隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流電纜輸電方式在未來電能傳輸中將發(fā)揮重要作用，而直流電纜輸電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于電纜絕緣材料的突破。針對傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯絕緣存在的不可回收再利用、工作溫度有限和加工工藝復(fù)雜等缺點，開發(fā)環(huán)保型直流電纜絕緣材料顯得尤為必要。為促進環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究和開發(fā)，對環(huán)保型直流電纜絕緣材料的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)評述?？偨Y(jié)了目前常見的幾種聚烯烴類環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究進展和聚烯烴材料的 3 種改性方法：共混改性、納米改性和化學(xué)接枝改性，對比了環(huán)保型直流電纜絕緣材料和傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯相比的優(yōu)勢?？梢钥闯?，以熱塑性聚烯烴，特別是聚丙烯為基體的環(huán)保型直流電纜絕緣材料展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景，可以有效提高直流電纜的工作溫度，簡化加工工藝。環(huán)保型直流電纜絕緣材料開發(fā)過程中更應(yīng)注重材料在高溫下的性能，以發(fā)揮其優(yōu)勢從而提高直流電纜的運行溫度，同時應(yīng)該同步開展環(huán)保型直流電纜絕緣材料的老化研究。

0 引言1

相對于交流輸電系統(tǒng)，直流系統(tǒng)輸送容量更大，可以節(jié)省大量土地資源，而且直流系統(tǒng)無交流系統(tǒng)大范圍的連鎖故障風(fēng)險，系統(tǒng)安全問題較小。因此直流輸電技術(shù)將在遠距離、大容量輸電和分布式能源送出等方面被廣泛采用。

然而，隨著超／特高壓輸電線路的建設(shè)，傳統(tǒng)的架空輸電線路面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，輸電走廊問題已經(jīng)成為超／特高壓線路建設(shè)的關(guān)鍵問題［1］。在送端，許多水電站所在位置地形復(fù)雜多樣，架空線路建設(shè)已經(jīng)很難找到路徑而且建設(shè)難度巨大。在受端，隨著城市化進程的加快，特別是諸如長三角和珠三角等地，新建架空線路已經(jīng)很難找到線路走廊，其它大型城市的輸電走廊緊張問題也將逐漸顯現(xiàn)［2］。 此外，遠距離輸電線不可避免地要經(jīng)過江河湖泊、風(fēng)景名勝、自然保護區(qū)等，架空線路不僅會破壞自然和人文景觀，也會遇到大跨越等建設(shè)難題。同時隨著海洋資源的開發(fā)，特別是海上風(fēng)電和海島供電的需求日益增加， 在海上建設(shè)架空線路幾乎不可能。 因此，在當(dāng)前高壓線路建設(shè)過程中，急需發(fā)展地下或海下電纜輸電技術(shù)解決送端、受端及特殊地段的輸電線路走廊問題。

直流電纜在發(fā)展過程中出現(xiàn)了充油電纜、油紙絕緣電纜、浸漬絕緣電纜和塑料絕緣電纜。而隨著三層共擠工藝的發(fā)展，塑料電纜已經(jīng)成為直流電纜發(fā)展的主流，采用高壓直流塑料電纜的柔性直流輸電也是國際大電網(wǎng)倡導(dǎo)的主流方向［3］。目前最為常用的直流塑料電纜的絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，該材料不僅保持了聚乙烯良好的電氣絕緣性能，還增強了聚乙烯的耐熱性，交聯(lián)過程還使乙烯分子由鏈狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得聚乙烯在高溫下的機械特性有了極大的提高。然而，交聯(lián)過程使得聚乙烯從熱塑性材料轉(zhuǎn)變成了熱固性材料，因此在電纜壽命到期后無法直接回收再利用，不具備綠色環(huán)保的特性，將不可避免地產(chǎn)生大量的廢棄交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣材料從而產(chǎn)生環(huán)保問題。因此，研究綠色環(huán)保的、可回收且避免了復(fù)雜交聯(lián)過程的高性能直流電纜絕緣材料體系，實現(xiàn)電纜絕緣材料的創(chuàng)新，是大容量直流塑料電纜必須解決的重大關(guān)鍵問題，可為電力電纜的大規(guī)模應(yīng)用解決環(huán)保問題。

熱塑性聚烯烴是首選的環(huán)保型直流電纜絕緣材料，常見的有聚乙烯、乙丙橡膠、聚丙烯等聚合物材料。聚乙烯電氣性能優(yōu)異，絕緣電阻和耐電強度較高，介電損耗小，但其較低的軟化溫度使其不適合在高溫下工作，同時存在機械強度不高和使用壽命較短的問題。乙丙橡膠是以乙烯和丙烯為基礎(chǔ)單體的合成橡膠，由于其優(yōu)異的耐腐蝕性、耐老化性和電氣絕緣性能，從而被廣泛應(yīng)用在電纜護套和電纜絕緣材料中。聚丙烯材料有著高熔點和優(yōu)異的電氣絕緣性能，然而聚丙烯在常溫下的脆性導(dǎo)致其作為電纜絕緣材料難以使用。高壓直流電纜絕緣材料開發(fā)的重點問題在于材料中空間電荷的積聚。直流電場作用下，隨著加壓時間的增加，由于材料中微觀缺陷的存在，很容易在絕緣材料中引起空間電荷的積聚?？臻g電荷的大量積聚會使得絕緣材料中的電場發(fā)生畸變，引起局部電場分布不均，嚴重時會產(chǎn)生局部放電甚至絕緣擊穿，嚴重影響電纜的使用壽命?？臻g電荷問題一直是限制高壓直流電纜發(fā)展的一個重要因素。

為了給環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料研究提供參考，本文系統(tǒng)綜述了目前國內(nèi)外在環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料領(lǐng)域的研究進展，并對目前環(huán)保型直流電纜絕緣材料開發(fā)中存在的問題進行了探討。

1 研究進展

目前對于環(huán)保型直流電纜絕緣材料的研究，主要集中在以下幾種材料：以聚乙烯、聚丙烯和乙丙橡膠等為代表的熱塑性聚烯烴；以聚乙烯基、聚丙烯基共混物等為代表的熱塑性聚烯烴共混物；摻雜納米填料的熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料；通過化學(xué)方法改性的聚烯烴材料。這些研究在提高材料的電氣性能、機械性能和熱性能上做了很多嘗試和努力，并取得了一定成果，展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

1．1 熱塑性聚烯烴

聚乙烯（ polyethylene， PE）樹脂有著良好的絕緣性能，但是由于熔點低，高溫下機械性能有限，其使用溫度不高。根據(jù)分子鏈結(jié)構(gòu)、分子量和密度的不同，聚乙烯可分為線性低密度聚乙烯（ linear low density polyethylene， LLDPE），低密度聚乙烯（ low density polyethylene， LDPE）和高密度聚乙烯（ high density polyethylene， HDPE）。 LDPE 具有較好的機械柔韌性，但其耐熱性能和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性較差。而相比之下， HDPE 提高了耐熱性能和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性。 LDPE 和 HDPE 曾應(yīng)用于早期的聚合物塑料電纜中， 但隨著交聯(lián)聚乙烯 （ crosslinked polyethylene， XLPE）的出現(xiàn)， LDPE 和 HDPE 已經(jīng)被 XLPE 所取代。然而， XLPE 會喪失 LDPE 和HDPE 的熱塑性特性，從而難以回收再利用。

目前，聚乙烯作為環(huán)保型直流電纜絕緣材料，其研究主要集中在不采用化學(xué)交聯(lián)的方式下如何提高其工作溫度以及高溫下的各項性能。韓國的 J． S．Lee 等在 2012 年研發(fā)了一種不需要化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，而只需要通過物理交聯(lián)的 PE，該材料可回收再利用，并且展現(xiàn)出比 XLPE 更好的機械性能、擊穿特性和長期穩(wěn)定性［4］。

聚丙烯（ polyethylene， PP）是另外一種潛在的環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料，根據(jù)其分子鏈結(jié)構(gòu)，可分為等規(guī)聚丙烯（ isotactic polypropylene， iPP）、間規(guī)聚丙烯（ syndiotactic polypropylene， sPP）和無規(guī)聚丙烯（ atactic polypropylene， aPP）。聚丙烯具有優(yōu)良的絕緣性能和抗腐蝕性能， iPP 的熔點高達160 ℃以上，長期使用溫度達 100～120 ℃。聚丙烯最大的缺點在于耐寒性能差，低溫下易脆斷。

日本 Osaka University 的 K． Yoshino 等比較了iPP 和 sPP 的分子結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電氣性能，發(fā)現(xiàn) sPP 的結(jié)晶溫度更低，在高溫下形成的球晶粒徑比 iPP 小 20～30 倍，因而具有更好的熱穩(wěn)定性和電氣絕緣性能。研究認為 sPP 是一種很好的環(huán)保型直流電纜絕緣材料，但其相對價格較高，是制約 sPP發(fā)展的因素［5］。為了綜合 PE 和 PP 的優(yōu)點，提出了通過乙烯和丙烯單體聚合制備乙烯丙烯共聚物（ ethylene－ propylene copolymer， EPC）。 該共聚物在一定程度上可增加 PP 的柔韌性和抗沖擊性能，同時保持較高的工作溫度。但如何控制 2 種單體的相對含量和單體在分子鏈上的排布規(guī)律，從而控制共聚物的性能仍然是一個有待深入研究的問題。

英國 Southampton 大學(xué)的 I． L． Hosier 研究了 4種不同乙烯含量的 EPC 和 sPP 以及 iPP 的熱學(xué)、機械和電氣性能，發(fā)現(xiàn)雖然每種樣品都有一個或多個較好的性質(zhì)，但是總體來說，沒有一種樣品能達到電纜絕緣材料的全部要求［6］。

1．2 熱塑性聚烯烴共混

前文中關(guān)于單種聚烯烴材料的介紹，單純的PE、 PP 或 EPC 作為環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料均存在一定的問題，因此研究轉(zhuǎn)向了通過熱塑性聚烯烴共混來改善單種聚烯烴的性能。共混改性相對于共聚的優(yōu)點在于： 操作工藝簡單、 成本較為低廉。

根據(jù)共混組分主要成分，關(guān)于熱塑性烯烴共混物的研究可以分為 PE 基材料和 PP 基材料兩種。

1．2．1 聚乙烯基共混物

英國 Southampton 大學(xué)的 A． S． Vaughan 等研究了 HDPE／LDPE 共混物的特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者質(zhì)量比為 20：80 時，在冷卻速率為 0．5～10 K／min 的條件下該共混物有著比 XLPE 更高的擊穿強度和高溫機械性能［7－8］，研究還發(fā)現(xiàn)，將線性聚乙烯和支化聚乙烯共混并通過適當(dāng)?shù)男蚊部刂瓶墒蛊浔憩F(xiàn)出優(yōu)于XLPE 的性能。 I． L． Hosier 等研究了不同醋酸乙烯（ vinyl acetate， VA）質(zhì)量分數(shù)乙烯C醋酸乙烯酯（ ethylene－vinyl acetate copolymer， EVA）的熔點、結(jié)晶度、機械性能及擊穿強度，發(fā)現(xiàn)隨著 VA 質(zhì)量

分數(shù)增加，上述性能均有所降低。但質(zhì)量分數(shù) 20％的 HDPE 和 EVA 或 LDPE 共混可提高共混物的熱機械性能、 力學(xué)性能和電氣性能， 從而達到與 XLPE各方面相似的性能。研究認為以上共混物存在作為可回收電纜材料的可能性［9］。

H． K． Lee 等發(fā)現(xiàn) EVA 和 HDPE 共混不僅可以改善 HDPE 在常溫下的脆性，而且擁有良好的高溫耐熱和機械性能。采用共混而非交聯(lián)的 HDPE／EVA共混物不僅降低了材料的成本，而且相比 XLPE 來說可以降低介電損耗，存在著作為環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料的可行性［10］。 K． S． Suh 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) EVA質(zhì)量分數(shù)增加時， PE／EVA 共混物的異極性空間電荷積聚有所減少［11］。

1．2．2 聚丙烯基共混物

I． L． Hosier 等在研究 iPP 和 PEC 單獨特性的基礎(chǔ)上，研究了上述材料共混物的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn) iPP 和 PEC 共混可以達到最優(yōu)的效果，實驗證明質(zhì)量分數(shù) 50％的 iPP 與質(zhì)量分數(shù) 40％的乙烯單體的 PEC 組成共混物有著最佳的綜合性能［12］。

國內(nèi)清華大學(xué)筆者所在的研究團隊以及上海交通大學(xué)江平開教授的研究團隊在聚丙烯基共混物材料方面做了很多研究。 他們研究了聚丙烯／彈性體（ PP／POE）共混物作為高壓直流電纜的可行性，制備了不同 POE 質(zhì)量分數(shù)的 PP／POE 共混物。研究發(fā)現(xiàn)隨著彈性體的混入，聚丙烯材料的機械性能得到了很大提高，展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。雖然 POE的摻入使 PP 的熔點有所下降，但由于 PP 的熔點本身較高，所以 PP／POE 共混物仍然有著很好的熱學(xué)性能， 能長期工作在較高溫度下。 在電氣性能方面，隨著 POE 質(zhì)量分數(shù)的增加， 材料的介電強度略有下降，總體上能達到交聯(lián)聚乙烯的絕緣水平。但在直流高壓作用下， PP 中的空間電荷積聚現(xiàn)象并沒有得到改善［13］。表 1 給出了 PP／POE 和 XLPE 的性能對比。

文獻［14］研究比較了 PP、 PP／PEC 共混物和聚丙烯／乙烯C辛烯共聚物（ PP／EOC）共混物的空間電荷注入情況，發(fā)現(xiàn) PP／EOC 樣品中，由于 EOC 是有效的成核劑，從而減小了 PP 中的球晶尺寸，增加了球晶之間的界面，使得 PP／EOC 中球晶界面處的淺陷阱增加，因此其空間電荷要明顯少于 PP 或PP／PEC。圖 1 是 PP／PEC 共混物和 PP／EOC 共混物的透射電子顯微鏡照片。

1．3 熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料

近年來，隨著納米電介質(zhì)的發(fā)展，在聚合物電介質(zhì)中引入納米顆粒提高材料的電氣性能已經(jīng)成為一種流行的改性方法，并且已經(jīng)取得了顯著的成效。

特別是許多研究者已經(jīng)在聚乙烯納米復(fù)合材料方面進行了大量的實驗研究。

T． Takada 等人研究了納米 MgO 摻雜 LDPE 的空間電荷積聚特性，發(fā)現(xiàn)高場強下純 LDPE 首先在陽極產(chǎn)生電荷包，并迅速向陰極轉(zhuǎn)移，最終在陰極會注入大量的負極性電荷，且空間電荷積聚隨著溫度升高會進一步加劇。但 MgO／LDPE 復(fù)合材料即使在高溫下也不存在上述電荷包的形成過程，而且同極性電荷注入很少，說明摻入納米 MgO 顆粒能有效改善 LDPE 中空間電荷的積聚［15］。 Southampton大學(xué)的 G． Chen 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分數(shù)為 1％時，

Al2O3／LLDPE 復(fù)合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分數(shù)＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復(fù)雜，即納米顆粒的添加含量存在一個平衡點［16］。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的學(xué)者也在 LDPE 納米復(fù)合電介質(zhì)方面做了大量研究。結(jié)果表明：添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同種類的納米顆粒均可提高 LDPE 的電氣性能，如抑制同極性電荷注入和電樹生長，增加擊穿強度和局部放電電壓［17－22］。

相對于聚乙烯納米復(fù)合電介質(zhì)，聚丙烯納米復(fù)合材料的研究正在逐漸開展。清華大學(xué)筆者所在的研究團隊在聚丙烯納米復(fù)合材料方面做了大量研究。在前文中 PP／POE 共混物研究的基礎(chǔ)上，利用納米 MgO 顆粒抑制了 PP／POE 共混物中的空間電荷積聚，提高了復(fù)合材料的擊穿強度和體積電阻率，具有很好的應(yīng)用前景［23］。進一步研究發(fā)現(xiàn)， MgO 納米顆粒不僅能在常溫下抑制空間電荷積聚，還能在溫度梯度下抑制空間電荷積聚［24］。另外，該團隊也研究了 PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、熱學(xué)力學(xué)性能及空間電荷行為［25］， 納米 ZnO 的摻入可改善材料在直流高壓下的異極性空間電荷積聚情況，但隨著 ZnO 含量的增多，有可能引起少量同極性電荷的注入，圖 2 給出了 PP／EPR 共混物和PP／EPR／ZnO 納米復(fù)合材料的空間電荷積聚特性。

針對不同納米顆粒對 iPP 電氣性能的影響，研究發(fā)現(xiàn) 4 種納米顆粒均能在一1．3 熱塑性聚烯烴納米復(fù)合材料近年來，隨著納米電介質(zhì)的發(fā)展，在聚合物電介質(zhì)中引入納米顆粒提高材料的電氣性能已經(jīng)成為一種流行的改性方法，并且已經(jīng)取得了顯著的成效。

特別是許多研究者已經(jīng)在聚乙烯納米復(fù)合材料方面進行了大量的實驗研究。

T． Takada 等人研究了納米 MgO 摻雜 LDPE 的空間電荷積聚特性，發(fā)現(xiàn)高場強下純 LDPE 首先在陽極產(chǎn)生電荷包，并迅速向陰極轉(zhuǎn)移，最終在陰極會注入大量的負極性電荷，且空間電荷積聚隨著溫度升高會進一步加劇。但 MgO／LDPE 復(fù)合材料即使在高溫下也不存在上述電荷包的形成過程，而且同極性電荷注入很少，說明摻入納米 MgO 顆粒能有效改善 LDPE 中空間電荷的積聚［15］。 Southampton大學(xué)的 G． Chen 等發(fā)現(xiàn)當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分數(shù)為 1％時，Al2O3／LLDPE 復(fù)合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當(dāng) Al2O3 質(zhì)量分數(shù)＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復(fù)雜，即納米顆粒的添加含量存在一個平衡點［16］。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的學(xué)者也在 LDPE 納米復(fù)合電介質(zhì)方面做了大量研究。結(jié)果表明：添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同種類的納米顆粒均可提高 LDPE 的電氣性能，如抑制同極性電荷注入和電樹生長，增加擊穿強度和局部放電電壓［17－22］。