前言

電纜是直流輸電的重要電力設備之一，主要分為油紙絕緣電纜和擠包絕緣電纜兩種，但由于油紙絕緣電纜存在的生產工序繁雜、運行和維護成本高等問題，其在中高壓輸電領域很大程度上已經被擠包絕緣電纜所取代。擠包絕緣電纜材料的發展階段包括天然橡膠、聚氯乙烯、合成橡膠、聚乙烯和交聯聚乙烯（PE⁃XL）等，目前在直流電纜中應用最廣泛的仍是PE⁃XL絕緣。PE⁃XL通常由低密度聚乙烯分子（PE⁃LD）交聯而得，其不但保留了PE⁃LD高絕緣電阻和低介質損耗的優點，還增強了耐熱等級和物理力學性能，將PE⁃XL用作直流電纜時的正常（長期）工作溫度可達70℃。但是作為一種熱固性塑料，PE⁃XL不但交聯工藝繁雜、生產能耗大、效率低，而且使用壽命結束后難以回收再利用，使用一般的焚燒、掩埋等處理手段會造成極大的資源浪費和環境污染。最重要的是，PE⁃XL絕緣電纜的熱穩定性不夠理想，高故障率、高能源消耗使得直流電纜功率容量的進一步提高受到了限制，目前的PE⁃XL電纜并不能滿足人們對電能的大規模和遠距離輸送的進一步要求。因此，研究和開發更高電壓、更大容量、熱穩定性更高的環保型擠包絕緣直流電纜具有重要意義。

表1  PP和PE⁃XL性能比較

然而PP本身存在一些問題：（1）剛性較高、低溫韌性較低等缺點使其無法滿足直流電纜力學性能的基本要求；（2）耐老化性能差，PP長鏈上分布著大量不穩定的叔碳原子，它們對氧特別敏感，極易被氧化為非常活躍的叔碳自由基，繼而導致PP分子鏈上發生鏈增長、鏈斷裂等致使PP老化的現象；（3）直流電纜運行過程中，絕緣材料受到同一極性電場的長時間作用會發生空間電荷積聚并導致產生局部高電場；（4）PP導熱性能較差，絕緣層內外側存在的溫度梯度會引起電場畸變，容易誘發絕緣層局部放電和電樹枝放電，加速電纜絕緣老化，甚至導致絕緣擊穿，發生運行事故。因此綜合改善PP絕緣材料的力學性能、導熱性能和介電性能（主要是抑制空間電荷的積聚）對延長電纜使用壽命、提高電纜的運行電壓和工作溫度具有重大現實意義。本文從分析PP用作直流電纜絕緣材料時存在的問題出發，綜述了PP的改性方法（共聚改性、納米粒子改性、共混改性和接枝改性），并對PP基絕緣材料在直流電纜領域的發展提出了展望。

為滿足直流電纜的運輸、安裝敷設以及運行使用的基本要求，絕緣材料必須具備一定的力學強度，包括良好的柔軟性、斷裂伸長率和低溫耐沖擊性能。然而PP材料屬于高結晶度聚合物，其在工作溫度范圍內呈現出剛性大的特性，同時在低溫環境中也表現出脆性大、易開裂的特點，無法滿足上述條件，因此必須對其進行增韌改性研究。

直流電纜絕緣經長期使用過程中高場強和熱循環的同時作用后不可避免地會逐漸老化，導致絕緣材料的力學性能、絕緣性能、擊穿場強降低，從而影響電纜的可靠性和使用壽命。電纜絕緣的老化包括機械老化、電老化、熱老化、化學老化等，其中引起最多關注的是電老化和熱老化。雖然通過添加抗氧化劑可以在一定程度上提高PP的耐熱氧老化性能， 但是鑒于抗氧化劑與PP的相容性較差、易遷移析出，并且其本身作為雜質也會影響PP的絕緣性能等，因此僅通過添加抗氧化劑來改善PP的耐老化性能已經無法滿足直流電纜絕緣的壽命和可靠性要求，有必要對PP進行更進一步的改性研究。

空間電荷作為評價高壓直流電纜質量和使用壽命的因素之一，對電纜的局部電場分布、介電強度和絕緣材料的老化有很大的影響，直流電纜絕緣材料的介電性能需要盡量抑制空間電荷的積聚，減少同極性空間電荷的注入和異極性空間電荷產生，阻礙其對絕緣材料內部及界面造成電場畸變，從而保證擊穿強度和電纜壽命不受影響。

直流電纜長時間處于同種極性的電場時，電介質界面處注入電極材料中的電子、離子以及雜質電離產生的載流子等都會成為絕緣材料中的空間電荷，它們在產生后會迅速遷移并聚集形成的電荷包，即空間電荷的積聚。因此，PP應用于與直流電纜時必須對其進行改性，并盡可能抑制電荷的產生與積聚。

（四）導熱性能

由于PP的導熱性能較差，直流電纜運行時產生的熱量不能及時散播，使得絕緣層內外側存在溫度差，即絕緣層產生了內高外低的不均勻溫度場。聚合物材料的電導率隨溫度升高而增大，絕緣層低溫外測電導率低，異極性電荷更易積聚于此，電場強度隨之降低。另外，溫度梯度的存在也會引起大量空間電荷的注入與遷移，進一步加大了絕緣層電場的畸變。溫度梯度越大，空間電荷積累增多，電場畸變愈嚴重。根據之前的討論，高溫、空間電荷積累和電場畸變會影響直流電纜的正常運行和使用壽命。因此有必要改善PP的導熱性能，以保障直流電纜的運行安全并延長使用壽命。