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、介電常數和介質損耗小的優(yōu)點，并且具有較聚乙烯更優(yōu)的熱性能和機械性能，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、運行和回收等方面的諸多問題和技術難題也逐漸顯現。如何最大限度的提高XLPE電纜性能以確保電纜運行的安全性和穩(wěn)定性，始終是學術和工程領域最受關注和亟待解決的關鍵問題。目前，國內高壓直流電纜XLPE絕緣材料長期完全依賴進口，這嚴重制約了我國高壓超高壓直流工程技術的持續(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和改性機理，對高壓直流電纜絕緣改性、設計、運行、維護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)和絕緣結構設計面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題是絕緣材料電導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的發(fā)展，是限制直流輸電電壓等級提高的關鍵因素。高壓直流電纜絕緣用絕緣材料應滿足電阻率受溫度影響小、空間電荷注入和積聚量少、介電強度高、熱導性好等特點。隨著輸送容量的進一步提高，高壓直流電纜運行工況將更加嚴酷，如何改善直流場下絕緣材料的電導率溫度特性和空間電荷特性，已成為影響我國電纜工業(yè)發(fā)展的重要研究課題。

論文的方法及創(chuàng)新點

▼ 納米摻雜改性聚乙烯絕緣材料

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

對于無機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，直接關系許多研究結果能否真正應用到實際工程應用中。因此，制備分散性良好的納米聚乙烯絕緣材料是后續(xù)實驗室研究和分析的基礎，也是未來工程應用的最基本要求。

▼ 共混改性聚乙烯絕緣材料

采用共混的方法對聚乙烯絕緣材料進行改性，不僅能使聚乙烯材料的機械性能和熱性能得到提高，同時也在一定程度上提高了其抑制空間電荷的能力。目前，針對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期運行和高溫條件下的老化、高溫短路后絕緣材料再結晶對機械和電學性能的影響等方面還需要更多的研究。

▼ 化學改性（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，近年來得到了原來越多的關注。從目前的發(fā)展趨勢來看，通過理論化學計算與具體實驗結合的方法設計合成電壓穩(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)定劑對絕緣材料中電子傳輸機制的影響仍不明確，電壓穩(wěn)定劑在聚乙烯基高壓直流電纜絕緣材料中的實際應用仍需要大規(guī)模的實驗驗證。

▼ 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上進行的。研發(fā)符合高壓直流電纜絶縁材料技術標準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，國內生產超純凈聚乙烯絕緣材料的技術尚不成熟，極大地限制了我國直流電纜行業(yè)的發(fā)展。

結論

交聯(lián)聚乙烯由于具有優(yōu)異的機械性能、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峻的問題就是溫度梯度下直流電導率和空間電荷的調控問題。

1. 無機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率溫度特性、直流擊穿強度等介電性能。
2. 共混改性絕緣材料能夠改善因交聯(lián)過程中引入雜質而帶來的空間電荷問題，同時在一定程度上提高絕緣材料的介電性能和機械性能，具有很好的發(fā)展前景。
3. 使用電壓穩(wěn)定劑對聚乙烯絕緣材料進行化學改性能夠顯著改善聚乙烯絕緣材料的耐電性能，隨著量子化學計算的興起，利用理論計算結合具體實驗設計合成性能優(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。

引用本文

杜伯學, 韓晨磊, 李進, 李忠磊. 高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料研究現狀[J]. 電工技術學報, 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.

團隊介紹

杜伯學

IET Fellow，教授，博士生導師，天津大學特高壓輸電絕緣關鍵技術創(chuàng)新團隊負責人。1988年留學日本，獲博士學位后曾任助理教授、副教授，2002年回國任教授、博士生導師。國家基金委工程與材料學部會評專家，擔任IEEE P2780標準委員會副主席，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、高電壓技術和廣東電力等期刊編委，國際大電網組織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、高溫超導電介質、納米復合絕緣材料、電氣絕緣在線監(jiān)測、高電壓新技術等方面的研究工作。發(fā)表學術論文四百余篇，其中IEEE 期刊論文120余篇，出版中文、英文、日文著作11部。

天津大學高電壓與絕緣技術研究團隊

天津大學高電壓與絕緣技術研究團隊，目前擁有教授1人，副教授5人，高級工程師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、納米復合絕緣材料、高壓直流裝備關鍵絕緣技術、新能源發(fā)電、高電壓新技術、高溫超導絕緣等方面展開了大量研究工作。已經發(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年獲美國電氣絕緣學會杰出貢獻獎，并多次獲得國內外科研獎勵。承擔完成多項科研項目，包括：國家自然科學基金重點、面上、青年項目，973計劃、國家重點研發(fā)計劃、天津市應用基礎研究計劃項目、國家教委回國留學基金項目，完成南方電網公司、國家電網公司、亨通集團、天津農墾集團有限公司、中海油集團、白云電氣等數十項企業(yè)合作項目等，獲得了良好的經濟和社會效益，科研成果斐然。實驗室注重學術交流，同日本早稻田大學、東京大學、名古屋大學、東京城市大學、英國南安普頓大學、卡迪夫大學、加拿大魁北克大學希庫蒂米分校（UQAC）等高校均建立了聯(lián)合培養(yǎng)及長期合作關系。