隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流電纜輸電方式在未來電能傳輸中將發(fā)揮重要作用，而直流電纜輸電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于電纜絕緣材料的突破。針對傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯絕緣存在的不可回收再利用、工作溫度有限和加工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，開發(fā)環(huán)保型直流電纜絕緣材料顯得尤為必要。為促進(jìn)環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究和開發(fā)，對環(huán)保型直流電纜絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)評述?？偨Y(jié)了目前常見的幾種聚烯烴類環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究進(jìn)展和聚烯烴材料的 3 種改性方法：共混改性、納米改性和化學(xué)接枝改性，對比了環(huán)保型直流電纜絕緣材料和傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯相比的優(yōu)勢。可以看出，以熱塑性聚烯烴，特別是聚丙烯為基體的環(huán)保型直流電纜絕緣材料展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景，可以有效提高直流電纜的工作溫度，簡化加工工藝。環(huán)保型直流電纜絕緣材料開發(fā)過程中更應(yīng)注重材料在高溫下的性能，以發(fā)揮其優(yōu)勢從而提高直流電纜的運(yùn)行溫度，同時(shí)應(yīng)該同步開展環(huán)保型直流電纜絕緣材料的老化研究。

0 引言1

相對于交流輸電系統(tǒng)，直流系統(tǒng)輸送容量更大，可以節(jié)省大量土地資源，而且直流系統(tǒng)無交流系統(tǒng)大范圍的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)安全問題較小。因此直流輸電技術(shù)將在遠(yuǎn)距離、大容量輸電和分布式能源送出等方面被廣泛采用。

然而，隨著超／特高壓輸電線路的建設(shè)，傳統(tǒng)的架空輸電線路面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，輸電走廊問題已經(jīng)成為超／特高壓線路建設(shè)的關(guān)鍵問題［1］。在送端，許多水電站所在位置地形復(fù)雜多樣，架空線路建設(shè)已經(jīng)很難找到路徑而且建設(shè)難度巨大。在受端，隨著城市化進(jìn)程的加快，特別是諸如長三角和珠三角等地，新建架空線路已經(jīng)很難找到線路走廊，其它大型城市的輸電走廊緊張問題也將逐漸顯現(xiàn)［2］。 此外，遠(yuǎn)距離輸電線不可避免地要經(jīng)過江河湖泊、風(fēng)景名勝、自然保護(hù)區(qū)等，架空線路不僅會破壞自然和人文景觀，也會遇到大跨越等建設(shè)難題。同時(shí)隨著海洋資源的開發(fā)，特別是海上風(fēng)電和海島供電的需求日益增加， 在海上建設(shè)架空線路幾乎不可能。 因此，在當(dāng)前高壓線路建設(shè)過程中，急需發(fā)展地下或海下電纜輸電技術(shù)解決送端、受端及特殊地段的輸電線路走廊問題。

直流電纜在發(fā)展過程中出現(xiàn)了充油電纜、油紙絕緣電纜、浸漬絕緣電纜和塑料絕緣電纜。而隨著三層共擠工藝的發(fā)展，塑料電纜已經(jīng)成為直流電纜發(fā)展的主流，采用高壓直流塑料電纜的柔性直流輸電也是國際大電網(wǎng)倡導(dǎo)的主流方向［3］。目前最為常用的直流塑料電纜的絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，該材料不僅保持了聚乙烯良好的電氣絕緣性能，還增強(qiáng)了聚乙烯的耐熱性，交聯(lián)過程還使乙烯分子由鏈狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得聚乙烯在高溫下的機(jī)械特性有了極大的提高。然而，交聯(lián)過程使得聚乙烯從熱塑性材料轉(zhuǎn)變成了熱固性材料，因此在電纜壽命到期后無法直接回收再利用，不具備綠色環(huán)保的特性，將不可避免地產(chǎn)生大量的廢棄交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料從而產(chǎn)生環(huán)保問題。因此，研究綠色環(huán)保的、可回收且避免了復(fù)雜交聯(lián)過程的高性能直流電纜絕緣材料體系，實(shí)現(xiàn)電纜絕緣材料的創(chuàng)新，是大容量直流塑料電纜必須解決的重大關(guān)鍵問題，可為電力電纜的大規(guī)模應(yīng)用解決環(huán)保問題。

熱塑性聚烯烴是首選的環(huán)保型直流電纜絕緣材料，常見的有聚乙烯、乙丙橡膠、聚丙烯等聚合物材料。聚乙烯電氣性能優(yōu)異，絕緣電阻和耐電強(qiáng)度較高，介電損耗小，但其較低的軟化溫度使其不適合在高溫下工作，同時(shí)存在機(jī)械強(qiáng)度不高和使用壽命較短的問題。乙丙橡膠是以乙烯和丙烯為基礎(chǔ)單體的合成橡膠，由于其優(yōu)異的耐腐蝕性、耐老化性和電氣絕緣性能，從而被廣泛應(yīng)用在電纜護(hù)套和電纜絕緣材料中。聚丙烯材料有著高熔點(diǎn)和優(yōu)異的電氣絕緣性能，然而聚丙烯在常溫下的脆性導(dǎo)致其作為電纜絕緣材料難以使用。高壓直流電纜絕緣材料開發(fā)的重點(diǎn)問題在于材料中空間電荷的積聚。直流電場作用下，隨著加壓時(shí)間的增加，由于材料中微觀缺陷的存在，很容易在絕緣材料中引起空間電荷的積聚?？臻g電荷的大量積聚會使得絕緣材料中的電場發(fā)生畸變，引起局部電場分布不均，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生局部放電甚至絕緣擊穿，嚴(yán)重影響電纜的使用壽命。空間電荷問題一直是限制高壓直流電纜發(fā)展的一個(gè)重要因素。

為了給環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料研究提供參考，本文系統(tǒng)綜述了目前國內(nèi)外在環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對目前環(huán)保型直流電纜絕緣材料開發(fā)中存在的問題進(jìn)行了探討。

1 研究進(jìn)展

目前對于環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究，主要集中在以下幾種材料：以聚乙烯、聚丙烯和乙丙橡膠等為代表的熱塑性聚烯烴；以聚乙烯基、聚丙烯基共混物等為代表的熱塑性聚烯烴共混物；摻雜納米填料的熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料；通過化學(xué)方法改性的聚烯烴材料。這些研究在提高材料的電氣性能、機(jī)械性能和熱性能上做了很多嘗試和努力，并取得了一定成果，展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

1．1 熱塑性聚烯烴

聚乙烯（ polyethylene， PE）樹脂有著良好的絕緣性能，但是由于熔點(diǎn)低，高溫下機(jī)械性能有限，其使用溫度不高。根據(jù)分子鏈結(jié)構(gòu)、分子量和密度的不同，聚乙烯可分為線性低密度聚乙烯（ linear low density polyethylene， LLDPE），低密度聚乙烯（ low density polyethylene， LDPE）和高密度聚乙烯（ high density polyethylene， HDPE）。 LDPE 具有較好的機(jī)械柔韌性，但其耐熱性能和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性較差。而相比之下， HDPE 提高了耐熱性能和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性。 LDPE 和 HDPE 曾應(yīng)用于早期的聚合物塑料電纜中， 但隨著交聯(lián)聚乙烯 （ crosslinked polyethylene， XLPE）的出現(xiàn)， LDPE 和 HDPE 已經(jīng)被 XLPE 所取代。然而， XLPE 會喪失 LDPE 和HDPE 的熱塑性特性，從而難以回收再利用。

目前，聚乙烯作為環(huán)保型直流電纜絕緣材料，其研究主要集中在不采用化學(xué)交聯(lián)的方式下如何提高其工作溫度以及高溫下的各項(xiàng)性能。韓國的 J． S．Lee 等在 2012 年研發(fā)了一種不需要化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，而只需要通過物理交聯(lián)的 PE，該材料可回收再利用，并且展現(xiàn)出比 XLPE 更好的機(jī)械性能、擊穿特性和長期穩(wěn)定性［4］。

聚丙烯（ polyethylene， PP）是另外一種潛在的環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料，根據(jù)其分子鏈結(jié)構(gòu)，可分為等規(guī)聚丙烯（ isotactic polypropylene， iPP）、間規(guī)聚丙烯（ syndiotactic polypropylene， sPP）和無規(guī)聚丙烯（ atactic polypropylene， aPP）。聚丙烯具有優(yōu)良的絕緣性能和抗腐蝕性能， iPP 的熔點(diǎn)高達(dá)160 ℃以上，長期使用溫度達(dá) 100～120 ℃。聚丙烯最大的缺點(diǎn)在于耐寒性能差，低溫下易脆斷。

日本 Osaka University 的 K． Yoshino 等比較了iPP 和 sPP 的分子結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電氣性能，發(fā)現(xiàn) sPP 的結(jié)晶溫度更低，在高溫下形成的球晶粒徑比 iPP 小 20～30 倍，因而具有更好的熱穩(wěn)定性和電氣絕緣性能。研究認(rèn)為 sPP 是一種很好的環(huán)保型直流電纜絕緣材料，但其相對價(jià)格較高，是制約 sPP發(fā)展的因素［5］。為了綜合 PE 和 PP 的優(yōu)點(diǎn)，提出了通過乙烯和丙烯單體聚合制備乙烯丙烯共聚物（ ethylene－ propylene copolymer， EPC）。 該共聚物在一定程度上可增加 PP 的柔韌性和抗沖擊性能，同時(shí)保持較高的工作溫度。但如何控制 2 種單體的相對含量和單體在分子鏈上的排布規(guī)律，從而控制共聚物的性能仍然是一個(gè)有待深入研究的問題。

英國 Southampton 大學(xué)的 I． L． Hosier 研究了 4種不同乙烯含量的 EPC 和 sPP 以及 iPP 的熱學(xué)、機(jī)械和電氣性能，發(fā)現(xiàn)雖然每種樣品都有一個(gè)或多個(gè)較好的性質(zhì)，但是總體來說，沒有一種樣品能達(dá)到電纜絕緣材料的全部要求［6］。

1．2 熱塑性聚烯烴共混

前文中關(guān)于單種聚烯烴材料的介紹，單純的PE、 PP 或 EPC 作為環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料均存在一定的問題，因此研究轉(zhuǎn)向了通過熱塑性聚烯烴共混來改善單種聚烯烴的性能。共混改性相對于共聚的優(yōu)點(diǎn)在于： 操作工藝簡單、 成本較為低廉。

根據(jù)共混組分主要成分，關(guān)于熱塑性烯烴共混物的研究可以分為 PE 基材料和 PP 基材料兩種。

1．2．1 聚乙烯基共混物

英國 Southampton 大學(xué)的 A． S． Vaughan 等研究了 HDPE／LDPE 共混物的特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者質(zhì)量比為 20：80 時(shí)，在冷卻速率為 0．5～10 K／min 的條件下該共混物有著比 XLPE 更高的擊穿強(qiáng)度和高溫機(jī)械性能［7－8］，研究還發(fā)現(xiàn)，將線性聚乙烯和支化聚乙烯共混并通過適當(dāng)?shù)男蚊部刂瓶墒蛊浔憩F(xiàn)出優(yōu)于XLPE 的性能。 I． L． Hosier 等研究了不同醋酸乙烯（ vinyl acetate， VA）質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙烯–醋酸乙烯酯（ ethylene－vinyl acetate copolymer， EVA）的熔點(diǎn)、結(jié)晶度、機(jī)械性能及擊穿強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著 VA 質(zhì)量

分?jǐn)?shù)增加，上述性能均有所降低。但質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20％的 HDPE 和 EVA 或 LDPE 共混可提高共混物的熱機(jī)械性能、 力學(xué)性能和電氣性能， 從而達(dá)到與 XLPE各方面相似的性能。研究認(rèn)為以上共混物存在作為可回收電纜材料的可能性［9］。

H． K． Lee 等發(fā)現(xiàn) EVA 和 HDPE 共混不僅可以改善 HDPE 在常溫下的脆性，而且擁有良好的高溫耐熱和機(jī)械性能。采用共混而非交聯(lián)的 HDPE／EVA共混物不僅降低了材料的成本，而且相比 XLPE 來說可以降低介電損耗，存在著作為環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料的可行性［10］。 K． S． Suh 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) EVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)， PE／EVA 共混物的異極性空間電荷積聚有所減少［11］。

1．2．2 聚丙烯基共混物

I． L． Hosier 等在研究 iPP 和 PEC 單獨(dú)特性的基礎(chǔ)上，研究了上述材料共混物的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn) iPP 和 PEC 共混可以達(dá)到最優(yōu)的效果，實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50％的 iPP 與質(zhì)量分?jǐn)?shù) 40％的乙烯單體的 PEC 組成共混物有著最佳的綜合性能［12］。

國內(nèi)清華大學(xué)筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)江平開教授的研究團(tuán)隊(duì)在聚丙烯基共混物材料方面做了很多研究。 他們研究了聚丙烯／彈性體（ PP／POE）共混物作為高壓直流電纜的可行性，制備了不同 POE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 PP／POE 共混物。研究發(fā)現(xiàn)隨著彈性體的混入，聚丙烯材料的機(jī)械性能得到了很大提高，展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。雖然 POE的摻入使 PP 的熔點(diǎn)有所下降，但由于 PP 的熔點(diǎn)本身較高，所以 PP／POE 共混物仍然有著很好的熱學(xué)性能， 能長期工作在較高溫度下。 在電氣性能方面，隨著 POE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， 材料的介電強(qiáng)度略有下降，總體上能達(dá)到交聯(lián)聚乙烯的絕緣水平。但在直流高壓作用下， PP 中的空間電荷積聚現(xiàn)象并沒有得到改善［13］。表 1 給出了 PP／POE 和 XLPE 的性能對比。

文獻(xiàn)［14］研究比較了 PP、 PP／PEC 共混物和聚丙烯／乙烯–辛烯共聚物（ PP／EOC）共混物的空間電荷注入情況，發(fā)現(xiàn) PP／EOC 樣品中，由于 EOC 是有效的成核劑，從而減小了 PP 中的球晶尺寸，增加了球晶之間的界面，使得 PP／EOC 中球晶界面處的淺陷阱增加，因此其空間電荷要明顯少于 PP 或PP／PEC。圖 1 是 PP／PEC 共混物和 PP／EOC 共混物的透射電子顯微鏡照片。

1．3 熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料

近年來，隨著納米電介質(zhì)的發(fā)展，在聚合物電介質(zhì)中引入納米顆粒提高材料的電氣性能已經(jīng)成為一種流行的改性方法，并且已經(jīng)取得了顯著的成效。

特別是許多研究者已經(jīng)在聚乙烯納米復(fù)合材料方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。

T． Takada 等人研究了納米 MgO 摻雜 LDPE 的空間電荷積聚特性，發(fā)現(xiàn)高場強(qiáng)下純 LDPE 首先在陽極產(chǎn)生電荷包，并迅速向陰極轉(zhuǎn)移，最終在陰極會注入大量的負(fù)極性電荷，且空間電荷積聚隨著溫度升高會進(jìn)一步加劇。但 MgO／LDPE 復(fù)合材料即使在高溫下也不存在上述電荷包的形成過程，而且同極性電荷注入很少，說明摻入納米 MgO 顆粒能有效改善 LDPE 中空間電荷的積聚［15］。 Southampton大學(xué)的 G． Chen 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1％時(shí)，

Al2O3／LLDPE 復(fù)合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復(fù)雜，即納米顆粒的添加含量存在一個(gè)平衡點(diǎn)［16］。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的學(xué)者也在 LDPE 納米復(fù)合電介質(zhì)方面做了大量研究。結(jié)果表明：添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同種類的納米顆粒均可提高 LDPE 的電氣性能，如抑制同極性電荷注入和電樹生長，增加擊穿強(qiáng)度和局部放電電壓［17－22］。

相對于聚乙烯納米復(fù)合電介質(zhì)，聚丙烯納米復(fù)合材料的研究正在逐漸開展。清華大學(xué)筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)在聚丙烯納米復(fù)合材料方面做了大量研究。在前文中 PP／POE 共混物研究的基礎(chǔ)上，利用納米 MgO 顆粒抑制了 PP／POE 共混物中的空間電荷積聚，提高了復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和體積電阻率，具有很好的應(yīng)用前景［23］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， MgO 納米顆粒不僅能在常溫下抑制空間電荷積聚，還能在溫度梯度下抑制空間電荷積聚［24］。另外，該團(tuán)隊(duì)也研究了 PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、熱學(xué)力學(xué)性能及空間電荷行為［25］， 納米 ZnO 的摻入可改善材料在直流高壓下的異極性空間電荷積聚情況，但隨著 ZnO 含量的增多，有可能引起少量同極性電荷的注入，圖 2 給出了 PP／EPR 共混物和PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的空間電荷積聚特性。

針對不同納米顆粒對 iPP 電氣性能的影響，研究發(fā)現(xiàn) 4 種納米顆粒均能在一1．3 熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料近年來，隨著納米電介質(zhì)的發(fā)展，在聚合物電介質(zhì)中引入納米顆粒提高材料的電氣性能已經(jīng)成為一種流行的改性方法，并且已經(jīng)取得了顯著的成效。

特別是許多研究者已經(jīng)在聚乙烯納米復(fù)合材料方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。

T． Takada 等人研究了納米 MgO 摻雜 LDPE 的空間電荷積聚特性，發(fā)現(xiàn)高場強(qiáng)下純 LDPE 首先在陽極產(chǎn)生電荷包，并迅速向陰極轉(zhuǎn)移，最終在陰極會注入大量的負(fù)極性電荷，且空間電荷積聚隨著溫度升高會進(jìn)一步加劇。但 MgO／LDPE 復(fù)合材料即使在高溫下也不存在上述電荷包的形成過程，而且同極性電荷注入很少，說明摻入納米 MgO 顆粒能有效改善 LDPE 中空間電荷的積聚［15］。 Southampton大學(xué)的 G． Chen 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1％時(shí)，Al2O3／LLDPE 復(fù)合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復(fù)雜，即納米顆粒的添加含量存在一個(gè)平衡點(diǎn)［16］。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的學(xué)者也在 LDPE 納米復(fù)合電介質(zhì)方面做了大量研究。結(jié)果表明：添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同種類的納米顆粒均可提高 LDPE 的電氣性能，如抑制同極性電荷注入和電樹生長，增加擊穿強(qiáng)度和局部放電電壓［17－22］。

相對于聚乙烯納米復(fù)合電介質(zhì)，聚丙烯納米復(fù)合材料的研究正在逐漸開展。清華大學(xué)筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)在聚丙烯納米復(fù)合材料方面做了大量研究。在前文中 PP／POE 共混物研究的基礎(chǔ)上，利用納米 MgO 顆粒抑制了 PP／POE 共混物中的空間電荷積聚，提高了復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和體積電阻率，具有很好的應(yīng)用前景［23］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， MgO 納米顆粒不僅能在常溫下抑制空間電荷積聚，還能在溫度梯度下抑制空間電荷積聚［24］。另外，該團(tuán)隊(duì)也研究了 PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、熱學(xué)力學(xué)性能及空間電荷行為［25］， 納米 ZnO 的摻入可改善材料在直流高壓下的異極性空間電荷積聚情況，但隨著 ZnO 含量的增多，有可能引起少量同極性電荷的注入，圖 2 給出了 PP／EPR 共混物和PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的空間電荷積聚特性。

針對不同納米顆粒對 iPP 電氣性能的影響，研究發(fā)現(xiàn) 4 種納米顆粒均能在一定程度上提高 iPP 的電氣性能，但 MgO 和 TiO2 納米復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的綜合性能。以 sPP 為基體，引入 SiO2 納米顆粒使得材料的直流電阻顯著提高［26］，并且空間電荷注入情況也有所改善。復(fù)合材料雖然沒有交聯(lián)過程，但其在室溫下有合適的機(jī)械柔韌性，在高溫下也有很高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足電纜的高溫工作環(huán)境。

針對聚合物電介質(zhì)熱導(dǎo)率不高，從而會在電纜絕緣層中造成較大的溫度梯度的問題，文獻(xiàn)［27］在具有較高擊穿強(qiáng)度的 PEC 中加入了具有較高熱導(dǎo)率的氮化鋁（ AlN）納米顆粒，得到了同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和低介質(zhì)損耗的熱塑性材料。研究發(fā)現(xiàn)， AlN 的加入雖然使得材料的直流電阻和擊穿場強(qiáng)有所降低，但由于 PEC 自身的高擊穿強(qiáng)度，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度仍高于XLPE。

1．4 熱塑性聚烯烴化學(xué)改性材料

在聚烯烴分子鏈上引入特殊官能團(tuán)接枝，利用接枝基團(tuán)的反應(yīng)性和極性，也可以使得聚烯烴的加工性及各方面性能得到提高。法國 Nexan、意大利Prysmian、日本 J–Power 和北歐化工等都通過在聚乙烯中引入極性基團(tuán)開發(fā)出不同的電纜料。大量專利表明，在聚乙烯中引入羰基、硝基、氰基、芳香環(huán)、馬來酸酐、不飽和脂肪酸等極性基團(tuán)，均可抑制聚乙烯中的空間電荷，并提高體積電阻率［27－30］。意大利 Prysmian 近期已經(jīng)制備了基于聚丙烯的±500 kV 直流電纜的樣品。

文獻(xiàn)［31］中利用馬來酸酐接枝對聚丙烯進(jìn)行了改性研究。馬來酸酐的接入使得 PP 獲得了很好的電氣性能，明顯的抑制了空間電荷的積聚，并減小了傳導(dǎo)電流，從而提高了擊穿強(qiáng)度。該結(jié)果可能是由于馬來酸酐極性基團(tuán)引入的深陷阱降低了電荷遷移率，并提高了注入勢壘所致。圖 3 為 PP 接枝馬來酸酐之后的電導(dǎo)特性變化曲線。

2 關(guān)鍵問題及展望

2．1 環(huán)保型直流電纜絕緣材料技術(shù)優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的充油電纜、油紙絕緣和 XLPE 絕緣，環(huán)保型直流電纜絕緣材料最大的優(yōu)勢在于其綠色環(huán)保特性。目前普遍采用的 XLPE 絕緣無法直接回收再利用，而且交聯(lián)過程也會造成環(huán)境污染。而環(huán)保型直流電纜絕緣材料可以有效避免這些問題。

從材料性質(zhì)上， PP 的熔點(diǎn)可達(dá) 160 ℃以上，長期工作溫度可達(dá) 100～120 ℃，因此相對于 XLPE，其長期工作溫度可提高到 90 ℃甚至 100 ℃，這使得直流電纜的輸送容量大大提高。同時(shí) PP 具有更高的擊穿場強(qiáng)和體積電阻率，可提高直流電纜的運(yùn)行電壓并降低輸電損耗。在相同電壓等級下可使絕緣層更薄，有利于解決電纜絕緣散熱溫度分布不均的問 題 。 PP 的 空 間 電 荷 注 入 閾 值 場 強(qiáng) 約 為 30MV／m［32］，遠(yuǎn)大于 XLPE 的 10 MV／m，因此空間電荷的積聚問題在 PP 電纜中要小很多。由于 PP 具有較高機(jī)械強(qiáng)度，因此不需進(jìn)行交聯(lián)處理，同時(shí)可保持熱塑性特性。

加工工藝是工業(yè)生產(chǎn)中需要考慮的一個(gè)重要因素，傳統(tǒng) XLPE 加工過程中需要進(jìn)行交聯(lián)處理，然后進(jìn)行脫氣處理，以消除交聯(lián)副產(chǎn)物的影響。而PP 不需要進(jìn)行交聯(lián)處理也可避免相應(yīng)的脫氣過程，從而可以大大簡化電纜的生產(chǎn)工藝縮短生產(chǎn)周期。

2．2 環(huán)保型直流電纜絕緣材料發(fā)展建議

環(huán)保型直流電纜絕緣材料，特別是 PP 基絕緣材料展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景，也正處于實(shí)驗(yàn)室大量研究階段。

相對于 XLPE， PP 的優(yōu)勢在于能夠提高工作溫度至 90 ℃以上，因此研究 PP 在高溫下的各項(xiàng)性能顯得尤為重要，這也要求相應(yīng)的測試手段能夠達(dá)到90 ℃甚至更高的測試溫度。 特別是空間電荷測試受制于傳感器和放大器的工作溫度限制，目前空間電荷的測試在 90 ℃或以上還難以較為穩(wěn)定地進(jìn)行。同時(shí)還應(yīng)考慮材料性能隨溫度變化的特性，要求材料能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)擁有較為穩(wěn)定的特性。

由于 PP 基材料研究時(shí)間還相對較短，對 PP 材料的老化特性還認(rèn)識不足。因此需要對 PP 材料在不同條件下的老化特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，為電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測提供理論依據(jù)?？梢圆捎眉铀倮匣驼＠匣嘟Y(jié)合的方法分析材料老化狀態(tài)的表征參數(shù)，揭示特征參數(shù)與老化狀態(tài)的相關(guān)性。同時(shí)還可以與 XLPE 老化進(jìn)行對比試驗(yàn)，比較兩種材料的老化特性。

通過添加納米顆粒改善 PP 的電氣性能已經(jīng)展現(xiàn)出了良好的效果，但是目前還缺乏統(tǒng)一顆粒選型規(guī)則，不同研究中的結(jié)論也略有不同，這也是限制納米復(fù)合電介質(zhì)實(shí)際應(yīng)用的因素之一。因此需要研究不同納米顆粒添加的復(fù)合材料的空間電荷特性和老化特性，探索納米顆粒表面處理方法和加工工藝，制備出分散良好且穩(wěn)定性高的納米復(fù)合材料，促進(jìn)納米電介質(zhì)在電纜絕緣領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。目前 PP基環(huán)保型直流電纜絕緣材料仍然處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，但應(yīng)該盡快進(jìn)行實(shí)際電纜的制造，掌握 PP 基材料的加工工藝。

3 結(jié)論

隨著未來電網(wǎng)向著遠(yuǎn)距離、大容量、高可靠性方向的發(fā)展，直流電纜輸電技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，環(huán)保型直流電纜絕緣材料的開發(fā)將進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的環(huán)境友好性，促進(jìn)我國電力電纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前環(huán)保型直流電纜絕緣材料的開發(fā)已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共識，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的探索性研究。

1）傳統(tǒng)的 XLPE 絕緣存在難以回收再利用，工作溫度不高，加工工藝復(fù)雜的問題，需要開展環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料的研究以提高高壓直流電纜的環(huán)境友好性并提高其運(yùn)行性能。熱塑性聚烯烴展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

2）單純一種聚烯烴材料很難同時(shí)滿足高壓直流電纜絕緣材料對熱學(xué)、機(jī)械和電氣性能的要求，常常需要通過共混改性、納米改性、化學(xué)接枝改性等手段提高其綜合性能。

3）聚丙烯存在作為環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料的可行性，可提高直流電纜的運(yùn)行溫度并簡化其加工工藝，前期研究中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。聚丙烯基環(huán)保型直流電纜絕緣材料的開發(fā)將是電纜制造領(lǐng)域的一大突破，將是未來電纜制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。

因此，我國應(yīng)該廣泛開展環(huán)保型電纜絕緣材料的研究，開展相關(guān)的技術(shù)儲備工作，提高國內(nèi)電纜制造企業(yè)的核心競爭力。