一种交联聚乙烯500kV电缆绝缘料交联性能一致性表征方法

技术领域

本发明涉及一种交联聚乙烯500kV电缆绝缘料交联性能一致性表征方法，属于高电压与绝缘技术领域。

背景技术

500kV交联电缆生产的关键是长时间中实现大尺度产品的“零”缺陷制造，500kV电缆绝缘材料也应当适应电缆制造的特点和要求。与110kV和220kV电缆最大的不同是，500kV电缆的绝缘厚度、能量输运密度具有显著提高。

对于厚绝缘电缆，需要降低交联副产物，以减少电缆制造过程的去气时间。这要求在保证交联特性的前提下提高交联效率，这与基础聚乙烯树脂的分子量、分子量分布、分子链的支化结构，以及500kV电缆绝缘材料中的交联剂使用量密切相关。为了使500kV电缆绝缘材料的交联特性符合电缆制造的要求，需要求其有效表征和调控。在工业生产中，一般用材料的热延伸率表征其交联行为。这是一种静态表征方法，无法反应材料的交联反应动态过程。可以用交联反应动力学曲线对于交联反应过程进行表征。但是交联反应动力学曲线对测试条件及其敏感，即使存在热和剪切作用的微小差异，也会导致测试曲线的显著差别，使得不同测试点之间的结果难以相互比较，若同一材料分别在甲机构和乙机构进行测试(即甲、乙不同测试点)，所得到的结果有所差异，无法对同一材料的交联动力学特性作出一致性评价，也无法在材料生产者和使用者之间建立起统一的技术标准系统。这对于可交联材料的研发、生产、检验、验收等环节造成很大不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种交联聚乙烯500kV电缆绝缘料交联性能一致性表征方法，利用转矩流变仪测试交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联反应动力学，并且利用标样变换法，消除不同测试点对实验结果的影响，不同测试点是指同一材料分别在甲机构和乙机构进行测试(称为甲、乙测试点)，实现了对交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料交联反应特性的有效表征，解决了不同测试点进行结果精确对比的难题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种交联聚乙烯500kV电缆绝缘料交联性能一致性表征方法，所述表征方法包括以下步骤：

(1)制备标准试样：将低密度聚乙烯和过氧化二异丙苯，在63-67℃下充分搅拌混合后，静置，使过氧化二异丙苯充分扩散到低密度聚乙烯内部；

(2)采用转矩流变仪测试标准试样、待测试样的交联反应动力学曲线；其中，待测试样为电缆制造工业常用规格的电缆绝缘塑料颗粒；

(3)利用标样变换法，消除不同测试点，对试样交联反应动力学曲线引入的差异性。

本发明给出了一种利用转矩流变仪测试交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联反应动力学曲线，并且利用标样变换法有效消除不同测试点之间结果差异的方法，实现了不同测试点对交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料交联反应特性的有效一致表征，解决了不同测试点进行结果精确对比的难题。生产500kV电缆采用过氧化物交联工艺，即利用过氧化物作为交联反应引发剂完成交联反应，交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联反应特性是影响电缆制品性能关键指标。由于超高压电缆的绝缘厚度和工作场强比低电压等级的电缆具有更高要求，对交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联反应特性提出了苛刻要求。为了保证电缆生产的工艺以及性能稳定性，需要把不同生产批次，以及不同厂家生产的交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联反应特性精确控制在特定范围内，即保持材料交联性能的一致性。如何有效表征这种一致性是交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料生产和应用的关键环节。

本发明基于确定的标准试样配方及其制备方法，提供了一个交联性能一致的标准试样，通过对标准试样的交联反应动力学曲线变换，可以获得变换矩阵，该变换矩阵用于消除甲、乙不同测试点的仪器差异特性，之后，再利用该矩阵对待测试样在甲、乙两处的测得结果进行变换，即可消除不同测试点差异性所带来的影响。

优选地，转矩流变仪的混炼室由不锈钢转子和不锈钢腔体组成，转矩流变仪能够提供155.0±0.5℃的均匀温度场和100Nm转矩以及±0.1Nm的转矩测量精度，并且能够记录和再现转矩测试曲线。

优选地，所述步骤(1)中，低密度聚乙烯和过氧化二异丙苯的质量比为100:1.95，低密度聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动指数为2.0g/10min，密度为0.92g/cm

优选地，所述步骤(2)中，交联反应动力学曲线的测试条件为：转矩流变仪混炼腔体内的温度为154.5-155.5℃，转矩流变仪的转子转速为35r/min，试样质量为44.9-45.1g。

优选地，所述步骤(2)中，交联反应动力学曲线的测试步骤为：将转矩流变仪混炼腔体的温度升温至154.5-155.5℃后，旋转转子，然后将试样加入转矩流变仪的混炼腔体内，并迅速用活塞压实，记录转子转矩，直到转矩出现极小值后又达到极大值，停止测试，并记录交联反应动力学曲线。

优选地，所述步骤(2)中，所述交联反应动力学曲线包括3个点，记为A、B、C，其中A点是装载峰，表示试样被有效加入转矩流变仪混炼腔体内；B点为转矩极小值点，表示试样已经完全形成熔体，AB段曲线表示试样熔融过程；C点为转矩极大值点，表示交联反应结束，BC段曲线表示试样交联反应过程；B点和C点之间的时间差Δt，表示交联反应时间，B点和C点之间的转矩差ΔN表示交联反应程度。

优选地，所述步骤(3)中，标样变换法的步骤为：甲乙测试点试样交联反应动力学曲线的变换，首先变换标准试样的交联反应动力学曲线，将乙测试点坐标空间通过线性变换映射到甲测试点坐标空间，其变换关系如公式(1)所示：

式中，

其次将待测试样的交联反应动力学曲线，利用

通过对标准试样的交联反应动力学曲线变换，可以获得变换矩阵，该变换矩阵用于消除甲、乙不同测试点的仪器差异特性，之后，再利用该矩阵对待测试样在甲、乙两处的测得结果进行变换，即可消除差异性差异所带来的影响。

优选地，所述变换矩阵

式(2)和(3)的解，分别是：

由式(4)和式(5)即可计算出变换矩阵

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的表征方法能够有效的测试出交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的动态交联性能，并且能够消除不同测试点对测试结果的差异性影响。

附图说明

图1为转矩流变仪转子的侧剖视图；

图2为转矩流变仪混炼腔体的主视图(左)，左视图(右)；

图3为标准试样在甲测试点的交联反应动力学曲线；

图4为标准试样在乙测试点的交联反应动力学曲线；

图5为待测试样在甲、乙两个测试点的交联反应动力学曲线；

图6为待测试样经过标样变换法变换后，得到的交联反应动力学曲线。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供了一种交联聚乙烯500kV电缆绝缘料交联性能一致性表征方法，所述表征方法包括以下步骤：

(1)制备标准试样：将500重量份的低密度聚乙烯和9.75重量份的过氧化二异丙苯置于不锈钢容器中，在65℃下搅拌混合均匀，使过氧化二异丙苯均匀附着在低密度聚乙烯颗粒表面，静置8h，使过氧化二异丙苯充分扩散到低密度聚乙烯颗粒内部；

其中，低密度聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动指数为2.0g/10min，密度为0.92g/cm

(2)将转矩流变仪升温至155℃，测试转矩流变仪混炼腔体内部，各部位的温度为154.5-155.5℃时，启动转矩流变仪的转子，转子的转速为35r/min。

(3)称取标准试样45.0g，加入转矩流变仪的混炼腔体内，并迅速用活塞压实，转矩流变仪的活塞负载1kg，记录转子转矩，直到转矩出现极小值后又达到极大值，停止测试，并记录交联反应动力学曲线；甲、乙测试点，标准试样的交联反应动力学曲线如图3、4所示。

(4)用步骤(3)的测试方法，测试待测试样的交联反应动力学曲线，甲、乙测试点，待测试样的交联反应动力学曲线如图5所示。

(5)首先变换标准试样的交联反应动力学曲线，将乙测试点坐标空间通过线性变换映射到甲测试点坐标空间，其变换关系如公式(1)所示：

式中，

所述变换矩阵

式(2)和(3)的解，分别是：

由式(4)和式(5)即可计算出变换矩阵

(6)将待测试样的交联反应动力学曲线，利用

本实施例所用转矩流变仪混炼室包括不锈钢腔体和两个不锈钢转子，图1为转矩流变仪转子的侧剖视图，图2为转矩流变仪混炼腔体的主视图(左)，左视图(右)。

图3为标准试样在甲测试点的交联反应动力学曲线，图4为标准试样在乙测试点的交联反应动力学曲线。从图3、4中可以看出，所述交联反应动力学曲线包括3个点，记为A、B、C，其中A点是装载峰，表示试样被有效加入转矩流变仪混炼腔体内；B点为转矩极小值点，表示试样已经完全形成熔体，AB段曲线表示试样熔融过程；C点为转矩极大值点，表示交联反应结束，BC段曲线表示试样交联反应过程；B点和C点之间的时间差Δt，表示交联反应时间，B点和C点之间的转矩差ΔN表示交联反应程度。

图5为待测试样在甲、乙测试点的交联反应动力学曲线；图6为待测试样，经过标样变换法变换后，得到的交联反应动力学曲线。从图5、6中可以看出，甲、乙测试点待测样品的交联反应动力学曲线存在差异性，利用标样变换法，经过变换之后，甲、乙测试点待测样品的交联反应动力学曲线的差异性几乎消失，分散的数据点和整体的曲线形状基本可以重合，最终在不同测试点测得的交联反应时间Δt、交联反应程度ΔN等关键数据信息也保持了一致。说明本发明的方法能够有效表征交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联性能，且交联聚乙烯500kV电缆绝缘材料的交联性能无差异性，克服不同测试点获得数据的不一致问题。

最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。