作者特稿∣高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状
杜伯学 韩晨磊 李进 李忠磊
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180073
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导语
本文综合国内外研究论述了高压直流电缆用聚乙烯和交联聚乙烯绝缘材料的发展现状和研究热点，分析了无机纳米改性、共混改性、化学改性和超纯净聚乙烯高压直流电缆绝缘材料的介电性能和作用机理，对高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料的研究作了总结和展望。这些研究成果的总结和概述可以为未来高压直流电缆聚乙烯绝缘材料的研究和发展提供参考。
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研究背景
目前的高压直流塑料电缆以交联聚乙烯（XLPE）作为电缆主绝缘。XLPE保持了聚乙烯绝缘电阻高、耐电压性能好、介电常数和介质损耗小的优点，并且具有较聚乙烯更优的热性能和机械性能，综合性能得到明显改善。然而随着XLPE作为电缆绝缘材料的大规模使用，XLPE电缆在生产、运行和回收等方面的诸多问题和技术难题也逐渐显现。如何最大限度的提高XLPE电缆性能以确保电缆运行的安全性和稳定性，始终是学术和工程领域最受关注和亟待解决的关键问题。目前，国内高压直流电缆XLPE绝缘材料长期完全依赖进口，这严重制约了我国高压超高压直流工程技术的持续快速发展。
因此，开展高压直流电缆交联聚乙烯绝缘料改性方法研究，掌握改性绝缘材料的性能特点和改性机理，对高压直流电缆绝缘改性、设计、运行、维护等方面都具有重要意义。
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论文所解决的问题及意义
目前，高压直流电缆绝缘材料开发和绝缘结构设计面临的最具挑战性的问题是绝缘材料电导率温度特性问题和空间电荷积聚问题，这极大制约了直流电缆输电技术的发展，是限制直流输电电压等级提高的关键因素。高压直流电缆绝缘用绝缘材料应满足电阻率受温度影响小、空间电荷注入和积聚量少、介电强度高、热导性好等特点。随着输送容量的进一步提高，高压直流电缆运行工况将更加严酷，如何改善直流场下绝缘材料的电导率温度特性和空间电荷特性，已成为影响我国电缆工业发展的重要研究课题。
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论文的方法及创新点
▼ 纳米掺杂改性聚乙烯绝缘材料
目前的研究表明，纳米复合电介质在电树枝老化、空间电荷、局部放电、击穿强度、介质损耗、直流电导等诸多方面都具有优异的性质。与未掺杂纳米颗粒或掺杂了微米颗粒的电解质相比，纳米电解质的击穿强度、耐局部放电、耐电晕、耐电树枝老化、沿面闪络、空间电荷等介电性能得到了不同程度的改善。
对于无机纳米颗粒掺杂改性的聚乙烯绝缘材料，其性能受到诸多因素的影响，如纳米复合工艺、纳米分散性、纳米颗粒表面修饰等。特别是纳米颗粒的分散性，直接关系许多研究结果能否真正应用到实际工程应用中。因此，制备分散性良好的纳米聚乙烯绝缘材料是后续实验室研究和分析的基础，也是未来工程应用的最基本要求。
▼ 共混改性聚乙烯绝缘材料
采用共混的方法对聚乙烯绝缘材料进行改性，不仅能使聚乙烯材料的机械性能和热性能得到提高，同时也在一定程度上提高了其抑制空间电荷的能力。目前，针对共混改性可回收聚乙烯绝缘材料的研发仍然处在探索阶段，共混聚乙烯绝缘材料在长期运行和高温条件下的老化、高温短路后绝缘材料再结晶对机械和电学性能的影响等方面还需要更多的研究。
▼ 化学改性（电压稳定剂）聚乙烯绝缘材料
电压稳定剂作为一种提高高压直流电缆用聚乙烯绝缘材料性能的方法，近年来得到了原来越多的关注。从目前的发展趋势来看，通过理论化学计算与具体实验结合的方法设计合成电压稳定剂具有较好的研究前景和可行性。目前，电压稳定剂在加工和处理等方面仍面临着很多问题，电压稳定剂对绝缘材料中电子传输机制的影响仍不明确，电压稳定剂在聚乙烯基高压直流电缆绝缘材料中的实际应用仍需要大规模的实验验证。
▼ 超纯净聚乙烯绝缘材料
基于纳米掺杂、绝缘材料共混和添加电压稳定剂抑制空间电荷、提高聚乙烯绝缘材料性能，都是在超净聚乙烯基料的基础上进行的。研发符合高压直流电缆絶縁材料技术标准的超纯净聚乙烯基料是高压直流电缆绝缘材料研究的首要问题。目前，国内生产超纯净聚乙烯绝缘材料的技术尚不成熟，极大地限制了我国直流电缆行业的发展。
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结论
交联聚乙烯由于具有优异的机械性能、耐热性能和介电性能。高压直流电缆聚乙烯绝缘材料面临的最严峻的问题就是温度梯度下直流电导率和空间电荷的调控问题。
1)无机纳米颗粒掺杂能够有效抑制聚乙烯绝缘材料中空间电荷的积聚，并在一定程度上提高聚乙烯绝缘材料的直流电导率温度特性、直流击穿强度等介电性能。
2)共混改性绝缘材料能够改善因交联过程中引入杂质而带来的空间电荷问题，同时在一定程度上提高绝缘材料的介电性能和机械性能，具有很好的发展前景。
3)使用电压稳定剂对聚乙烯绝缘材料进行化学改性能够显著改善聚乙烯绝缘材料的耐电性能，随着量子化学计算的兴起，利用理论计算结合具体实验设计合成性能优异的电压稳定剂具有极高的可行性。
4)超纯净聚乙烯基料是高压直流电缆用聚乙烯绝缘材料研发工作的基础。
杜伯学, 韩晨磊, 李进, 李忠磊. 高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状[J]. 电工技术学报, 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.
团队介绍
杜伯学
IET Fellow，教授，博士生导师，天津大学特高压输电绝缘关键技术创新团队负责人。1988年留学日本，获博士学位后曾任助理教授、副教授，2002年回国任教授、博士生导师。国家基金委工程与材料学部会评专家，担任IEEE P2780标准委员会副主席，IEEE China Council Council of Superconductivity Chapter委员，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、IEEE Access、IET Nanodielectrics 副主编，IET High Voltage、Journal of Modern Power Systems and Clean Energy、高电压技术和广东电力等期刊编委，国际大电网组织D1成员。主要从事聚合物绝缘材料的可靠性和安全性理论与试验、高温超导电介质、纳米复合绝缘材料、电气绝缘在线监测、高电压新技术等方面的研究工作。发表学术论文四百余篇，其中IEEE 期刊论文120余篇，出版中文、英文、日文著作11部。
天津大学高电压与绝缘技术研究团队，目前拥有教授1人，副教授5人，高级工程师1人，讲师2人，研究生40人，在聚合物绝缘材料的可靠性和安全性理论与试验、纳米复合绝缘材料、高压直流装备关键绝缘技术、新能源发电、高电压新技术、高温超导绝缘等方面展开了大量研究工作。已经发表论文500多篇，其中被SCI、EI收录400余篇，出版多部英文和日文专著，于2001年获美国电气绝缘学会杰出贡献奖，并多次获得国内外科研奖励。承担完成多项科研项目，包括：国家自然科学基金重点、面上、青年项目，973计划、国家重点研发计划、天津市应用基础研究计划项目、国家教委回国留学基金项目，完成南方电网公司、国家电网公司、亨通集团、天津农垦集团有限公司、中海油集团、白云电气等数十项企业合作项目等，获得了良好的经济和社会效益，科研成果斐然。实验室注重学术交流，同日本早稻田大学、东京大学、名古屋大学、东京城市大学、英国南安普顿大学、卡迪夫大学、加拿大魁北克大学希库蒂米分校（UQAC）等高校均建立了联合培养及长期合作关系。