赵健康(通信作者) 1963—,男,博士,教授级高工 主要从事电力电缆运行技术研究工作 电话：(027)59258205 E-mail: [email protected]

赵 鹏 1993—,男,硕士生 主要从事高压直流电缆、接头终端等绝缘和仿真方面的研究工作 E-mail: [email protected]

基金项目： 国家重点研发计划(2016YFB0900704); 国家电网公司科技项目(GY71-16-59); Project supported by National Key Research and Development Plan (2016YFB0900704), Science and Technology Project of SGCC (GY71-16-59);

为促进高压直流电缆在大容量、远距离、复杂环境下电能输送方面的应用,需要对直流电缆绝缘材料的关键问题进行深入研究。针对高压直流电缆的发展历史,介绍了绕包和挤包绝缘各自的技术优势及工程应用,并对目前广泛应用的挤包直流电缆绝缘材料的研究现状进行分析,总结了近几年直流电缆聚合物绝缘的研究热点,包括空间电荷、介电性能和老化性能等问题,提出模型电缆与平板试样在空间电荷分布上的差异性,并着重分析了目前聚合物材料电导率和树枝老化的研究进展,并从工程实际角度评述了在这些关键问题上还需要突破的技术瓶颈。最后,根据国内外研究热点,总结了直流电缆绝缘材料研究的未来发展方向,包括聚乙烯绝缘材料的改性研究和环保、高性能的新型绝缘基料研究。

关键词 : 高压直流电缆; 空间电荷; 介电性能; 老化性能; 绝缘改性; 新材料;

DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20171031002

In order to promote the application of high-voltage direct-current (HVDC) cables in electric power system with large capacity, long distance, and complicated environment, the key points of HVDC cable insulating materials need to be investigated deeply. Consequently, we introduce the technical advantages and engineering application of wrapped and extruded insulated cables based on the development history of HVDC cables. Especially, we analyze the research status of extruded HVDC cable insulation materials, which are widely used in HVDC cables, and summarize the research hotspots in polymeric insulation, including space charge, dielectric properties, and aging characteristics. Then, we put forward the differences of space charge distribution between model cables and plate samples, analyze the progress of polymeric materials conductivity and electric tree, and comment the direction of further development based on engineering practice. Finally, according to the research hotspots both at home and abroad, the key contents of the research on insulation materials of HVDC cables are summarized, including the research of polyethylene insulation modification and new environmental protection and high-performance basic materials.

KEY WORDS : HVDC cables; space charge; dielectric properties; aging characteristics; insulation modification; new materials;

相比于交流输电系统,直流输电系统具有输送容量大,输送距离远等优点,且直流输电系统功率调节快速灵活、大范围的连锁故障风险较低,系统运行较为可靠[1-3]。高压直流电缆作为直流输电系统的重要组成部分,广泛应用于风电并网、海岛供电及跨海长距离输电[4-6]。研究表明,在输电距离大于40 km的电缆工程中,高压直流电缆具有成本优势,且距离越长优势越明显[7]。作为直流输电中的关键设备之一,高压直流电缆能否安全运行对于高压输电网的稳定性至关重要[8]。

高压直流电缆早期使用油纸绝缘材料[9]。1954年,世界上首条海底直流输电线路连接瑞典和哥特兰岛,即采用了±100 kV油纸绝缘电缆。经过几十年的发展,油纸绝缘材料在浸渍剂、绝缘纸等方面取得很大进步,制造工艺比较成熟。目前世界上电压等级最高、输送容量最大的直流电缆工程—日本跨纪伊海峡海底工程采用了±500 kV浸渍纸(MI-PPLP)绝缘电缆[10]。但是,由于安装和运行维护困难,尤其存在绝缘油泄漏导致环境污染隐患问题,因而该电缆曝露出的诸多缺点限制了其在直流电缆输电领域的发展。

塑料绝缘电缆在近20年得到快速发展。1978年,日本使用±250 kV交联聚乙烯(XLPE)电缆实现北海道与本州岛之间电力互联时,发现直流预压后反极性击穿电压显著下降[11](即预电压极性效应),因此,认为塑料绝缘电缆的可靠性和稳定性不如油纸绝缘电缆。随着柔性直流输电的发展,电压源换流器(VSC)使系统控制更加灵活,不会发生极性反转,XLPE电缆在直流输电中才开始得到大量应用。1999年,世界第1个XLPE绝缘直流电缆工程在哥特兰岛投入运行[12]。在我国,塑料绝缘直流电缆快速发展,从研发、生产到运行取得了很多成果。2013年竣工的舟山±200 kV多端柔性直流工程、南澳±160 kV三端柔性直流工程和2015年竣工的厦门±320 kV两端柔性直流工程均采用XLPE电缆[13-14]。

目前国际上直流电缆所用的XLPE材料主要是北欧化工推出的LE4253 DC和LS4258 DCE超净XLPE电缆料,分别可以满足±320 kV和±525 kV高压直流电缆的绝缘材料性能要求,在世界范围内得到了广泛的应用。日本JPS和Viscas公司开发的电缆料也可用于制造±500 kV等级的电缆,但除日本外还没有其他国家应用。

国内的高校、科研院所和企业联合研发生产的小批量直流电缆用XLPE材料,可以满足±320 kV高压直流电缆性能要求,并完成电缆试样生产。与进口材料相比,国内XLPE的制造技术相对落后,主要存在材料流动性不稳定的问题,在电缆生产中易导致过滤器界面压力上升,使连续挤出时间过

短[15]。实现超高压直流电缆的国产化,还需要注重聚合物绝缘材料的基础研究,包括基础树脂、配方改进和超净生产工艺等[16]。

本文根据国内外高压直流电缆绝缘材料的研究现状,重点讨论塑料绝缘直流电缆材料的研究成果,分析聚合物绝缘性能研究的空间电荷、介电及老化性能等热点问题,并从工程应用角度提出未来研究中需要突破的技术瓶颈;另外,本文还总结分析了聚合物绝缘材料改性技术和新一代绝缘基料的研发,探讨了高压直流电缆绝缘材料的未来发展方向。

固体电介质中空间电荷会引起局部场强的畸变,根据泊松方程,XLPE中平均1 C/m3的空间电荷可以在附近1 mm的地方产生近50 MV/m的电场强度[17]。因此,需要研究电介质内空间电荷特性和抑制空间电荷积聚的方法[18]。

研究认为,从电极注入到固体电介质中的电子或空穴在电场下会发生迁移,被电介质中的陷阱捕获形成空间电荷[19]。通常空间电荷积累在非常靠近电极的区域,但如果电介质不均匀时,空间电荷会出现在其他位置上[20]。例如,直流电缆附件XLPE/硅橡胶（SR）界面会有大量空间电荷积累。此外,聚合物材料的逐级升压试验表明,内部粒子在碰撞过程中会产生离子化分解,在电极吸引下电荷会向界面移动并导致极化,在去除外加电场后电荷仍然存在。另外,聚合物材料中含有的苯酮、安息香酸等物质也会在外部电场下产生净偶极矩[19]。

综上所述,聚合物绝缘材料中的空间电荷主要由两部分组成：一是电极注入的入陷载流子或可迁移的载流子,称为同极性电荷;二是电介质内的离子发生迁移而形成的极化电荷,称为异极性电荷,如图1所示。

电场并不是决定绝缘材料中空间电荷分布的唯一因素[19-20],聚合物绝缘材料的生产过程、温度梯度和老化状态等都会对空间电荷的积聚、分布、

图1 空间电荷的形成机理及运动规律 Fig.1 Mechanism of space charge formation and movement

迁移和衰减过程产生影响[21-22]。

通过交联改性,XLPE的热性能更加稳定,但同时引入很多杂质,如交联剂、抗氧剂等[23-24],使空间电荷效应更加明显[25]。研究表明,相比低密度聚乙烯(LDPE),XLPE空间电荷产生集聚造成的电场畸变更大,电荷更不易消散[26-27]。改进生产工艺可抑制XLPE产生空间电荷。研究表明,脱气过程可抑制异极性空间电荷集聚[28]。此外,控制交联温度、交联时间[29]以及冷却条件[30]等均可有效抑制空间电荷的产生。绝缘材料改性方法也会影响空间电荷分布[31-33],但只是多性能协同调控的一个方面。

研究表明,温度越高,入陷电荷的平均自由程越大,空间电荷更容易脱陷[34]。绝缘材料经过烘箱热处理后(80 ℃,2 h),空间电荷会复合和消散[35-36]。电缆运行时,绝缘层中产生的温度梯度会影响电荷迁移特性,并改变空间电荷的分布。文献[37]提出电缆在极性反转过程中空间电荷分布会发生突变,并且重新达到稳定的时间延迟取决于温度梯度与电缆本征特性。陈铮铮等参照CIGRE TB 496的要求,研究了负荷循环试验中直流电缆的空间电荷特性,指出运行中电缆试样的空间电荷小于平板试样中电荷积累,且低温侧的异极性电荷注入更加明显[38]。

聚合物材料老化过程会改变内部结晶形态和陷阱分布,影响空间电荷特性。周天春发现聚合物材料在γ射线和紫外线辐射老化过程中,电荷陷阱加深且数量增加,空间电荷量上升[39]。高温热老化过程具有促进晶体形态完善和分子链断裂的矛盾作用,对空间的电荷的影响取决于老化条件。研究表明,热老化初期空间电荷下降,电极附近异极性电荷会转变为同极性电荷[40]。王霞等对比电热协同老化与高温热老化,发现协同老化下空间电荷量更多,而且电极附近更易聚集异极性电荷,对局部场强畸变影响更大[41-42]。

一直以来,空间电荷的测量方法为研究的重点。20世纪70年代,研究人员发现热刺激电流法(TSC),利用升温过程电荷释放引发的电、光等信号获得陷阱深度。20世纪80年代以后,出现无损测量方法,包括压力波扩展法(PWP)、电声脉冲法(PEA)等,到20世纪90年代逐渐成熟,极大推动了空间电荷的研究。表1对常用的空间电荷测量方法进行了比较。

目前,PEA方法应用最为广泛,已经开发了适用于电缆试样的测量方法[43]。而且,空间电荷连续测量技术也取得进步,实现了0.5 s/次的周期测量,为研究聚合物绝缘材料的空间电荷迁移、击穿机理等提供了新的手段[44]。

空间电荷的测量分辨率仍然较低,且测试试样厚度有限。因此,基于电荷传输理论的数值计算成为评估空间电荷特性的新方法。目前主要根据J. M. Alison和R. M. Hill提出的双极型载流子输运模型,拟合电荷的注入、输送和复合特性[45]。S. Le. Roy等提出简化模型,更加适用于聚合物材料[46-47],见图2,其中S0、S1、S2、S3表示载流子的复合系数;B、D分别表示载流子的入陷和脱陷系数,下标e,h分别代表电子和空穴。但目前的计算方法比较局限,仅能够表征从电极注入的空穴和电子,无法表征内部电离等产生的电荷迁移,并且在绝缘材料改性研究中无法应用。

目前,在聚合物绝缘材料平板试样的空间电荷研究方面已经取得很多成果,但由于高压直流电缆运行环境的复杂性,绝缘层中空间电荷的演变和影响还不明确。因此,未来需要突破实验研究和工程

表1 常用空间电荷测量方法比较 Table 1 Comparison of common space charge measurement methods

图2 双极型载流子输运模型示意图 Fig.2 Schematic representation of the two-levels transport model

应用上的技术壁垒,在直流电缆运行过程中,监测和分析绝缘层中空间电荷的形成过程和作用机制。

1）需要从电介质材料的微观形态角度深入研究空间电荷的产生和消散机理。聚合物绝缘材料的微观形态是解释空间电荷作用机制的关键,生产工艺、温度及老化都使得绝缘材料的微观结构改变,影响陷阱分布和空间电荷特性。目前已经提出结晶度、氧化度等参量,可以表征外界因素对聚合物材料的影响;高分子链的局部形态、晶相与非晶相的界面等理论可以分析结晶形态与空间电荷的关系[48],但要形成系统化、规律性的认识还需要做大量的研究工作。

2）对聚合物绝缘材料中空间电荷特性的研究要向电缆模型试样发展。与平板试样相比,电缆模型试样存在厚度、温度和电极等方面的差异,其空间电荷特性表现为：①同一场强下,厚度较小的平板试样空间电荷注入量更多[49];②温度梯度使电缆模型低温侧的异极性空间电荷聚集更明显[50];③金属电极逸出功低于半导电材料,因此,电缆模型对抑制空间电荷注入的作用更强[51]。因此,影响直流电缆绝缘层上空间电荷分布的环境因素更多,空间电荷特性更复杂,开展电缆模型绝缘试样中空间电荷的研究更加符合工程实际。

3）绝缘材料中空间电荷测量方法的研究需要更加贴近实际。绝缘材料平板试样空间电荷的测量存在场强高,厚度小等诸多不足,与实际运行中的直流电缆绝缘层中空间电荷分布有较大差别。因此,未来需要开发适用于运行中直流电缆的空间电荷动态测量系统,研究在复杂环境中,尤其是暂态条件下空间电荷的作用机制,例如：冲击电压或者场强反转时,直流电缆绝缘层中空间电荷分布及对电场分布造成的畸变。

电导率表征聚合物绝缘材料在直流电场下的介电性能[8],可作为高压直流电缆生产中的技术指标[52]。研究表明,高压直流电缆中空间电荷分布与绝缘层中电导率梯度直接相关 [53] 。因此,聚合物介质中载流子的入陷和输运过程并不是独立的,研究电导率机制不仅可以宏观上得到温度和电场分布,还能从微观上评估电荷的迁移特性。

研究表明,聚合物绝缘材料电导率受温度、电场等因素影响。特别地,在高压直流电缆运行过程中,导体发热使绝缘层中存在较大温度梯度,绝缘材料电导率分布会相差2~3个数量级[54],直接导致电场畸变。近年来,研究人员提出很多直流电缆在电-热耦合场下电场分布的计算方法,图3为不同温度梯度下,±320 kV高压直流电缆本体绝缘中电场分布,图3表明温度梯度过大会导致绝缘层中电场强度发生反转。减小电导率温度系数可以抑制场强反转,因此国家标准GB/T 31489.1—2015推荐温度70 ℃与30 ℃下绝缘材料的电导率γ70、γ30的比值γ70/γ30≤100[55],即

\({{{\gamma }_{70}}}/{{{\gamma }_{30}}}\;\le 100\) (1)

为准确计算直流电压下的电缆绝缘层中电场分布,需要建立合适的电导率模型（即电导率与电场和温度的解析关系）。由于聚合物绝缘材料分子结构呈无序状态,电子在分子链间的迁移通过热电子跃迁或者隧道效应。在电场强度不高时,隧道效应不明显,电子主要在热振动作用下从能带向导带跃迁。传统的电子跳跃电导模型可由式(2)表示[56],即

\(\sigma E,T=A\exp (\frac{-\varphi q}{{{k}_{\mathrm{B}}}T})\frac{\sinh (B|E|)}{E}\) (2)

式中：σ为电导率;T为温度;E为电场强度;A为与材料有关的常数;B为场强系数;φ为活化能;q为电子电荷量;kB为波尔兹曼常数。

何淼等通过数据拟合的方法研究了式(2)的适用性,发现高温(70℃以上)会破坏XLPE的微观结构和内部分子形态,使材料特性发生突变,因此描述电导机制是不可靠的,此时,式(3)会使得计算结果更加准确[57],即

\(\sigma (E,T)={{\sigma }_{0}}\exp (\alpha T+\beta E)\) (3)

式中：σ0为在外界温度为0℃及无电场条件下电导率的值;α和β分别为描述电导率的温度关联常数和电场关联常数。

图3 不同温度梯度Δθ下±320 kV电缆绝缘层中场强分布 Fig.3 Electric field distribution in ±320 kV cable under different temperature gradients

高场强对电导率模型的影响同样存在。研究表明,聚合物绝缘材料的电导机制会随场强发生转变。随着场强的增大,聚合物材料的电导机制由低场强区的欧姆电导发展为高场强区的体效应(Poole-Frenkel效应),而后发展至高场强的电极效应(Schottky效应)[58],在不同的区域之间存在电导机制转变的阈值电场。研究还表明,阈值电场与温度呈负相关,因此T. T. N. Vu等提出了一种修正的跳跃电导模型,可以描述高场强下的电导率特性,由式(4)表示[59]

\(\sigma E,T=A\exp (\frac{-\varphi q}{{{k}_{\mathrm{B}}}T})\sinh (B(T)|E|){{E}^{\alpha }}\) (4)

式中A和α为常数。电场系数B为随温度变化的函数,即

\(B(T)=aT+b\) (5)

式中a和b均为常数。

另外,对绝缘材料电导率的研究还包括：①降低电导率温度系数。蔡静等发现在聚乙烯材料中添加质量分数0.3%的抗氧化剂可减小电导率对温度的依赖性,并显著提高绝缘材料平板试样的击穿强度[60]。吴振升等研究了纳米SiO2改性PE材料的电导温度特性,发现表面处理过的纳米SiO2粒子提高了绝缘材料的导热性能,并显著降低电导电流[61-62]。②采用电导率作为绝缘材料性能的评价依据。研究发现,未脱气的试样具有更高的电导率,M. Hao等提出测量体积电导率来判断脱气程度的方法[63]。A. Rakowska等发现聚乙烯在加速老化过程中电导率会增大5~10倍[52] 。

除聚合物材料本征的电导率特性外,不同绝缘材料之间电导率配合也是研究的主要方向。根据复合绝缘的Maxwell-Wagner极化理论,高压直流电缆附件的设计关键在于,电缆绝缘和附件绝缘材料在不同温度下的电导率比值与介电常数比值接近,从而可减小界面空间电荷集聚[64-65]。

对直流电缆绝缘材料的研究表明,电导率在表征材料性能、影响电缆运行等方面的作用十分关键。从单场计算到多场耦合分析,利用电导率函数计算绝缘层中电场分布会更加准确。在未来研究中,需要建立成体系的绝缘材料介电性能提升和评价方法。

1）电导率的实测值与拟合值一致为电场计算的基础。目前在绝缘层电场仿真计算中均采用式(2)拟合电导率函数,但对于不同的绝缘基料或改性材料,电导率函数不能全温度、全场强区间适用,因此需要提出相应的修正函数或者分段拟合方法[66]。

2）国家标准推荐的电导率对温度依赖性的要求,需要再加以论证。国家标准只宽泛的规定了70 ℃与30 ℃时的电导率比值在一定范围内,但电导率随温度呈指数增长,若一种绝缘材料的电导率满足\({{{\gamma }_{50}}}/{{{\gamma }_{30}}}\;\)=1,\({{{\gamma }_{70}}}/{{{\gamma }_{50}}}\;\)=100,也符合国家标准,但是此种材料在70 ℃工作温度下,其绝缘层内外的场强差很大将很难满足电缆工作要求。因此根据IEC 60287,计算出电缆线芯运行温度θ和电缆绝缘层中的温度梯度Δθ(θ一般取直流电缆最高运行温度),并采用\({{{\gamma }_{\theta }}}/{{{\gamma }_{\theta -\Delta \theta }}}\;\)作为要求绝缘材料电导特性的依据,更加符合直流电缆实际运行的规律。其中,γ50、γθ、γθ-Δθ分别表示50 ℃、θ、θ-Δθ下绝缘材料电导率。

3）击穿强度为表征绝缘材料介电性能的另一重要参数,因此需要研究绝缘材料击穿机理。聚合物绝缘材料的绝缘失效以热击穿和本征电击穿为

主[67],高温高场强下的电导特性可以在宏观上表征材料泄漏电流导致的热效应,但仍然需要其他测试方法研究聚合物介质内部的电荷传导特性,解释电-热、空间电荷等多种因素耦合作用下聚合物绝缘材料的击穿机制。

高压直流电缆在运行过程中,受电、热、化学等因素作用发生老化,会产生不可逆的损坏,严重影响其寿命。目前对于高压直流电缆绝缘材料老化的研究主要分为两个方向：①老化机理研究;②老化检测和评估方法。

电、水树枝是聚合物绝缘材料老化的主要形式,也是绝缘击穿的宏观现象,如图4所示。水树枝老化是由于水分入侵,在电场、离子和高频谐波作用下引发的。研究表明,在直流电压下,绝缘材料中水树枝生长非常缓慢[68-70],而叠加高频交流分量会很大程度引发水树枝的生长[71-72]。在直流电缆生产中已经提升了密闭和阻水性能,很大程度降低了水树枝对电缆绝缘的破坏。

从20世纪60年代开始,国内外学者对电树枝老化现象进行了广泛研究。电树枝老化的机理目前仍不明确,但电树枝的起始和发展是两种不同的过程已得到广泛认同[73]。电荷注入[74]、电致发光[75]等因素导致材料自身性能的劣化而引发电树枝,但

5] Fig.4 Typical morphologies of water trees and electrical trees in polymer insulation "> 5] "> 图4 聚合物绝缘中水树枝和电树枝的典型形态[5] Fig.4 Typical morphologies of water trees and electrical trees in polymer insulation

电树枝生长与电压频率呈正比,因此直流下很难直接观察[76]。近几年,国内外学者对老化机理的研究越来越关注于微观方法,并广泛认同空间电荷效应在绝缘材料电树枝起始中的作用。

研究表明,电场畸变50%,绝缘寿命缩短1/60[77]。空间电荷的集聚会使局部场强发生畸变,尤其异极性电荷会加剧材料的电老化且降低使用寿命。老化过程中,绝缘材料结构发生改变,如化学键断裂,出现树枝状结构等,会增加陷阱的数量和深度,导致更多空间电荷集聚[78]。Masahiro等发现LDPE的电树枝通道长度近似等于空间电荷的透入深度[79]。刘英等认为空间电荷特性是产生直流接地电树枝的根本原因[80]。屠德民等研究表明,直流电缆击穿不仅因为电荷引起场强畸变过大,还与空间电荷的脱陷有关[81]。王雅妮等研究认为温度升高增加了电子平均自由程,促进加压时电荷注入与短路瞬间电荷脱陷过程,使电树枝更容易引发和生长[82]。

相比树枝老化过程,电力电缆长期运行导致的绝缘材料老化机理更加复杂。在运行中,电缆绝缘材料老化并不是单一电应力作用的结果,而是受热、化学等多因素协同作用,对绝缘材料微观结构产生影响[83]。为了能提出准确评价电缆绝缘老化状态的参数指标,比如结晶度、晶粒形态及空间电荷集聚等,需要对于绝缘材料的内部微观结构进行研究,而这方面研究才刚刚兴起[69]。

尹毅等研究了聚合物材料老化过程和空间电荷特性之间的关系,提出根据空间电荷总量及分布评估聚乙烯老化的方法[84]。刘刚等采用PEA法表明：老化会降低聚合物材料结晶度,增强捕获空间电荷的能力[85]。杨帆等采用体极化/去极化电流(PDC)方法研究了热老化程度与参数老化因子之间 的关系,可反应聚合物绝缘材料的老化程度[86]。刘云鹏等基于等温松弛电流理论研究了不同老化状态下陷阱能级特性[87],提出了判断绝缘老化状态新方法,并且在交流电缆中得到相似结果[88]。李淑琦总结了利用空间电荷特性评估电缆老化的方法[89]。

基于老化机理研究,建立绝缘材料的寿命模型,结合试验测量和仿真计算,准确预判绝缘失效时间,对于指导高压直流电缆的试验和维护有重要意义。梁韵研究了多因素协同作用下XLPE的老化评估方法,并基于单一因素的老化状态方程、特征量和多因素耦合修正函数,推导出多因素协同老化状态方程[90]。王霞等在传统的绝缘材料宏观老化寿命模型的基础上,总结空间电荷效应导致绝缘材料缺陷,归类了可以应用于直流下绝缘老化寿命评估模型,并探讨未来绝缘材料老化寿命模型的发展趋势[91]。

总体来讲,由于高压直流电缆系统运行时间短,对于长期运行老化方面经验很少,缺乏现场老化状态试验数据,因此对高压直流电缆绝缘材料老化性能的研究也大多来自实验室的加速老化试验,难以形成具体可行的理论体系。需要在以下方面做近一步的研究。

1）直流下聚合物绝缘材料老化与空间电荷效应关系密切。聚合物材料中空间电荷既是解释老化机理的关键,又是评价老化状态的重要参数。因此,在未来研究中需要注重空间电荷和老化过程之间的相互作用关系。

2）绝缘材料的加速老化试验环境与实际运行环境存在一定的偏差。实际运行中,导致直流电缆绝缘材料老化的因素更多,因此需要研究多因素作用下聚合物绝缘电缆的加速老化试验方法,并论证加速老化与长期老化之间、材料样片与模型电缆之间的差异性,完善聚合物绝缘材料老化的试验方法。

3）建立针对直流电缆绝缘的试验测量、老化评估和运行维护方案。根据绝缘材料老化在线监测技术,开发相应特征量分析设备,形成长期运行中绝缘状态数据库[92]。完善多因素作用下的电缆绝缘寿命分析模型,基于运行状态数据库,综合分析老化特征量,得到电缆寿命预测值。根据不同老化阶段聚合物材料性能的下降规律,建立直流电缆运行维护方案,保证高压直流电缆安全、可靠运行。

通过改性提高聚合物材料的绝缘性能是必要途径,也是国际电气绝缘研究的前沿领域。目前国内外研究取得一定效果的方法有：①物理改性方法,包括纳米改性,共混改性等;②化学改性方法,包括交联改性、接枝改性等。其中,纳米改性为目前高压直流电缆绝缘材料研究的主流方向,在本节会着重论述。

目前,很多研究人员普遍认为在绝缘聚合物基体中添加纳米无机颗粒是绝缘材料改性的较好途径。2008年,T Takada[93]、Y Hayase[94]提出纳米MgO改性XLPE技术,成功地研制出可用于±500 kV高压直流电缆的绝缘材料。表2为部分国内外已报道的纳米复合聚合物材料研究结果。

目前国内外研究已取得较多成果,但还有许多问题尚未得到解决：

1）纳米粒子改变了聚合物材料内部的陷阱密度和深度,影响了载流子迁移,改变电导率并有效抑制了空间电荷积累。因此在聚合物绝缘材料纳米改性研究中,必须统筹考虑多性能之间的平衡。①必须选用合适的纳米颗粒。通过表2比较可发现,纳米MgO添加的聚合物材料在电性能与机械性能上均有显著提升,符合绝缘材料的发展趋势,有望在未来得到应用。②不同组分的纳米颗粒对聚合物材料的影响不同。吴锴研究了不同质量分数的纳米粒子对LDPE材料特性的影响,发现添加质量分数ρ=1%的纳米粒子时,空间电荷引起的场强畸变最小,表明对空间电荷抑制最为明显,而质量分数为3%~5%的纳米粒子可以优化电阻率随温度变化的特性,提高绝缘材料的介电性能,如图5所示[102]。

2）对于纳米粒子抑制空间电荷产生的机制还不明确,但研究人员已经提出了多种模型解释这种现象。T. J. Lewis等认为,电子或偶极子的极化作用会在纳米填料表面附近积聚异极性电荷,介质中的带电粒子会在电场作用下向纳米填料附近迁移,从而形成扩散的介电双层模型[103]。T. Tanaka等基于介电双层模型,提出了纳米复合聚合物电介质的核壳结构模型,把纳米颗粒到聚合物基体之间的界面由内向外依次分为键合层、束缚层、松散层,如图6所示,合理地解释了纳米改性聚合物材料的电气性能[104]。但由于缺乏试验验证三层结构的存在,目前只局限于定性分析,还无法用于定量计算。

3）研究表明,纳米复合聚烯烃材料的电气绝缘性能与纳米颗粒分散程度密切相关[105-107],因此纳米颗粒与聚烯烃结合程度直接影响其介电强度。图7为经钛酸酯偶联剂TC9表面处理SiO2前后,聚合物绝缘材料的热场发射扫描电镜图像(FESEM)和电导电流J对比,可看到图7(a)中未经表面修饰的纳米SiO2颗粒有团聚现象,粒直径达1 μm;经过修饰后,图7(b)中粒直径 表2 部分已报道的纳米改性聚合物材料主要性能比较 Table 2 Performance comparison of partial existed nano-composites

图5 不同质量分数纳米颗粒复合LDPE试样的最大畸变场强特性和电导率特性 Fig.5 Maximum electrical distortion and conductivity characteristics of LDPE with different content of nanocomposite

6] Fig.6 Multi-core model of nanoparticle-polymers "> 6] "> 图6 纳米颗粒与聚合物界面的多核模型[6] Fig.6 Multi-core model of nanoparticle-polymers

共混改性可以改变聚合物材料的微观形态。屠德民等研究发现适当比例的乙烯-醋酸乙烯共聚物

(EVA)和PE共混后能减少PE中的深陷阱[108]。王霞等采用茂金属聚乙烯(MPE)作为成核剂与LDPE共混后能有效减小球晶尺寸,提高结晶速率和晶体成核能力,降低空间电荷积聚[109]。

除了目前高压直流电缆绝缘材料研究的热点问题之外,聚合物绝缘材料的热性能、可加工性等

图7 表面处理纳米SiO2颗粒前后XLPE材料的FESEM图像及电导电流温度特性 Fig.7 FESEM images and conduction current temperature properties of XLPE with unmodified and modified Nano-silica particles

也是关注内容。因此,如何协同调控这些性能,满足高压直流电缆发展的要求,一直是绝缘材料改性研究的关键问题[6]。

1）基于目前的研究现状,当前的绝缘材料改性研究更多地关注了空间电荷特性,但从柔性直流电缆的发展来说,不同运行状态更考验材料的温度电导率特性,因此若能改性研究出低温度电导率系数的电缆料,并提升目前高压直流电缆的运行温度,则意义更大。纳米改性方法可调控绝缘材料内部电场分布、热场分布及其他能决定电缆运行的物理性能,因此通过改变纳米颗粒本身的物理性质(如热导率,尺寸等),可对复合绝缘介质内部空间电荷、电场和热场分布等特性产生影响,可作为解决绝缘材料多性能调控的有效方法,在未来研究中需要引起足够的关注。

2）尽管国内外对于纳米复合聚合物材料的报道很详尽,并在很大程度上提升了绝缘材料短期性能,但对于长期性能的影响还在争论[110-112]。目前国内研发的纳米改性XLPE绝缘电缆模型正在型式试验当中,因此对纳米改性绝缘材料的长期特性需要作进一步的实验研究。

3）工业上纳米粒子的添加方法多种多样,如溶胶-凝胶法、共混法等,但大量制备中,仍然很难保证纳米粉末在聚合物中保持分散状态,会很大程度上降低材料性能。另外,在电缆生产中,纳米颗粒团聚会封堵滤网,导致无法长时间挤出。因此对纳米聚合物绝缘材料的加工性能和生产工艺还需要进一步研究,基于理论和实验成果,完善生产工艺。

随着全球能源互联及环境友好型的倡导,对于高压直流电缆聚合物绝缘提出了新的要求。一方面,需要保证电-热性能良好,可以适应复杂环境的要求;另一方面,环保型、可重复利用的绝缘材料成为研究方向。

XLPE为热固性材料,无法再回收利用,大量的废弃XLPE材料势必会导致环保问题,因此环保型高压直流电缆材料已成为目前绝缘电介质材料领域的研究热点[113]。J. S. Lee等通过物理交联合成可回收再利用的PE,并且展现出比XLPE更好的机械性能、击穿特性和长期稳定性[114]。

国内清华大学和上海交通大学在这一方面做了大量工作,认为热塑性聚烯烃为新型绝缘材料研究的首选,并可以作为基体材料进行改性。

目前研究认为,聚丙烯(PP)材料本身具有很好的电、热性能,不需要进行交联处理,可大大简化电缆的生产工艺,展现出巨大的应用前景。另外,直流电缆绝缘材料的热特性对于空间电荷、电导率及其老化等具有关键影响,而且目前聚合物绝缘材料的导热系数很低,成为限制散热的瓶颈[115-116]。PP绝缘材料不仅可以减小绝缘层厚度,解决散热问题,而且可以采用高导热率的Al2O3、MgO、ZnO、BeO、AlN、BN、SiC等纳米颗粒掺杂到PP基体中增加其导热性能。

尽管目前关于改性聚丙烯材料的结构与性能（电学、力学以及热学性能）的研究才刚刚起步,但已展现出优异的结果。作为环保型材料,聚丙烯基材料将成为未来高压直流电缆绝缘材料的发展方向。

1）直流电缆绝缘料的空间电荷特性是制约直流电缆绝缘材料发展的重要因素。但目前研究偏重于高场强平板试样下短时间内空间特性变化规律;未来应更加贴近实际,开发大厚度、适用于真型电缆的空间电荷测量系统;研究直流电缆料成缆后在实际工况较低场强（≤25 kV/mm）下绝缘存在温度梯度时空间电荷长时间演化特性,并突破暂态下,例如冲击电压时空间电荷测量的难题,研究暂态下直流电缆绝缘中空间电荷的变化特性。

2）电导率温度特性是制约高压直流电缆绝缘材料发展的关键核心因素。直流电缆的运行温度与绝缘料的电导率温度特性密切相关,未来应更加注重开发低电导率温度系数的XLPE绝缘料,从而提高目前直流电缆的运行温度,进一步提升直流电缆的输送能力。同时应建立科学的电导率评价方法,以便能准确的评价电缆料在全工作温度范围内的电导率特性。

3）聚合物绝缘材料的老化机理和评估方法与空间电荷有密切关系。未来需要突破绝缘材料加速老化与长期运行老化之间的差异,建立更完善的聚合物绝缘材料评价体系和老化分析模型。

4）纳米添加虽然是聚合物绝缘改性研究的热点方法,但目前国际上纳米掺杂的电缆料仍然不是主流,纳米绝缘材料的长期运行特性、多性能协同调控方法以及大批量工业化仍有待进一步研究并实用化。

5）环境友好可重复利用的、90℃以上高运行温度的非交联电缆料是高压直流电缆绝缘料未来的一个重要发展方向,需要更深入的研究,尽早开发新型的高运行温度的非交联直流电缆绝缘材料并实用化。

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