高压电缆绝缘料的研究进展

谢志杰

摘要：随着技术的发展，直流输电方式在电能传输中发挥着越来越重要的作用。直流输电技术中电缆绝缘层的材料是关键技术之一。本文将综述直流电缆绝缘层材料的发展历程，详述聚烯烃绝缘料研发现状，最后就接枝对介电性能的影响进行了探讨。

一、高压输电背景

随着经济的快速发展，电力需求不断增加，长距离大容量的电能输送是我国电力发展的重要组成部分，而现代电力工业对绝缘材料的性能也提出了更高的要求，研究高性能的电绝缘材料是输电工程的迫切需求[1]。直流输电有助于保证两端电网的运行稳定性，输送电压也远高于交流電路。因此远距离的电力输送基本采用的都是直流电缆。

为了改善电能供需不平衡的状况，实现长距离大规模输电，欧美多国率先提出并实施了直流输电电网工程。北欧，北非，美国等多个地区相继建立了四通八达的高压直流输电网络[2]。随着我国东部地区经济发展，对电能的需求日益增大，我国也规划了“西电东送”工程[3]。这些国内外的输电工程对高压直流电缆提出了更高的要求，也带动了电绝缘材料的研究与推广。

电缆的结构如图所示[9]。从图中可以看出电缆从内到外分别由导线、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层等部分构成。其中绝缘层是高压直流电缆的重要部分，绝缘层将承受主要的电场应力。内外两层屏蔽层将绝缘层包在中间，这样的结构使电缆绝缘内部的电场均匀分布，起到保护绝缘层的作用，延长了电缆的使用寿命。

目前，直流输电对绝缘材料的性能要求主要有：1）电导率低，且对温度、电场的变化不敏感;2）空间电荷数量少、分布均匀;3）击穿场强高，可适当降低绝缘层厚度;4）优异的热力学性能，包括高熔融温度、良好的热稳定性和高热变形温度;5）良好的力学性能，要有足够的拉伸强度和断裂伸长率。

二、高压直流电缆概述

高压直流电缆按照绝缘介质的不同可以分为充油电缆、粘性浸渍纸电缆和塑料绝缘电缆等[4]。其中充油电缆需要大量的油来维持运行，电缆长度受限且存在漏油污染的风险。粘性浸渍纸电缆采用浸渍处理后的牛皮纸为包覆材料，免去了油的使用，克服了充油电缆的不足，但粘性浸渍纸电缆的运行温度较低，因此输电量受限制[5]。

而随着塑料加工工艺的发展，塑料电缆已经成为直流电缆发展的主流，采用高压直流塑料电缆的柔性直流输电也是国际大电网倡导的主流方向[6] 塑料绝缘电缆具有重量轻、运行维护简单、绝缘性能好等优点，被广泛应用于高压电缆绝缘。

2.1 热固性聚烯烃

目前，高压直流塑料电缆以交联聚乙烯（XLPE）居多[7]。交联聚乙烯是通过交联的工艺将聚乙烯的分子链交叉连结成立体网状结构而合成的一种热固性材料。相对于聚乙烯，XLPE 具有更好的热稳定性和力学性能，长期工作温度最高可达90℃。而且 XLPE 保持了聚乙烯绝缘电阻高、耐电压性能好的优点，其综合性能得到明显改善[8]。

然而，XLPE电绝缘材料在使用过程中逐渐暴露出许多问题。XLPE属于热固性材料，因此在电缆寿命到期后无法再次熔融加工利用，不符合绿色环保的要求。另一方面，聚乙烯交联过程需要较高的温度，挤出工艺也需精密控制防止焦烧等现象，工艺过程相对复杂。因此，研究绿色环保且生产工艺简单的电缆绝缘材料，是大容量直流塑料电缆亟待解决的问题[10]。

2.2 热塑性聚烯烃

聚乙烯有着良好的绝缘性能，但是由于熔点低，高温下机械性能较差，使用温度偏低。低密度聚乙烯（LDPE）具有较好的机械柔韧性，但其耐热性能和耐环境应力开裂性较差。而高密度聚乙烯（HDPE）提高了耐热性能和耐环境应力开裂性。钟力生等人[11，12]研究了 LDPE/HDPE 共混材料的机械性能和不同温度下的电气性能，并将测试结果与XLPE的各项参数对比，认为LDPE/HDPE 共混物在可回收电缆领域有很大的发展前景。然而聚乙烯熔点较低，如LDPE的熔点为 110～120℃，HDPE的熔点为130～140 ℃，电缆的工作温度受限。

聚丙烯具有优良的绝缘性能和抗腐蚀性能，熔点较高，热稳定性好。聚丙烯最大的缺点在于耐寒性能差，低温下易脆断[13]。K.Yoshino [14]等比较了等规聚丙烯（iPP）和 间规聚丙烯（sPP）的分子结构、微观形貌和电气性能，发现 sPP具有更好的热稳定性和电绝缘性，适用于环保型直流电缆绝缘材料，但其生产成本高，同时sPP的熔点较低，不会超过150℃，这也成为了限制其应用的因素。

iPP熔点可达160 ℃以上，可以满足电缆在较高温度下运行的需求，同时绝缘性较好。但主要缺点在于韧性差，尤其在低温条件下。因此，提高iPP韧性的同时又保持其良好的绝缘性，成为了研究人员关注的重点。

2.3 聚烯烃纳米改性

聚烯烃纳米改性是一种物理改性方式，已经成为一种受欢迎的改性方法，通过引入纳米颗粒提高材料的绝缘性能。其中氧化镁、氧化铝、氧化锌等常见无机纳米粒子被广泛用于制备聚烯烃复合材料[16]。

周垚[17]研究了 PP/TiO2高压直流电场下的空间电荷分布，结果发现纳米TiO2引入了大量的浅陷阱，取代了PP中原有的深陷阱，增强了载流子的迁移能力，从而改善了空间电荷积聚现象。党斌等人[18]以s-PP 为基体，制备了不同纳米 SiO2浓度的聚丙烯复合材料，发现纳米 SiO2 的添加可以增大材料的电阻并改善其空间电荷分布。纳米复合材料表现出了良好的绝缘性能和机械性能。

纳米颗粒在使用过程中有着不可避免的缺陷：纳米粒子存在分散性的问题，容易发生团聚导致分布不均匀，影响其性能。

2.4 聚烯烃共混改性

共混改性也是一种物理改性工艺，具有工艺简单快速、适合批量生产等优点。共混改性通过将两种不同的高分子材料混合，可以有效弥补单一组分的缺陷，实现各个组分性能的相互补充。

党斌等人[15]的研究表明空间电荷特性与弹性体的类型有关。通过将 PP 分别与丙烯-乙烯共聚物（PEC）和乙烯-辛烯共聚物（EOC）共混，发现这两种共混物均能有效改善聚丙烯的机械韧性。PP/EOC 共混物中存在较多的结晶区-无定形区界面，从而增大了材料体内的浅陷阱密度，减少了空间电荷积聚并改善了试样体内的电场畸变。

弹性体的添加改变了聚丙烯复合材料的结构，导致聚丙烯的空间电荷分布、陷阱特性、电阻率和击穿电压等电性能发生相应的变化。但聚丙烯共混物电性能的研究时间还相对较短，很多研究发现改性后的聚丙烯出現了电绝缘性下降的现象。因此仍需深入研究。

三、接枝改性电缆

3.1 接枝改性电缆概述

接枝改性是指将具有不同性能的聚合物链经接枝聚合引入到PP大分子链上。接枝单体包括苯乙烯（PS），丙烯酸酯类，酸酐类以及咔唑等[19]。大量研究表明，接枝改性可以极大地改善聚烯烃材料的绝缘性。

李文斐[20]采用悬浮接枝法合成了PP-g-PS接枝物，并测试其电击穿性能，结果表明接枝物的击穿场强高于 PP，随接枝率的增加，击穿场强最高可达到PP 的1.4 倍。

李月[21]采用熔融接枝的方法将4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮（AHB）接枝在聚丙烯上，并研究 AHB 的接枝率对接枝物电性能的影响。结果表明：接枝后产物的空间电荷量明显降低，且随接枝率的增加，介电常数先增加后降低，当接枝率为 0.73%时，介电常数比纯的 PP 提高了 1.1 倍。

将聚丙烯及其接枝物共混，也是一种提高电绝缘性能的有效途径。郭其阳[22]研究了PP/PP-g-PS/PS共混物的介电性能，其中PP-g-PS接枝物起到了增容剂的作用，经过PP-g-PS增容后，材料的体积电阻率增大，击穿场强提高，其中PP-g-PS接枝率为16.6%时，材料的综合性能最好。

3.2 接枝对电性能的影响

3.2.1 官能团的影响

接枝可以通过引入接枝单体上的官能团从而提高材料的电绝缘性。S.S.Kwang等[23，24]研究了接枝丙烯酸（AA）和丙烯酸丁酯（BA）对LDPE电性能的影响。结果表明，随接枝率的提高，AA接枝物中的空间电荷减少，BA的空间电荷先增加后减少。原因是AA中的羰基起到了捕获电荷的作用;而对于BA，除了羰基的捕获作用，还存在烷氧基给电子基团，两种作用同时发生，造成电荷先增加后减少。两种单体均可减小电荷迁移率，提高电绝缘性。

具有共轭结构的化合物也可以起到捕获电子的作用，如偶氮化合物，芳香化合物，苯基酮类等。长春应化所[25]将4-丙烯酸酯苯乙酮（AAP）接枝到LLDPE上，在60℃下进行长时间（96hr）测试，发现在同一单体含量下，接枝物的击穿场强高于共混物，且随时间增加下降较小。

聚合物中存在大量的陷阱，在电场的作用下，陷阱作用于载流子从而抑制空间电荷。空间电荷严重影响畸变聚合物绝缘的内部电场，电场的畸变将极大地影响固体电介质的电击穿[26]。张文龙[27]等将4-丙氧烯基-2-羟基二苯甲酮（AHB）接枝在聚丙烯上，发现有机共轭小分子AHB在PP内部会形成很多深的化学陷阱，捕获的载流子增多而且束缚载流子运动能力增强，从而限制了载流子的运动，而共轭结构的增多还均化了电荷，所以体积电阻率随AHB接枝率的增加而升高

3.2.2 晶体结构的影响

接枝也可以通过改变材料的晶体结构从而影响其介电性能。一般认为β晶有利于提高电绝缘性，同时也可以提高聚丙烯的韧性。查俊伟等人[28]把马来酸酐接枝到聚丙烯分子链上，探究结晶与电性能之间的关系，发现β晶型可降低空间电荷密度，且不随外施电场变化，提高材料的短路击穿性能和耐空间电荷诱导击穿性能。此外，β晶能诱导出深陷阱，从而抑制空间电荷的积累[29，30]。

徐明忠[31]研究了不同晶型对 PP 电性能的影响，发现晶型对PP 的体积电阻率、介电常数以及击穿场强等常规电性能影响不大，但β晶在短路时的空间电荷随时间衰减较快，可能是由于β晶型 PP 的深陷阱密度较大的缘故。此外，直流预压短路击穿试验表明，β 晶型的负极性直流预压短路击穿电压高于α晶型，这说明β晶型 PP 试样中的空间电荷分布的特性可提高材料的短路击穿性能和耐空间电荷诱导击穿性能。

滕陈源[36]等人选用 α 和 β 成核剂制备了具有不同晶型的iPP试样，研究表明，α 晶中的晶胞形态使得 i PP存在大量浅陷阱，β 晶可以在i PP中形成深陷阱;其中，浅陷阱能为载流子的输运提供更多通道，使得载流子在浅陷阱中容易迁移，而深陷阱会导致载流子容易在材料表面附近被捕获。β 晶调控能够改善 iPP 材料的电学性能，这为高性能工程塑料的研发提供了新的思路。

β晶型不仅有利于提高电击穿性，也可以起到增韧的作用[32，33]。β 晶型 PP 的悬臂梁冲击强度与 α 晶型 PP 相比，有大幅度的提高[34]。这主要是由于 β 晶型 PP 的粒径小，小的球晶界面结合强度更高，裂纹沿小尺寸界面扩展消耗的能量更大，同时，β 晶型的层状结构对冲击有缓冲作用，使材料抗冲击性能大幅度提高。

球晶结构也会影响介电性能。通常认为球晶尺寸越小，越不完善，分布越细密，电性能越好。一些研究认为深陷阱位于球晶内部，而浅陷阱沿球晶边缘分布。电荷在深陷阱内大量积累，最终在球晶内部发生击穿;而浅陷阱捕获的电荷易脱出，电树枝会沿球晶边缘增长[35]。球晶尺寸越大，击穿越容易发生。

晶型会影响PP的介电性能，而接枝可以改变PP的晶体结构。洪浩群等[37]通过固相接枝法制备聚丙烯与马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯的多单体接枝共聚物（PPTM），研究了接枝支链对结晶行为的影响，认为接枝支链能干扰PP的结晶，也能诱导PP的异相成核结晶。

结论

传统的交联聚乙烯存在难以回收利用，工作温度偏低，加工工艺复杂等问题，终将被热塑性环保型材料所取代。而单一的热塑性聚烯烃材料难以满足对电缆料的综合性能的要求，因此需要通过共混、填充、接枝等手段进行改性。

聚丙烯基绝缘材料具有作为环保型高压直流电缆绝缘材料的潜质，可提高直流电缆的运行温度，提高介电性能以及简化其加工工艺，前人的研究中展现出了优异的性能。其中接枝改性聚丙烯由于其工艺相对简单、性能较为优良、环境友好等优势，将直流电缆绝缘材料的一大突破。但是接枝改性聚丙烯电缆料的研究仍处于起步阶段，比如接枝引入的官能团对介电性能的影响规律、对陷阱密度的影响尚不明确，需要更多地研究以丰富相关理论。

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（作者单位：中石化北京化工研究院）