聚丙烯基直流电缆绝缘材料的研究进展

前言

电缆是直流输电的重要电力设备之一，主要分为油纸绝缘电缆和挤包绝缘电缆两种，但由于油纸绝缘电缆存在的生产工序繁杂、运行和维护成本高等问题，其在中高压输电领域很大程度上已经被挤包绝缘电缆所取代。挤包绝缘电缆材料的发展阶段包括天然橡胶、聚氯乙烯、合成橡胶、聚乙烯和交联聚乙烯（PE⁃XL）等，目前在直流电缆中应用最广泛的仍是PE⁃XL绝缘。PE⁃XL通常由低密度聚乙烯分子（PE⁃LD）交联而得，其不但保留了PE⁃LD高绝缘电阻和低介质损耗的优点，还增强了耐热等级和物理力学性能，将PE⁃XL用作直流电缆时的正常（长期）工作温度可达70℃。但是作为一种热固性塑料，PE⁃XL不但交联工艺繁杂、生产能耗大、效率低，而且使用寿命结束后难以回收再利用，使用一般的焚烧、掩埋等处理手段会造成极大的资源浪费和环境污染。最重要的是，PE⁃XL绝缘电缆的热稳定性不够理想，高故障率、高能源消耗使得直流电缆功率容量的进一步提高受到了限制，目前的PE⁃XL电缆并不能满足人们对电能的大规模和远距离输送的进一步要求。因此，研究和开发更高电压、更大容量、热稳定性更高的环保型挤包绝缘直流电缆具有重要意义。

表1  PP和PE⁃XL性能比较

然而PP本身存在一些问题：（1）刚性较高、低温韧性较低等缺点使其无法满足直流电缆力学性能的基本要求；（2）耐老化性能差，PP长链上分布着大量不稳定的叔碳原子，它们对氧特别敏感，极易被氧化为非常活跃的叔碳自由基，继而导致PP分子链上发生链增长、链断裂等致使PP老化的现象；（3）直流电缆运行过程中，绝缘材料受到同一极性电场的长时间作用会发生空间电荷积聚并导致产生局部高电场；（4）PP导热性能较差，绝缘层内外侧存在的温度梯度会引起电场畸变，容易诱发绝缘层局部放电和电树枝放电，加速电缆绝缘老化，甚至导致绝缘击穿，发生运行事故。因此综合改善PP绝缘材料的力学性能、导热性能和介电性能（主要是抑制空间电荷的积聚）对延长电缆使用寿命、提高电缆的运行电压和工作温度具有重大现实意义。本文从分析PP用作直流电缆绝缘材料时存在的问题出发，综述了PP的改性方法（共聚改性、纳米粒子改性、共混改性和接枝改性），并对PP基绝缘材料在直流电缆领域的发展提出了展望。

为满足直流电缆的运输、安装敷设以及运行使用的基本要求，绝缘材料必须具备一定的力学强度，包括良好的柔软性、断裂伸长率和低温耐冲击性能。然而PP材料属于高结晶度聚合物，其在工作温度范围内呈现出刚性大的特性，同时在低温环境中也表现出脆性大、易开裂的特点，无法满足上述条件，因此必须对其进行增韧改性研究。

直流电缆绝缘经长期使用过程中高场强和热循环的同时作用后不可避免地会逐渐老化，导致绝缘材料的力学性能、绝缘性能、击穿场强降低，从而影响电缆的可靠性和使用寿命。电缆绝缘的老化包括机械老化、电老化、热老化、化学老化等，其中引起最多关注的是电老化和热老化。虽然通过添加抗氧化剂可以在一定程度上提高PP的耐热氧老化性能， 但是鉴于抗氧化剂与PP的相容性较差、易迁移析出，并且其本身作为杂质也会影响PP的绝缘性能等，因此仅通过添加抗氧化剂来改善PP的耐老化性能已经无法满足直流电缆绝缘的寿命和可靠性要求，有必要对PP进行更进一步的改性研究。

空间电荷作为评价高压直流电缆质量和使用寿命的因素之一，对电缆的局部电场分布、介电强度和绝缘材料的老化有很大的影响，直流电缆绝缘材料的介电性能需要尽量抑制空间电荷的积聚，减少同极性空间电荷的注入和异极性空间电荷产生，阻碍其对绝缘材料内部及界面造成电场畸变，从而保证击穿强度和电缆寿命不受影响。

直流电缆长时间处于同种极性的电场时，电介质界面处注入电极材料中的电子、离子以及杂质电离产生的载流子等都会成为绝缘材料中的空间电荷，它们在产生后会迅速迁移并聚集形成的电荷包，即空间电荷的积聚。因此，PP应用于与直流电缆时必须对其进行改性，并尽可能抑制电荷的产生与积聚。

（四）导热性能

由于PP的导热性能较差，直流电缆运行时产生的热量不能及时散播，使得绝缘层内外侧存在温度差，即绝缘层产生了内高外低的不均匀温度场。聚合物材料的电导率随温度升高而增大，绝缘层低温外测电导率低，异极性电荷更易积聚于此，电场强度随之降低。另外，温度梯度的存在也会引起大量空间电荷的注入与迁移，进一步加大了绝缘层电场的畸变。温度梯度越大，空间电荷积累增多，电场畸变愈严重。根据之前的讨论，高温、空间电荷积累和电场畸变会影响直流电缆的正常运行和使用寿命。因此有必要改善PP的导热性能，以保障直流电缆的运行安全并延长使用寿命。