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摘要：近年来，国内外高压直流电缆的发展十分迅速，其研发和投运量逐渐增长。目前国内外学者普遍认同空间电荷在高压直流电缆的运行和老化寿命中发挥着决定性作用。为此，通过掺杂、共混、接枝、共聚等技术对高压直流电缆用绝缘材料进行改性或研制，使材料具有高的直流击穿电场、高的绝缘电阻系数、低的热阻系数并且不易形成空间电荷，是研制高压直流塑料电缆的关键。
关键词：高压直流电缆；聚乙烯；交联度
一、实验方法
（一）试样制备
1）纯XLPE试样：取Yangtze BASF 2220H低密度聚乙烯、抗氧剂硫代二丙酸二硬脂酸酯（DSTP），先将原料进行干燥处理，再在温度为90℃的混炼机上搅拌均匀，经造粒、吸收釜中交联，制成纯XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。
2）纳米改性XLPE试样：选取Yangtze BASF2220H低密度聚乙烯，表面经聚酯包覆且分散良好的纳米SiO 2颗粒（粒径约为50～100 nm，表面包覆所用的聚酯材料为（C 32 H 26 O 16）m，m>8。），抗氧剂DSTP，先将各个原料进行干燥处理，再在温度为90℃的混炼机上搅拌均匀，经造粒、吸收釜中交联，制成国产纳米改性XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。
3）进口XLPE试样：直接购买国外进口高压直流电缆用XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。最后将压制好的3种试样放入真空干燥箱（真空度为100 Pa、温度为80℃）进行8 h时间的热处理，以消除试样在制备过程中产生的水蒸气、交联副产物及内应力等。
（二）空間电荷测量
本文采用温度梯度用电声脉冲（PEA）法空间电荷测量装置进行空间电荷测量，详细的测量系统详见文献。实验过程中设定上下电极温度分别实现室温20℃、高温60℃和温差Δθ=40℃下，测量50 MV/m直流电场强度下纯XLPE试样、纳米改性XLPE试样和进口XLPE试样在加压20 min和短路2 min时间内的空间电荷特性。为表述方便，后续实验中3种试样分别称为1号试样（纯XLPE试样）、2号试样（纳米改性XLPE试样）和3号试样（进口XLPE试样）。
二、实验结果
图2-图4所示为1号、2号、3号这3种XLPE绝缘料分别在室温20℃、高温60℃、温度梯度（温差Δθ=40℃）时加压20 min和短路2 min时间内空间电荷的分布。其中（a）为试样加压图，（b）为试样短路图。每个图中虚线处为电极位置，左侧为阳极（Al表示铝电极），右侧为阴极（SC表示半导体电极）。图中所示箭头表示在加压过程中电荷分布的变化趋势（若无箭头则表示在加压过程中电荷分布基本无变化）。同时图中上方示出电极设定温度值。
三、讨论
在直流电场下，绝缘内电场强度分布与电阻成正比。温度梯度效应将导致聚乙烯绝缘内高温侧电场强度低而低温侧电场强度高；同时加剧注入电荷逐渐向低温侧迁移，导致温梯下绝缘低温侧电场强度严重畸变。因此高压直流绝缘材料研制的关键，是通过掺杂、共混、接枝、共聚等技术，能在不降低材料基本电性能的基础之上，有效消除直流电压下绝缘体内空间电荷效应。国际上普遍认为纳米粒子掺杂导致聚合物绝缘性能大幅度提高归因于纳米粒子特有的界面效应在聚合物体内引入了深陷阱，这些深陷阱有利于束缚电荷，降低载流子迁移率，从而有效避免电荷的迁移和积聚。由图2？图4空间电荷测量结果可见，室温下3种试样体内积聚电荷量均较少，电极上未发生明显的同极性电荷注入现象。体内少量异极性电荷（阳极附近）的出现归因于体内杂质离子的电离；在高温60℃（见图3）试样体内出现了明显的
电荷注入、复合和迁移现象；而在温度梯度条件下（见图4），试样两侧温度的差异导致高温侧（阴极）电荷注入量加剧，低温侧（阳极）积聚的负异极性电荷量进一步增多。同时温度梯度条件下阳极附近电场强度的增加诱发电极注入正电荷，导致阳极附近的负电荷出现减少和向试样内部迁移现象（见图4中1号和3号试样）[12，26]。相对而言，纳米改性的2号试样，能够有效抑制室温、高温和温度梯度条件下的电荷注入和积聚现象。这表明纳米改性的2号试样中存在于聚合物无定型相的纳米粒子，作用为深陷阱，能有效束缚和降低载流子的迁移减少电荷的集聚。
四、结论
本文通过测量50 MV/m电场强度下，纯XLPE试样、纳米改性XLPE试样及国外进口高压直流XLPE试样在室温、高温和温度梯度场下的空间电荷特性及体积电阻率随温度的变化关系，主要得出以下结论：1）温度梯度效应导致了试样体内电荷量的增加和电荷迁移率的降低。2）无论是在室温、高温条件下还是在温度梯度条件下，自行研发的纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量都最少，短路后的残余电荷量较少。3）随着温度升高，3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势，但2号纳米改性XLPE试样在高低温范围内体积电阻率最高。
参考文献：
[1]徐明忠，赵洪，吉超，等.MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性[J].高电压技术，2012，38（3）：684-690.
（作者单位：南京中超新材料股份有限公司）
关键词：高压直流电缆；聚乙烯；交联度
一、实验方法
（一）试样制备
1）纯XLPE试样：取Yangtze BASF 2220H低密度聚乙烯、抗氧剂硫代二丙酸二硬脂酸酯（DSTP），先将原料进行干燥处理，再在温度为90℃的混炼机上搅拌均匀，经造粒、吸收釜中交联，制成纯XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。
2）纳米改性XLPE试样：选取Yangtze BASF2220H低密度聚乙烯，表面经聚酯包覆且分散良好的纳米SiO 2颗粒（粒径约为50～100 nm，表面包覆所用的聚酯材料为（C 32 H 26 O 16）m，m>8。），抗氧剂DSTP，先将各个原料进行干燥处理，再在温度为90℃的混炼机上搅拌均匀，经造粒、吸收釜中交联，制成国产纳米改性XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。
3）进口XLPE试样：直接购买国外进口高压直流电缆用XLPE粒料。将粒料放置在温度为180℃的平板硫化机上压制成厚度约为0.5 mm的片状试样若干。最后将压制好的3种试样放入真空干燥箱（真空度为100 Pa、温度为80℃）进行8 h时间的热处理，以消除试样在制备过程中产生的水蒸气、交联副产物及内应力等。
（二）空間电荷测量
本文采用温度梯度用电声脉冲（PEA）法空间电荷测量装置进行空间电荷测量，详细的测量系统详见文献。实验过程中设定上下电极温度分别实现室温20℃、高温60℃和温差Δθ=40℃下，测量50 MV/m直流电场强度下纯XLPE试样、纳米改性XLPE试样和进口XLPE试样在加压20 min和短路2 min时间内的空间电荷特性。为表述方便，后续实验中3种试样分别称为1号试样（纯XLPE试样）、2号试样（纳米改性XLPE试样）和3号试样（进口XLPE试样）。
二、实验结果
图2-图4所示为1号、2号、3号这3种XLPE绝缘料分别在室温20℃、高温60℃、温度梯度（温差Δθ=40℃）时加压20 min和短路2 min时间内空间电荷的分布。其中（a）为试样加压图，（b）为试样短路图。每个图中虚线处为电极位置，左侧为阳极（Al表示铝电极），右侧为阴极（SC表示半导体电极）。图中所示箭头表示在加压过程中电荷分布的变化趋势（若无箭头则表示在加压过程中电荷分布基本无变化）。同时图中上方示出电极设定温度值。
三、讨论
在直流电场下，绝缘内电场强度分布与电阻成正比。温度梯度效应将导致聚乙烯绝缘内高温侧电场强度低而低温侧电场强度高；同时加剧注入电荷逐渐向低温侧迁移，导致温梯下绝缘低温侧电场强度严重畸变。因此高压直流绝缘材料研制的关键，是通过掺杂、共混、接枝、共聚等技术，能在不降低材料基本电性能的基础之上，有效消除直流电压下绝缘体内空间电荷效应。国际上普遍认为纳米粒子掺杂导致聚合物绝缘性能大幅度提高归因于纳米粒子特有的界面效应在聚合物体内引入了深陷阱，这些深陷阱有利于束缚电荷，降低载流子迁移率，从而有效避免电荷的迁移和积聚。由图2？图4空间电荷测量结果可见，室温下3种试样体内积聚电荷量均较少，电极上未发生明显的同极性电荷注入现象。体内少量异极性电荷（阳极附近）的出现归因于体内杂质离子的电离；在高温60℃（见图3）试样体内出现了明显的
电荷注入、复合和迁移现象；而在温度梯度条件下（见图4），试样两侧温度的差异导致高温侧（阴极）电荷注入量加剧，低温侧（阳极）积聚的负异极性电荷量进一步增多。同时温度梯度条件下阳极附近电场强度的增加诱发电极注入正电荷，导致阳极附近的负电荷出现减少和向试样内部迁移现象（见图4中1号和3号试样）[12，26]。相对而言，纳米改性的2号试样，能够有效抑制室温、高温和温度梯度条件下的电荷注入和积聚现象。这表明纳米改性的2号试样中存在于聚合物无定型相的纳米粒子，作用为深陷阱，能有效束缚和降低载流子的迁移减少电荷的集聚。
四、结论
本文通过测量50 MV/m电场强度下，纯XLPE试样、纳米改性XLPE试样及国外进口高压直流XLPE试样在室温、高温和温度梯度场下的空间电荷特性及体积电阻率随温度的变化关系，主要得出以下结论：1）温度梯度效应导致了试样体内电荷量的增加和电荷迁移率的降低。2）无论是在室温、高温条件下还是在温度梯度条件下，自行研发的纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量都最少，短路后的残余电荷量较少。3）随着温度升高，3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势，但2号纳米改性XLPE试样在高低温范围内体积电阻率最高。
参考文献：
[1]徐明忠，赵洪，吉超，等.MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性[J].高电压技术，2012，38（3）：684-690.
（作者单位：南京中超新材料股份有限公司）