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《Hindered phenolic antioxidant grafting on tailoring the DC electrical characteristics of polypropylene cable insulation》
题目：基于受阻酚抗氧剂接枝的聚丙烯直流电缆绝缘性能提升方法
作者：杜伯学，孙国宁，王赫宇，李忠磊
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大容量高压直流海缆是实现海上风电并网、同/异步电网互联的核心装备。聚丙烯基热塑性电缆绝缘材料是目前环保型高压直流电缆绝缘的重要发展方向。但聚丙烯绝缘存在电气和力学性能难以协同调控的矛盾：一方面，聚丙烯绝缘自身刚性大、韧性与耐低温冲击性能差，无法满足高压直流电缆绝缘的力学性能要求；另一方面，通过共混、共聚等改性手段可提高聚丙烯基绝缘力学性能，但也会导致其电气、耐热性能的显著下降。本研究在国际上率先提出了基于受阻酚抗氧剂接枝的聚丙烯电缆绝缘电气性能和耐老化性能协同提升方法，使聚丙烯绝缘兼具低电导率、低空间电荷电场畸变率、高直流击穿场强和极性翻转击穿场强以及优异的抗热氧老化性能。
1）实验结果
图1为基于差式扫描量热（DSC）测试的聚丙烯绝缘氧化诱导时间（OIT）表征结果，可见受阻酚抗氧剂接枝改性可使OIT提高142.6%，显著提升绝缘抗热氧老化性能。
图1 聚丙烯绝缘氧化诱导时间
受阻酚抗氧剂接枝可显著抑制10~30kV/mm、30~90℃下的空间电荷限制电流，提高肖特基注入势垒，降低高温、强场下聚丙烯电缆绝缘的电导率，如图2所示。
图2 聚丙烯绝缘电导率特性
受阻酚抗氧剂接枝改性不仅可提升聚丙烯绝缘的直流击穿场强（图3a），更重要的是该调控手段通过抑制空间电荷的注入、削弱电场畸变，从而显著提升负极性40 kV/mm电场预压60min后的异极性直流击穿场强（图3b）。由3b中可见，在90℃下负极性40 kV/mm电场预压60min后，未改性聚丙烯绝缘击穿场强由356.0kV/mm下降到203.4kV/mm，而接枝改性聚丙烯绝缘击穿场强仅由372.9kV/mm下降至284.1kV/mm，即接枝改性聚丙烯绝缘相比于未改性聚丙烯绝缘的直流预压击穿场强提升了39.6%。
图3 聚丙烯绝缘(a)正极性直流击穿特性和(b)负极性40 kV/mm电场预压60min后的正极性直流击穿场强
2）理论分析
受阻酚抗氧剂接枝不仅可利用受阻酚基团清除聚丙烯绝缘中的氧化自由基，抑制自由基链式反应，提高抗氧化性能，同时可在聚丙烯中引入局域态电荷陷阱。通过量子化学计算获得聚丙烯绝缘分子链的表面静电势分布（图4），可见接枝单体可引入的静电势显著高于聚丙烯本体，形成正、负电荷捕获中心，并将正、负电荷束缚于离散的局域态能级中（图5），从而抑制空间电荷在绝缘中的迁移过程。综上，受阻酚抗氧剂接枝兼具了清除氧化自由基功能和清除自由空间电荷功能，因此也被称为“双重功能化接枝”。
图4 表面静电势分布与静电势表面区面积
图5 电子态密度和HOMO-LUMO能级
本文提出了一种基于受阻酚抗氧剂接枝的聚丙烯电缆绝缘电气性能和耐老化性能协同提升方法，使聚丙烯电缆绝缘兼具低电导率、低空间电荷电场畸变率、高直流击穿场强和极性翻转击穿场强以及优异的抗热氧老化性能，为环境友好型直流电缆绝缘研究和工程应用提供技术支撑。
Boxue Du, Guoning Sun, Heyu Wang, Zhonglei Li: Hindered phenolic antioxidant grafting on tailoring the DC electrical characteristics of polypropylene cable insulation. High Voltage. 9(5), 971–980 (2024).
杜伯学（第一作者），天津大学教授，从事高电压与绝缘技术的教学与科研工作。先后主持国家自然科学基金、联合基金、国际合作基金等重点项目。出版学术专著8部，发表IEEE Trans期刊论文280余篇，连续入选爱思唯尔（Elsevier）高被引学者、全球10万名顶尖科学家、表面电荷研究Scholar GPS全球学者排名第一。多次受邀担任IEEE等国内外著名期刊特约主编和副编辑。
李忠磊（通讯作者），天津大学副教授，入选中国科协青年人才托举工程、天津市第一批青年科技人才第二层次等，主要从事（超）高压交、直流电缆绝缘性能强化理论及关键技术研究。主持国家自然科学基金项目3项，出版中、英文专著2部，发表SCI论文80余篇，授权发明专利10余项。兼任IEEE PES输配电技术委员会常务理事、IEEE PES直流电力系统技术委员会理事、中国电机工程学会输变电材料专委会委员、《Electrical Materials and Applications》副主编等。
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