隨著直流輸電技術的發展，直流電纜輸電方式在未來電能傳輸中將發揮重要作用，而直流電纜輸電技術發展的關鍵在于電纜絕緣材料的突破。針對傳統交聯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，開發環保型直流電纜絕緣材料顯得尤為必要。為促進環保型直流電纜絕緣材料的研究和開發，對環保型直流電纜絕緣材料的發展現狀和關鍵技術進行了系統評述。總結了目前常見的幾種聚烯烴類環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，對比了環保型直流電纜絕緣材料和傳統交聯聚乙烯相比的優勢。可以看出，以熱塑性聚烯烴，特別是聚丙烯為基體的環保型直流電纜絕緣材料展現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。環保型直流電纜絕緣材料開發過程中更應注重材料在高溫下的性能，以發揮其優勢從而提高直流電纜的運行溫度，同時應該同步開展環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，直流系統輸送容量更大，可以節省大量土地資源，而且直流系統無交流系統大范圍的連鎖故障風險，系統安全問題較小。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，傳統的架空輸電線路面臨著嚴峻挑戰，輸電走廊問題已經成為超／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［2］。 此外，遠距離輸電線不可避免地要經過江河湖泊、風景名勝、自然保護區等，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，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。

直流電纜在發展過程中出現了充油電纜、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展，塑料電纜已經成為直流電纜發展的主流，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，交聯過程還使乙烯分子由鏈狀結構轉變為網狀結構，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，不具備綠色環保的特性，將不可避免地產生大量的廢棄交聯聚乙烯電纜絕緣材料從而產生環保問題。因此，研究綠色環保的、可回收且避免了復雜交聯過程的高性能直流電纜絕緣材料體系，實現電纜絕緣材料的創新，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模應用解決環保問題。

熱塑性聚烯烴是首選的環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生畸變，引起局部電場分布不均，嚴重時會產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展的一個重要因素。

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

1 研究進展

目前對于環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境應力開裂性較差。而相比之下， HDPE 提高了耐熱性能和耐環境應力開裂性。 LDPE 和 HDPE 曾應用于早期的聚合物塑料電纜中， 但隨著交聯聚乙烯 （ crosslinked polyethylene， XLPE）的出現， LDPE 和 HDPE 已經被 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 年研發了一種不需要化學交聯反應，而只需要通過物理交聯的 PE，該材料可回收再利用，并且展現出比 XLPE 更好的機械性能、擊穿特性和長期穩定性［4］。

聚丙烯（ polyethylene， PP）是另外一種潛在的環保型高壓直流電纜絕緣材料，根據其分子鏈結構，可分為等規聚丙烯（ isotactic polypropylene， iPP）、間規聚丙烯（ syndiotactic polypropylene， sPP）和無規聚丙烯（ atactic polypropylene， aPP）。聚丙烯具有優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，發現 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定性和電氣絕緣性能。研究認為 sPP 是一種很好的環保型直流電纜絕緣材料，但其相對價格較高，是制約 sPP發展的因素［5］。為了綜合 PE 和 PP 的優點，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，發現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點在于： 操作工藝簡單、 成本較為低廉。

根據共混組分主要成分，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，發現當兩者質量比為 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］，研究還發現，將線性聚乙烯和支化聚乙烯共混并通過適當的形貌控制可使其表現出優于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，發現隨著 VA 質量

分數增加，上述性能均有所降低。但質量分數 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 等發現 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，存在著作為環保型高壓直流電纜絕緣材料的可行性［10］。 K． S． Suh 等發現當 EVA質量分數增加時， 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。研究發現 iPP 和 PEC 共混可以達到最優的效果，實驗證明質量分數 50％的 iPP 與質量分數 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 質量分數的 PP／POE 共混物。研究發現隨著彈性體的混入，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 質量分數的增加， 材料的介電強度略有下降，總體上能達到交聯聚乙烯的絕緣水平。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–辛烯共聚物（ PP／EOC）共混物的空間電荷注入情況，發現 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合材料

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

特別是許多研究者已經在聚乙烯納米復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，發現高場強下純 LDPE 首先在陽極產生電荷包，并迅速向陰極轉移，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大學的 G． Chen 等發現當 Al2O3 質量分數為 1％時，

Al2O3／LLDPE 復合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當 Al2O3 質量分數＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復雜，即納米顆粒的添加含量存在一個平衡點［16］。國內清華大學、西安交通大學、上海交通大學、同濟大學、哈爾濱理工大學、北京科技大學等單位的學者也在 LDPE 納米復合電介質方面做了大量研究。結果表明：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合電介質，聚丙烯納米復合材料的研究正在逐漸開展。清華大學筆者所在的研究團隊在聚丙烯納米復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，提高了復合材料的擊穿強度和體積電阻率，具有很好的應用前景［23］。進一步研究發現， 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 納米復合材料的微觀結構、熱學力學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，研究發現 4 種納米顆粒均能在一1．3 熱塑性聚烯烴納米復合材料近年來，隨著納米電介質的發展，在聚合物電介質中引入納米顆粒提高材料的電氣性能已經成為一種流行的改性方法，并且已經取得了顯著的成效。

特別是許多研究者已經在聚乙烯納米復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，發現高場強下純 LDPE 首先在陽極產生電荷包，并迅速向陰極轉移，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大學的 G． Chen 等發現當 Al2O3 質量分數為 1％時，Al2O3／LLDPE 復合材料的空間電荷注入要比純的LLDPE 少，但當 Al2O3 質量分數＞5％后，空間電荷的注入情況會變得更加復雜，即納米顆粒的添加含量存在一個平衡點［16］。國內清華大學、西安交通大學、上海交通大學、同濟大學、哈爾濱理工大學、北京科技大學等單位的學者也在 LDPE 納米復合電介質方面做了大量研究。結果表明：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合電介質，聚丙烯納米復合材料的研究正在逐漸開展。清華大學筆者所在的研究團隊在聚丙烯納米復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，提高了復合材料的擊穿強度和體積電阻率，具有很好的應用前景［23］。進一步研究發現， 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 納米復合材料的微觀結構、熱學力學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，研究發現 4 種納米顆粒均能在一定程度上提高 iPP 的電氣性能，但 MgO 和 TiO2 納米復合材料表現出更好的綜合性能。以 sPP 為基體，引入 SiO2 納米顆粒使得材料的直流電阻顯著提高［26］，并且空間電荷注入情況也有所改善。復合材料雖然沒有交聯過程，但其在室溫下有合適的機械柔韌性，在高溫下也有很高的機械強度，能夠滿足電纜的高溫工作環境。

針對聚合物電介質熱導率不高，從而會在電纜絕緣層中造成較大的溫度梯度的問題，文獻［27］在具有較高擊穿強度的 PEC 中加入了具有較高熱導率的氮化鋁（ AlN）納米顆粒，得到了同時具有高熱導率和低介質損耗的熱塑性材料。研究發現， AlN 的加入雖然使得材料的直流電阻和擊穿場強有所降低，但由于 PEC 自身的高擊穿強度，復合材料的擊穿強度仍高于XLPE。

1．4 熱塑性聚烯烴化學改性材料

在聚烯烴分子鏈上引入特殊官能團接枝，利用接枝基團的反應性和極性，也可以使得聚烯烴的加工性及各方面性能得到提高。法國 Nexan、意大利Prysmian、日本 J–Power 和北歐化工等都通過在聚乙烯中引入極性基團開發出不同的電纜料。大量專利表明，在聚乙烯中引入羰基、硝基、氰基、芳香環、馬來酸酐、不飽和脂肪酸等極性基團，均可抑制聚乙烯中的空間電荷，并提高體積電阻率［27－30］。意大利 Prysmian 近期已經制備了基于聚丙烯的±500 kV 直流電纜的樣品。

文獻［31］中利用馬來酸酐接枝對聚丙烯進行了改性研究。馬來酸酐的接入使得 PP 獲得了很好的電氣性能，明顯的抑制了空間電荷的積聚，并減小了傳導電流，從而提高了擊穿強度。該結果可能是由于馬來酸酐極性基團引入的深陷阱降低了電荷遷移率，并提高了注入勢壘所致。圖 3 為 PP 接枝馬來酸酐之后的電導特性變化曲線。

2 關鍵問題及展望

2．1 環保型直流電纜絕緣材料技術優勢

相對于傳統的充油電纜、油紙絕緣和 XLPE 絕緣，環保型直流電纜絕緣材料最大的優勢在于其綠色環保特性。目前普遍采用的 XLPE 絕緣無法直接回收再利用，而且交聯過程也會造成環境污染。而環保型直流電纜絕緣材料可以有效避免這些問題。

從材料性質上， PP 的熔點可達 160 ℃以上，長期工作溫度可達 100～120 ℃，因此相對于 XLPE，其長期工作溫度可提高到 90 ℃甚至 100 ℃，這使得直流電纜的輸送容量大大提高。同時 PP 具有更高的擊穿場強和體積電阻率，可提高直流電纜的運行電壓并降低輸電損耗。在相同電壓等級下可使絕緣層更薄，有利于解決電纜絕緣散熱溫度分布不均的問 題 。 PP 的 空 間 電 荷 注 入 閾 值 場 強 約 為 30MV／m［32］，遠大于 XLPE 的 10 MV／m，因此空間電荷的積聚問題在 PP 電纜中要小很多。由于 PP 具有較高機械強度，因此不需進行交聯處理，同時可保持熱塑性特性。

加工工藝是工業生產中需要考慮的一個重要因素，傳統 XLPE 加工過程中需要進行交聯處理，然后進行脫氣處理，以消除交聯副產物的影響。而PP 不需要進行交聯處理也可避免相應的脫氣過程，從而可以大大簡化電纜的生產工藝縮短生產周期。

2．2 環保型直流電纜絕緣材料發展建議

環保型直流電纜絕緣材料，特別是 PP 基絕緣材料展現出了巨大的應用前景，也正處于實驗室大量研究階段。

相對于 XLPE， PP 的優勢在于能夠提高工作溫度至 90 ℃以上，因此研究 PP 在高溫下的各項性能顯得尤為重要，這也要求相應的測試手段能夠達到90 ℃甚至更高的測試溫度。 特別是空間電荷測試受制于傳感器和放大器的工作溫度限制，目前空間電荷的測試在 90 ℃或以上還難以較為穩定地進行。同時還應考慮材料性能隨溫度變化的特性，要求材料能夠在較寬的溫度范圍內擁有較為穩定的特性。

由于 PP 基材料研究時間還相對較短，對 PP 材料的老化特性還認識不足。因此需要對 PP 材料在不同條件下的老化特性進行系統研究，為電纜的結構設計和壽命預測提供理論依據。可以采用加速老化和正常老化相結合的方法分析材料老化狀態的表征參數，揭示特征參數與老化狀態的相關性。同時還可以與 XLPE 老化進行對比試驗，比較兩種材料的老化特性。

通過添加納米顆粒改善 PP 的電氣性能已經展現出了良好的效果，但是目前還缺乏統一顆粒選型規則，不同研究中的結論也略有不同，這也是限制納米復合電介質實際應用的因素之一。因此需要研究不同納米顆粒添加的復合材料的空間電荷特性和老化特性，探索納米顆粒表面處理方法和加工工藝，制備出分散良好且穩定性高的納米復合材料，促進納米電介質在電纜絕緣領域的實際應用。目前 PP基環保型直流電纜絕緣材料仍然處于實驗室研發階段，但應該盡快進行實際電纜的制造，掌握 PP 基材料的加工工藝。

3 結論

隨著未來電網向著遠距離、大容量、高可靠性方向的發展，直流電纜輸電技術將得到廣泛應用，環保型直流電纜絕緣材料的開發將進一步提高電力系統的環境友好性，促進我國電力電纜產業的發展。

目前環保型直流電纜絕緣材料的開發已經成為了學術界和工業界的共識，國內外已經開展了大量的探索性研究。

1）傳統的 XLPE 絕緣存在難以回收再利用，工作溫度不高，加工工藝復雜的問題，需要開展環保型高壓直流電纜絕緣材料的研究以提高高壓直流電纜的環境友好性并提高其運行性能。熱塑性聚烯烴展現出了很好的應用前景。

2）單純一種聚烯烴材料很難同時滿足高壓直流電纜絕緣材料對熱學、機械和電氣性能的要求，常常需要通過共混改性、納米改性、化學接枝改性等手段提高其綜合性能。

3）聚丙烯存在作為環保型高壓直流電纜絕緣材料的可行性，可提高直流電纜的運行溫度并簡化其加工工藝，前期研究中展現出了優異的性能。聚丙烯基環保型直流電纜絕緣材料的開發將是電纜制造領域的一大突破，將是未來電纜制造領域的發展方向。

因此，我國應該廣泛開展環保型電纜絕緣材料的研究，開展相關的技術儲備工作，提高國內電纜制造企業的核心競爭力。