【摘 要】
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橡胶基绝缘材料在海底电缆、电缆护套、电缆附件等输电系统中具有重要应用。电缆附件作为直流输电系统中的重要一环,输电电压等级的不断提高也对其电气性能提出了更高的要求。电缆附件中由于不同材料的电导率差异容易引起局部电场分布不均,界面电场畸变严重。非线性电导绝缘材料的电导率与电场强度自适应匹配,有望改善电缆附件空间电场分布不均的问题。本文以三元乙丙橡胶（EPDM）为橡胶基体,分别选择无机导电填料纳米铜（C
【基金项目】
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黑龙江省自然科学基金（YQ2020E031）；
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橡胶基绝缘材料在海底电缆、电缆护套、电缆附件等输电系统中具有重要应用。电缆附件作为直流输电系统中的重要一环,输电电压等级的不断提高也对其电气性能提出了更高的要求。电缆附件中由于不同材料的电导率差异容易引起局部电场分布不均,界面电场畸变严重。非线性电导绝缘材料的电导率与电场强度自适应匹配,有望改善电缆附件空间电场分布不均的问题。本文以三元乙丙橡胶（EPDM）为橡胶基体,分别选择无机导电填料纳米铜（CuNPs）、碳纳米管（CNT）以及有机导电高分子聚吡咯（PPy）作为功能填料,将其与氮化硼共掺杂改善EPDM的电学性能。本文采用液相化学还原法和液相共混法分别制备了CuNPs/BN填料、CNT/BN填料以及PPy/BN填料,将以上三种填料分别掺至EPDM基体中并制得非线性电导复合材料。系统表征填料形貌、尺寸以及复合材料的微观结构,测试分析不同电场和温度下复合材料的直流电导率和击穿场强,系统研究填料掺杂含量、微观形貌、填料种类对复合材料电学性能的影响规律及机制。利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟分析电缆中间接头内部的直流稳态电场分布,以及雷电冲击电压下电缆接头应力锥根部的电场分布。结果表明,掺杂CuNPs/BN填料可以显著提高EPDM的直流电导率,并且随着CuNPs掺杂含量增加,复合材料的非线性电导率越来越显著,能够在更低的电场强度下获得更高的非线性系数。同时复合材料的击穿场强会逐渐降低,升温会使击穿场强进一步降低,但与纯EPDM相比,CuNPs/BN/EPDM复合材料的击穿场强对温度的依赖性更弱。由于碳纳米管（CNT）具有高导电性和高纵横比等优点,因此CNT在复合材料中更容易形成导电网络。与CuNPs/BN/EPDM复合材料相比,CNT/BN/EPDM复合材料在相对低掺杂含量条件下即可获得优异的非线性电导特性。对于PPy/BN/EPDM复合材料而言,掺杂PPy有机填料也能赋予EPDM获得非线性电导特性。增加填料掺杂含量和升高温度均会降低复合材料非线性电导阈值场强。仿真分析表明,利用具有非线性电导特性的复合材料作为增强绝缘时,电缆接头内部的直流稳态电场分布更加均匀,雷电冲击电压下应力锥根部的最大电场也低于其击穿场强,在电缆附件用橡胶绝缘材料方面展现出较好潜力。
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