Электропроводящая пероксидносшиваемая композиция для экранов силовых кабелей высокого напряжения
ELECTRICALLY CONDUCTIVE CROSS-LINKED COMPOSITION BY THE PEROXIDE METHOD FOR HIGH-VOLTAGE POWER CABLES SCREENS

Изобретение относится к кабельной технике и может быть использовано для производства пероксидносшиваемого электропроводящего полиолефинового компаунда для экранов силовых кабелей высокого напряжения.
Конструкция кабелей предусматривает наличие трех слоев, наложенных на токопроводящую жилу - электропроводящего полимерного экрана, полимерной изоляции и второго электропроводящего полимерного экрана.
Любые неоднородности, а именно наличие заусениц на проволоках токопроводящей жилы, инородные включения в толще и на поверхности изолированной жилы приводят к локальному повышению напряженности электрического поля и развитию дендритов. Для выравнивания напряженности электрического поля вокруг проволок токопроводящей жилы, снижения напряженности поля на поверхности изоляции кабеля применяют полупроводящие экраны.
Наличие электропроводящего экрана обусловлено необходимостью создания эквипотенциальной поверхности, предназначенной для существенного снижения вероятности пробоя изоляции в некоторой области пространства, где напряженность электрического поля в отсутствие такого экрана могла бы быть чрезмерно высокой.
Известна сшивающаяся электроизоляционная композиция (патент РФ №2440633 «Электроизоляционная сшивающаяся композиция», опубл. 20.01.2012), включающая полиолефин, винилтриметоксисилан или винилтриэтоксисилан, органическую перекись и катализатор сшивки, содержит синергисты - тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат, бензо-пропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидроксифенил]-1-оксопропил]гидразид и поли-[[6-[(1,1,3,3-тетраметил-4-пиперидинил)имино]-1,6-гександиил[(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинил)имино]]) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Винилтриметоксисилан или винилтриэтоксисилан
1,0-3,0
Органическая перекись
0,1-0,4
Тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-
-4-гидроксифенил)пропионат
0,05-0,3
Бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-
диметилэтил)-
-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-
-гидроксифенил]-1-оксопропил] гидразид
0,1-0,5
Поли-[[6-[(1,1,3,3-тетраметил-4-
пиперидинил)имино]
-1,6-гександиил [(2,2,6,6-тетраметил-4-
пиперидинил)
имино]])
0,1-5,0
Катализатор сшивки
0,05-1,0
Полиолефин
остальное
Данная полимерная композиция обладает изоляционными свойствами, когда для создания эквипотенциальной поверхности необходимы слабые электропроводящие свойства.
К недостаткам известной сшивающейся электроизоляционной композиции следует отнести недостаточную механическую прочность, при испытании прочности на разрыв не достигаются значения, которые необходимы для экранов кабелей высокого напряжения.
Известна электропроводящая пероксидносшиваемая композиция композиция (патент РФ №2500047 «Электропроводящая пероксидносшиваемая композиция», опубл. 27.11.2013), включающая полиолефин, бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидроксифенил]-1-оксопропил]гидразид, тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат), органическую перекись, дополнительно содержит электропроводящий технический углерод с удельным объемным сопротивлением при содержании в полимере ρ=10±6 Ом*см, технический углерод с удельным объемным сопротивлением при содержании в полимере ρ=5±3 Ом*см, 4,4'-тиабис(6-трет-бутил-м-крезол), стеарат цинка, полиэтиленовый воск, мас.%:
Полиолефин
49-62
Технический углерод с удельным объемным сопротивлением при
содержании в полимере ρ=10±6 Ом*см
29-34
Технический углерод с удельным объемным сопротивлением при
содержании в полимере ρ=5±3 Ом*см
2,5-5
4,4'-тиабис(6-трет-бутил-м-крезол)
0,05-0,25
Тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-
гидроксифенил)пропионат)
0,05-0,20
Бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидрокси-
2-[3 -[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидроксифенил]-1-
оксопропил]гидразид
0,05-0,20
Стеарат цинка
0,15-1,0
Органическая перекись
0,2-1,9
Полиэтиленовый воск
3-9
Следует отметить, что требования к качеству полупроводящих экранов высоковольтных кабелей достаточно высокие. Концентрация и размеры поверхностных дефектов в композициях для экранов должны быть минимальны, а материал должен иметь повышенную химическую чистоту и тепловую устойчивость.
Поэтому одним из основных недостатков известной композиции является шероховатость поверхности при совместном экструдировании экрана и изоляции. Использование указанной известной композиции в силовых кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ (внешний и внутренний выступы электропроводящего экрана) составляет от 67 до 75 мкм, что не удовлетворяет требованиям ТУ 16-705-495-2006 «Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ».
Задачей, на решение которой направлено изобретение является повышение качества электропроводящей пероксидносшиваемой композиции для экранов силовых кабелей высокого напряжения как с точки зрения электрофизических характеристик полупроводящих покрытий, так и с точки зрения их стабильности и воспроизводимости, обеспечение гладкости поверхности раздела электропроводящего экрана и изоляционного слоя, повышение эксплуатационных свойств силовых кабелей высокого напряжения и их пропускной способности.
Поставленная задача достигается тем, что в электропроводящую пероксидносшиваемую композицию для экранов силовых кабелей высокого напряжения, включающую полиолефин, бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидроксифенил]-1-оксопропил]гидразид, тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат), органическую перекись, технический углерод с удельным объемным сопротивлением при содержании в полимере ρ=10±6 Ом*см, технический углерод с удельным объемным сопротивлением при содержании в полимере ρ=5±3 Ом*см, 4,4'-тиабис(6-трет-бутил-м-крезол), стеарат цинка, полиэтиленовый воск, дополнительно введен высокомолекулярный силоксан при следующем содержании компонентов, мас.%:
Полиолефин
49-62
Технический углерод с удельным объемным сопротивлением при
29-34
содержании в полимере ρ=10±6 Ом*см
Технический углерод с удельным объемным сопротивлением при
2,5-5
содержании в полимере ρ=5±3 Ом*см
4,4'-тиабис(6-трет-бутил-м-крезол)
0,05-0,25
Тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-
0,05-0,20
гидроксифенил)пропионат)
Бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидрокси-
0,05-0,20
2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидроксифенил]-1-
оксопропил]гидразид
Стеарат цинка
0,15-1,0
Органическая перекись
0,2-1,9
Полиэтиленовый воск
3-9
Высокомолекулярный силоксан
0,5-1,5
Отличительным признаком является введение в электропроводящую пероксидносшиваемую композицию для экранов силовых кабелей высокого напряжения на стадии смешивания ингредиентов высокомолекулярного силоксана и определение экспериментальным путем оптимального интервала добавки, который составляет от 0,5 до 1,5%, что позволяет обеспечить гладкость поверхности раздела электропроводящего экрана и изоляционного слоя и улучшить электрофизические характеристики полупроводящего покрытия.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примерами, которые представлены в таблице 1.
Для оценки качества поверхности из предлагаемой композиции изготавливались лабораторные образцы, позволяющие оценить величину внешнего и внутреннего выступа электропроводящего слоя. Величина выступа определялась на лабораторном микроскопе (LABOVAL 4).
Исходя из анализа приведенных примеров, оптимальный интервал добавки высокомолекулярного силоксана определен и составляет от 0,5-1,5%. При введении силоксановой добавки достигается необходимая гладкость поверхности. При концентрации ниже 0,5% не достигается гладкости границы раздела электропроводящего и изоляционного слоев. При концентрации выше 1,5% реологические свойства композита меняются настолько, что становится проблематичным его формовка.
При введении высокомолекулярного силоксана в размере 2,0% композиция плохо формуется, происходит залипание на шнеке экструдера, и, соответственно, получается разнородные гранулы неправильной формы.
Указанные диапазоны содержания компонентов в электропроводящей пероксидносшиваемой композиции для экранов силовых кабелей высокого напряжения следует признать оптимальными. Именно в этих пределах достигается наилучшее качество композиции как с точки зрения физических свойств, так и с точки зрения их стабильности и воспроизводимости.
В таблице 2 приведены технические параметры предлагаемых примеров электропроводящей пероксидносшиваемой композиции для экранов силовых кабелей высокого напряжения, такие как тепловая деформация, прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве, оценка качества поверхности образца (высота выступа) и удельное объемное сопротивление.
Электрофизические характеристики полупроводящих покрытий, такие как удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость, существенным образом влияют на распределение напряженности электрического поля, потери в кабеле и его пропускную способность.
Применение полупроводящих экранов по жиле и изоляции приводит к уменьшению напряженности электрического поля на поверхности как жилы, так и изоляции.
Полупроводящие экраны наносятся одновременно с экструдированием сшитой полиэтиленовой изоляции методом тройной экструзии. Такая технология обеспечивает хорошую адгезию между экранами и изоляцией, а также отсутствие газовых включений в изоляции и на границе с экранами, уменьшает вероятность образования дендритов.
По сравнению с аналогами предлагаемая композиция обладает более высокими механическими свойствами и достаточным значением удельного объемного сопротивления, а также обеспечивает гладкость поверхности раздела электропроводящего экрана и изоляционного слоя, что позволяет повысить эксплуатационные свойства силовых кабелей высокого напряжения.
Предлагаемая электропроводящая пероксидносшиваемая композиция для экранов силовых кабелей высокого напряжения пригодна к переработке на существующих производственных линиях кабельных заводов и является технологичной и недорогой.
В целом использование предлагаемой электропроводящей пероксидносшиваемей композиции для экранов силовых кабелей высокого напряжения позволит значительно повысить надежность электросетей, снизить стоимость их содержания и обслуживания.