伸模量Et、拉伸强度σt和断裂伸长率。
随着MWCNT含量的变化，拉伸模量几乎保持不变。当填充率小于0.3wt%时，拉伸强度和断裂伸长率都会增加，并随着MWCNT含量的增加而减少。
详细地说，拉伸强度和断裂伸长率在MWCNT含量为0.3wt%时都增加到最大，然后随着碳纳米管重量分数的进一步增加而降低。
此外，所有机械性能的标准偏差都小于10%，表明SiR试样的材料均匀性良好。
机械性能的变化与图中所示的SiR-x CNT纳米复合材料的微观结构相关联。
图a中所示的高长径比CNT填料类似于纤维增强塑料（FRP）中使用的玻璃纤维。
因此，MWCNTs的存在可以提高SiR-x CNT材料的机械强度，特别是当x小于0.3时。
对于更高的负载率，由于粒子间距离的减少，MWCNT粒子的聚集（如图b所示）很容易发生。
由于SiR聚合物和聚集的MWCNTs表面产生的机械应力集中和内部微裂缝，这些聚集会导致拉伸强度和断裂伸长率的下降。
-＜设计＞-
在本节中，设计了多层和点状的FGM接头，以评估其电场调节性能。根据实验数据，确定了许可率和电导率的变化范围。
A. 设计方法
下图显示了所研究的电缆接头的结构，它与市面上的110千伏产品相同。
最里面的部分是两根铜导体，通电后达到110千伏，由一个金属连接器连接。
金属导体和剩余的XLPE绝缘被SiR联合绝缘所包裹，其中的介电常数和导电率均匀地等于纯SiR材料（即SiR-0CNT）的值。最外面的部分是连接到地面的屏蔽层。
B. 多层FGM的优化结果
下图显示了多层ε-FGM中许可率和多层σ-FGM中电导率的径向分布情况。
在多层ε-FGM中，第一层的介电常数在优化后上升到εmax，但在其他层中仍为εmin。
对于多层σ-FGM，电导率分布在FGM-0.1CNT和FGM-0.2CNT中显示出类似的模式t。
随着更高的σmax，一些具有中等电导率的 "缓冲层 "出现在高σ层和低σ层之间。
电导率的分布模式的变化与介电性能的变化范围有关。
从图中，我们可以看到，随着MWCNT掺杂比例的增加，电导率的增加要远远大于介电常数的增加。
例如，在FGM-0.3CNT材料中，介电常数的变化范围Reps=εmax/εmin=3.34，而电导率的变化范围Rcond=σmax/σmin=107.62。
我们以前的研究表明，当Reps或Rcond高于100时，上述缓冲层在多层FGM接头中排列。
缓冲层的存在可以缓解高ε/高σ层和低ε/低σ层之间的界面电场强化，这是导致FGM绝缘体的电耐受性能异常恶化的主要原因。
C. Pointwise FGM的优化结果
1) 渗透率和电导率的空间分布
下图显示了拓扑优化的ε-FGM和σ-FGM中介电性能的空间分布。介电率和电导率的最佳分布模式显示出一些相似之处。
例如，高ε和高σ材料占据了类似的位置，即在外部半导体层（区域A）和金属连接器（区域B）周围。
此外，高许可率区域在接头中间呈现出 "双驼峰 "形状，在外半导电层的尖端点附近呈现出 "喇叭 "形状。
许可证率和电导率分布的相似性可以归因于交流和直流条件下麦克斯韦方程的相同格式。
尽管如此，在分布模式上仍然出现了一些差异。例如，σ-FGM中的高σ区域的面积要比ε-FGM中的高ε区域的面积大很多。
这可能是由于均匀连接处的电场分布的差异造成的，也就是拓扑优化前的初始条件。
-＜结论＞-
为了研究功能分级材料（FGM）在电力电缆接头绝缘中的适用性，研究了FGM接头的材料可行性和设计方法。
通过对硅橡胶（SiR）/多壁碳纳米管（MWCNT）纳米复合材料的实验研究和对多层和点状FGM接头的模拟研究，实现了这一点。
得出了以下结论：
在SiR/MWCNT纳米复合材料中，MWCNT的含量很低，可以显著提高绝缘材料的相对电容和电导率（从1.05×10-13到1.08×10-7 S/m），这对于电场调节是有利的。
然而，高介电损耗、低击穿强度和差的机械性能限制了高负载（>0.3 wt%）SiR/MWCNT材料在实际电力电缆接头中的应用。
优化的FGM接头（包括多层和点状）的结果表明它们在电场调节方面有很好的能力。
这表现在外部半导体层（A点）和金属连接器（B点）的尖端点的电场强化得到了缓解甚至消除。
此外，利用FGM接头可以减少最大电场，增加电场利用系数，表明电场均匀性更好。
如果从综合的角度来看，FGM-0.3CNT接头成为最实用的候选材料，因为其电场调节性能，相对较低的介质损耗，足够的击穿强度，不受机械性能影响，以及相对简单的结构。
此外，FGM-0.3CNT在直流电压下表现出更好的性能，这意味着FGM接头可以成为新型HVDC电力电缆系统的一种有效方法。
尽管在设计过程中，这种FGM接头的制造也是一个有趣的话题，可能的方法包括插入一个具有中等介电常数和/或导电性的缓冲区域，以创建一个图22所示的三区电缆接头。
此外，温度对FGM绝缘设计过程的影响也应该被研究，特别是在直流应用中。
此外，可以研究一些不同的建模技术，如控制最大电场小于BDE，而不是尽可能地提高电场均匀性，以实现不同的FGM接头，其梯度结构可能更简单。
