曾 浩，高 凱，王傳博，朱智恩，楊黎明

（南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 211106）

0 引言

推進(jìn)傳統(tǒng)化石能源向風(fēng)電、太陽能等新能源的轉(zhuǎn)變是實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要措施。柔性直流輸電技術(shù)作為大規(guī)模新能源并網(wǎng)的重要手段，近些年來發(fā)展迅速[1]。直流電纜是柔性直流輸電的關(guān)鍵裝備，其可靠性影響著電網(wǎng)運行的穩(wěn)定。直流輸電早期采用的是油浸紙絕緣（MI）電纜，但因為生產(chǎn)MI電纜不環(huán)保，安裝和維護(hù)非常困難，所以直流輸電逐漸采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜[2]。

目前，國際上高壓直流電纜用XLPE絕緣料的市場基本被北歐化工公司壟斷，XLPE絕緣料的工作溫度僅為70℃，低于交流電纜的工作溫度（90℃），采用XLPE絕緣料制造的直流電纜系統(tǒng)輸送容量較小。國內(nèi)外的研究人員已逐步開展工作溫度為90℃的高壓直流電纜絕緣料（以下簡稱“直流料”）的研發(fā)。

研發(fā)90℃直流料采用最多的是納米復(fù)合技術(shù)路線，通過添加納米粒子可以有效地抑制材料中的空間電荷，提高材料的直流耐壓水平，降低材料電阻率/電導(dǎo)率對溫度的敏感性[3-6]。關(guān)于納米復(fù)合直流料的研究大多是研究納米粒子對直流料電氣性能的影響，而對于直流料中納米粒子分散性能的研究較少，特別是定量評價納米粒子分散性能的研究更少。

本研究分別采用雙螺桿擠出機(jī)和密煉機(jī)制備絕緣母料，再將絕緣母料制備成直流料，采用透射電鏡（TEM）和Image J軟件定量分析直流料中納米粒子的分散性能，并測試直流料的電氣性能。通過構(gòu)建微觀納米粒子的分散性能與宏觀材料的電氣性能的關(guān)系，為納米復(fù)合直流料的性能評價提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

基料為揚(yáng)子石化—巴斯夫公司生產(chǎn)的低密度聚乙烯（LDPE），密度約為0.92 g/cm3，熔體流動速率為2.0 g/10 min；空間電荷抑制劑為一種無機(jī)納米粒子，原生粒徑約為20 nm；采用的助劑為抗氧劑300，密度為1.1 g/cm3，灰分含量≤0.05%；采用的交聯(lián)劑為上海高橋石油化工有限公司生產(chǎn)的過氧化二異丙苯（DCP）。

1.2 直流料的制備

采用雙螺桿擠出機(jī)和密煉機(jī)分別制備摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的空間電荷抑制劑的絕緣母料，并將兩種絕緣母料通過往復(fù)式單螺桿擠出機(jī)按照一定比例稀釋，經(jīng)500目濾網(wǎng)過濾、水下切粒后采用后滲透法添加一定比例的交聯(lián)劑，制備成直流料，其流程如圖1所示，將母料采用雙螺桿擠出機(jī)和密煉機(jī)制備的直流料記為A和B。

圖1 直流料制備流程圖Fig.1 Flow chart of HVDC insulation preparation

1.3 測試方法

1.3.1 TEM測試

通過超聲鉆石刀將直流料制成厚度為100 nm左右的超薄試片，然后將試片置于具有支持膜的銅網(wǎng)上。在日立公司生產(chǎn)的JEM2100型透射電子顯微鏡上，將加速電壓調(diào)整為80 kV，觀察試片的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)分別為10 K、20 K、50 K。

1.3.2 Image J軟件處理方法

先采用Image J軟件將TEM圖轉(zhuǎn)為8位的灰度圖，然后按照圖中標(biāo)尺將軟件默認(rèn)的單位（pixels像素）轉(zhuǎn)換成nm，再調(diào)節(jié)灰度圖的對比度和閾值使納米粒子能與背景較好區(qū)分，最后設(shè)置粒子尺寸范圍以排除背景灰點，并統(tǒng)計結(jié)果。

1.3.3 體積電阻率測試

按照GB/T 1410—2006規(guī)定測試，試片厚度為1.0 mm，每組至少5個樣品，試驗溫度分別為30、50、70、90℃?？紤]到實際工程中直流電纜絕緣層的平均場強(qiáng)為10～20 kV/mm，因此體積電阻率測試采用20 kV作為測試電壓。為了改善金屬電極與試片的接觸，試片表面涂覆導(dǎo)電銀漆作為電極材料。

1.3.4 直流電氣強(qiáng)度測試

按照GB/T 1408—2006規(guī)定測試，試片厚度為0.3 mm，每組至少10個樣品，周圍媒介為絕緣油，電極為球形電極，試驗溫度分別為30、50、70、90℃。試驗采用快速升壓方式，升壓速度為5 kV/s。通過擊穿電壓除以試片厚度得到直流電氣強(qiáng)度。

1.3.5 空間電荷測試

采用壓力波法（PWP法）[7-8]開展空間電荷測試。絕緣試片的兩面需熱貼半導(dǎo)電層，其中絕緣層厚度為1 mm、直徑為170 mm，半導(dǎo)電層厚度為0.5 mm、直徑為50 mm。測試溫度為40℃，對試片施加-40 kV的直流電壓（平均場強(qiáng)為40 kV/mm），保持60 min，記錄60 min時的空間電荷分布波形。

2 結(jié)果與分析

2.1 TEM分析

圖2、圖3分別為直流料A和直流料B在不同放大倍數(shù)下的TEM典型圖像。從圖2～3可以看出，兩種直流料中納米粒子分布較為均勻，分散較好，粒徑基本都在200 nm以內(nèi)，但具體的分布和分散程度難以判斷，特別是兩種直流料的差異性更難判斷。因此如何定量評價納米粒子在聚合物基體中的分布和分散非常重要。

圖2 直流料A的TEM圖Fig.2 TEM images of insulation material A

圖3 直流料B的TEM圖Fig.3 TEM images of insulation material B

Image J是可以求取圖片中物體的長度、面積、角度、圓度等功能的圖片分析軟件，運用Image J軟件可以對TEM圖片中的納米粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和提取[9]。由于納米復(fù)合聚合物材料的TEM圖片存在背景亮度不均勻、納米粒子邊界與圖片背景灰度差小的特點，在提取TEM圖片中納米粒子數(shù)據(jù)之前，需對圖像進(jìn)行二值化處理和對比度調(diào)整，形成可以用Image J軟件求取納米粒子數(shù)據(jù)的圖片[10]。

采用Image J軟件從TEM圖像中提取納米粒子的特征數(shù)據(jù)，每種直流料選取5張圖片進(jìn)行提取。表1～2分別為直流料A和直流料B中納米粒子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.2 森下氏指數(shù)

森下氏指數(shù)（Morisita's Index）首先由Masaaki Morisita提出，可以應(yīng)用于納米粒子在聚合物基體中分布和分散的研究領(lǐng)域[11]。森下氏指數(shù)（I）的表達(dá)式如式（1）所示。

表1 直流料A中納米粒子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.1 Statistics of nanoparticles in insulation material A

表2 直流料B中納米粒子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of nanoparticles in insulation material B

式（1）中：Q為圖片數(shù)量；N為所有圖片中粒子總數(shù)；ni為第i張圖的粒子數(shù)量。

森下氏指數(shù)的物理意義是當(dāng)納米粒子隨機(jī)分布時，森下氏指數(shù)I=1；當(dāng)納米粒子均勻分布時，I＜1，并且分布越均勻，越接近于1；當(dāng)納米粒子不均勻分布并有團(tuán)聚時，I＞1，并且I越大，分布越不均勻，團(tuán)聚也越大。

由于不同TEM圖片的實際大小不一致，為了便于計算，統(tǒng)一將圖片面積歸一為（5 000×2 000）nm2，計算表1～2中的粒子數(shù)量，計算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 直流料A和B中納米粒子數(shù)量的計算數(shù)據(jù)Tab.3 Calculating data of the number of nanoparticles in insulation material A and B個/10μm2

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)分別代入式（1）計算兩種直流料的森下氏指數(shù)，可得IA=0.994，IB=1.019。

從計算結(jié)果可以看出，IA＜1，且非常接近于1，表明直流料A中納米粒子的分布非常均勻，而IB＞1，說明直流料B中納米粒子分布不均勻。

2.3 粒徑分布

為了便于比較兩種直流料中納米粒子的粒徑分布情況，假設(shè)所有粒子都為規(guī)則圓形，按照式（2）計算粒子的當(dāng)量直徑。

式（2）中：d為粒子的當(dāng)量直徑；S為粒子的面積。

計算圖2～3中粒子的當(dāng)量直徑，計算結(jié)果統(tǒng)計如圖4～5所示。從圖4～5可以看出，兩種直流料中納米粒子的粒徑?jīng)]有呈現(xiàn)正態(tài)分布，而是呈現(xiàn)正偏態(tài)分布，但兩者的粒徑差異難以直接對比。因此，計算兩種直流料中的粒徑數(shù)據(jù)，繪制粒徑分布如圖6～8所示。

圖4 直流料A中納米粒子的粒徑分布統(tǒng)計Fig.4 Distribution statistics of nanoparticles in insulation material A

圖5 直流料B中納米粒子的粒徑分布統(tǒng)計Fig.5 Distribution statistics of nanoparticles in insulation material B

圖6 兩種直流料中納米粒子的平均粒徑Fig.6 Average particle size of nanoparticles in two kinds of insulation material

圖7 兩種直流料中納米粒子的最大粒徑Fig.7 Maximum particle size of nanoparticles in two kinds of insulation material

圖8 兩種直流料中納米粒子的最小粒徑Fig.8 Minimum particle size of nanoparticles in two kinds of insulation material

從圖6～8可以看出，兩種直流料中納米粒子的最小粒徑相差不大，最小粒徑平均值為21 nm左右，這是由納米粒子的原生粒徑（約20 nm）以及Image J軟件的處理方法決定的，而直流料A中納米粒子的平均粒徑和最大粒徑均小于直流料B，說明直流料A中納米粒子的分散性更優(yōu)。

2.4 電氣性能

與交流電纜絕緣料需要考察的參數(shù)不一樣，一般可以通過體積電阻率/電導(dǎo)率、直流電氣強(qiáng)度、空間電荷性能來評價直流電纜絕緣料的電氣性能[12-13]，表4是兩種直流料在不同溫度下的電氣性能對比。從表4可以看出，在不同測試溫度下，直流料A和直流料B的體積電阻率均非常接近，而直流料A的直流電氣強(qiáng)度則明顯大于直流料B。

表4 兩種直流料在不同溫度下的電氣性能Tab.4 Electrical properties of two kinds of insulation at different temperatures

圖9是兩種直流料試樣在加壓60 min時的空間電荷密度分布圖。從圖9可以看出，兩種直流料試樣在電極附近均形成少量異極性電荷。場增強(qiáng)因子（field enhancement factor，F(xiàn)EF）[14-15]可以表征空間電荷注入情況，F(xiàn)EF的值越大表示空間電荷注入越多。計算得到高電場下（40℃、40 kV/mm）下直流料A的FEF為1.16，小于1.2，其空間電荷抑制效果優(yōu)于直流料B（FEF為1.21）。

圖9 兩種直流料的空間電荷密度分布圖Fig.9 Space charge density distribution of two kinds of insulation material

從電氣性能測試結(jié)果可以看出，直流料A的電氣性能比直流料B更好，造成電氣性能差異的原因是直流料A采用了雙螺桿擠出機(jī)制備的絕緣母料。

雙螺桿擠出機(jī)的剪切強(qiáng)度高于密煉機(jī)，納米粒子在聚合物基體能夠充分分散，通過雙螺桿擠出機(jī)制備絕緣母料的混煉效果更優(yōu)，這一點從森下氏指數(shù)和粒徑分布統(tǒng)計的定量分析結(jié)果可以看出，與直流料B相比，直流料A中納米粒子的分布更均勻、粒徑更小、分散更好，這些分散效果優(yōu)異的納米粒子可能會增加材料中的深陷阱數(shù)量[16]，從而起到良好的空間電荷抑制效果；此外，分散較差，甚至發(fā)生團(tuán)聚的納米粒子會增加材料中的缺陷，從而導(dǎo)致材料的直流耐壓水平下降，再加上較差的空間電荷抑制效果，因此直流料B的直流電氣強(qiáng)度較低。

3 結(jié)論

（1）通過TEM圖像的定性分析難以判斷納米復(fù)合直流料中納米粒子的分布和分散程度，采用Image J軟件可以提取TEM圖中納米粒子的特征數(shù)據(jù)，從而能夠定量分析納米粒子的分散性能。

（2）與采用密煉機(jī)制備絕緣母料的直流料B相比，采用雙螺桿擠出機(jī)制備絕緣母料的直流料A中納米粒子分布更均勻，森下氏指數(shù)＜1，粒徑較小，分散更好，同時直流料A的電氣性能更優(yōu)。