纳米Al2O3对中压变频电机聚乙烯电缆介电性能的影响

常文平 马发展 郭贝贝 张嘉旗

【摘 要】10 kV变频电机在运行中，高频脉冲信号容易导致绝缘下降而引发故障。针对这一问题，采用共混法制备不同颗粒大小和不同掺杂浓度的纳米Al2O3材料，对其介电性能进行测试，结果表明：当纳米Al2O3粒子添加量为1%时，在20 nm、50 nm、100 nm 3种Al2O3复合材料中，50 nm的Al2O3复合材料的介质损耗因数最小。这说明添加合适颗粒的1%的Al2O3纳米复合材料，有助于减少空间电荷的集聚和提高变频电机聚乙烯电缆的介电特性。

【关键词】纳米Al2O3;空间电荷;介质损耗

【中图分类号】TM215.92 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0047-03

0 引言

我国是能源消耗大国，其中电机消耗了约70%的电能，为了提高电机的效率，变频调速技术实现了更多且更全面的应用，其中高压变频器驱动电机以调速范围宽、启动电流小、节约能耗显著等优点得到广泛应用[1-2]。但是，变频器常因IGBT模块内部发生局部放电而导致故障[3]，其中包括损害连接电机的电缆，河南心连心化肥有限公司因多次发生此类故障而严重影响生产安全。

根据电介质的碰撞理论，在强电场作用下，固体中的电子会在运动时与晶格发生碰撞，随着电子的动能不断增大，碰撞电离产生更多的自由电子，电阻率下降。由于纳米颗粒具有库仑阻塞效应，能够构造能垒限制电荷的传输，相应电阻率得到提高，因此能够提高绝缘材料的击穿强度。纳米材料的特性为中压变频电缆绝缘的制备和研发提供了新方法。

本文采用纳米Al2O3为改性粒子加XLPE，制备了不同组分的纳米复合材料，通过与电缆主绝缘XLPE电导率的良好配合，促进中压变频电缆内电场的均匀分布和对空间电荷的抑制，提高中压变频电缆运行的可靠性。

1 实验材料及方法

1.1 原始材料

实验原料：密度为0.922 g/cm3的低密度聚乙烯（LDPE），洁净度为64%，熔体流动速率为2.3 g/10 min，制备条件为190 ℃/2.16 kg，北京石化燕山石化公司生产;乙烯基三（β-甲氧基）乙氧基硅烷偶联剂改性氧化铝为20～100 nm，中国科学院过程研究所生产;无水甲醇，西陇科学化工有限公司生产。

1.2 Al2O3/LDPE纳米复合材料的制备

将含量分别为0.1%、0.2%、0.5%和1%的不同顆粒大小的纳米Al2O3材料和经60 ℃烘干处理过的LDPE材料，经过密炼机在120 ℃熔融共混下制备为均匀分布的Al2O3/LDPE纳米复合材料，利用平板硫化机在130 ℃、10 MPa压力下热压成一定厚度的面积为15 cm×15 cm的试样，经80 ℃真空去应力24 h制备得到试样材料。

1.3 测试

热重测试：DSC测试所用仪器为瑞士梅特勒-托利多（METTLER TOLEDO）公司生产的DSC3型差示扫描量热仪。测试坩埚为25 μL，测试温度范围为25～600 ℃，升温速率为10 ℃/min。

介质损耗测试：采用马来西亚KEYSIGHT公司生产的阻抗分析仪，型号为E4990，用于测量1%含量不同颗粒纳米材料的介质损耗随温度变化的规律。

2 结果与讨论

2.1 热分解

不同含量的Al2O3纳米低密度聚乙烯的DSC曲线如图1至图4所示，由图1至圖4可知，在测试温度范围内，DSC曲线出现2个不明显的峰，其中低温峰为熔融吸热峰，高温峰为分解放热峰，4种不同添加含量的低密度聚乙烯波形十分接近，说明添加不同含量的纳米材料不会影响样品的分解温度，可以保障电缆的发热安全运行。

2.2 介质损耗测试

黄兴溢等人[5]证明1% Al2O3纳米颗粒可提高线性低密度聚乙烯材料的击穿强度，所以本文只对1%的不同Al2O3颗粒材料做介质损耗测试。图5至图7是不同频率下的1%含量不同Al2O3颗粒tanφ随温度变化的曲线，可以看出，tanφ随着频率的增加而增大，并且tanφ随着温度升高呈现先减小再增加后又减小的趋势。图8至图9是不同颗粒下的1%含量Al2O3随温度的变化曲线，可以看出，tanφ随颗粒的变化而变化，并且tanφ随着颗粒的增大呈现先减小后增大的趋势。说明随着Al2O3纳米颗粒的混入，引入的陷阱吸附了原始材料LDPE中的部分游离电荷，从而减少了自由电荷的数量，但对不同Al2O3纳米颗粒的影响是不同的，颗粒过小或过大都将影响陷阱的吸附能力。

3 结论

本文的所有测试是在河南省线缆结构与材料重点实验室张营堂教授和张静老师的支持和帮助下完成的，研究了不同含量和不同颗粒大小下Al2O3纳米材料对LDPE电气性能的影响，为中压变频电缆绝缘材料的研究与应用提供了参考。主要结论如下。

（1）复合材料适当添加不同密度的纳米材料不会影响样品的分解温度，可以保障电缆的发热安全运行。

（2）1% Al2O3/LDPE纳米复合材料的介质损耗在常温下随着频率的增加而增加，说明为了电缆的安全运行，需要限制变频器的高频信号输出。

（3）1% Al2O3/LDPE纳米复合材料在20 nm时，介质损耗最低，说明纳米颗粒既不能过小，也不能过大。

参 考 文 献

[1]丘东梅，何旭智，韦高敏.高压变频器特性及其应用[J].电气技术与经济，2021（1）：46-48.

[2]刘旭辰，张文忠，惠婉玉.浅谈某热源厂项目高压变频器的节能应用[J].电气传动自动化，2020（5）：13-15.

[3]王彦文，冯琛，陈鹏，等.矿用高压变频器中IGBT模块在阶跃脉冲下局部放电特性[J].矿业科学学报，2020

（5）：536-545.

[4]董跃周.新型绝缘纳米电介质材料的工程应用综述[J].科技与企业，2015（9）：229.

[5]Huang X Y，Li F，Jiang P K.Effect of nanoparticle surface treatment on morphology，electrical and water treeing behavior of LLDPE composites[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（6）：1697-1704.