摘要：高壓電纜是城市輸電網(wǎng)的關(guān)鍵電力裝備，是海上風(fēng)電輸送到陸地電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模利用的關(guān)鍵電力裝備。然而，高壓電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣料是我國(guó)高壓電纜生產(chǎn)的“卡脖子”關(guān)鍵電工材料。高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的生產(chǎn)與應(yīng)用全流程涉及多步驟、多結(jié)構(gòu)、多性能。該文梳理了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的四大關(guān)鍵性能，凝練了出高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的 5 個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)基礎(chǔ)問(wèn)題探討，旨在推進(jìn)我國(guó)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料基礎(chǔ)理論的研究，推進(jìn)我國(guó)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)進(jìn)程。

　　關(guān)鍵詞：高壓電纜;交聯(lián)聚乙烯;絕緣

　　0 引言

　　電力能源是城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的基礎(chǔ)。我國(guó)電能 80%以上消費(fèi)在城市，城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略使得城市用電量占比和地下能源綜合通道建設(shè)日益增加[1-2]。高壓交流電纜是城市地下能源通道的關(guān)鍵電力裝備，截止 2021 年 7月，國(guó)家電網(wǎng)公司在運(yùn)的 66 kV 電壓等級(jí)及以上高壓電纜回路長(zhǎng)度約 3.7 萬(wàn)公里，已有 10 個(gè)城市超過(guò)800km[3]。按照“2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略要求，海上風(fēng)電等新能源將會(huì)大規(guī)模發(fā)展。我國(guó)海上風(fēng)電新增容量連續(xù)三年世界第一。

　　截至 2021 年 6 月底，全國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模超過(guò) 1110 萬(wàn) kW，海上風(fēng)電總?cè)萘砍�過(guò)德國(guó)，僅次于英國(guó)[4]。高壓直流電纜是海上風(fēng)電并網(wǎng)的核心電力裝備。因此，高壓電纜對(duì)我國(guó)電力能源的高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要，也對(duì)我國(guó)能源戰(zhàn)略具有重大意義。我國(guó)電線電纜行業(yè)產(chǎn)值世界第一，位居國(guó)內(nèi)制造業(yè)第二，僅次于汽車行業(yè)。

　　2020 年，電線電纜行業(yè)產(chǎn)值約為 1.2 萬(wàn)億元人民幣，占當(dāng)年 GDP 比重高達(dá) 1.18%[5]。2018 年，電線電纜出口額達(dá)到 215 億美元[5]。近年來(lái)，伴隨著城市電纜化進(jìn)程的推進(jìn)和新能源利用工程的建設(shè)，交流電纜輸電電壓等級(jí)由 110kV、220kV向 330kV、500kV 發(fā)展，直流電纜輸電電壓等級(jí)由±160kV、±320kV 向±500kV 發(fā)展[6,7]。高壓電纜輸電線路年平均增長(zhǎng)率超過(guò) 10%，電纜行業(yè)發(fā)展前景廣闊。交聯(lián)聚乙烯絕緣是高壓電纜的主要絕緣形式。

　　然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó) 110 kV 電壓等級(jí)以上電纜生產(chǎn)所需交聯(lián)聚乙烯絕緣料受制于人、依賴進(jìn)口，對(duì)我國(guó)電力電纜發(fā)展和城市輸電安全構(gòu)成極大威脅。國(guó)外電纜絕緣料供應(yīng)商主要為美國(guó)的陶氏化學(xué)和歐洲的北歐化工，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被它們壟斷。近幾年國(guó)外電纜料供貨不穩(wěn)定，影響國(guó)內(nèi)高壓電纜工程建設(shè)，電纜絕緣料成為高壓電纜生產(chǎn)的“卡脖子”關(guān)鍵電工材料。

　　因此，高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的自主研發(fā)與生產(chǎn)，是我國(guó)高壓電纜生產(chǎn)和城市電能輸送迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)外以北歐化工為代表的電纜絕緣材料生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展歷史長(zhǎng)，交聯(lián)聚乙烯交流絕緣電壓等級(jí)于 1973年達(dá)到 84 kV，2001 年達(dá)到截止目前最高的 525 kV 等級(jí)，并隨后在多國(guó)電纜工程中應(yīng)用(俄羅斯，2005;哥倫比亞，2010;中國(guó)，2014;美國(guó)，2016)。北歐化工與 ABB 公司合作于 2014 年推出新一代交聯(lián)聚乙烯直流絕緣材料，制造出±525 kV/2.6 GW 直流電纜系統(tǒng)產(chǎn)品并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。陶氏化學(xué)的交聯(lián)聚乙烯絕緣料牌號(hào)眾多，研發(fā)歷史悠久，也在國(guó)內(nèi)獲得了廣泛的使用，其產(chǎn)品可以達(dá)到 500 kV 電壓等級(jí)。韓國(guó)韓華也研制出 220 kV 電壓等級(jí)的電纜絕緣料。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)開(kāi)展了 110 kV 和 220 kV 電纜絕緣料研發(fā)。

　　例如，中國(guó)石化燕山石化公司已經(jīng)建成一條可實(shí)現(xiàn)從乙烯生產(chǎn)、聚合到復(fù)配過(guò)程連續(xù)生產(chǎn)的 110 kV 電纜絕緣料生產(chǎn)線。揚(yáng)子-巴斯夫石化公司可以生產(chǎn)低密度聚乙烯基料。江蘇德威與浙江萬(wàn)馬在國(guó)產(chǎn)低密度聚乙烯基料基礎(chǔ)上研制出 220 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣料。目前，220 kV 交聯(lián)聚乙烯交流絕緣通過(guò)了預(yù)鑒定試驗(yàn)，并開(kāi)展示范應(yīng)用;±535 kV/3 GW 高壓直流電纜系統(tǒng)通過(guò)型式試驗(yàn)，正在張北±500 kV 柔性直流輸電工程中示范應(yīng)用，但尚未有連續(xù)生產(chǎn)的驗(yàn)證和工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。雖然交聯(lián)聚乙烯電纜料的研發(fā)與生產(chǎn)方面國(guó)內(nèi)外差距顯著，但是目前我國(guó)正在加快推進(jìn)電纜料的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

　　1 高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料關(guān)鍵性能探討

　　高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料是電力電纜最重要的電工材料。高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的生產(chǎn)過(guò)程如下：乙烯在高溫高壓條件下由引發(fā)劑引發(fā)自由基反應(yīng)聚合為低密度聚乙烯基料;聚合反應(yīng)在管式法工業(yè)裝置中進(jìn)行，聚合速率快、溫度高(170~300 ℃)、壓力超高(180~350 MPa)[8];基料經(jīng)復(fù)配過(guò)程引入交聯(lián)劑和抗氧劑，成為交聯(lián)聚乙烯絕緣料;絕緣料擠出成型后經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)成為電纜絕緣，再經(jīng)長(zhǎng)達(dá) 1~2 周的脫氣過(guò)程去除交聯(lián)副產(chǎn)物，最終加工成成品電纜。高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的關(guān)鍵性能主要有以下幾點(diǎn)：

　　1)低密度聚乙烯基料的結(jié)構(gòu)與流變性能交聯(lián)聚乙烯絕緣料的流變性能反映其可加工性，是電纜絕緣料的關(guān)鍵性能之一。交聯(lián)聚乙烯絕緣料的流變性能主要由低密度聚乙烯基料的流變性能決定[9]，并一定程度受復(fù)配體系的影響。低密度聚乙烯基料流變性能是指其黏度隨溫度與剪切速率而改變的特性。電纜絕緣料在高溫和剪切作用下擠出時(shí)，要求其高溫剪切黏度低，以降低擠出溫度與壓力、提高絕緣層表面光滑度;而擠出成型后的降溫過(guò)程中要求高溫零切黏度高，以提高電纜絕緣層的同心度。例如，150 ℃下進(jìn)口基料零切黏度為 4.45×104 Pa·s，而國(guó)產(chǎn)基料為 3.81×104 Pa·s[10]。

　　國(guó)產(chǎn)低密度聚乙烯基料高溫剪切黏度高、高溫零切黏度低，流變性能差，造成擠出壓力大、擠出表面光滑度不高、絕緣層易偏心等。低密度聚乙烯基料流變性主要取決于分子鏈結(jié)構(gòu)，即相對(duì)平均分子質(zhì)量、相對(duì)分子量分布、支化度、長(zhǎng)支鏈與短支鏈結(jié)構(gòu)等[9,11,12]。相對(duì)平均分子質(zhì)量越大黏度越大[13];相對(duì)平均分子質(zhì)量接近時(shí)，相對(duì)分子量分布越寬流動(dòng)性越好;相對(duì)平均分子質(zhì)量和相對(duì)分子量分布接近時(shí)，流變性受控于支化結(jié)構(gòu)。不同牌號(hào)低密度聚乙烯基料的分子鏈結(jié)構(gòu)差異很大[14]。

　　以相對(duì)分子量分布為例，國(guó)產(chǎn)低密度聚乙烯基料較北歐化工和陶氏化學(xué)基料高。以長(zhǎng)支鏈數(shù)為例，國(guó)產(chǎn)低密度聚乙烯基料高分子量區(qū)的長(zhǎng)支鏈數(shù)與進(jìn)口電纜料接近，而低分子量區(qū)長(zhǎng)支鏈數(shù)目明顯較少。相對(duì)平均分子質(zhì)量、相對(duì)分子量分布、長(zhǎng)支鏈與短支鏈等分子鏈結(jié)構(gòu)決定于自由基聚合反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自由基聚合反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程已經(jīng)開(kāi)展了較為廣泛的研究，并提出了一些管式反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)模型的建模思路與方法[15-17]。在模擬聚合物分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)時(shí)提出了多元眾體平衡方程 (PBEs)，但其計(jì)算成本極高。較為常用的模擬低密度聚乙烯分子量分布的方法主要包括 Monte Carlo法[18]和二維固定軸心法(FPT)[19]，但是尚未在工程系統(tǒng)性建模上運(yùn)用。

　　此外，也有研究者借助于一些過(guò)程模擬軟件如 Aspen Polymer Plus[20]、gPROMS[21]、Fluent 等進(jìn)行建模，但其缺乏反應(yīng)機(jī)理支撐。目前還缺少全面完整的高壓聚乙烯反應(yīng)器動(dòng)態(tài)模型，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算預(yù)測(cè)溫度、壓力、引發(fā)劑、調(diào)節(jié)劑以及其它各種設(shè)計(jì)與操作變量對(duì)分子鏈結(jié)構(gòu)的調(diào)控。需要從管式法自由基反應(yīng)和動(dòng)力學(xué)入手研究低密度聚乙烯基料分子鏈結(jié)構(gòu)的精確控制，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異擠出流變特性的低密度聚乙烯基料，研究提升基料分子鏈結(jié)構(gòu)批次穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)和工藝，提升高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的成型質(zhì)量和相關(guān)物理性能。

　　2)交聯(lián)聚乙烯絕緣料脫氣性能交聯(lián)聚乙烯絕緣料脫氣性是指交聯(lián)聚乙烯絕緣在脫氣工藝中除去內(nèi)部交聯(lián)副產(chǎn)物的能力。脫氣性能好壞體現(xiàn)在脫氣時(shí)間長(zhǎng)短和殘余交聯(lián)副產(chǎn)物含量高低兩方面，因此直接關(guān)系到電纜生產(chǎn)效率高低以及電纜絕緣性能優(yōu)劣。

　　一方面，電纜絕緣層脫氣處理所需要的時(shí)間相比其它電纜加工環(huán)節(jié)而言，在整個(gè)電纜制造時(shí)間中占比最大，約占 50%~70%。國(guó)內(nèi)外脫氣性研究以脫氣過(guò)程表征為主。例如，以失重法或高效液相色譜法分析交聯(lián)副產(chǎn)物從電纜絕緣中的脫除過(guò)程，或者模擬交聯(lián)副產(chǎn)物擴(kuò)散速度，預(yù)測(cè)脫氣時(shí)間以提升脫氣效率[22]。北歐化工和陶氏化學(xué)兩家公司生產(chǎn)的最新牌號(hào)的電纜絕緣料所需脫氣時(shí)間明顯減少，脫氣時(shí)間相比舊牌號(hào)絕緣料縮短了40%~50%[22]，可使電纜的生產(chǎn)效率大幅提升。

　　另一方面，脫氣性能改善能夠提升電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的純凈度，優(yōu)化電纜絕緣性能。交聯(lián)聚乙烯絕緣料脫氣性能與交聯(lián)劑密切相關(guān)。例如，北歐化工高壓電纜絕緣料的交聯(lián)劑含量約 1.6%，而國(guó)產(chǎn)高壓電纜絕緣料為 1.75%~2%[23]，所需脫氣時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，純凈度低，電纜絕緣介電損耗大。

　　交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程不僅與復(fù)配體系相關(guān)，還受低密度聚乙烯基料的分子鏈結(jié)構(gòu)影響[24]，如乙烯基團(tuán)、分子量、分子鏈支化程度等。乙烯基團(tuán)可以顯著提升交聯(lián)效率，可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較高的凝膠含量;分子量的影響表現(xiàn)為較高的數(shù)均分子量可增加交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)密度，因?yàn)槎谭肿渔滊y以引入交聯(lián)體系，降低了獲得高凝膠含量的可能性，而長(zhǎng)分子鏈增加了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中束縛與纏結(jié);長(zhǎng)鏈支化度高的分子鏈線團(tuán)占據(jù)體積小，更傾向于在線團(tuán)內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成分子內(nèi)交聯(lián)點(diǎn)，對(duì)有效交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有貢獻(xiàn)，會(huì)削弱交聯(lián)聚合物的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度[25,26]。提升脫氣性能的核心問(wèn)題在于保證交聯(lián)聚乙烯絕緣熱、力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提升交聯(lián)劑作用效率、降低交聯(lián)劑用量、改善電纜絕緣脫氣性能，從而提高高壓電纜生產(chǎn)效率，優(yōu)化交聯(lián)聚乙烯絕緣純凈度，并提高高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣性能。

　　因此需要揭示交聯(lián)劑復(fù)配與低密度聚乙烯基料聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)、交聯(lián)反應(yīng)效率與基料分子鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步優(yōu)化絕緣料交聯(lián)劑復(fù)配配方和復(fù)配工藝，并提出基料鏈結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。此外，針對(duì)目前過(guò)氧化二異丙苯交聯(lián)劑可引發(fā)焦燒現(xiàn)象并需要脫氣處理的局限性，國(guó)外學(xué)者開(kāi)展的新型交聯(lián)方式研究也具有借鑒意義[27,28,29]。例如，通過(guò)兩種接枝聚乙烯共聚物組成的混合材料[29]，該材料在 120~140 ℃溫度范圍內(nèi)不發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，而當(dāng)溫度高于 150 ℃時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物。

　　3)交聯(lián)聚乙烯絕緣料耐焦燒性能交聯(lián)聚乙烯絕緣料耐焦燒性是指抑制其擠出過(guò)程中過(guò)早交聯(lián)、生成凝膠現(xiàn)象的能力。電纜絕緣料耐焦燒意味著擠出過(guò)程中允許溫度波動(dòng)程度更大，高溫加工時(shí)間更長(zhǎng)，加工窗口更寬，可加工性更好[30]。此外，電纜絕緣料耐焦燒可降低凝膠含量。一方面，避免了凝膠產(chǎn)物堵塞擠出濾網(wǎng)，增加了電纜擠出長(zhǎng)度，提升了電纜生產(chǎn)效率;另一方面，殘留在電纜主絕緣中的凝膠少，局部缺陷少，有利于提升絕緣介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，改善電氣絕緣性能。

　　實(shí)驗(yàn)室一般采用電纜絕緣料在固定高溫和剪切作用下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分析其耐焦燒性能，將轉(zhuǎn)矩由最小值增加 10 N·m 所需時(shí)間值來(lái)定量化表征耐焦燒性能。測(cè)試結(jié)果表明，北歐化工電纜絕緣料轉(zhuǎn)矩提升 10 N·m 的時(shí)間較長(zhǎng)，陶氏化學(xué)電纜絕緣料次之，而某批次國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料時(shí)間最短，耐焦燒性能較差。這反映出國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料連續(xù)擠出加工時(shí)間較短，電纜生產(chǎn)效率低，可能存在絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，電纜絕緣性能不足的風(fēng)險(xiǎn)。絕緣料復(fù)配過(guò)程中引入的抗氧劑的能捕獲自由基，抑制擠出過(guò)程中的焦燒現(xiàn)象，但同時(shí)也將抑制擠包成型后的交聯(lián)反應(yīng)，降低交聯(lián)效率，造成絕緣層交聯(lián)度下降[31-33]。

　　而過(guò)多使用抗氧劑將造成交聯(lián)聚乙烯電氣絕緣性能的變化，尤其是直流場(chǎng)下的絕緣性能[34]。可見(jiàn)，提升耐焦燒性能的關(guān)鍵在于從提升抗氧劑作用效率，改善電纜絕緣料復(fù)配體系與復(fù)配工藝。國(guó)外研究表明，使用新型有機(jī)抗氧化輔助料、交聯(lián)劑和交聯(lián)輔料，調(diào)節(jié)抗氧劑和交聯(lián)劑的協(xié)同作用，可提高電纜絕緣料的耐焦燒性能，避免擠出過(guò)程中發(fā)生焦燒現(xiàn)象[30]。

　　2，2，6，6­四甲基­1­哌啶氧基及其衍生物等硝基自由基能夠“捕獲”自由基，生成聚合物烷氧基胺，降低了抗氧劑在低溫下由于材料熱氧老化造成的消耗，提高了抗氧劑的利用效率，同時(shí)有效抑制了電纜絕緣料在擠出過(guò)程中的焦燒[32]。

　　此外，新型交聯(lián)過(guò)氧化物—過(guò)氧化異丙烯基二異丙苯和新型輔料—2­甲氧基­4­烯丙基苯基烯丙基醚的使用顯著提高了電纜絕緣料的耐焦燒性能，減少了電纜絕緣料中的交聯(lián)副產(chǎn)物，提高了電纜絕緣料的生產(chǎn)效率[28]。因此，從提升抗氧劑作用效率等方面入手，改善電纜絕緣料抗氧劑復(fù)配體系與復(fù)配工藝，從而提升電纜絕緣料耐焦燒性能是優(yōu)化高壓電纜交聯(lián)聚乙烯加工性能和絕緣性能的關(guān)鍵。

　　4)交聯(lián)聚乙烯絕緣電氣絕緣性能交聯(lián)聚乙烯絕緣的電氣絕緣性能關(guān)鍵指標(biāo)包含了介電損耗、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等。相比北歐化工電纜絕緣料，國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料各介電參數(shù)不足的原因包括以下幾方面：首先，國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料化學(xué)純凈度低，表現(xiàn)為極性基團(tuán)、交聯(lián)副產(chǎn)物和抗氧劑等含量高;其次，每千克國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料中 100 μm 尺寸以上的雜質(zhì)約有 2~5 個(gè)，而進(jìn)口電纜絕緣料沒(méi)有大于 100 μm 的雜質(zhì)。

　　微米級(jí)雜質(zhì)的引入將導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)顯著下降。此外，各個(gè)電性能參數(shù)均與交聯(lián)聚乙烯絕緣分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)[34-37]，例如鏈結(jié)構(gòu)將直接影響電纜絕緣的電­機(jī)械擊穿溫度特性，例如分子量為 2500 的低密度聚乙烯，球晶尺寸為 17~20 μm，其直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為 250 kV/mm，而分子量為 37000 的低密度聚乙烯，球晶尺寸僅為 6~8 μm，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá) 430 kV/mm[38]。目前多種技術(shù)途徑的電纜絕緣料研發(fā)工作往往以電氣絕緣性能的提升為目標(biāo)[39]，尤其以提升直流電氣絕緣性能為主。

　　例如，直流電纜絕緣料研究中強(qiáng)調(diào)抑制電荷注入[40]、調(diào)控電導(dǎo)率特性[41]、優(yōu)化直流接地電樹枝特性[42]、獲得高擊穿場(chǎng)強(qiáng)[43]等。就電氣絕緣性能而言，高壓交流電纜絕緣和高壓直流電纜絕緣差異明顯，表現(xiàn)在電場(chǎng)分布特性、電熱老化特性、電樹枝特性等方面。電導(dǎo)溫度依賴特性、空間電荷特性及其耦合關(guān)系等是決定交聯(lián)聚乙烯直流絕緣性能的基礎(chǔ)，而介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度等是決定交聯(lián)聚乙烯交流絕緣性能的基礎(chǔ)。高性能電纜絕緣研發(fā)需要首先明確上述多種介電特性與交聯(lián)聚乙烯絕緣多級(jí)結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷的量化關(guān)系。

　　電樹枝化是交流高壓電場(chǎng)下造成電氣絕緣擊穿的主要形式，能夠直接反映高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的老化特性和長(zhǎng)期服役性能。電樹枝引發(fā)與生長(zhǎng)主要受交聯(lián)聚乙烯結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷的影響[36]。雜質(zhì)缺陷或屏蔽層凸起是電樹枝引發(fā)的關(guān)鍵位置。國(guó)產(chǎn)電纜絕緣料雜質(zhì)含量高、擠出絕緣表面不光滑、絕緣/屏蔽層界面凸起等缺陷數(shù)量多，造成電纜絕緣電樹枝引發(fā)概率高，電氣絕緣性能不足。然而，隨著高壓電纜電壓等級(jí)不斷提升，電纜絕緣微米級(jí)雜質(zhì)與屏蔽層凸起缺陷位置外仍可以發(fā)現(xiàn)電樹枝現(xiàn)象。

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)電樹枝研究局限在電樹枝引發(fā)與生長(zhǎng)過(guò)程的物理機(jī)制，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)晶結(jié)構(gòu)、抗氧劑與其它改性填料(電壓穩(wěn)定劑[44]、納米填料[43])對(duì)電樹枝的影響。沒(méi)有從抑制電樹枝角度，對(duì)交聯(lián)聚乙烯鏈結(jié)構(gòu)提出要求，無(wú)法指導(dǎo)低密度聚乙烯基料分子鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)配體系設(shè)計(jì)。因此，迫切需要從乙烯聚合和復(fù)配過(guò)程入手，研究提升電纜絕緣料純凈度、減少電纜絕緣料缺陷數(shù)量的方法，揭示電樹枝與電纜絕緣料鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，提升電纜絕緣耐電樹枝能力，提高高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣性能。綜上所述，我國(guó)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)的關(guān)鍵是基料鏈結(jié)構(gòu)與流變性能、脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能。

　　2 高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題探討針對(duì)以上論述的高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)中所面對(duì)的挑戰(zhàn)，即在絕緣料四大關(guān)鍵性能，流變性能、脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能上取得突破，凝練出五個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

　　1)低密度聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制交聯(lián)聚乙烯絕緣料的流變性能與低密度聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。同時(shí)，分子鏈結(jié)構(gòu)還決定了其可交聯(lián)性以及添加劑復(fù)配過(guò)程，影響分子鏈交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)。我國(guó)目前采用進(jìn)口管式法工業(yè)裝置，經(jīng)超高壓高溫反應(yīng)合成制備低密度聚乙烯基料，這對(duì)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求極高。國(guó)內(nèi)相關(guān)化工企業(yè)不掌握關(guān)鍵專利技術(shù)，缺乏生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程安全操作邊界工藝技術(shù)研究基礎(chǔ)，而對(duì)低密度聚乙烯的多參數(shù)工藝調(diào)整必然引發(fā)巨大的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)性，故不能對(duì)基料進(jìn)行全面系統(tǒng)的工藝條件優(yōu)化。這些制約了低密度聚乙烯基料的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升。

　　針對(duì)低密度聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制這一科學(xué)問(wèn)題，首先要綜合加工性能和電氣絕緣性能需求明確低密度聚乙烯基料分子鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，然后結(jié)合模擬仿真計(jì)算、小試裝置試驗(yàn)、反應(yīng)控制技術(shù)等方面開(kāi)展研究工作。構(gòu)建低密度聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)與自由基聚合基元反應(yīng)的關(guān)聯(lián);開(kāi)展低密度聚乙烯合成的實(shí)驗(yàn)研究;研究高壓低密度聚乙烯管式法聚合工藝的模擬計(jì)算方法;研究管式反應(yīng)器各區(qū)轉(zhuǎn)化率控制技術(shù);研究控制低密度聚乙烯鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)和工藝。

　　2)電纜絕緣料流變行為與設(shè)計(jì)理論電纜絕緣料的分子鏈設(shè)計(jì)需要以優(yōu)異的流變性能獲得目標(biāo)分子鏈結(jié)構(gòu)。同時(shí)，流變性能也影響著電纜絕緣料的復(fù)配過(guò)程，即影響抗氧劑的添加過(guò)程。針對(duì)電纜絕緣料流變行為與設(shè)計(jì)理論這一科學(xué)問(wèn)題可以開(kāi)展如下研究工作：構(gòu)建電纜絕緣料低密度聚乙烯基料分子鏈結(jié)構(gòu)與流變行為的關(guān)聯(lián);研究低密度聚乙烯基料流變行為與復(fù)配過(guò)程關(guān)聯(lián)的機(jī)理;研究電纜絕緣料應(yīng)用周期內(nèi)熔體黏彈特性和動(dòng)態(tài)成型中的流動(dòng)狀態(tài)，提出電纜絕緣料擠出流變行為理論，進(jìn)而設(shè)計(jì)符合不同電壓等級(jí)電纜擠出加工工藝的流變行為;研究絕緣料擠出動(dòng)態(tài)成型調(diào)控方法及其對(duì)絕緣成型后多級(jí)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律與機(jī)制。

　　3)電纜絕緣料交聯(lián)和流變耦合機(jī)理優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜絕緣的復(fù)配體系，精準(zhǔn)控制電纜擠出動(dòng)態(tài)成型過(guò)程，需要關(guān)注電纜絕緣料交聯(lián)和流變的耦合機(jī)理，針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題可以開(kāi)展如下研究工作：掌握交聯(lián)劑擴(kuò)散遷移對(duì)交聯(lián)的作用規(guī)律和機(jī)理;研究交聯(lián)劑在電纜絕緣料中的擴(kuò)散特征與長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性;揭示交聯(lián)與流變的耦合作用機(jī)制，從分子鏈結(jié)構(gòu)層面研究流變特性與交聯(lián)特性的相互影響作用;研究交聯(lián)流變耦合提高交聯(lián)效率的理論，研究提升交聯(lián)劑交聯(lián)效率的理論方法。

　　3 結(jié)論

　　本文討論了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料成為高壓電纜生產(chǎn)“卡脖子”關(guān)鍵電工材料這一現(xiàn)狀;結(jié)合生產(chǎn)與應(yīng)用流程，梳理了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料的四大關(guān)鍵性能，即低密度聚乙烯基料結(jié)構(gòu)與流變性能、交聯(lián)聚乙烯絕緣料的脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能;凝練了高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣的五個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，即低密度聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制、電纜絕緣料流變行為與設(shè)計(jì)理論、電纜絕緣料交聯(lián)和流變耦合機(jī)理、電纜絕緣料抗氧化和交聯(lián)耦合機(jī)理、電纜絕緣性能與交聯(lián)聚乙烯結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷的關(guān)聯(lián)。通過(guò)基礎(chǔ)問(wèn)題探討，旨在推進(jìn)我國(guó)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料基礎(chǔ)理論的研究，推進(jìn)我國(guó)高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣料自主研發(fā)進(jìn)程。

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　　作者：李盛濤 1，王詩(shī)航 1，楊柳青 1，李建英 1，趙健康 2，景政紅 3