目前的高壓直流塑料電纜以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為電纜主絕緣。XLPE保持了聚乙烯絕緣電阻高、耐電壓性能好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，并且具有較聚乙烯更優(yōu)的熱性能和機(jī)械性能，綜合性能得到明顯改善。

然而隨著XLPE作為電纜絕緣材料的大規(guī)模使用，XLPE電纜在生產(chǎn)、運(yùn)行和回收等方面的諸多問題和技術(shù)難題也逐漸顯現(xiàn)。如何最大限度的提高XLPE電纜性能以確保電纜運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，始終是學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域最受關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題。目前，國(guó)內(nèi)高壓直流電纜XLPE絕緣材料長(zhǎng)期完全依賴進(jìn)口，這嚴(yán)重制約了我國(guó)高壓超高壓直流工程技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展。

因此，開展高壓直流電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料改性方法研究，掌握改性絕緣材料的性能特點(diǎn)和改性機(jī)理，對(duì)高壓直流電纜絕緣改性、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)等方面都具有重要意義。

論文所解決的問題及意義

目前，高壓直流電纜絕緣材料開發(fā)和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題是絕緣材料電導(dǎo)率溫度特性問題和空間電荷積聚問題，這極大制約了直流電纜輸電技術(shù)的發(fā)展，是限制直流輸電電壓等級(jí)提高的關(guān)鍵因素。高壓直流電纜絕緣用絕緣材料應(yīng)滿足電阻率受溫度影響小、空間電荷注入和積聚量少、介電強(qiáng)度高、熱導(dǎo)性好等特點(diǎn)。隨著輸送容量的進(jìn)一步提高，高壓直流電纜運(yùn)行工況將更加嚴(yán)酷，如何改善直流場(chǎng)下絕緣材料的電導(dǎo)率溫度特性和空間電荷特性，已成為影響我國(guó)電纜工業(yè)發(fā)展的重要研究課題。

論文的方法及創(chuàng)新點(diǎn)

▼ 納米摻雜改性聚乙烯絕緣材料

目前的研究表明，納米復(fù)合電介質(zhì)在電樹枝老化、空間電荷、局部放電、擊穿強(qiáng)度、介質(zhì)損耗、直流電導(dǎo)等諸多方面都具有優(yōu)異的性質(zhì)。與未摻雜納米顆?；驌诫s了微米顆粒的電解質(zhì)相比，納米電解質(zhì)的擊穿強(qiáng)度、耐局部放電、耐電暈、耐電樹枝老化、沿面閃絡(luò)、空間電荷等介電性能得到了不同程度的改善。

對(duì)于無(wú)機(jī)納米顆粒摻雜改性的聚乙烯絕緣材料，其性能受到諸多因素的影響，如納米復(fù)合工藝、納米分散性、納米顆粒表面修飾等。特別是納米顆粒的分散性，直接關(guān)系許多研究結(jié)果能否真正應(yīng)用到實(shí)際工程應(yīng)用中。因此，制備分散性良好的納米聚乙烯絕緣材料是后續(xù)實(shí)驗(yàn)室研究和分析的基礎(chǔ)，也是未來(lái)工程應(yīng)用的最基本要求。

▼ 共混改性聚乙烯絕緣材料

采用共混的方法對(duì)聚乙烯絕緣材料進(jìn)行改性，不僅能使聚乙烯材料的機(jī)械性能和熱性能得到提高，同時(shí)也在一定程度上提高了其抑制空間電荷的能力。目前，針對(duì)共混改性可回收聚乙烯絕緣材料的研發(fā)仍然處在探索階段，共混聚乙烯絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行和高溫條件下的老化、高溫短路后絕緣材料再結(jié)晶對(duì)機(jī)械和電學(xué)性能的影響等方面還需要更多的研究。

▼ 化學(xué)改性（電壓穩(wěn)定劑）聚乙烯絕緣材料

電壓穩(wěn)定劑作為一種提高高壓直流電纜用聚乙烯絕緣材料性能的方法，近年來(lái)得到了原來(lái)越多的關(guān)注。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，通過理論化學(xué)計(jì)算與具體實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法設(shè)計(jì)合成電壓穩(wěn)定劑具有較好的研究前景和可行性。目前，電壓穩(wěn)定劑在加工和處理等方面仍面臨著很多問題，電壓穩(wěn)定劑對(duì)絕緣材料中電子傳輸機(jī)制的影響仍不明確，電壓穩(wěn)定劑在聚乙烯基高壓直流電纜絕緣材料中的實(shí)際應(yīng)用仍需要大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

▼ 超純凈聚乙烯絕緣材料

基于納米摻雜、絕緣材料共混和添加電壓穩(wěn)定劑抑制空間電荷、提高聚乙烯絕緣材料性能，都是在超凈聚乙烯基料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。研發(fā)符合高壓直流電纜絶縁材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的超純凈聚乙烯基料是高壓直流電纜絕緣材料研究的首要問題。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)超純凈聚乙烯絕緣材料的技術(shù)尚不成熟，極大地限制了我國(guó)直流電纜行業(yè)的發(fā)展。

結(jié)論

交聯(lián)聚乙烯由于具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性能和介電性能。高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料面臨的最嚴(yán)峻的問題就是溫度梯度下直流電導(dǎo)率和空間電荷的調(diào)控問題。

1. 無(wú)機(jī)納米顆粒摻雜能夠有效抑制聚乙烯絕緣材料中空間電荷的積聚，并在一定程度上提高聚乙烯絕緣材料的直流電導(dǎo)率溫度特性、直流擊穿強(qiáng)度等介電性能。
2. 共混改性絕緣材料能夠改善因交聯(lián)過程中引入雜質(zhì)而帶來(lái)的空間電荷問題，同時(shí)在一定程度上提高絕緣材料的介電性能和機(jī)械性能，具有很好的發(fā)展前景。
3. 使用電壓穩(wěn)定劑對(duì)聚乙烯絕緣材料進(jìn)行化學(xué)改性能夠顯著改善聚乙烯絕緣材料的耐電性能，隨著量子化學(xué)計(jì)算的興起，利用理論計(jì)算結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合成性能優(yōu)異的電壓穩(wěn)定劑具有極高的可行性。
4. 超純凈聚乙烯基料是高壓直流電纜用聚乙烯絕緣材料研發(fā)工作的基礎(chǔ)。

引用本文

杜伯學(xué), 韓晨磊, 李進(jìn), 李忠磊. 高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料研究現(xiàn)狀[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(1): 179-191.

Du Boxue, Han Chenlei, Li Jin, Li Zhonglei. Research Status of Polyethylene Insulation for High Voltage Direct Current Cables. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(1): 179-191.

團(tuán)隊(duì)介紹

杜伯學(xué)

IET Fellow，教授，博士生導(dǎo)師，天津大學(xué)特高壓輸電絕緣關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。1988年留學(xué)日本，獲博士學(xué)位后曾任助理教授、副教授，2002年回國(guó)任教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家基金委工程與材料學(xué)部會(huì)評(píng)專家，擔(dān)任IEEE P2780標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)副主席，IEEE China Council Council of Superconductivity Chapter委員，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、IEEE Access、IET Nanodielectrics 副主編，IET High Voltage、Journal of Modern Power Systems and Clean Energy、高電壓技術(shù)和廣東電力等期刊編委，國(guó)際大電網(wǎng)組織D1成員。主要從事聚合物絕緣材料的可靠性和安全性理論與試驗(yàn)、高溫超導(dǎo)電介質(zhì)、納米復(fù)合絕緣材料、電氣絕緣在線監(jiān)測(cè)、高電壓新技術(shù)等方面的研究工作。發(fā)表學(xué)術(shù)論文四百余篇，其中IEEE 期刊論文120余篇，出版中文、英文、日文著作11部。

天津大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)

天津大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，目前擁有教授1人，副教授5人，高級(jí)工程師1人，講師2人，研究生40人，在聚合物絕緣材料的可靠性和安全性理論與試驗(yàn)、納米復(fù)合絕緣材料、高壓直流裝備關(guān)鍵絕緣技術(shù)、新能源發(fā)電、高電壓新技術(shù)、高溫超導(dǎo)絕緣等方面展開了大量研究工作。已經(jīng)發(fā)表論文500多篇，其中被SCI、EI收錄400余篇，出版多部英文和日文專著，于2001年獲美國(guó)電氣絕緣學(xué)會(huì)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，并多次獲得國(guó)內(nèi)外科研獎(jiǎng)勵(lì)。承擔(dān)完成多項(xiàng)科研項(xiàng)目，包括：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上、青年項(xiàng)目，973計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家教委回國(guó)留學(xué)基金項(xiàng)目，完成南方電網(wǎng)公司、國(guó)家電網(wǎng)公司、亨通集團(tuán)、天津農(nóng)墾集團(tuán)有限公司、中海油集團(tuán)、白云電氣等數(shù)十項(xiàng)企業(yè)合作項(xiàng)目等，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，科研成果斐然。實(shí)驗(yàn)室注重學(xué)術(shù)交流，同日本早稻田大學(xué)、東京大學(xué)、名古屋大學(xué)、東京城市大學(xué)、英國(guó)南安普頓大學(xué)、卡迪夫大學(xué)、加拿大魁北克大學(xué)希庫(kù)蒂米分校（UQAC）等高校均建立了聯(lián)合培養(yǎng)及長(zhǎng)期合作關(guān)系。