直流XLPE電纜絕緣中空間電荷的抑制方法綜述

李歡，徐磊，劉濤，楊章勇

(陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723001)

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)電力需求量急劇增加，高壓直流電纜的投入使用可以加快高壓、超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量電力網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[1]。2012年至2015年，中國(guó)高壓直流輸電線路完成了從±160 kV到±320 kV的跳躍，到目前±500 kV直流電纜的研制，中國(guó)的高壓直流輸電能力更進(jìn)一步[2]。交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電力電纜由于電氣性能和理化性能優(yōu)良，傳輸容量大，結(jié)構(gòu)輕便，附件接頭制作相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝敷設(shè)方便，不受高度落差限制等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代架空線、充油電纜和乙丙橡膠電纜[3]。但是，直流XLPE絕緣電纜在輸電過程中會(huì)有空間電荷持續(xù)積聚，電纜絕緣中由于空間電荷的存在，易引發(fā)電纜內(nèi)部局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。即使短時(shí)間內(nèi)未造成明顯的損害，長(zhǎng)此以往也會(huì)為電纜絕緣的壽命縮短埋下隱患，如何有效抑制空間電荷產(chǎn)生是目前亟待解決的問題之一[4]。針對(duì)空間電荷產(chǎn)生的問題，抑制的主要方法有：接枝、共混和納米摻雜等[5]。有效抑制空間電荷在電纜中積聚可以延長(zhǎng)電纜壽命，減少更換電纜的頻率，同時(shí)能夠節(jié)約資源。因此，如何有效抑制空間電荷在電纜中積聚更具有研究意義。

文中將針對(duì)多種直流XLPE電纜絕緣中抑制空間電荷的方法進(jìn)行綜述，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)其抑制原理和抑制效果進(jìn)行介紹，并將各種直流XLPE空間電荷的抑制方法的優(yōu)劣性進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，最后展望其未來的研究發(fā)展。

1 直流電纜中空間電荷的產(chǎn)生及危害

1.1 空間電荷的產(chǎn)生方式

電纜絕緣中空間電荷問題于1978年首次出現(xiàn)在日本海底電纜工程中，因空間電荷積聚過多導(dǎo)致電纜絕緣被擊穿，引發(fā)電力事故[6]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直流電纜的空間電荷分布特性及抑制方法進(jìn)行了大量研究。研究結(jié)果表明，空間電荷通常指入陷后存在于聚合物表面或內(nèi)部的電荷，或因極化不均勻產(chǎn)生的界面極化電荷?？臻g電荷主要來自3個(gè)方面：其一是因空間不均勻產(chǎn)生界面極化電荷，如偶極子極化、界面極化等雙層介質(zhì)的介電性能不同而在界面處形成電荷層。其二是通過外施電場(chǎng)作用，從電極處注入聚合物材料內(nèi)部[7]。高場(chǎng)強(qiáng)下，電子和空穴通過Schottky效應(yīng)和隧道效應(yīng)從電極注入，并逐漸向絕緣材料內(nèi)部移動(dòng)[8]。其三是絕緣內(nèi)部所含雜質(zhì)、離子自身電離產(chǎn)生的電荷。XLPE絕緣在投入運(yùn)行前存在大量α-甲基苯乙烯、枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物，而交聯(lián)副產(chǎn)物屬極性基團(tuán)，在電場(chǎng)作用下易發(fā)生電離導(dǎo)致空間電荷積聚[9]。另外，XLPE交聯(lián)過程中，因交聯(lián)不完全產(chǎn)生的支鏈、雜質(zhì)等都可能導(dǎo)致產(chǎn)生陷阱電荷。再者，電纜運(yùn)行過程中，受熱老化影響，絕緣內(nèi)部會(huì)有如羰基等極性基團(tuán)產(chǎn)生，易在電場(chǎng)作用下發(fā)生解離，導(dǎo)致絕緣內(nèi)部異極性電荷積聚[10—11]。

XLPE電纜中積聚的空間電荷類型分為同極性積聚和異極性積聚。同極性空間電荷一般由電極注入，積聚于XLPE內(nèi)部，而雜質(zhì)、離子、斷鏈等物質(zhì)的解離是異極性空間電荷的產(chǎn)生方式[12]。同極性電荷的積聚有助于抑制空間電荷注入，而異極性電荷的積聚會(huì)改變XLPE電纜絕緣的場(chǎng)強(qiáng)，促進(jìn)空間電荷注入[13]。XLPE在未完全交聯(lián)狀態(tài)下，同、異極性空間電荷均出現(xiàn)在試樣中，而完全交聯(lián)后，試樣內(nèi)部只有異極性空間電荷積聚。結(jié)果表明，交聯(lián)過程中產(chǎn)生的不飽和鍵可能是同極性電荷來源，而XLPE中交聯(lián)劑及交聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物則是異極性空間電荷來源[14]。在以往研究中發(fā)現(xiàn)，低場(chǎng)強(qiáng)條件下，XLPE絕緣內(nèi)部往往表現(xiàn)為同極性空間電荷積聚；高場(chǎng)強(qiáng)條件下，則變?yōu)楫悩O性電荷積聚。不同場(chǎng)強(qiáng)條件下，空間電荷積聚類型的主導(dǎo)地位不同。低場(chǎng)強(qiáng)條件下，同極性電荷注入含量大于解離出的異極性電荷含量；而在高場(chǎng)強(qiáng)條件下，雜質(zhì)、化學(xué)物質(zhì)、交聯(lián)副產(chǎn)物等解離出的異極性電荷則為電荷積聚的主要產(chǎn)生方式[9,15—16]。

1.2 空間電荷的危害

直流輸電過程中，電纜內(nèi)部易出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)，引發(fā)局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，畸變場(chǎng)強(qiáng)甚至可達(dá)外施電場(chǎng)的8倍，導(dǎo)致電纜絕緣在額定電壓下即發(fā)生擊穿，引發(fā)嚴(yán)重的事故[17]。

聚合物內(nèi)空間電荷積聚現(xiàn)象導(dǎo)致材料內(nèi)的電場(chǎng)發(fā)生畸變，易被擊穿[18]。XLPE電-熱老化DMM(Dissado-Montanari-Mazzanti)空間電荷模型因其合理性被眾多學(xué)者認(rèn)同，其認(rèn)為空間電荷的存在會(huì)造成聚合物老化，空間電荷積聚導(dǎo)致聚合物內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生改變，從而加快聚合物劣化速度直至擊穿現(xiàn)象發(fā)生。在電纜運(yùn)行過程中，電、熱等老化形式的參與使空間電荷更易在電纜內(nèi)部積聚。整體表現(xiàn)為，隨著老化時(shí)間增加，XLPE中空間電荷的注入與積聚逐漸向絕緣內(nèi)部遷移，同時(shí)引發(fā)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)畸變。XLPE為半結(jié)晶聚合物，在熱老化條件下，XLPE分子鏈存在較活躍的鏈段運(yùn)動(dòng)，鏈間的自由體積受鏈段運(yùn)動(dòng)影響而擴(kuò)大，當(dāng)電子在自由體積中運(yùn)動(dòng)時(shí)便會(huì)獲得更大的電子能，碰撞至介質(zhì)內(nèi)的分子鏈后，使其更易發(fā)生斷裂，造成材料損耗過快[19—20]。在電纜實(shí)際運(yùn)行過程中，XLPE絕緣距纜芯位置不同導(dǎo)致熱老化程度不同，因此空間電荷積聚程度也不同。近纜芯側(cè)因受熱老化更嚴(yán)重，電導(dǎo)率會(huì)增高，引發(fā)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)，造成熱損耗增加，使電纜有熱擊穿的風(fēng)險(xiǎn)[21—22]。

另外，空間電荷于絕緣內(nèi)部積聚過多也會(huì)對(duì)電荷輸運(yùn)特性造成一定影響，從而損害絕緣材料。聚合物中，電子遷移的路徑為聚合物分子鏈間的自由體積，空穴的傳導(dǎo)主要表現(xiàn)為鏈內(nèi)特性[23]。當(dāng)聚合物中同時(shí)積聚的空穴和電子在化學(xué)階段發(fā)生復(fù)合時(shí)，將會(huì)引發(fā)電致發(fā)光，并產(chǎn)生紫外光輻射，導(dǎo)致聚合物的分子鏈斷鏈，阻礙電荷輸運(yùn)[24]。

最后，XLPE絕緣中局部電場(chǎng)強(qiáng)度的大小會(huì)受空間電荷密度影響而改變。當(dāng)XLPE絕緣中電荷密度過高時(shí)，局部場(chǎng)強(qiáng)將高于XLPE的閾值場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致初始電擊穿發(fā)生，空間電荷的積聚最終會(huì)使絕緣在低場(chǎng)強(qiáng)下也發(fā)生老化，生成絕緣缺陷[25]。

2 空間電荷的抑制方法

2.1 接枝改性方法

運(yùn)用自由基向大分子鏈轉(zhuǎn)移原理來實(shí)現(xiàn)接枝是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)最常使用的方法。高壓聚乙烯包含自由基向大分子轉(zhuǎn)移過程，因此所含支鏈數(shù)較多[26]。據(jù)鏈轉(zhuǎn)移原理顯示，接枝部位可以為另一單元體的主鏈或側(cè)鏈。乙烯基大分子接枝過程如圖1所示。接枝是化學(xué)改性的方法之一，其原理在于極性化合物中含有極性基團(tuán)，將其與聚合物大分子鏈相接后，可以使聚合物中深陷阱數(shù)量提升，達(dá)到抑制電荷積聚的效果。

圖1 乙烯基大分子接枝示意Fig.1 Schematic diagram of vinyl macromolecules graft

日本Viscas企業(yè)在±500 kV的直流XLPE絕緣材料中采用接枝的方式引入極性基團(tuán)，改善電纜絕緣陷阱分布的同時(shí)抑制空間電荷積聚[27]。為改善XLPE的直流介電性能，很多學(xué)者嘗試在XLPE分子鏈上接枝帶有極性基團(tuán)的物質(zhì)，并對(duì)接枝后的介質(zhì)材料進(jìn)行電聲脈沖法(pulsed electro-acoustic，PEA)測(cè)試。經(jīng)過不斷研究后發(fā)現(xiàn)，在XLPE分子鏈上接枝極性基團(tuán)能夠有效抑制空間電荷的積聚。將氯乙酸烯丙脂(allyl chloroacetate，CAAE)[28]、順丁烯二酸酐(maleic anhydride，MAH)[29]等接枝在XLPE大分子鏈上制成介質(zhì)材料，經(jīng)PEA測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，接入極性基團(tuán)后的介質(zhì)材料，試樣兩極及內(nèi)部的空間電荷積聚明顯減少。XLPE與XLPE-g-CAAE加壓極化下的空間電荷分布曲線[28]如圖2所示，可以看出，1.5%的CAAE接入XLPE后，抑制空間電荷的能力較純XLPE電纜絕緣得到很大提升。

圖2 XLPE與XLPE-g-CAAE加壓極化的空間電荷分布Fig.2 Spatial charge distribution of XLPE and XLPE-g-CAAE under pressure polarization

接枝改性通過接枝不同類型的極性基團(tuán)達(dá)到調(diào)控XLPE陷阱特性的目的，從而改善XLPE內(nèi)部的空間電荷積聚。極性基團(tuán)的引入會(huì)使更多的深陷阱出現(xiàn)在試樣中，注入的電荷因?yàn)樯钕葳鍞?shù)量增加而被大量捕獲，空間電荷在絕緣內(nèi)部積聚減少，從而提升了XLPE抑制空間電荷的能力。MAH接枝到低密度聚乙烯(low-density polyethylene，LDPE)后，使用PEA進(jìn)行空間電荷短路測(cè)試得出，試樣內(nèi)空間電荷含量隨著MAH含量的增加而減少[30]。

但是極性基團(tuán)接入深陷阱是否對(duì)電纜絕緣性能真正有利仍需驗(yàn)證。另外，接枝不充分所帶來的雜質(zhì)問題也是接枝改性面臨的一大困難，因接枝過程中的工藝問題造成接枝不完全所帶來的雜質(zhì)問題不利于電纜絕緣正常工作。如何保證極性官能團(tuán)充分接枝于聚合物分子鏈也是未來需要考慮的問題。

2.2 共混改性方法

高分子混合物根據(jù)混合組份的不同可分為3類，分別是：高分子-增塑劑混合物、高分子-填充劑混合物和高分子-高分子混合物[26]。通常認(rèn)為的共混便是上述第3類。由于高分子-高分子混合物的黏度很大，導(dǎo)致聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。聚乙烯經(jīng)過交聯(lián)后，雖然部分性能得到提升，但是交聯(lián)過程中所產(chǎn)生交聯(lián)副產(chǎn)物及脫氣處理所帶來的雜質(zhì)會(huì)對(duì)電纜絕緣的壽命產(chǎn)生一定影響，并且經(jīng)過交聯(lián)后，XLPE并不滿足環(huán)保回收的要求。采用共混的方法對(duì)聚乙烯進(jìn)行改性處理，使聚乙烯在保留機(jī)械性能、提升熱性能的同時(shí)滿足在無交聯(lián)過程中環(huán)?；厥盏囊?，另一方面對(duì)空間電荷積聚也產(chǎn)生了一定的抑制能力。

為使共混后產(chǎn)物的性能達(dá)到最佳，選擇何種共混物以及共混含量的控制一直都是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[31]將不同含量茂金屬聚乙烯(metallocene polyethylene，MPE)與LDPE做共混處理，如圖3所示，1%MPE與LDPE共混抑制空間電荷的能力最佳，當(dāng)MPE含量為5%時(shí)，空間的電荷積聚程度大于純LDPE。

圖3 極化場(chǎng)強(qiáng)50 kV/mm作用2 h后短路30 s時(shí)試樣的去極化特性Fig.3 Depolarization characteristic in samples first applied stress of 50 kV/mm for 2 h and then shorted circuit for 30 s

上述結(jié)果表明，MPE作為成核劑能減小LDPE的結(jié)晶尺寸，改善結(jié)晶度，從而較大提升電纜絕緣抑制空間電荷的能力。但是當(dāng)共混物含量過高后，LDPE體內(nèi)的不完整支鏈結(jié)構(gòu)受到MPE中高支鏈的影響，形成新的陷阱，導(dǎo)致電荷積聚。也從側(cè)面反映出介質(zhì)是否可以有效抑制空間電荷的積聚與共混物的含量有一定關(guān)系。文獻(xiàn)[32]將納米二氧化鈦(TiO2)與XLPE熔融共混制得復(fù)合材料，并對(duì)XLPE和XLPE/TiO2進(jìn)行PEA測(cè)試。研究得出，XLPE/TiO2擁有更佳的抑制空間電荷積聚能力，由于TiO2與XLPE之間形成交互區(qū)的同時(shí)聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，導(dǎo)致更高能級(jí)的深陷阱出現(xiàn)在復(fù)合介質(zhì)內(nèi)，明顯抑制了電荷的注入。

納米炭黑(carbon black，CB)和LDPE熔融共混后，相較于純LDPE試樣，在抑制空間電荷積聚方面得到了顯著改善，如圖4所示[33]，納米CB含量為0.03%時(shí)，試樣空間電荷抑制能力最佳。陽極附近異極性空間電荷較其他試樣積累量更少，陰極附近幾乎沒有電荷積聚。引入納米CB能使聚合物內(nèi)部深陷阱密度提高，從而提升試樣捕獲空間電荷的能力。

圖4 各試樣在加壓極化過程中的空間電荷分布Fig.4 The spatial charge distribution of each sample during pressurized polarization

經(jīng)過不斷研究后，證明了共混改性方法的可行性。一方面，共混改性使共混物的結(jié)晶度發(fā)生改變；另一方面，結(jié)晶過程中形成的淺陷阱使聚合物中空間電荷分布得到改善。但是共混物之間的相容性問題會(huì)造成聚合物缺陷增多，導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)下降。目前聚乙烯的共混改性方法雖然取得一定進(jìn)展，但是仍然處于探索階段。

2.3 納米摻雜改性方法

摻雜無機(jī)納米粒子對(duì)抑制XLPE絕緣材料中的空間電荷積聚同樣是一種較為有效的方法。納米粒子表面能較大，引入聚合物后會(huì)與其產(chǎn)生界面，通過對(duì)界面進(jìn)行有效調(diào)控，能提升聚合物的介電性能。近年來，學(xué)者們嘗試在LDPE中加入TiO2、氧化鎂(MgO)、二氧化硅(SiO2)、石墨烯等納米粒子[34—37]，再經(jīng)交聯(lián)后制成XLPE，使其介電性能得到改善。

納米摻雜改性會(huì)在聚合物能帶中形成以陷阱為中心的局域態(tài)結(jié)構(gòu)，引入更高能級(jí)的深陷阱，使聚合物內(nèi)部陷阱特性發(fā)生變化，達(dá)到阻礙電荷輸運(yùn)特性的目的，從而提升聚合物的空間電荷抑制能力。已有研究表明，改變摻雜納米顆粒的種類、配比等都能對(duì)復(fù)合介質(zhì)的空間電荷特性產(chǎn)生一定影響。文獻(xiàn)[38]將MgO納米顆粒與LDPE共混，制得MgO/LDPE復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行空間電荷測(cè)試。如圖5所示，當(dāng)納米MgO填料含量為4%時(shí)，空間電荷注入得到有效的抑制。

圖5 不同填量復(fù)合介質(zhì)加壓極化過程中空間電荷分布Fig.5 Spatial charge distribution in the pressurized polarization process of composite media with different loads

基于以納米粒子為球狀中心，由內(nèi)而外依次為鍵合區(qū)、過渡區(qū)的交互區(qū)模型，納米摻雜能改變交互區(qū)中的陷阱特性，改善空間電荷分布[39—40]。MgO與聚乙烯形成的交互區(qū)帶有負(fù)電，導(dǎo)致該電層附近的陰極電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，電子注入勢(shì)壘提升，從而使空間電荷難以注入。通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出，具有高介電常數(shù)的納米粒子由感應(yīng)引起的陷阱深度通常為1～5 eV，0.1 eV陷阱位壘作用范圍為50～1 000 ?。相較于化學(xué)缺陷永久偶極矩所引起的0.45 eV的陷阱深度及0.1 eV陷阱位壘僅10 ?的作用范圍[41]，由感應(yīng)引起的陷阱深度及陷阱位壘在作用范圍上有很大提升。

21世紀(jì)初期，日本在以“Hokkaido-Honshu DC link line”命名，電壓等級(jí)為±250 kV的工程應(yīng)用中，采用XLPE/MgO納米復(fù)合材料為電纜絕緣層，在實(shí)際運(yùn)行過程中，空間電荷特性得到較好的提升[42]。另有研究表明，將納米鈦酸鋇(BaTiO3)摻雜進(jìn)聚乙烯可以有效減少空間電荷積聚，且此研究成果已經(jīng)在±500 kV高壓直流電纜絕緣中應(yīng)用[43]。

近年來，新型納米粒子逐漸被學(xué)者們加入到聚合物中，如納米石墨烯、納米蒙脫土(nano-montmorillonite，MMT)等，以求改變聚合物的電荷輸運(yùn)特性[44]。將不同含量的納米石墨烯摻入XLPE中，制成XLPE/納米石墨烯。結(jié)果表明，少量石墨烯摻雜于XLPE中，可以有效增大陷阱能級(jí)，增大XLPE分子間作用力，進(jìn)一步提升XLPE的擊穿性能[45]。文獻(xiàn)[46]將納米氧化鋅(ZnO)添加進(jìn)LDPE內(nèi)，制成納米ZnO/LDPE復(fù)合材料,并對(duì)試樣進(jìn)行PEA加壓測(cè)試。如圖6所示[46]，將納米ZnO摻入LDPE后，納米ZnO/LDPE復(fù)合材料抑制空間電荷的能力較LDPE有了明顯提升。

圖6 30 kV/mm電場(chǎng)下納米ZnO/LDPE復(fù)合材料和LDPE空間電荷密度與加壓時(shí)間的關(guān)系Fig.6 The relationship between the space charge den-sity of nano-ZnO/LDPE composites and LDPE under an electric field of 30 kV/mm and the pressing time

納米摻雜技術(shù)在抑制電纜絕緣空間電荷方面取得了一定的進(jìn)展，但是摻雜物種類及摻雜物含量的不同使復(fù)合材料所表現(xiàn)出的空間電荷抑制效果略有差異，摻雜物的表面態(tài)、類型及含量等對(duì)交互區(qū)的影響較大，變量過多使得交互區(qū)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，研究更困難。界面交互區(qū)是納米摻雜研究的重心，多因素的改變對(duì)界面交互區(qū)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的影響依舊是今后研究的重點(diǎn)。

2.4 采用高純凈絕緣料方法

關(guān)于直流電纜絕緣材料空間電荷抑制研究，高純凈絕緣材料概念的提出為學(xué)者們指明了新的道路[3,5]。電纜基料LDPE經(jīng)硅烷交聯(lián)、過氧化物交聯(lián)等方法實(shí)現(xiàn)由線性分子鏈到三維空間網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，最終成為XLPE絕緣材料。上述抑制方法如共混改性、接枝改性等均是在高純凈電纜基料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性研究，故電纜基料潔凈度的重要性可見一斑。在對(duì)直流XLPE絕緣和交流XLPE絕緣進(jìn)行直流電導(dǎo)和PEA加壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，直流XLPE絕緣的耐壓等級(jí)更高，內(nèi)部空間電荷含量更少，這是由于直流XLPE中所含添加劑更少，潔凈度更高，故絕緣性能更好[47]。

影響XLPE純凈度的因素主要分為3部分。其一，電纜基料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的羰基、雙鍵等不飽和基團(tuán)。不飽和基團(tuán)易在高場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)生解離，引發(fā)空間電荷產(chǎn)生。對(duì)于電纜基料中不飽和基團(tuán)的產(chǎn)生現(xiàn)象，工業(yè)上常采用優(yōu)化生產(chǎn)工藝的方式盡量減少其含量。其二，生產(chǎn)運(yùn)輸過程中所接觸到的雜質(zhì)，易引發(fā)局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，導(dǎo)致電纜絕緣擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。關(guān)于雜質(zhì)的產(chǎn)生，工業(yè)上主要采用更加潔凈的生產(chǎn)線來控制。其三，交聯(lián)過程中如抗氧化劑、交聯(lián)劑等添加劑的加入。添加劑的含量是超凈絕緣材料生產(chǎn)的難點(diǎn)之一。其中，交聯(lián)過程中所產(chǎn)生的交聯(lián)副產(chǎn)物解離是產(chǎn)生異極性空間電荷的來源之一，學(xué)者們?cè)诮宦?lián)副產(chǎn)物對(duì)電纜絕緣材料性能影響方面研究較多[7,10,44]。針對(duì)交聯(lián)副產(chǎn)物的產(chǎn)生，常采用脫氣的方式減少交聯(lián)副產(chǎn)物的含量。但是對(duì)于較厚的絕緣層，以±500 kV直流電纜為例，其絕緣厚度近30 mm，采用脫氣方式所達(dá)效果不盡人意，因此需要研究新的添加劑來減少交聯(lián)過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)出，進(jìn)一步減少空間電荷的產(chǎn)生。而北歐化工通過調(diào)整添加劑參數(shù)，有效降低了±525 kV直流絕緣基料的交聯(lián)副產(chǎn)物濃度，同時(shí)縮短了電纜生產(chǎn)過程中的脫氣時(shí)間[48]。

目前我國(guó)自主生產(chǎn)的高純凈絕緣基料無法滿足高壓直流電纜絕緣材料的使用標(biāo)準(zhǔn)。一方面，我國(guó)對(duì)高純凈電纜基料研究較少，起步較晚，使得國(guó)內(nèi)高純凈電纜基料供應(yīng)匱乏。另一方面，生產(chǎn)高純凈電纜基料的核心技術(shù)被國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)高純凈直流電纜用料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。長(zhǎng)此以往，對(duì)我國(guó)高壓直流電纜絕緣材料的開發(fā)造成很大的制約。所以，實(shí)現(xiàn)高純凈絕緣料的自主研究和生產(chǎn)對(duì)我國(guó)高壓、超高壓的戰(zhàn)略部署具有重要意義。

2.5 不同抑制方法的對(duì)比總結(jié)

不同空間電荷抑制方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比總結(jié)如下。

(1)共混改性。優(yōu)勢(shì)為工作溫度及電壓得到改善；共混物于聚合物中引入深陷阱，限制空間電荷注入；制作簡(jiǎn)單，取消交聯(lián)過程的同時(shí)解決XLPE無法循環(huán)利用問題；設(shè)計(jì)性多元化，避免單一基體性能不足。缺點(diǎn)為機(jī)械性能不足，無法完全滿足電纜運(yùn)行條件；材料難以達(dá)到分子層面均勻共混，相容性問題將會(huì)導(dǎo)致聚合物缺陷增多，共混材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)有所下降；長(zhǎng)期服役特性空白較多。

(2)接枝改性。優(yōu)勢(shì)為通過接入不同類型極性基團(tuán)，提升電學(xué)性能；深陷阱的引入使空間電荷注入減少。缺點(diǎn)為接枝改性中有機(jī)基團(tuán)所調(diào)控的陷阱特性無法被證實(shí)全面有利于直流絕緣性能；接枝不完全會(huì)導(dǎo)致多余接枝物成為“雜質(zhì)”，影響聚合物電場(chǎng)分布；接枝導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率活化能增大，不利于直流電場(chǎng)下的電場(chǎng)分布。

(3)納米摻雜改性。優(yōu)勢(shì)為能夠抑制不同電場(chǎng)下的空間電荷積聚；一定程度上可以提高聚合物的直流電導(dǎo)率溫度特性、直流擊穿強(qiáng)度等介電性能。缺點(diǎn)為相容性問題一直存在于極性顆粒與非極性有機(jī)物之間，易造成團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生；不同種類的納米摻雜所得結(jié)果不同，差異性較大。

(4)采用高純凈絕緣材料。優(yōu)勢(shì)為電纜基料制備過程中較少的引入缺陷、交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)，有利于抑制空間電荷的產(chǎn)生。缺點(diǎn)為純凈電纜基料的使用使電纜內(nèi)部深陷阱含量減少，直流場(chǎng)下會(huì)注入少量同極性空間電荷。

3 結(jié)論與展望

文中以直流XLPE電纜為研究對(duì)象，研究了其服役過程中空間電荷的積聚原因、危害及抑制方法，得到結(jié)論：

(1)直流XLPE電纜絕緣中空間電荷的來源主要是外施電場(chǎng)通過電極注入和聚合物雜質(zhì)離子自身電離產(chǎn)生的電荷。直流電纜內(nèi)部積聚空間電荷，易引發(fā)局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，導(dǎo)致電纜絕緣在額定電壓下即發(fā)生擊穿，引發(fā)嚴(yán)重的事故。

(2)接枝改性可以抑制XLPE電纜絕緣中空間電荷積聚的主要原因?yàn)榻尤胛镔|(zhì)大多含有極性基團(tuán)，極性基團(tuán)的接入能夠在試樣內(nèi)部引入更多的深陷阱，使外電場(chǎng)在向電纜內(nèi)部注入電荷時(shí)將其捕獲，從而達(dá)到減少電纜內(nèi)部空間電荷積聚的目的。

(3)適量共混物的加入使XLPE電纜絕緣的聚集態(tài)發(fā)生變化，從而起到抑制空間電荷積聚的作用。但是過量的共混物加入電纜絕緣，使XLPE電纜絕緣內(nèi)部不完整鏈結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，形成新陷阱，從而形成新的空間電荷。

(4)無機(jī)納米粒子在XLPE電纜絕緣的添加，使聚合物產(chǎn)生大量界面。納米粒子較大的表面能可以對(duì)界面進(jìn)行有效調(diào)控，使復(fù)合材料的宏觀性能發(fā)生變化。納米顆粒的添加在XLPE電纜絕緣的內(nèi)部引入更深的陷阱能級(jí)，使注入的空間電荷難以脫陷，從而達(dá)到抑制作用。

(5)從生產(chǎn)、運(yùn)輸及交聯(lián)多方面共同提升電纜基料純凈度能起到抑制空間電荷產(chǎn)生的效果，研究最多的便是通過脫氣來減少電纜內(nèi)部交聯(lián)副產(chǎn)物含量。但由于國(guó)內(nèi)對(duì)此方面研究過少，高純凈絕緣材料生產(chǎn)核心技術(shù)尚不成熟，故在國(guó)內(nèi)此法運(yùn)用受到限制。

通過采用接枝、納米摻雜等方式引入適當(dāng)含量極性基團(tuán)來改變直流XLPE電纜絕緣中的陷阱特性，從而抑制空間電荷效應(yīng)。但是引入多少含量的極性基團(tuán)可以達(dá)到最優(yōu)異的抑制效果需在今后繼續(xù)探究。另外在高溫、高電場(chǎng)作用下，入陷電荷易脫陷形成新的空間電荷。如何有效預(yù)防類似現(xiàn)象發(fā)生，還需進(jìn)一步探索。掌握高純凈絕緣材料的制備能夠有效抑制直流電纜中空間電荷的產(chǎn)生，但由于我國(guó)尚未完全掌握超凈絕緣材料的核心技術(shù)，難以攻克添加劑的摻入比例技術(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)高純凈直流電纜絕緣料來抑制空間電荷的方式難以施行，在后續(xù)研究中對(duì)此問題需要深入研究。

本文得到陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(18JK0512)，陜西理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(SLGYCX2023)資助，謹(jǐn)此致謝！