隨著直流輸電技術的發(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發(fā)展的關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)狀和關鍵技術進行了系統(tǒng)評述。總結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。可以看出，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險，系統(tǒng)安全問題較小。因此直流輸電技術將在遠距離、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，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／特高壓線路建設的關鍵問題［1］。在送端，許多水電站所在位置地形復雜多樣，架空線路建設已經(jīng)很難找到路徑而且建設難度巨大。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難題。同時隨著海洋資源的開發(fā)，特別是海上風電和海島供電的需求日益增加， 在海上建設架空線路幾乎不可能。 因此，在當前高壓線路建設過程中，急需發(fā)展地下或海下電纜輸電技術解決送端、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構轉變?yōu)榫W(wǎng)狀結構，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鍵問題，可為電力電纜的大規(guī)模應用解決環(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。空間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。空間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)綜述了目前國內外在環(huán)保型高壓直流電纜絕緣材料領域的研究進展，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合材料；通過化學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)分子鏈結構、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)境應力開裂性。 LDPE 和 HDPE 曾應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)了一種不需要化學交聯(lián)反應，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)其分子鏈結構，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 的分子結構、微觀形貌和電氣性能，發(fā)現(xiàn) sPP 的結晶溫度更低，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、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，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 大學的 A． S． Vaughan 等研究了 HDPE／LDPE 共混物的特性，發(fā)現(xiàn)當兩者質量比為 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?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）質量分數(shù)乙烯–醋酸乙烯酯（ ethylene－vinyl acetate copolymer， EVA）的熔點、結晶度、機械性能及擊穿強度，發(fā)現(xiàn)隨著 VA 質量
分數(shù)增加，上述性能均有所降低。但質量分數(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 EVA質量分數(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 單獨特性的基礎上，研究了上述材料共混物的熱學、力學和電學性能。研究發(fā)現(xiàn) iPP 和 PEC 共混可以達到最優(yōu)的效果，實驗證明質量分數(shù) 50％的 iPP 與質量分數(shù) 40％的乙烯單體的 PEC 組成共混物有著最佳的綜合性能［12］。
國內清華大學筆者所在的研究團隊以及上海交通大學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性能， 能長期工作在較高溫度下。 在電氣性能方面，隨著 POE 質量分數(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。
