摘要：高壓電纜是城市輸電網的關鍵電力裝備，是海上風電輸送到陸地電網、實現新能源大規模利用的關鍵電力裝備。然而，高壓電纜用交聯聚乙烯絕緣料是我國高壓電纜生產的“卡脖子”關鍵電工材料。高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的生產與應用全流程涉及多步驟、多結構、多性能。該文梳理了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的四大關鍵性能，凝練了出高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的 5 個基礎科學問題。通過基礎問題探討，旨在推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料基礎理論的研究，推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發進程。

　　關鍵詞：高壓電纜;交聯聚乙烯;絕緣

　　0 引言

　　電力能源是城鎮化和工業化的基礎。我國電能 80%以上消費在城市，城鎮化戰略使得城市用電量占比和地下能源綜合通道建設日益增加[1-2]。高壓交流電纜是城市地下能源通道的關鍵電力裝備，截止 2021 年 7月，國家電網公司在運的 66 kV 電壓等級及以上高壓電纜回路長度約 3.7 萬公里，已有 10 個城市超過800km[3]。按照“2060 年前實現碳中和”的國家戰略要求，海上風電等新能源將會大規模發展。我國海上風電新增容量連續三年世界第一。

　　截至 2021 年 6 月底，全國海上風電累計裝機規模超過 1110 萬 kW，海上風電總容量超過德國，僅次于英國[4]。高壓直流電纜是海上風電并網的核心電力裝備。因此，高壓電纜對我國電力能源的高質量發展至關重要，也對我國能源戰略具有重大意義。我國電線電纜行業產值世界第一，位居國內制造業第二，僅次于汽車行業。

　　2020 年，電線電纜行業產值約為 1.2 萬億元人民幣，占當年 GDP 比重高達 1.18%[5]。2018 年，電線電纜出口額達到 215 億美元[5]。近年來，伴隨著城市電纜化進程的推進和新能源利用工程的建設，交流電纜輸電電壓等級由 110kV、220kV向 330kV、500kV 發展，直流電纜輸電電壓等級由±160kV、±320kV 向±500kV 發展[6,7]。高壓電纜輸電線路年平均增長率超過 10%，電纜行業發展前景廣闊。交聯聚乙烯絕緣是高壓電纜的主要絕緣形式。

　　然而，長期以來，我國 110 kV 電壓等級以上電纜生產所需交聯聚乙烯絕緣料受制于人、依賴進口，對我國電力電纜發展和城市輸電安全構成極大威脅。國外電纜絕緣料供應商主要為美國的陶氏化學和歐洲的北歐化工，國內市場被它們壟斷。近幾年國外電纜料供貨不穩定，影響國內高壓電纜工程建設，電纜絕緣料成為高壓電纜生產的“卡脖子”關鍵電工材料。

　　因此，高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的自主研發與生產，是我國高壓電纜生產和城市電能輸送迫切需要解決的關鍵問題。國外以北歐化工為代表的電纜絕緣材料生產企業發展歷史長，交聯聚乙烯交流絕緣電壓等級于 1973年達到 84 kV，2001 年達到截止目前最高的 525 kV 等級，并隨后在多國電纜工程中應用(俄羅斯，2005;哥倫比亞，2010;中國，2014;美國，2016)。北歐化工與 ABB 公司合作于 2014 年推出新一代交聯聚乙烯直流絕緣材料，制造出±525 kV/2.6 GW 直流電纜系統產品并通過了試驗驗證。陶氏化學的交聯聚乙烯絕緣料牌號眾多，研發歷史悠久，也在國內獲得了廣泛的使用，其產品可以達到 500 kV 電壓等級。韓國韓華也研制出 220 kV 電壓等級的電纜絕緣料。國內部分企業開展了 110 kV 和 220 kV 電纜絕緣料研發。

　　例如，中國石化燕山石化公司已經建成一條可實現從乙烯生產、聚合到復配過程連續生產的 110 kV 電纜絕緣料生產線。揚子-巴斯夫石化公司可以生產低密度聚乙烯基料。江蘇德威與浙江萬馬在國產低密度聚乙烯基料基礎上研制出 220 kV 交聯聚乙烯絕緣料。目前，220 kV 交聯聚乙烯交流絕緣通過了預鑒定試驗，并開展示范應用;±535 kV/3 GW 高壓直流電纜系統通過型式試驗，正在張北±500 kV 柔性直流輸電工程中示范應用，但尚未有連續生產的驗證和工程應用數據。雖然交聯聚乙烯電纜料的研發與生產方面國內外差距顯著，但是目前我國正在加快推進電纜料的國產化進程。

　　1 高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料關鍵性能探討

　　高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料是電力電纜最重要的電工材料。高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的生產過程如下：乙烯在高溫高壓條件下由引發劑引發自由基反應聚合為低密度聚乙烯基料;聚合反應在管式法工業裝置中進行，聚合速率快、溫度高(170~300 ℃)、壓力超高(180~350 MPa)[8];基料經復配過程引入交聯劑和抗氧劑，成為交聯聚乙烯絕緣料;絕緣料擠出成型后經交聯反應成為電纜絕緣，再經長達 1~2 周的脫氣過程去除交聯副產物，最終加工成成品電纜。高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的關鍵性能主要有以下幾點：

　　1)低密度聚乙烯基料的結構與流變性能交聯聚乙烯絕緣料的流變性能反映其可加工性，是電纜絕緣料的關鍵性能之一。交聯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，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 ℃下進口基料零切黏度為 4.45×104 Pa·s，而國產基料為 3.81×104 Pa·s[10]。

　　國產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構，即相對平均分子質量、相對分子量分布、支化度、長支鏈與短支鏈結構等[9,11,12]。相對平均分子質量越大黏度越大[13];相對平均分子質量接近時，相對分子量分布越寬流動性越好;相對平均分子質量和相對分子量分布接近時，流變性受控于支化結構。不同牌號低密度聚乙烯基料的分子鏈結構差異很大[14]。

　　以相對分子量分布為例，國產低密度聚乙烯基料較北歐化工和陶氏化學基料高。以長支鏈數為例，國產低密度聚乙烯基料高分子量區的長支鏈數與進口電纜料接近，而低分子量區長支鏈數目明顯較少。相對平均分子質量、相對分子量分布、長支鏈與短支鏈等分子鏈結構決定于自由基聚合反應機理和動力學過程。

　　當前，國內外學者對自由基聚合反應的機理和動力學過程已經開展了較為廣泛的研究，并提出了一些管式反應器穩態模型的建模思路與方法[15-17]。在模擬聚合物分子的結構性質時提出了多元眾體平衡方程 (PBEs)，但其計算成本極高。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性建模上運用。

　　此外，也有研究者借助于一些過程模擬軟件如 Aspen Polymer Plus[20]、gPROMS[21]、Fluent 等進行建模，但其缺乏反應機理支撐。目前還缺少全面完整的高壓聚乙烯反應器動態模型，以實現計算預測溫度、壓力、引發劑、調節劑以及其它各種設計與操作變量對分子鏈結構的調控。需要從管式法自由基反應和動力學入手研究低密度聚乙烯基料分子鏈結構的精確控制，設計開發具有優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構批次穩定性的關鍵技術和工藝，提升高壓電纜交聯聚乙烯絕緣的成型質量和相關物理性能。

　　2)交聯聚乙烯絕緣料脫氣性能交聯聚乙烯絕緣料脫氣性是指交聯聚乙烯絕緣在脫氣工藝中除去內部交聯副產物的能力。脫氣性能好壞體現在脫氣時間長短和殘余交聯副產物含量高低兩方面，因此直接關系到電纜生產效率高低以及電纜絕緣性能優劣。

　　一方面，電纜絕緣層脫氣處理所需要的時間相比其它電纜加工環節而言，在整個電纜制造時間中占比最大，約占 50%~70%。國內外脫氣性研究以脫氣過程表征為主。例如，以失重法或高效液相色譜法分析交聯副產物從電纜絕緣中的脫除過程，或者模擬交聯副產物擴散速度，預測脫氣時間以提升脫氣效率[22]。北歐化工和陶氏化學兩家公司生產的最新牌號的電纜絕緣料所需脫氣時間明顯減少，脫氣時間相比舊牌號絕緣料縮短了40%~50%[22]，可使電纜的生產效率大幅提升。

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

　　交聯反應過程不僅與復配體系相關，還受低密度聚乙烯基料的分子鏈結構影響[24]，如乙烯基團、分子量、分子鏈支化程度等。乙烯基團可以顯著提升交聯效率，可在較短的時間內獲得較高的凝膠含量;分子量的影響表現為較高的數均分子量可增加交聯網絡結構的交聯密度，因為短分子鏈難以引入交聯體系，降低了獲得高凝膠含量的可能性，而長分子鏈增加了交聯網絡結構中束縛與纏結;長鏈支化度高的分子鏈線團占據體積小，更傾向于在線團內部發生交聯反應，形成分子內交聯點，對有效交聯網絡并沒有貢獻，會削弱交聯聚合物的網絡強度[25,26]。提升脫氣性能的核心問題在于保證交聯聚乙烯絕緣熱、力學性能的基礎上提升交聯劑作用效率、降低交聯劑用量、改善電纜絕緣脫氣性能，從而提高高壓電纜生產效率，優化交聯聚乙烯絕緣純凈度，并提高高壓電纜交聯聚乙烯絕緣性能。

　　因此需要揭示交聯劑復配與低密度聚乙烯基料聚集態結構的關聯、交聯反應效率與基料分子鏈結構的關聯，進一步優化絕緣料交聯劑復配配方和復配工藝，并提出基料鏈結構改進方案。此外，針對目前過氧化二異丙苯交聯劑可引發焦燒現象并需要脫氣處理的局限性，國外學者開展的新型交聯方式研究也具有借鑒意義[27,28,29]。例如，通過兩種接枝聚乙烯共聚物組成的混合材料[29]，該材料在 120~140 ℃溫度范圍內不發生交聯反應，而當溫度高于 150 ℃時發生交聯反應而不產生任何副產物。

　　3)交聯聚乙烯絕緣料耐焦燒性能交聯聚乙烯絕緣料耐焦燒性是指抑制其擠出過程中過早交聯、生成凝膠現象的能力。電纜絕緣料耐焦燒意味著擠出過程中允許溫度波動程度更大，高溫加工時間更長，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，避免了凝膠產物堵塞擠出濾網，增加了電纜擠出長度，提升了電纜生產效率;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內部結構的均勻性，改善電氣絕緣性能。

　　實驗室一般采用電纜絕緣料在固定高溫和剪切作用下轉矩隨時間的變化趨勢分析其耐焦燒性能，將轉矩由最小值增加 10 N·m 所需時間值來定量化表征耐焦燒性能。測試結果表明，北歐化工電纜絕緣料轉矩提升 10 N·m 的時間較長，陶氏化學電纜絕緣料次之，而某批次國產電纜絕緣料時間最短，耐焦燒性能較差。這反映出國產電纜絕緣料連續擠出加工時間較短，電纜生產效率低，可能存在絕緣內部結構不均勻，電纜絕緣性能不足的風險。絕緣料復配過程中引入的抗氧劑的能捕獲自由基，抑制擠出過程中的焦燒現象，但同時也將抑制擠包成型后的交聯反應，降低交聯效率，造成絕緣層交聯度下降[31-33]。

　　而過多使用抗氧劑將造成交聯聚乙烯電氣絕緣性能的變化，尤其是直流場下的絕緣性能[34]。可見，提升耐焦燒性能的關鍵在于從提升抗氧劑作用效率，改善電纜絕緣料復配體系與復配工藝。國外研究表明，使用新型有機抗氧化輔助料、交聯劑和交聯輔料，調節抗氧劑和交聯劑的協同作用，可提高電纜絕緣料的耐焦燒性能，避免擠出過程中發生焦燒現象[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，同時有效抑制了電纜絕緣料在擠出過程中的焦燒[32]。

　　此外，新型交聯過氧化物—過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副產物，提高了電纜絕緣料的生產效率[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配體系與復配工藝，從而提升電纜絕緣料耐焦燒性能是優化高壓電纜交聯聚乙烯加工性能和絕緣性能的關鍵。

　　4)交聯聚乙烯絕緣電氣絕緣性能交聯聚乙烯絕緣的電氣絕緣性能關鍵指標包含了介電損耗、介電常數、電導率、擊穿場強等。相比北歐化工電纜絕緣料，國產電纜絕緣料各介電參數不足的原因包括以下幾方面：首先，國產電纜絕緣料化學純凈度低，表現為極性基團、交聯副產物和抗氧劑等含量高;其次，每千克國產電纜絕緣料中 100 μm 尺寸以上的雜質約有 2~5 個，而進口電纜絕緣料沒有大于 100 μm 的雜質。

　　微米級雜質的引入將導致擊穿場強顯著下降。此外，各個電性能參數均與交聯聚乙烯絕緣分子鏈結構和聚集態結構相關[34-37]，例如鏈結構將直接影響電纜絕緣的電­機械擊穿溫度特性，例如分子量為 2500 的低密度聚乙烯，球晶尺寸為 17~20 μm，其直流擊穿場強僅為 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，直流擊穿場強高達 430 kV/mm[38]。目前多種技術途徑的電纜絕緣料研發工作往往以電氣絕緣性能的提升為目標[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調抑制電荷注入[40]、調控電導率特性[41]、優化直流接地電樹枝特性[42]、獲得高擊穿場強[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，表現在電場分布特性、電熱老化特性、電樹枝特性等方面。電導溫度依賴特性、空間電荷特性及其耦合關系等是決定交聯聚乙烯直流絕緣性能的基礎，而介電常數、介電損耗、介電強度等是決定交聯聚乙烯交流絕緣性能的基礎。高性能電纜絕緣研發需要首先明確上述多種介電特性與交聯聚乙烯絕緣多級結構和雜質缺陷的量化關系。

　　電樹枝化是交流高壓電場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聚乙烯絕緣的老化特性和長期服役性能。電樹枝引發與生長主要受交聯聚乙烯結構和雜質缺陷的影響[36]。雜質缺陷或屏蔽層凸起是電樹枝引發的關鍵位置。國產電纜絕緣料雜質含量高、擠出絕緣表面不光滑、絕緣/屏蔽層界面凸起等缺陷數量多，造成電纜絕緣電樹枝引發概率高，電氣絕緣性能不足。然而，隨著高壓電纜電壓等級不斷提升，電纜絕緣微米級雜質與屏蔽層凸起缺陷位置外仍可以發現電樹枝現象。

　　國內外對電樹枝研究局限在電樹枝引發與生長過程的物理機制，重點關注結晶結構、抗氧劑與其它改性填料(電壓穩定劑[44]、納米填料[43])對電樹枝的影響。沒有從抑制電樹枝角度，對交聯聚乙烯鏈結構提出要求，無法指導低密度聚乙烯基料分子鏈結構設計和復配體系設計。因此，迫切需要從乙烯聚合和復配過程入手，研究提升電纜絕緣料純凈度、減少電纜絕緣料缺陷數量的方法，揭示電樹枝與電纜絕緣料鏈結構的關聯，提升電纜絕緣耐電樹枝能力，提高高壓電纜交聯聚乙烯絕緣性能。綜上所述，我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發的關鍵是基料鏈結構與流變性能、脫氣性能、耐焦燒性能和電氣絕緣性能。

　　2 高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料基礎科學問題探討針對以上論述的高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發中所面對的挑戰，即在絕緣料四大關鍵性能，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，凝練出五個基礎科學問題。

　　1)低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制交聯聚乙烯絕緣料的流變性能與低密度聚乙烯分子鏈結構直接相關。同時，分子鏈結構還決定了其可交聯性以及添加劑復配過程，影響分子鏈交聯網狀結構和結晶結構。我國目前采用進口管式法工業裝置，經超高壓高溫反應合成制備低密度聚乙烯基料，這對裝置的安全穩定運行要求極高。國內相關化工企業不掌握關鍵專利技術，缺乏生產運行過程安全操作邊界工藝技術研究基礎，而對低密度聚乙烯的多參數工藝調整必然引發巨大的安全生產風險性，故不能對基料進行全面系統的工藝條件優化。這些制約了低密度聚乙烯基料的分子結構優化與性能提升。

　　針對低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制這一科學問題，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構的優化方案，然后結合模擬仿真計算、小試裝置試驗、反應控制技術等方面開展研究工作。構建低密度聚乙烯分子鏈結構與自由基聚合基元反應的關聯;開展低密度聚乙烯合成的實驗研究;研究高壓低密度聚乙烯管式法聚合工藝的模擬計算方法;研究管式反應器各區轉化率控制技術;研究控制低密度聚乙烯鏈結構的關鍵技術和工藝。

　　2)電纜絕緣料流變行為與設計理論電纜絕緣料的分子鏈設計需要以優異的流變性能獲得目標分子鏈結構。同時，流變性能也影響著電纜絕緣料的復配過程，即影響抗氧劑的添加過程。針對電纜絕緣料流變行為與設計理論這一科學問題可以開展如下研究工作：構建電纜絕緣料低密度聚乙烯基料分子鏈結構與流變行為的關聯;研究低密度聚乙烯基料流變行為與復配過程關聯的機理;研究電纜絕緣料應用周期內熔體黏彈特性和動態成型中的流動狀態，提出電纜絕緣料擠出流變行為理論，進而設計符合不同電壓等級電纜擠出加工工藝的流變行為;研究絕緣料擠出動態成型調控方法及其對絕緣成型后多級結構的影響規律與機制。

　　3)電纜絕緣料交聯和流變耦合機理優化設計電纜絕緣的復配體系，精準控制電纜擠出動態成型過程，需要關注電纜絕緣料交聯和流變的耦合機理，針對這一科學問題可以開展如下研究工作：掌握交聯劑擴散遷移對交聯的作用規律和機理;研究交聯劑在電纜絕緣料中的擴散特征與長時穩定性;揭示交聯與流變的耦合作用機制，從分子鏈結構層面研究流變特性與交聯特性的相互影響作用;研究交聯流變耦合提高交聯效率的理論，研究提升交聯劑交聯效率的理論方法。

　　3 結論

　　本文討論了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料成為高壓電纜生產“卡脖子”關鍵電工材料這一現狀;結合生產與應用流程，梳理了高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料的四大關鍵性能，即低密度聚乙烯基料結構與流變性能、交聯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聚乙烯絕緣的五個基礎科學問題，即低密度聚乙烯分子鏈結構設計和控制、電纜絕緣料流變行為與設計理論、電纜絕緣料交聯和流變耦合機理、電纜絕緣料抗氧化和交聯耦合機理、電纜絕緣性能與交聯聚乙烯結構和雜質缺陷的關聯。通過基礎問題探討，旨在推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料基礎理論的研究，推進我國高壓電纜交聯聚乙烯絕緣料自主研發進程。

　　參考文獻：

　　[1] 陳樹民.我國電力需求影響因素研究[D].山東：山東大學，2018.

　　[2] 胡真.探索電力體制改革背景下的城市電網系統規劃設計——以某大型城市的輸變電網絡規劃設計為例[J].智能城市.2019, 5(19)：75-76.

　　[3] 國家電網統計數據. 國家電網，2021.

　　[4] 全球風能理事會數據. 全球風能理事會，2021.

　　[5] 國家統計局年度數據. 國家統計局，2021.

　　[6] 田詩語，盧奕城.500kV 電纜納入城市綜合管廊的應用研究[J]. 電工技術.2019，08: 58-59.

　　作者：李盛濤 1，王詩航 1，楊柳青 1，李建英 1，趙健康 2，景政紅 3