环保型高压直流电缆绝缘材料研究进展

T. Takada 等人研究了纳米 MgO 掺杂 LDPE 的空间电荷积聚特性，发现高场强下纯 LDPE 首先在阳极产生电荷包，并迅速向阴极转移，最终在阴极会注入大量的负极性电荷，且空间电荷积聚随着温度升高会进一步加剧。但 MgO/LDPE 复合材料即使在高温下也不存在上述电荷包的形成过程，而且同极性电荷注入很少，说明掺入纳米 MgO 颗粒能有效改善 LDPE 中空间电荷的积聚[15]。 Southampton大学的 G. Chen 等发现当 Al2O3 质量分数为 1%时，Al2O3/LLDPE 复合材料的空间电荷注入要比纯的LLDPE 少，但当 Al2O3 质量分数>5%后，空间电荷的注入情况会变得更加复杂，即纳米颗粒的添加含量存在一个平衡点[16]。国内清华大学、西安交通大学、上海交通大学、同济大学、哈尔滨理工大学、北京科技大学等单位的学者也在 LDPE 纳米复合电介质方面做了大量研究。结果表明：添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同种类的纳米颗粒均可提高 LDPE 的电气性能，如抑制同极性电荷注入和电树生长，增加击穿强度和局部放电电压[17-22]。

相对于聚乙烯纳米复合电介质，聚丙烯纳米复合材料的研究正在逐渐开展。清华大学笔者所在的研究团队在聚丙烯纳米复合材料方面做了大量研究。在前文中 PP/POE 共混物研究的基础上，利用纳米 MgO 颗粒抑制了 PP/POE 共混物中的空间电荷积聚，提高了复合材料的击穿强度和体积电阻率，具有很好的应用前景[23]。进一步研究发现， MgO 纳米颗粒不仅能在常温下抑制空间电荷积聚，还能在温度梯度下抑制空间电荷积聚[24]。另外，该团队也研究了 PP/EPR/ZnO 纳米复合材料的微观结构、热学力学性能及空间电荷行为[25]， 纳米 ZnO 的掺入可改善材料在直流高压下的异极性空间电荷积聚情况，但随着 ZnO 含量的增多，有可能引起少量同极性电荷的注入，图 2 给出了 PP/EPR 共混物和PP/EPR/ZnO 纳米复合材料的空间电荷积聚特性。

针对不同纳米颗粒对 iPP 电气性能的影响，研究发现 4 种纳米颗粒均能在一定程度上提高 iPP 的电气性能，但 MgO 和 TiO2 纳米复合材料表现出更好的综合性能。以 sPP 为基体，引入 SiO2 纳米颗粒使得材料的直流电阻显著提高[26]，并且空间电荷注入情况也有所改善。复合材料虽然没有交联过程，但其在室温下有合适的机械柔韧性，在高温下也有很高的机械强度，能够满足电缆的高温工作环境。

针对聚合物电介质热导率不高，从而会在电缆绝缘层中造成较大的温度梯度的问题，文献[27]在具有较高击穿强度的 PEC 中加入了具有较高热导率的氮化铝( AlN)纳米颗粒，得到了同时具有高热导率和低介质损耗的热塑性材料。研究发现， AlN 的加入虽然使得材料的直流电阻和击穿场强有所降低，但由于 PEC 自身的高击穿强度，复合材料的击穿强度仍高于XLPE。

1.4 热塑性聚烯烃化学改性材料

在聚烯烃分子链上引入特殊官能团接枝，利用接枝基团的反应性和极性，也可以使得聚烯烃的加工性及各方面性能得到提高。法国 Nexan、意大利Prysmian、日本 J–Power 和北欧化工等都通过在聚乙烯中引入极性基团开发出不同的电缆料。大量专利表明，在聚乙烯中引入羰基、硝基、氰基、芳香环、马来酸酐、不饱和脂肪酸等极性基团，均可抑制聚乙烯中的空间电荷，并提高体积电阻率[27-30]。意大利 Prysmian 近期已经制备了基于聚丙烯的±500 kV 直流电缆的样品。

文献[31]中利用马来酸酐接枝对聚丙烯进行了改性研究。马来酸酐的接入使得 PP 获得了很好的电气性能，明显的抑制了空间电荷的积聚，并减小了传导电流，从而提高了击穿强度。该结果可能是由于马来酸酐极性基团引入的深陷阱降低了电荷迁移率，并提高了注入势垒所致。图 3 为 PP 接枝马来酸酐之后的电导特性变化曲线。

2 关键问题及展望

2.1 环保型直流电缆绝缘材料技术优势

相对于传统的充油电缆、油纸绝缘和 XLPE 绝缘，环保型直流电缆绝缘材料最大的优势在于其绿色环保特性。目前普遍采用的 XLPE 绝缘无法直接回收再利用，而且交联过程也会造成环境污染。而环保型直流电缆绝缘材料可以有效避免这些问题。

从材料性质上， PP 的熔点可达 160 ℃以上，长期工作温度可达 100~120 ℃，因此相对于 XLPE，其长期工作温度可提高到 90 ℃甚至 100 ℃，这使得直流电缆的输送容量大大提高。同时 PP 具有更高的击穿场强和体积电阻率，可提高直流电缆的运行电压并降低输电损耗。在相同电压等级下可使绝缘层更薄，有利于解决电缆绝缘散热温度分布不均的问 题 。 PP 的 空 间 电 荷 注 入 阈 值 场 强 约 为 30MV/m[32]，远大于 XLPE 的 10 MV/m，因此空间电荷的积聚问题在 PP 电缆中要小很多。由于 PP 具有较高机械强度，因此不需进行交联处理，同时可保持热塑性特性。

加工工艺是工业生产中需要考虑的一个重要因素，传统 XLPE 加工过程中需要进行交联处理，然后进行脱气处理，以消除交联副产物的影响。而PP 不需要进行交联处理也可避免相应的脱气过程，从而可以大大简化电缆的生产工艺缩短生产周期。

2.2 环保型直流电缆绝缘材料发展建议

环保型直流电缆绝缘材料，特别是 PP 基绝缘材料展现出了巨大的应用前景，也正处于实验室大量研究阶段。

相对于 XLPE， PP 的优势在于能够提高工作温度至 90 ℃以上，因此研究 PP 在高温下的各项性能显得尤为重要，这也要求相应的测试手段能够达到90 ℃甚至更高的测试温度。 特别是空间电荷测试受制于传感器和放大器的工作温度限制，目前空间电荷的测试在 90 ℃或以上还难以较为稳定地进行。同时还应考虑材料性能随温度变化的特性，要求材料能够在较宽的温度范围内拥有较为稳定的特性。

由于 PP 基材料研究时间还相对较短，对 PP 材料的老化特性还认识不足。因此需要对 PP 材料在不同条件下的老化特性进行系统研究，为电缆的结构设计和寿命预测提供理论依据。可以采用加速老化和正常老化相结合的方法分析材料老化状态的表征参数，揭示特征参数与老化状态的相关性。同时还可以与 XLPE 老化进行对比试验，比较两种材料的老化特性。

通过添加纳米颗粒改善 PP 的电气性能已经展现出了良好的效果，但是目前还缺乏统一颗粒选型规则，不同研究中的结论也略有不同，这也是限制纳米复合电介质实际应用的因素之一。因此需要研究不同纳米颗粒添加的复合材料的空间电荷特性和老化特性，探索纳米颗粒表面处理方法和加工工艺，制备出分散良好且稳定性高的纳米复合材料，促进纳米电介质在电缆绝缘领域的实际应用。目前 PP基环保型直流电缆绝缘材料仍然处于实验室研发阶段，但应该尽快进行实际电缆的制造，掌握 PP 基材料的加工工艺。

3 结论

随着未来电网向着远距离、大容量、高可靠性方向的发展，直流电缆输电技术将得到广泛应用，环保型直流电缆绝缘材料的开发将进一步提高电力系统的环境友好性，促进我国电力电缆产业的发展。

目前环保型直流电缆绝缘材料的开发已经成为了学术界和工业界的共识，国内外已经开展了大量的探索性研究。

1)传统的 XLPE 绝缘存在难以回收再利用，工作温度不高，加工工艺复杂的问题，需要开展环保型高压直流电缆绝缘材料的研究以提高高压直流电缆的环境友好性并提高其运行性能。热塑性聚烯烃展现出了很好的应用前景。

2)单纯一种聚烯烃材料很难同时满足高压直流电缆绝缘材料对热学、机械和电气性能的要求，常常需要通过共混改性、纳米改性、化学接枝改性等手段提高其综合性能。

3)聚丙烯存在作为环保型高压直流电缆绝缘材料的可行性，可提高直流电缆的运行温度并简化其加工工艺，前期研究中展现出了优异的性能。聚丙烯基环保型直流电缆绝缘材料的开发将是电缆制造领域的一大突破，将是未来电缆制造领域的发展方向。

因此，我国应该广泛开展环保型电缆绝缘材料的研究，开展相关的技术储备工作，提高国内电缆制造企业的核心竞争力。

作者：何金良，彭 琳，周 垚

清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制与仿真国家重点实验室