中国绝缘材料新突破：破解特高压电缆难题

为破解特高压直流电缆绝缘材料在宽场域下的空间电荷积聚与电导率温度依赖性引发的电场畸变难题，哈尔滨理工大学先进电缆技术与材料团队提出接枝改性技术体系。该体系通过在XLPE中接枝深陷阱基团构建电荷屏蔽网络，实现在5-120kV/mm宽电场和30-70 ℃宽温度场下，空间电荷包迁移行为的抑制和电导率温度敏感性的降低，为特高压直流输电装备升级提供关键技术支撑。

研究背景

特高压直流输电的浪潮中，高压电缆的“心脏”—绝缘材料正面临严峻挑战，限制交联聚乙烯(XLPE)应用于特高压直流电缆输绝缘的瓶颈问题是空间电荷积累引发局部电场畸变与电导率温度依赖性引起的场强反转。接枝改性技术可以通过引入电荷深陷阱的方式，改善空间电荷积聚，降低电导温度依赖性，但在宽电场强度与宽温度区间的电荷输运特性与电荷抑制机理仍需深入探讨。

论文所解决的问题及意义

为调查接枝改性XLPE在宽场域内的电荷输运机理，研究接枝改性引入的深陷阱在不同温度、电场强度下对XLPE内部电荷的调控行为，本文以改性前原始XLPE材料与课题组前期所开发出的具备优异直流电气性能的接枝改性XLPE材料（GXLPE）为研究对象，在宽电场强度与宽温度区间内对两种材料的空间电荷分布与电导电流进行测试，分析并评价接枝改性对XLPE材料高电场下电荷输运的影响，探讨高温高场下抑制绝缘材料载流子输运机理。

论文方法及创新点

1、宽场域内XLPE与GXLPE空间电荷特性

高温或高场下，XLPE材料中出现电荷包迁移现象，这些正负电荷包的迁移不仅会加剧材料内部的电场畸变，还将致使材料内部发生物理化学破坏。接枝改性后，即便在高温高场下，GXLPE中的大部分空间电荷仍被接枝引入的深电荷陷阱束缚在电极附近，接枝引入的深陷阱依旧可以有效的束缚入陷电荷。

图1 宽场域内XLPE与GXLPE空间电荷分布特性

2、宽场域内XLPE与GXLPE电导特性

XLPE中的电导特性基本服从空间电荷限制电流，表现为由无净电荷的欧姆区至陷阱填充的TL-SCLC区，再过渡到高温高场下陷阱被充满的TF-SCLC区。接枝改性XLPE仅出现欧姆区和TL-SCLC区，其较高的陷阱密度以及较低的载流子迁移率，导致陷阱无法充满，因此在测试场强内无TF-SCLC区。

图2 宽场域内XLPE与GXLPE电导特性

3、宽场域内XLPE与GXLPE电荷输运机理

接枝改性在材料内部引入大量的陷阱能级，降低载流子迁移率，使测试场强范围内，陷阱无法被充满，测试场强内无法形成TF-SCLC电荷输运机制，因此接枝改性抑制了材料中空间电荷包的形成和迁移。

图3 XLPE与GXLPE中电荷输运典型过程

结论

1）通过接枝改性技术在XLPE中构建深陷阱基团，系统验证了改性材料在宽电场-宽温度下的优异电学性能。

2）验证了宽场域下，XLPE中电荷输运行为基本遵循空间电荷限制电流理论，且高温或高场下，XLPE中出现严重的电荷包迁移现象，对材料稳定性与寿命产生恶劣影响。

3）接枝改性后，120 kV/mm和90 ℃的电热联合场作用下，GXLPE仅表现出欧姆区和陷阱限制空间电荷限制电流区电荷输运特性，深陷阱可以有效抑制空间电荷包的形成和输运。

团队介绍

研究人员隶属于哈尔滨理工大学高效能特种电缆技术全国重点实验室、工程电介质及其应用教育部重点实验室先进电缆技术与材料研究团队，研究团队多年致力于电缆绝缘材料与电缆系统技术。

赵洪，教授，博士生导师。长期从事高电压与绝缘技术学科教学与科研工作，1993年获国务院政府特贴。现任中国电工技术学会电线电缆专业委员会副主任委员，上海国缆检测股份公司中心专家委员会主任委员，高压、超高压电缆技术国家工程研究中心专家组成员。曾任电工技术学会工程电介质专业委员会副主任委员，中国电机工程学会高电压技术专业委员会委员，特种电缆技术国家重点实验室学术委员会委员。

杨旭，博士，硕士研究生讲师，研究方向聚合物高压直流电缆绝缘材料研发及电荷输运调控。

本工作成果发表在2025年第21期《电工技术学报》，论文标题为“接枝改性XLPE绝缘材料宽场域下的空间电荷与电导特性“。本课题为国家自然科学基金资助项目。