交聯聚乙烯電力電纜納米修復液及其修複方法
2023-07-14 01:40:21
專利名稱：交聯聚乙烯電力電纜納米修復液及其修複方法
技術領域：
本發明涉及一種交聯聚乙烯電力電纜納米修復液及其修複方法，屬於電纜修復領 域。可用於長時間運行絕緣老化後交聯聚乙烯電力電纜的修復工程中。
背景技術：
隨著我國在90年代初的大規模城網改造，大量10kV架空線改為入地電纜，交聯 聚乙烯(XLPE)電力電纜因其可靠的電氣及機械性能，在我國城市電網中得到了廣泛的應 用。但是，由於早期電纜的防水性不佳，而且在製造、施工和運行過程中不可避免的產生一 些微觀缺陷，水分會在電場的作用下聚集在微觀缺陷處，形成多分叉水樹區，最終將誘發電 樹，導致電纜絕緣本體的擊穿。很多城市的XLPE電力電纜經歷十幾年的運行，其主絕緣受 水樹老化的程度已相當嚴重。普通的XLPE電力電纜在運行15年後，剩餘擊穿電壓下降可 達 50%左右，進入故障高發期(S.Boggs，J.Xu.Water Treeing-Filled versus Unfilled Cablelnsulation. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2001,17(1) :23_29)。針對大 量的早期埋入的地下XLPE電力電纜，全部更換這些老化電纜所產生的工程量和巨額費用 令供電企業難以承受，並且繁華路段破路施工也十分棘手。因此，如能對目前大量的水樹老 化的運行電纜進行修復，從而延長其運行壽命，將具有十分重要的現實意義。美國Utilx公司及歐洲Novinium公司的電纜修復液注入技術已有20年的使用 經驗，對歐美電力公司而言，對於電纜因受潮和老化導致的故障，電纜修復成為首要的選 擇。根據國外的使用數據，最好的修復技術能延長電纜壽命最高達40年。經過了 20年左 右的發展，電纜修復技術已歷經了兩代技術。最早的841技術屬第一代技術，主要是通過 矽氧烷、催化劑和XLPE電力電纜裡面的微水進行水解和縮合反應，該反應消耗了水分，並 且反應後殘留的矽樹脂填充物可將微空隙填充，從而延長電纜壽命。該技術經歷了 10年 左右的時間，實踐證明，該技術能有效延長老化電纜壽命10 15年時間(Glen J. Bertini and GaryA. Vincent. Cable Rejuvenation Mechanisms. ICC Subcommittee A, March 14, 2006.)。但是該技術仍有以下不足一是其對絕緣的短期性能提升效果明顯，但中長期效果 不佳；二是修復液各種成分在電纜內的擴散係數不一致，與矽氧烷相比，催化劑的擴散係數 低，導致水解反應效果不佳；三是其閃點低，大約在o°c左右，因此存有安全隱患；四是反應 時間過長，有時需浸泡幾天到一周。針對以上問題，Novinium公司提出了另一項新的修復技術即732技術，該技術 更注重電纜的中長期修復效果，而且在修復液成分中考慮了局部放電抑制、電場均勻和紫 外光屏蔽等問題，其反應時間也大為縮短(Glen J. Bertini. New Developments in Solid Dielectric LifeExtension Technology. IEEE ISEI，S印t. 2004.)。但迄今為止，該技術僅 限於商業性研究，其具體成分和修複方法並沒公開，更沒有詳細的機理和理論研究，如對修 復機理，修復液的擴散過程、反應機理等核心技術都沒有明確的報導，理論研究更為缺乏。電纜修復技術在我國尚處於起步階段。國內研究同樣表明，該技術對水樹老化電 纜的修復效果良好，但研究成果主要還是以第一代修復技術為主(朱曉輝，郭象吉，一種延長XLPE中壓電纜運行壽命的新方法-電纜修復液注入技術，《天津電力技術》，2003，1 25-26，39)。對於納米複合絕緣所表現出來的獨特的介電性能，國內外作了大量的研究工作， 認為無機納米顆粒能改善絕緣介電性能有以下原因納米顆粒具有電子和紫外線屏蔽效 應，提高了傳熱能力，具有均勻電場、空間電荷抑制作用等；同時，無機_有機相界面在納 米複合材料中起到了關鍵作用，認為界面區為準電導區，電荷不容易累積(雷清泉，範勇， 王暄，納米高聚物複合材料的結構特性、應用和發展趨勢及其思考，《電工技術學報》，2006， 21 (2) :1-7，12)。因此，國內外研究者都認為在有機絕緣材料中添加無機納米顆粒能有效改 善有機絕緣的介電性能，但主要還是針對有機絕緣材料進行改性的研究，並沒有涉及對於 電纜修復液的納米添加技術及添加後對提高老化電纜的介電性能及機理的研究。檢索國內 外文獻庫，以往的電纜修復技術主要以矽氧烷修復液為主，還未見有在修復液裡添加無機 納米顆粒的專利文獻和非專利文獻報導，對於納米修復液延長水樹老化電纜壽命的方法、 效果國內外尚屬空白。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種交聯聚乙烯電力電纜納米修復 液及其修複方法，其特點是由無機納米粒子和有機溶劑組成納米分散液，在矽氧烷修復的 基礎上，再通過無機納米粒子的填充進一步延長電力電纜的剩餘壽命達5 100倍。它具 有技術先進、安全穩定的優點，而且修復時間縮短，修復效果明顯提高。本發明的目的由以下技術措施實現，其中所述原料分數除特殊說明外，均為重量 份數。交聯聚乙烯電力電纜納米修復液由以下組分組成表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦平均粒徑25 -心 45nm 10 『 15份
納米氧化物平均粒徑10 60nm1. 5 6份
溶劑40 --80份
矽氧烷修復液200 300份
催化劑1 10份
納米氧化物為
納米三氧化二鋁平均粒徑20 40nm0.5 2份
納米二氧化矽平均粒徑10 30nm0.5 2份
納米氧化鋅平均粒徑40 60nm0.5 2份
其中，表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦優選為11 -- 14份，納米三氧化二'
優選為0. 8 1. 5份，納米二氧化矽優選為0. 8 1. 5份，納米氧化鋅優選為0. 8 1. 5份， 溶劑優選為50 70份，矽氧烷修復液優選為230 270份，催化劑優選為3 8份。溶劑為木糖醇、山梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水楊醇中的至少一種。催化劑為異丙酯或鈦酸酯。交聯聚乙烯電力電纜納米修復液的製備方法如下1.納米粒子分散液的製備將表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦10 15份、納米三氧化二鋁0. 5 2 份、納米二氧化矽0. 5 2份、納米氧化鋅0. 5 2份和溶劑40 80份加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通過超聲波分散機和砂磨分散機聯合進行預分散，以獲得 納米粒子分散液，其中，超聲功率為200 500W，頻率為20 24kHz，時間為30 60min。2.修復液的製備將上述經預分散工藝後的納米粒子分散液50 100份與矽氧烷修復液200 300 份和催化劑1 10份充分混合均勻，並採用上述預分散的方法再次進行分散，獲得交聯聚 乙烯電力電纜納米修復液的分散液。分散液的固含量為2% 7%，優選為3 5%，pH值為6 7，呈弱酸性。交聯聚乙烯電力電纜納米修復液的修複方法包括以下步驟1.修復前準備在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估 電纜的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表 的工作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全。2.注入納米修復液 連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，將上述納米修復液分散溶液存入修復液罐 內，然後將該修復液罐置於磁力加熱攪拌器上，開啟磁力加熱攪拌器，對納米修復液進行攪 拌並加溫至30 60°C，保持溫度和修復液混合均勻；啟動修復液注入設備，開動空氣壓縮 機，壓縮空氣進入氣體吸水罐，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣體壓力表的壓力為 0. 1 0. 8MPa,以調節納米修復液的流速，修復液將以不同的時間經過修復液適配器流入 交聯聚乙烯電力電纜內部，經0. 5 2h，停止攪拌，關閉設備，卸除交聯聚乙烯電力電纜修 復裝置。3.溶劑揮發及浸泡修復將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡 修復時間為36 72h。電纜兩端密封后，多元醇溶劑透過交聯聚乙烯絕緣層的分子間隙逐漸揮發，而無 機納米顆粒則保留在電纜內部，進入其交聯聚乙烯絕緣層。矽氧烷修復液在交聯聚乙烯電力電纜內滲透進入其絕緣層的微孔內，在催化劑作 用下與水發生反應，形成膠狀物質將其填充，由於形成的液體分子比水分子大的多，有膠狀 物沉澱，絕緣表層的缺陷得到修補，抑制水樹和缺陷的進一步生長。同時，納米粒子分散液 進入電纜絕緣層後，納米粒子在電纜內部擴散並對氣隙或微孔進行填充，形成一層無機納 米保護膜，對聚乙烯絕緣層進行保護。由於無機納米顆粒特有的介電性能，導致其壽命大大 提尚。納米三氧化二鋁、納米二氧化矽和納米氧化鋅是本領域已知的技術，其前提條件 是這些添加劑的加入不與實現本發明的目的以及取得本發明的優良效果產生不利影響。性能測試取老化程度相同的一段電纜切成長度相等的18段。將其中6個樣本，通過上述修 複方法進行修復，另取6個樣本在相同條件下通過傳統的矽氧烷修復液進行修復。修復相 同時間後，和6個未作任何處理的樣本同時進行老化試驗對比。根據weibull分布，以失效 概率63. 2%對應的時間為失效時間，納米修復後樣本的壽命為21. 5小時，矽氧烷修復液修 復後樣本的壽命為2. 6小時，未作任何處理的樣本的壽命為1. 9小時，詳見圖2所示。納米
6修復後樣本的擊穿電壓為21. 5kV，矽氧烷修復液修復後樣本的擊穿電壓為15. 2kV，未作任 何處理的樣本的擊穿電壓為11. 8kV，詳見圖3所示。結果表明，本發明修復樣本的壽命提高 了近10倍，擊穿電壓提高了約1.5倍。為了確認以上結果，又經過多次實驗，發現該實驗結 果具有可重複性，納米溶液修復後，樣本的weibull分布壽命均大大提高。本發明具有如下優點1.無機納米顆粒有很好的成膜性，成膜光滑平整，強度大，能夠阻擋化學腐蝕，對 紫外線有較強屏蔽效應，對紅外線有反射作用，有良好的耐電暈性。2.無機納米層電導率高，導致空間電荷不容易駐留，減弱了局部放電強度，可以使 電場均勻化，抑制熱電子加速，導熱性好。這些特性均使其在電場下的絕緣壽命提高了 5 10倍。3.該納米修復液具有高閃點的特性，降低了安全隱患；超聲波分散機和砂磨分散 機聯合分散工藝，加之攪拌注入的方法，在一定程度上解決了第一代矽氧烷修復技術存在 的低閃點和部分組分擴散速度過高的問題。4.修複方法所採用的設備安全可靠，效率較高。該方法在保證對絕緣的短期性能 提升的基礎上，改善了中長期的修復效果，修復效果明顯提高，反應時間也大為縮短。
圖1為交聯聚乙烯電力電纜修復裝置結構示意圖；1.空氣壓縮機2.壓力表3.氣體吸水罐4.修復液罐5.磁力加熱攪拌器 6.水樹老化的交聯聚乙烯電力電纜7.修復液適配器圖2為交聯聚乙烯電力電纜絕緣水平weibull分布圖；圖3為交聯聚乙烯電力電纜耐壓能力weibull分布圖
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體的描述有必要在此指出的是本實施例只用於 對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員 可以根據上述本發明的內容作出一些非本質的改進和調整。實施例11.製備交聯聚乙烯電力電纜納米修復液1.1製備納米粒子分散液將表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦12份、納米三氧化二鋁1份、納米二氧 化矽1份、納米氧化鋅1份和溶劑60份加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通 過超聲波分散機和砂磨分散機聯合進行預分散，以獲得納米粒子分散液，其中，超聲功率為 300W,頻率為22kHz，時間為45min。1. 2修復液的製備將上述經預分散工藝後的納米粒子分散液75份與矽氧烷修復液240份和催化劑 5份充分混合均勻，並採用上述預分散的方法再次進行分散，獲得交聯聚乙烯電力電纜納米 修復液的分散液。稀釋後，分散液的固含量為4. 5%，pH值為6 7，呈弱酸性。
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2.交聯聚乙烯電力電纜的修複方法2. 1修復前準備在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估 電纜的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表 的工作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全。2. 2注入納米修復液連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，如圖1所示，將上述納米修復液分散溶液存 入修復液罐4內，然後將該修復液罐4置於磁力加熱攪拌器5上，開啟磁力加熱攪拌器5，對 納米修復液進行攪拌並加溫至45°C，保持溫度和修復液混合均勻；啟動修復液注入設備， 開動空氣壓縮機1，壓縮空氣進入氣體吸水罐3，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣體 壓力表2的壓力為0. 5MPa,以調節納米修復液的流速，修復液將以不同的時間經過修復液 適配器7流入交聯聚乙烯電力電纜6內部，經lh，停止攪拌，關閉設備，卸除交聯聚乙烯電力 電纜修復裝置。 2. 3溶劑揮發及浸泡修復將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡 修復時間為48h。實施例21.製備交聯聚乙烯電力電纜納米修復液1. 1製備納米粒子分散液將表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦10份、納米三氧化二鋁0. 5份、納米二 氧化矽0. 5份、納米氧化鋅0. 5份和溶劑40份加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容 器中，通過超聲波分散機和砂磨分散機聯合進行預分散，以獲得納米粒子分散液，其中，超 聲功率為200W，頻率為20kHz，時間為30min。1. 2修復液的製備將上述經預分散工藝後的納米粒子分散液50份與矽氧烷修復液200份和催化劑 1份充分混合均勻，並採用上述預分散的方法再次進行分散，獲得交聯聚乙烯電力電纜納米 修復液的分散液。稀釋後，分散液的固含量為2%，pH值為6 7，呈弱酸性。2.交聯聚乙烯電力電纜的修複方法2.1修復前準備在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估 電纜的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表 的工作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全。2. 2注入納米修復液連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，如圖1所示，將上述納米修復液分散溶液存 入修復液罐4內，然後將該修復液罐4置於磁力加熱攪拌器5上，開啟磁力加熱攪拌器5，對 納米修復液進行攪拌並加溫至30°C，保持溫度和修復液混合均勻；啟動修復液注入設備， 開動空氣壓縮機1，壓縮空氣進入氣體吸水罐3，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣體 壓力表2的壓力為0. 2MPa,以調節納米修復液的流速，修復液將以不同的時間經過修復液適配器7流入交聯聚乙烯電力電纜6內部，經0. 5h，停止攪拌，關閉設備，卸除交聯聚乙烯電 力電纜修復裝置。2. 3溶劑揮發及浸泡修復將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡 修復時間為36h。實施例31.製備交聯聚乙烯電力電纜納米修復液1. 1製備納米粒子分散液將表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦15份、納米三氧化二鋁2份、納米二氧 化矽2份、納米氧化鋅2份和溶劑80份加入帶有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的容器中，通 過超聲波分散機和砂磨分散機聯合進行預分散，以獲得納米粒子分散液，其中，超聲功率為 500W,頻率為24kHz，時間為60min。1.2修復液的製備將上述經預分散工藝後的納米粒子分散液100份與矽氧烷修復液300份和催化劑 10份充分混合均勻，並採用上述預分散的方法再次進行分散，獲得交聯聚乙烯電力電纜納 米修復液的分散液。稀釋後，分散液的固含量為7%，pH值為6 7，呈弱酸性。2.交聯聚乙烯電力電纜的修複方法2. 1修復前準備在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估 電纜的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表 的工作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全。2. 2注入納米修復液連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，如圖1所示，將上述納米修復液分散溶液存 入修復液罐4內，然後將該修復液罐4置於磁力加熱攪拌器5上，開啟磁力加熱攪拌器5，對 納米修復液進行攪拌並加溫至60°C，保持溫度和修復液混合均勻；啟動修復液注入設備， 開動空氣壓縮機1，壓縮空氣進入氣體吸水罐3，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣體 壓力表2的壓力為0. 8MPa,以調節納米修復液的流速，修復液將以不同的時間經過修復液 適配器7流入交聯聚乙烯電力電纜6內部，經2h，停止攪拌，關閉設備，卸除交聯聚乙烯電力 電纜修復裝置。2. 3溶劑揮發及浸泡修復將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡 修復時間為72h。對比實例在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估 電纜的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表 的工作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全。連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，將矽氧烷修復液存入修復液罐4內。啟動修 復液注入設備，開動空氣壓縮機1，壓縮空氣進入氣體吸水罐3，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣體壓力表2的壓力至0. 5MPa,以調節矽氧烷修復液的流速，修復液將以不同的 時間經過修復液適配器7流入交聯聚乙烯電力電纜6內部，經lh，停止攪拌，關閉設備，卸除 交聯聚乙烯電力電纜修復裝置。將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡 修復時間為48h。注表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦由天津先光化工有限公司提供；矽氧 烷修復液由東莞市瑞馳化工有限公司提供；其餘化學試劑均由市場購買。
權利要求
交聯聚乙烯電力電纜納米修復液，其特徵在於該修復液由以下組分組成，按重量計為表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦 平均粒徑25～45nm10～15份納米氧化物 平均粒徑10～60nm1.5～6份溶劑 40～80份矽氧烷修復液 200～300份催化劑1～10份。
2.如權利要求1所述交聯聚乙烯電力電纜納米修復液，其特徵在於納米氧化物為 納米三氧化二鋁平均粒徑20 40nm0. 5 2份 納米二氧化矽平均粒徑10 30nm 0. 5 2份 納米氧化鋅平均粒徑40 60nm 0. 5 2份。
3.如權利要求1所述交聯聚乙烯電力電纜納米修復液，其特徵在於溶劑為木糖醇、山 梨醇、丙酮、四氯化碳、二甘醇和水楊醇中的至少一種。
4.如權利要求1所述交聯聚乙烯電力電纜納米修復液，其特徵在於催化劑為異丙酯或 鈦酸酯。
5.如權利要求1 4之一所述交聯聚乙烯電力電纜納米修復液的製備方法，其特徵在 於該方法包括以下步驟(1)納米粒子分散液的製備將表面納米二氧化矽包覆的納米二氧化鈦10 15份、納米三氧化二鋁0. 5 2份、納 米二氧化矽0. 5 2份、納米氧化鋅0. 5 2份和溶劑40 80份加入帶有攪拌器、溫度計 和回流冷凝器的容器中，通過超聲波分散機和砂磨分散機聯合進行預分散，以獲得納米粒 子分散液，其中，超聲功率為200 500W，頻率為20 24kHz，時間為30 60min ；(2)修復液的製備將上述經預分散工藝後的納米粒子分散液50 100份與矽氧烷修復液200 300份 和催化劑1 10份充分混合均勻，並採用上述預分散的方法再次進行分散，獲得交聯聚乙 烯電力電纜納米修復液的分散液。
6.如權利要求1所述交聯聚乙烯電力電纜納米修復液的修複方法，其特徵在於該方法 包括以下步驟(1)修復前準備在向水樹老化電纜注入修復液前，通過檢測設備對電纜進行一系列檢測，以評估電纜 的絕緣水平及電纜對修復液流量及壓力的承受能力，並計算修復過程中系統的壓力表的工 作值，以判斷是否出現意外情況，並在出現時及時中斷修復，保證設備安全；(2)注入納米修復液連接交聯聚乙烯電力電纜修復裝置，將上述納米修復液分散溶液存入修復液罐(4) 內，然後將該修復液罐(4)置於磁力加熱攪拌器(5)上，開啟磁力加熱攪拌器(5)，對納米修 復液進行攪拌並加溫至30 60°C，保持溫度和修復液混合均勻；啟動修復液注入設備，開 動空氣壓縮機(1)，壓縮空氣進入氣體吸水罐(3)，根據被修復電纜規格不同，控制壓縮氣 體壓力表(2)的壓力為0. 1 0. 8MPa,以調節納米修復液的流速，修復液將以不同的時間 經過修復液適配器(7)流入交聯聚乙烯電力電纜(6)內部，經0.5 2h，停止攪拌，關閉設備，卸除交聯聚乙烯電力電纜修復裝 置； (3)溶劑揮發及浸泡修復將被修復的電纜兩端密封，對電纜進行浸泡修復，根據被修復電纜規格不同，浸泡修復 時間為36 72h。
全文摘要
本發明公開了一種交聯聚乙烯電力電纜納米修復液及其修複方法，其特點是由無機納米粒子和有機溶劑組成納米分散液，在矽氧烷修復液的基礎上，通過無機納米粒子對電纜內部的氣隙或微孔進行填充，形成一層無機納米保護膜，對聚乙烯絕緣層進行保護。它與傳統的矽氧烷修復技術相比，延長電力電纜的剩餘壽命達5～10倍。它具有技術先進、安全穩定的優點，而且修復時間短，修復效果顯著。
文檔編號C08K9/10GK101866706SQ20101019469
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者周凱, 張濤, 文承家, 牟秋谷, 董凌江, 黃友聰 申請人:四川大學