高压电缆交联聚乙烯绝缘的关键性能与基础问题

　　摘要：高压电缆是城市输电网的关键电力装备，是海上风电输送到陆地电网、实现新能源大规模利用的关键电力装备。然而，高压电缆用交联聚乙烯绝缘料是我国高压电缆生产的“卡脖子”关键电工材料。高压电缆交联聚乙烯绝缘料的生产与应用全流程涉及多步骤、多结构、多性能。该文梳理了高压电缆交联聚乙烯绝缘料的四大关键性能，凝练了出高压电缆交联聚乙烯绝缘的 5 个基础科学问题。通过基础问题探讨，旨在推进我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料基础理论的研究，推进我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料自主研发进程。

　　关键词：高压电缆;交联聚乙烯;绝缘

　　0 引言

　　电力能源是城镇化和工业化的基础。我国电能 80%以上消费在城市，城镇化战略使得城市用电量占比和地下能源综合通道建设日益增加[1-2]。高压交流电缆是城市地下能源通道的关键电力装备，截止 2021 年 7月，国家电网公司在运的 66 kV 电压等级及以上高压电缆回路长度约 3.7 万公里，已有 10 个城市超过800km[3]。按照“2060 年前实现碳中和”的国家战略要求，海上风电等新能源将会大规模发展。我国海上风电新增容量连续三年世界第一。

　　截至 2021 年 6 月底，全国海上风电累计装机规模超过 1110 万 kW，海上风电总容量超过德国，仅次于英国[4]。高压直流电缆是海上风电并网的核心电力装备。因此，高压电缆对我国电力能源的高质量发展至关重要，也对我国能源战略具有重大意义。我国电线电缆行业产值世界第一，位居国内制造业第二，仅次于汽车行业。

　　2020 年，电线电缆行业产值约为 1.2 万亿元人民币，占当年 GDP 比重高达 1.18%[5]。2018 年，电线电缆出口额达到 215 亿美元[5]。近年来，伴随着城市电缆化进程的推进和新能源利用工程的建设，交流电缆输电电压等级由 110kV、220kV向 330kV、500kV 发展，直流电缆输电电压等级由±160kV、±320kV 向±500kV 发展[6,7]。高压电缆输电线路年平均增长率超过 10%，电缆行业发展前景广阔。交联聚乙烯绝缘是高压电缆的主要绝缘形式。

　　然而，长期以来，我国 110 kV 电压等级以上电缆生产所需交联聚乙烯绝缘料受制于人、依赖进口，对我国电力电缆发展和城市输电安全构成极大威胁。国外电缆绝缘料供应商主要为美国的陶氏化学和欧洲的北欧化工，国内市场被它们垄断。近几年国外电缆料供货不稳定，影响国内高压电缆工程建设，电缆绝缘料成为高压电缆生产的“卡脖子”关键电工材料。

　　因此，高压电缆交联聚乙烯绝缘料的自主研发与生产，是我国高压电缆生产和城市电能输送迫切需要解决的关键问题。国外以北欧化工为代表的电缆绝缘材料生产企业发展历史长，交联聚乙烯交流绝缘电压等级于 1973年达到 84 kV，2001 年达到截止目前最高的 525 kV 等级，并随后在多国电缆工程中应用(俄罗斯，2005;哥伦比亚，2010;中国，2014;美国，2016)。北欧化工与 ABB 公司合作于 2014 年推出新一代交联聚乙烯直流绝缘材料，制造出±525 kV/2.6 GW 直流电缆系统产品并通过了试验验证。陶氏化学的交联聚乙烯绝缘料牌号众多，研发历史悠久，也在国内获得了广泛的使用，其产品可以达到 500 kV 电压等级。韩国韩华也研制出 220 kV 电压等级的电缆绝缘料。国内部分企业开展了 110 kV 和 220 kV 电缆绝缘料研发。

　　例如，中国石化燕山石化公司已经建成一条可实现从乙烯生产、聚合到复配过程连续生产的 110 kV 电缆绝缘料生产线。扬子-巴斯夫石化公司可以生产低密度聚乙烯基料。江苏德威与浙江万马在国产低密度聚乙烯基料基础上研制出 220 kV 交联聚乙烯绝缘料。目前，220 kV 交联聚乙烯交流绝缘通过了预鉴定试验，并开展示范应用;±535 kV/3 GW 高压直流电缆系统通过型式试验，正在张北±500 kV 柔性直流输电工程中示范应用，但尚未有连续生产的验证和工程应用数据。虽然交联聚乙烯电缆料的研发与生产方面国内外差距显著，但是目前我国正在加快推进电缆料的国产化进程。

　　1 高压电缆交联聚乙烯绝缘料关键性能探讨

　　高压电缆交联聚乙烯绝缘料是电力电缆最重要的电工材料。高压电缆交联聚乙烯绝缘的生产过程如下：乙烯在高温高压条件下由引发剂引发自由基反应聚合为低密度聚乙烯基料;聚合反应在管式法工业装置中进行，聚合速率快、温度高(170~300 ℃)、压力超高(180~350 MPa)[8];基料经复配过程引入交联剂和抗氧剂，成为交联聚乙烯绝缘料;绝缘料挤出成型后经交联反应成为电缆绝缘，再经长达 1~2 周的脱气过程去除交联副产物，最终加工成成品电缆。高压电缆交联聚乙烯绝缘料的关键性能主要有以下几点：

　　1)低密度聚乙烯基料的结构与流变性能交联聚乙烯绝缘料的流变性能反映其可加工性，是电缆绝缘料的关键性能之一。交联聚乙烯绝缘料的流变性能主要由低密度聚乙烯基料的流变性能决定[9]，并一定程度受复配体系的影响。低密度聚乙烯基料流变性能是指其黏度随温度与剪切速率而改变的特性。电缆绝缘料在高温和剪切作用下挤出时，要求其高温剪切黏度低，以降低挤出温度与压力、提高绝缘层表面光滑度;而挤出成型后的降温过程中要求高温零切黏度高，以提高电缆绝缘层的同心度。例如，150 ℃下进口基料零切黏度为 4.45×104 Pa·s，而国产基料为 3.81×104 Pa·s[10]。

　　国产低密度聚乙烯基料高温剪切黏度高、高温零切黏度低，流变性能差，造成挤出压力大、挤出表面光滑度不高、绝缘层易偏心等。低密度聚乙烯基料流变性主要取决于分子链结构，即相对平均分子质量、相对分子量分布、支化度、长支链与短支链结构等[9,11,12]。相对平均分子质量越大黏度越大[13];相对平均分子质量接近时，相对分子量分布越宽流动性越好;相对平均分子质量和相对分子量分布接近时，流变性受控于支化结构。不同牌号低密度聚乙烯基料的分子链结构差异很大[14]。

　　以相对分子量分布为例，国产低密度聚乙烯基料较北欧化工和陶氏化学基料高。以长支链数为例，国产低密度聚乙烯基料高分子量区的长支链数与进口电缆料接近，而低分子量区长支链数目明显较少。相对平均分子质量、相对分子量分布、长支链与短支链等分子链结构决定于自由基聚合反应机理和动力学过程。

　　当前，国内外学者对自由基聚合反应的机理和动力学过程已经开展了较为广泛的研究，并提出了一些管式反应器稳态模型的建模思路与方法[15-17]。在模拟聚合物分子的结构性质时提出了多元众体平衡方程 (PBEs)，但其计算成本极高。较为常用的模拟低密度聚乙烯分子量分布的方法主要包括 Monte Carlo法[18]和二维固定轴心法(FPT)[19]，但是尚未在工程系统性建模上运用。

　　此外，也有研究者借助于一些过程模拟软件如 Aspen Polymer Plus[20]、gPROMS[21]、Fluent 等进行建模，但其缺乏反应机理支撑。目前还缺少全面完整的高压聚乙烯反应器动态模型，以实现计算预测温度、压力、引发剂、调节剂以及其它各种设计与操作变量对分子链结构的调控。需要从管式法自由基反应和动力学入手研究低密度聚乙烯基料分子链结构的精确控制，设计开发具有优异挤出流变特性的低密度聚乙烯基料，研究提升基料分子链结构批次稳定性的关键技术和工艺，提升高压电缆交联聚乙烯绝缘的成型质量和相关物理性能。

　　2)交联聚乙烯绝缘料脱气性能交联聚乙烯绝缘料脱气性是指交联聚乙烯绝缘在脱气工艺中除去内部交联副产物的能力。脱气性能好坏体现在脱气时间长短和残余交联副产物含量高低两方面，因此直接关系到电缆生产效率高低以及电缆绝缘性能优劣。

　　一方面，电缆绝缘层脱气处理所需要的时间相比其它电缆加工环节而言，在整个电缆制造时间中占比最大，约占 50%~70%。国内外脱气性研究以脱气过程表征为主。例如，以失重法或高效液相色谱法分析交联副产物从电缆绝缘中的脱除过程，或者模拟交联副产物扩散速度，预测脱气时间以提升脱气效率[22]。北欧化工和陶氏化学两家公司生产的最新牌号的电缆绝缘料所需脱气时间明显减少，脱气时间相比旧牌号绝缘料缩短了40%~50%[22]，可使电缆的生产效率大幅提升。

　　另一方面，脱气性能改善能够提升电缆交联聚乙烯绝缘的纯净度，优化电缆绝缘性能。交联聚乙烯绝缘料脱气性能与交联剂密切相关。例如，北欧化工高压电缆绝缘料的交联剂含量约 1.6%，而国产高压电缆绝缘料为 1.75%~2%[23]，所需脱气时间长，生产效率低，纯净度低，电缆绝缘介电损耗大。

　　交联反应过程不仅与复配体系相关，还受低密度聚乙烯基料的分子链结构影响[24]，如乙烯基团、分子量、分子链支化程度等。乙烯基团可以显著提升交联效率，可在较短的时间内获得较高的凝胶含量;分子量的影响表现为较高的数均分子量可增加交联网络结构的交联密度，因为短分子链难以引入交联体系，降低了获得高凝胶含量的可能性，而长分子链增加了交联网络结构中束缚与缠结;长链支化度高的分子链线团占据体积小，更倾向于在线团内部发生交联反应，形成分子内交联点，对有效交联网络并没有贡献，会削弱交联聚合物的网络强度[25,26]。提升脱气性能的核心问题在于保证交联聚乙烯绝缘热、力学性能的基础上提升交联剂作用效率、降低交联剂用量、改善电缆绝缘脱气性能，从而提高高压电缆生产效率，优化交联聚乙烯绝缘纯净度，并提高高压电缆交联聚乙烯绝缘性能。

　　因此需要揭示交联剂复配与低密度聚乙烯基料聚集态结构的关联、交联反应效率与基料分子链结构的关联，进一步优化绝缘料交联剂复配配方和复配工艺，并提出基料链结构改进方案。此外，针对目前过氧化二异丙苯交联剂可引发焦烧现象并需要脱气处理的局限性，国外学者开展的新型交联方式研究也具有借鉴意义[27,28,29]。例如，通过两种接枝聚乙烯共聚物组成的混合材料[29]，该材料在 120~140 ℃温度范围内不发生交联反应，而当温度高于 150 ℃时发生交联反应而不产生任何副产物。

　　3)交联聚乙烯绝缘料耐焦烧性能交联聚乙烯绝缘料耐焦烧性是指抑制其挤出过程中过早交联、生成凝胶现象的能力。电缆绝缘料耐焦烧意味着挤出过程中允许温度波动程度更大，高温加工时间更长，加工窗口更宽，可加工性更好[30]。此外，电缆绝缘料耐焦烧可降低凝胶含量。一方面，避免了凝胶产物堵塞挤出滤网，增加了电缆挤出长度，提升了电缆生产效率;另一方面，残留在电缆主绝缘中的凝胶少，局部缺陷少，有利于提升绝缘介质内部结构的均匀性，改善电气绝缘性能。

　　实验室一般采用电缆绝缘料在固定高温和剪切作用下转矩随时间的变化趋势分析其耐焦烧性能，将转矩由最小值增加 10 N·m 所需时间值来定量化表征耐焦烧性能。测试结果表明，北欧化工电缆绝缘料转矩提升 10 N·m 的时间较长，陶氏化学电缆绝缘料次之，而某批次国产电缆绝缘料时间最短，耐焦烧性能较差。这反映出国产电缆绝缘料连续挤出加工时间较短，电缆生产效率低，可能存在绝缘内部结构不均匀，电缆绝缘性能不足的风险。绝缘料复配过程中引入的抗氧剂的能捕获自由基，抑制挤出过程中的焦烧现象，但同时也将抑制挤包成型后的交联反应，降低交联效率，造成绝缘层交联度下降[31-33]。

　　而过多使用抗氧剂将造成交联聚乙烯电气绝缘性能的变化，尤其是直流场下的绝缘性能[34]。可见，提升耐焦烧性能的关键在于从提升抗氧剂作用效率，改善电缆绝缘料复配体系与复配工艺。国外研究表明，使用新型有机抗氧化辅助料、交联剂和交联辅料，调节抗氧剂和交联剂的协同作用，可提高电缆绝缘料的耐焦烧性能，避免挤出过程中发生焦烧现象[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够“捕获”自由基，生成聚合物烷氧基胺，降低了抗氧剂在低温下由于材料热氧老化造成的消耗，提高了抗氧剂的利用效率，同时有效抑制了电缆绝缘料在挤出过程中的焦烧[32]。

　　此外，新型交联过氧化物—过氧化异丙烯基二异丙苯和新型辅料—2­甲氧基­4­烯丙基苯基烯丙基醚的使用显著提高了电缆绝缘料的耐焦烧性能，减少了电缆绝缘料中的交联副产物，提高了电缆绝缘料的生产效率[28]。因此，从提升抗氧剂作用效率等方面入手，改善电缆绝缘料抗氧剂复配体系与复配工艺，从而提升电缆绝缘料耐焦烧性能是优化高压电缆交联聚乙烯加工性能和绝缘性能的关键。

　　4)交联聚乙烯绝缘电气绝缘性能交联聚乙烯绝缘的电气绝缘性能关键指标包含了介电损耗、介电常数、电导率、击穿场强等。相比北欧化工电缆绝缘料，国产电缆绝缘料各介电参数不足的原因包括以下几方面：首先，国产电缆绝缘料化学纯净度低，表现为极性基团、交联副产物和抗氧剂等含量高;其次，每千克国产电缆绝缘料中 100 μm 尺寸以上的杂质约有 2~5 个，而进口电缆绝缘料没有大于 100 μm 的杂质。

　　微米级杂质的引入将导致击穿场强显著下降。此外，各个电性能参数均与交联聚乙烯绝缘分子链结构和聚集态结构相关[34-37]，例如链结构将直接影响电缆绝缘的电­机械击穿温度特性，例如分子量为 2500 的低密度聚乙烯，球晶尺寸为 17~20 μm，其直流击穿场强仅为 250 kV/mm，而分子量为 37000 的低密度聚乙烯，球晶尺寸仅为 6~8 μm，直流击穿场强高达 430 kV/mm[38]。目前多种技术途径的电缆绝缘料研发工作往往以电气绝缘性能的提升为目标[39]，尤其以提升直流电气绝缘性能为主。

　　例如，直流电缆绝缘料研究中强调抑制电荷注入[40]、调控电导率特性[41]、优化直流接地电树枝特性[42]、获得高击穿场强[43]等。就电气绝缘性能而言，高压交流电缆绝缘和高压直流电缆绝缘差异明显，表现在电场分布特性、电热老化特性、电树枝特性等方面。电导温度依赖特性、空间电荷特性及其耦合关系等是决定交联聚乙烯直流绝缘性能的基础，而介电常数、介电损耗、介电强度等是决定交联聚乙烯交流绝缘性能的基础。高性能电缆绝缘研发需要首先明确上述多种介电特性与交联聚乙烯绝缘多级结构和杂质缺陷的量化关系。

　　电树枝化是交流高压电场下造成电气绝缘击穿的主要形式，能够直接反映高压电缆交联聚乙烯绝缘的老化特性和长期服役性能。电树枝引发与生长主要受交联聚乙烯结构和杂质缺陷的影响[36]。杂质缺陷或屏蔽层凸起是电树枝引发的关键位置。国产电缆绝缘料杂质含量高、挤出绝缘表面不光滑、绝缘/屏蔽层界面凸起等缺陷数量多，造成电缆绝缘电树枝引发概率高，电气绝缘性能不足。然而，随着高压电缆电压等级不断提升，电缆绝缘微米级杂质与屏蔽层凸起缺陷位置外仍可以发现电树枝现象。

　　国内外对电树枝研究局限在电树枝引发与生长过程的物理机制，重点关注结晶结构、抗氧剂与其它改性填料(电压稳定剂[44]、纳米填料[43])对电树枝的影响。没有从抑制电树枝角度，对交联聚乙烯链结构提出要求，无法指导低密度聚乙烯基料分子链结构设计和复配体系设计。因此，迫切需要从乙烯聚合和复配过程入手，研究提升电缆绝缘料纯净度、减少电缆绝缘料缺陷数量的方法，揭示电树枝与电缆绝缘料链结构的关联，提升电缆绝缘耐电树枝能力，提高高压电缆交联聚乙烯绝缘性能。综上所述，我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料自主研发的关键是基料链结构与流变性能、脱气性能、耐焦烧性能和电气绝缘性能。

　　2 高压电缆交联聚乙烯绝缘料基础科学问题探讨针对以上论述的高压电缆交联聚乙烯绝缘料自主研发中所面对的挑战，即在绝缘料四大关键性能，流变性能、脱气性能、耐焦烧性能和电气绝缘性能上取得突破，凝练出五个基础科学问题。

　　1)低密度聚乙烯分子链结构设计和控制交联聚乙烯绝缘料的流变性能与低密度聚乙烯分子链结构直接相关。同时，分子链结构还决定了其可交联性以及添加剂复配过程，影响分子链交联网状结构和结晶结构。我国目前采用进口管式法工业装置，经超高压高温反应合成制备低密度聚乙烯基料，这对装置的安全稳定运行要求极高。国内相关化工企业不掌握关键专利技术，缺乏生产运行过程安全操作边界工艺技术研究基础，而对低密度聚乙烯的多参数工艺调整必然引发巨大的安全生产风险性，故不能对基料进行全面系统的工艺条件优化。这些制约了低密度聚乙烯基料的分子结构优化与性能提升。

　　针对低密度聚乙烯分子链结构设计和控制这一科学问题，首先要综合加工性能和电气绝缘性能需求明确低密度聚乙烯基料分子链结构的优化方案，然后结合模拟仿真计算、小试装置试验、反应控制技术等方面开展研究工作。构建低密度聚乙烯分子链结构与自由基聚合基元反应的关联;开展低密度聚乙烯合成的实验研究;研究高压低密度聚乙烯管式法聚合工艺的模拟计算方法;研究管式反应器各区转化率控制技术;研究控制低密度聚乙烯链结构的关键技术和工艺。

　　2)电缆绝缘料流变行为与设计理论电缆绝缘料的分子链设计需要以优异的流变性能获得目标分子链结构。同时，流变性能也影响着电缆绝缘料的复配过程，即影响抗氧剂的添加过程。针对电缆绝缘料流变行为与设计理论这一科学问题可以开展如下研究工作：构建电缆绝缘料低密度聚乙烯基料分子链结构与流变行为的关联;研究低密度聚乙烯基料流变行为与复配过程关联的机理;研究电缆绝缘料应用周期内熔体黏弹特性和动态成型中的流动状态，提出电缆绝缘料挤出流变行为理论，进而设计符合不同电压等级电缆挤出加工工艺的流变行为;研究绝缘料挤出动态成型调控方法及其对绝缘成型后多级结构的影响规律与机制。

　　3)电缆绝缘料交联和流变耦合机理优化设计电缆绝缘的复配体系，精准控制电缆挤出动态成型过程，需要关注电缆绝缘料交联和流变的耦合机理，针对这一科学问题可以开展如下研究工作：掌握交联剂扩散迁移对交联的作用规律和机理;研究交联剂在电缆绝缘料中的扩散特征与长时稳定性;揭示交联与流变的耦合作用机制，从分子链结构层面研究流变特性与交联特性的相互影响作用;研究交联流变耦合提高交联效率的理论，研究提升交联剂交联效率的理论方法。

　　3 结论

　　本文讨论了高压电缆交联聚乙烯绝缘料成为高压电缆生产“卡脖子”关键电工材料这一现状;结合生产与应用流程，梳理了高压电缆交联聚乙烯绝缘料的四大关键性能，即低密度聚乙烯基料结构与流变性能、交联聚乙烯绝缘料的脱气性能、耐焦烧性能和电气绝缘性能;凝练了高压电缆交联聚乙烯绝缘的五个基础科学问题，即低密度聚乙烯分子链结构设计和控制、电缆绝缘料流变行为与设计理论、电缆绝缘料交联和流变耦合机理、电缆绝缘料抗氧化和交联耦合机理、电缆绝缘性能与交联聚乙烯结构和杂质缺陷的关联。通过基础问题探讨，旨在推进我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料基础理论的研究，推进我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料自主研发进程。

　　参考文献：

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　　[2] 胡真.探索电力体制改革背景下的城市电网系统规划设计——以某大型城市的输变电网络规划设计为例[J].智能城市.2019, 5(19)：75-76.

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　　[4] 全球风能理事会数据. 全球风能理事会，2021.

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　　[6] 田诗语，卢奕城.500kV 电缆纳入城市综合管廊的应用研究[J]. 电工技术.2019，08: 58-59.

　　作者：李盛涛 1，王诗航 1，杨柳青 1，李建英 1，赵健康 2，景政红 3