电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV XLPE电缆材料绝缘性能的影响

石逸雯 陈向荣,4 孟繁博 洪泽林 朱汉山

电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV XLPE电缆材料绝缘性能的影响

石逸雯1,2,3陈向荣1,2,3,4孟繁博1,2,3洪泽林1,2,3朱汉山1,2,3

（1. 浙江大学电气工程学院 杭州 310027 2. 浙江大学杭州国际科创中心 杭州 311200 3. 浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室（浙江大学杭州国际科创中心） 杭州 311200 4. 浙江大学先进电气国际研究中心 海宁 314400）

该文研究了4-正丙基苯甲酸电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆材料绝缘性能的影响。采用500kV XLPE直流电缆料，通过溶液共混法和热压法制备电压稳定剂含量分别为0%、1%、3%和5%的XLPE试样，对试样进行了空间电荷、直流电导率、直流击穿、介电性能、机械性能和差示扫描量热实验。结果表明：添加4-正丙基苯甲酸电压稳定剂可以有效抑制XLPE试样中空间电荷的积累，减小材料的直流电导率并提高其绝缘寿命指数，且电压稳定剂含量为1%时XLPE试样的直流击穿场强和寿命指数最大；随着电压稳定剂含量的增加，试样的直流击穿场强先增大后减小，相对介电常数和介质损耗逐渐增加，且频率对材料相对介电常数作用更加明显；试样的机械性能和结晶度呈现出相反的变化趋势。量子化学计算表明，电压稳定剂具有正电子亲和能和较窄的分子带隙，电压稳定剂分子极性较大，添加后有利于在试样内部引入陷阱，从而有效提升了电缆绝缘材料的电气性能。

电压稳定剂 高压直流 交联聚乙烯 绝缘性能 量子化学计算

0 引言

随着国家“双碳”战略目标的提出，我国能源供应体系加快向清洁低碳转型，可再生能源逐步替代传统化石能源，其中海上风力发电凭借其风力资源丰富、节约土地资源等优点得到快速发展[1]。柔性直流输电技术加速海上风电朝着大规模化、远海化推进[2]。高压直流海底电缆是实现跨海电网互联的关键环节，其稳定性和可靠性至关重要[3]。目前高压直流海缆的绝缘部分多采用交联聚乙烯（Cross- Linked Polyethylene, XLPE），其结构简单、耐腐蚀、绝缘性能和机械性能优异，适用于海底复杂的敷设环境。但随着输电需求日益增加，直流海缆的运行电压等级亟待提高，而改善XLPE的绝缘性能是提升电压等级的关键，如抑制电缆绝缘中空间电荷的积累以减小电场畸变、提高绝缘击穿场强以减小绝缘厚度等[4]。

目前，改善XLPE绝缘性能的方法主要包括添加改性的无机纳米颗粒和添加有机电压稳定剂等[5-6]。由于无机纳米颗粒的极性较强，与非极性有机物相容性差，因此纳米填料在XLPE中易发生团聚现象，难以保证均匀分散，进而影响纳米复合材料的绝缘性能[7]。近年来，通过共混或接枝的方法使用电压稳定剂对聚乙烯绝缘材料进行改性成为研究热点，其中俘获高能电子类型的芳香族电压稳定剂已被广泛证明是提高电缆绝缘耐电气性能的有效方法[8]。Y. Yamano[9]发现带有自由基的蒽类电压稳定剂通过吸收电子的动能，阻止电子雪崩的产生，进而提高低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene, LDPE）的直流击穿场强，并且连接的自由基种类也会对LDPE的陷阱深度产生影响。Wei Zuojun等[10]发现给电子基团和受电子基团共存的电压稳定剂可以有效提高LDPE/HDPE绝缘的起树电压，并抑制空间电荷的积累。Y. W. Shi等[11]提出4-正丙基苯甲酸所连接的基团给受电子能力较为相似，因此其作为电压稳定剂可以提高XLPE的直流击穿场强。

与此同时，电压稳定剂及其含量也会对绝缘材料的形态结构[12]、热学性能和机械性能产生影响[13]，进而影响电气性能。陈向荣等[14]发现添加了电压稳定剂后聚乙烯共混物的热稳定性和结晶度得到提高，而无定形区域面积减少，进而抑制了电树枝的引发与生长。Y. Yamano[15]发现在LDPE中加入偶氮苯化合物和纳米Al2O3颗粒的混合添加剂时，由于偶氮苯添加剂存在于纳米颗粒表面与LDPE之间的界面处，使得电子的动能在与其发生碰撞时得到缓冲，因此试样的起树电压对Al2O3浓度的依赖性小，反而与偶氮苯的浓度密切相关。Sun Xiaopeng等[12]发现将丙烯酸接枝到线性低密度聚乙烯时，丙烯酸可以充当异质成核剂提高共混物的结晶温度，但其破坏了PE分子链的规律性，因而形成的氢键网络增加了试样的储能模量和复态粘度模量；而直流击穿强度随着丙烯酸含量的增加，呈现先增大后减小的变化趋势。X. Wang等[16]指出LDPE与茂金属聚乙烯（MPE）共混后，导致不完整球晶的形成，从而减少了边界上的杂质和缺陷，改善了共混物的介电性能；随着MPE含量的增加，共混物的结晶度减小，结晶尺寸有所增加，进而使击穿场强减小。

随着高压直流海底电缆电压等级和传输容量的提升，对绝缘部分的电气、力学和热学等性能提出了更高的要求。目前由于共混改性的成本低且效率高，因此适合工业化生产，但通常共混的极性小分子单体与绝缘材料基体的相容性较差，这导致了不同组分之间界面处出现微观不均匀性，进而影响其绝缘性能，因此在实际应用中，应当考虑电压稳定剂的含量问题，并探究其对绝缘综合性能的影响。本文通过溶液共混法制备了电压稳定剂含量分别为0%、1%、3%和5%的4-丙基苯甲酸/XLPE试样，并对试样进行了空间电荷、直流电导率、恒定应力及步进应力下的直流击穿特性、介电特性、机械性能和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）曲线的测量，结合量子化学计算，研究了电压稳定剂及其含量对XLPE的电学、力学和热学性能的影响。

1 试样制备与实验方法

1.1 试样制备

本文选用商用500kV电缆绝缘XLPE颗粒和邦易化工公司生产的电压稳定剂4-正丙基苯甲酸。首先，将XLPE颗粒浸没于液氮中冷冻脆化后，放置在转速为10 000r/min的超离心粉碎仪中研磨成XLPE粉末；其次，将电压稳定剂粉末与XLPE粉末混合于乙醇溶剂中，在室温下充分搅拌2h后，旋转蒸发出乙醇溶剂，制备质量分数分别为1%、3%和5%的4-丙基苯甲酸/XLPE共混物；接着将共混后的粉末放置在特制模具中，在180℃和20MPa下热压30min后，恒压下快速冷却至室温，制备厚度约为150mm的含有电压稳定剂的XLPE试样；最后，为消除交联副产物的影响，将试样放置于70℃的真空烘箱中脱气12h。为方便表述，本文将电压稳定剂含量为0%、1%、3%和5%的试样简写为XLPE、XLPE-1、XLPE-3和XLPE-5。

1.2 实验方法

采用电声脉冲法（Pulse Electro-Acoustic, PEA）对试样内部30℃时空间电荷分布进行测量，极化电场强度为40kV/mm，极化30min后，去极化15min。通过Keithley6517B连接的三电极系统采集电场强度为20kV/mm、30kV/mm、40kV/mm和50kV/mm时试样的传导电流，测试温度为30℃，极化与去极化时间分别为30min和15min。采用球板电极装置测量常温下试样快速升压（升压速率为1kV/s）和恒定电压试验的直流击穿特性，为防止闪络发生，将球板电极及试样浸没于变压器油中。采用宽温宽频介电谱分析仪（Novocontrol Concept 40）测量30℃时试样的相对介电常数和介质损耗，测量频率范围是10-1～105Hz。试样的应力-应变曲线及断裂伸长率通过万能材料试验机（Zwick/Roell Z020）测量，将试样裁剪成哑铃状，在室温下进行拉伸实验，每组实验进行5次。为评估试样的结晶性能，在氮气气氛下测量其DSC曲线（TA Q200），测试温度范围为50～150℃，测试样品质量约为5mg。

2 实验结果

2.1 空间电荷

图1为不同含量电压稳定剂/XLPE试样在极化温度为30℃和极化场强为40kV/mm时空间电荷的时空分布情况，横坐标为位置，纵坐标为时间。由图1可知，XLPE在阳极处有明显的同极性空间电荷积累现象，而添加了电压稳定剂后，试验内部空间电荷积累情况均得到改善，其中XLPE-1的改善效果最明显。XLPE-1在阳极处基本没有空间电荷积累，而阴极处出现少量同极性空间电荷；XLPE-3在阴极处有同极性空间电荷积累，且随着极化时间的增加，电荷积累量也有所增加；XLPE-5的空间电荷积累主要发生在阳极处，且随着极化时间的增加也有逐渐增加的趋势。而对于去极化过程而言，添加了电压稳定剂后，空间电荷在阳极处的消散速率有所减小，而阴极处的空间电荷消散速率有所增加。其中XLPE-1和XLPE-5的空间电荷消散速度基本相同；XLPE-3在阳极处积累的电荷消散最慢，阴极处的消散速率反而最快。

2.2 直流电导率

直流电导率反映了材料的导电性能，而电导率与施加在试样上的电场强度和单位面积流过的载流子数量和有关。30℃时，添加了不同含量电压稳定剂/ XLPE试样在不同电场强度下的直流传导电流和电导率如图2所示。随着电场强度的增强，不同试样的直流传导电流和电导率均呈现增加的趋势；但添加了电压稳定剂后，试样的直流传导电流和电导率均小于XLPE试样。随着电压稳定剂含量的增加，直流传导电流和电导率先减小后增加。当电场强度大于30kV/mm时，XLPE-5的直流传导电流上升的速度有所减缓，电导率基本恒定，约为8×10-11S/m。

图2 不同电压稳定剂含量的XLPE电导特性

2.3 直流击穿特性

不同含量电压稳定剂/XLPE试样在38kV、40kV和42kV下的耐压特性如图3a～图3d所示。当电压稳定剂含量为1%时，试样在三种电压等级下的耐压时间均为最长，而XLPE-5的耐压时间为最短。施加电压与材料寿命之间的关系[17]为

式中，为施加在试样上的恒定电压；为样品在恒定电压下的击穿时间；为寿命指数；为常数。

在双对数坐标轴下为线性分布，其中直线斜率的负倒数即为寿命指数。图3e为不同含量电压稳定剂样品的lnln图。由图3可知，添加了电压稳定剂后试样的寿命指数均比纯XLPE（=12.99）试样高。XLPE-1的寿命指数最大，为15.52，XLPE-3和XLPE-5的寿命指数分别为14.69和14.62。

不同电压稳定剂含量的试样在快速升压下的短时击穿场强如图3f所示，随着电压稳定剂含量的增加，试样击穿场强呈现先增加后减小的趋势。XLPE的直流击穿场强为407.55kV/mm，而XLPE-1、XLPE-3和XLPE-5的直流击穿场强分别为502.08kV/mm、362.53kV/mm和293.41kV/mm。

2.4 介电性能

图4为不同含量电压稳定剂/XLPE试样的相对介电常数和介质损耗。由图4a可知，XLPE的相对介电常数基本恒定，约为2.186；而添加了电压稳定剂后，试样的相对介电常数均有小幅上升，且其随着电压稳定剂含量的增加而增加。随着频率的增加，不同含量电压稳定剂/XLPE试样的相对介电常数均有所下降。高电压稳定剂含量试样的相对介电常数在低频段对频率的变化更加敏感，XLPE-5的相对介电常数最大，且随着频率的增加，其下降幅度最大。由图4b可知，随着频率的增加，试样的介质损耗整体呈现先减小后增大的变化趋势。同时由于低频时试样内部主要为电导损耗，因此在频率为0.1Hz时，XLPE的介质损耗最大，约为3.3×10-4，而XLPE-3的介质损耗最小；随着电压稳定剂含量的增加，介质损耗在高频段有所增加，且峰值逐渐左移。

图4 不同电压稳定剂含量的XLPE试样介电性能

2.5 机械性能

不同含量电压稳定剂/XLPE试样的机械性能如图5所示，其中图5a显示了拉伸应力-应变曲线，图5b为各试样的拉伸强度和断裂伸长率。未添加电压稳定剂的纯XLPE的拉伸强度为18.2MPa，断裂伸长率为418.6%；添加了3%的电压稳定剂后的XLPE试样拉伸强度和断裂伸长率均为最大，拉伸强度为18.4MPa，断裂伸长率为429.0%，均优于纯XLPE的机械性能；而XLPE-1的断裂伸长率最小，下降为379.5%，拉伸强度下降为17.2MPa；XLPE-5的拉伸强度最小，为16.2MPa，断裂伸长率也有所下降。

图5 不同电压稳定剂含量的XLPE试样的机械性能

2.6 DSC

图6展示了不同含量电压稳定剂/XLPE试样的DSC曲线。从图6中可知，添加了电压稳定剂后试样的熔融峰温度均有所增加，说明电压稳定剂的加入在一定程度上可以提高XLPE的热稳定性。随着电压稳定剂含量的增加，熔融峰值出现先增加后减小的趋势，其中，XLPE的熔融峰最小，约为107℃，而XLPE-3的熔融峰最大，为110℃。

（3）

式中，D100%为结晶度为100%时的熔化焓，D100%= 287.3J/g；D0为测得的熔化焓；0为无限厚晶体的熔点，0=414.6K；为测得的熔点；为单位面积表面自由能，60.9×10-3J/m2。

图7是不同含量电压稳定剂/XLPE试样的结晶度和片晶厚度。当电压稳定剂含量为1% 时，试样的结晶度较纯XLPE试样有所增加，此时结晶度为37.63%，而电压稳定剂含量为3%和5%时，试样的结晶度均低于纯XLPE，此时的结晶度分别只有35.04%和35.40%。添加了电压稳定剂后，XLPE试样的片晶厚度均有所增加；随着电压稳定剂含量的增加，试样的片晶厚度先增加后减小，其中XLPE-3的片晶厚度最大。

图7 不同电压稳定剂含量的XLPE试样结晶特性

3 分析与讨论

交联聚乙烯是由PE经过交联剂过氧化二异丙苯（Dicumyl Peroxide, DCP）化学交联所得到[19]。文献[20]指出，PE分子可以表示为H-[CH2-CH2]-H。由于聚乙烯的带隙随着聚合度的增加而减小，而当聚合度＞12时，分子的带隙不再有明显的变化，因此本文选择H-[CH2-CH2]12-H作为XLPE的单链，含有1个交联点，位于单链的中间位置，两条单链交联后构成XLPE分子模型。通过量子化学理论中的杂化密度泛函B3LYP/6-31G(d)，采用Gaussian 09软件来对电压稳定剂和XLPE分子进行结构优化并分析其能级轨道的分布[21]。

图8a为XLPE和电压稳定剂分子的轨道能级图，图中，HOMO为最高占用分子轨道能级，LUMO为最低的未占用分子轨道能级，g为LUMO能级与HOMO能级之差。由图8a可知，XLPE的HOMO能级为-7.43eV，LUMO能级为2.21eV，g为9.64eV；而电压稳定剂分子的HOMO能级为-6.81eV，LUMO能级为-1.22eV，g为5.60eV。LUMO能级对应导带底能级，HOMO能级对应价带顶能级，g表示禁带宽度。由图8a可知，电压稳定剂分子的HOMO能级高于XLPE分子，而LUMO能级低于XLPE分子，且本文选用含有极性基团的芳香族电压稳定剂，极性基团增加了分子的偶极矩，并在XLPE禁带宽度内产生局域态，形成陷阱[22]，因此添加电压稳定剂后XLPE试样内部的载流子陷阱数量有所增加[23]。同时，XLPE分子的导带底与价带顶附近的能级分布较为均匀，并未出现孤立能级；而电压稳定剂分子在导带底与价带顶附近的能级与临近能级之间的距离有所增大。孤立能级与临近导带（价带）能级之差可以计算电子（空穴）陷阱深度[24]，因此添加电压稳定剂后加深了XLPE内部的陷阱深度。相较而言，电压稳定剂分子的LUMO轨道与LUMO+1、LUMO+2轨道之间的间隔有明显增大，表明电压稳定剂分子引入增加了低能级的导带，增加了捕获电子的捕获能力。

总电子态密度（Total Density of electronic States, TDOS）为单位能量范围内的电子数目。XLPE和电压稳定剂分子的TDOS如图8b所示。由图8b可知，电压稳定剂分子的禁带宽度小于XLPE分子，较窄的能隙使电压稳定剂分子更易吸收高能电子的能量并以危害相对较小的方式释放。电压稳定剂分子的态密度在XLPE分子态密度为0时出现新的峰值，该峰值能级约为-0.1(au)，对应于电压稳定剂分子LUMO能级与XLPE分子LUMO能级之间新引入的局域态，并说明电压稳定剂分子对电子的捕获能力强，这有利于减弱高能电子对XLPE分子链的冲击。

图8 XLPE和电压稳定剂分子的轨道能级图和总电子态密度

基于前文对量子化学计算结果的分析可知，添加含有极性基团的电压稳定剂后，对试样内部的陷阱特性产生影响。具有较低LUMO能级的电压稳定剂分子向XLPE试样内部引入了更深的陷阱，其提高了电子注入势垒和电子捕获能力，抑制了载流子的迁移，因此电压稳定剂/XLPE试样的直流电导率有所降低，同时减少了参与碰撞的有效电子数量，抑制了电子雪崩的产生。此外，当高能电子在电场下加速并迁移时，将倾向于和电子亲和能较高的分子发生碰撞。Koopmans理论指出，电子亲和能约等于LUMO值的相反数，因此XLPE的电子亲和能为负，而电压稳定剂拥有正的电子亲和能，则电压稳定剂相较于XLPE而言，对高能电子的吸引程度更大，且电压稳定剂分子具有较窄的带隙，有利于高能电子能量的耗散，使高能电子难以获得足够的动能去发生碰撞电离，削弱其对分子链的直接破 坏[25]，从而提高试样的直流击穿强度。而被陷阱捕获的电荷会削弱电极-试样之间的电场，进而抑制空间电荷注入，因此添加了电压稳定剂后，XLPE试样内部的空间电荷积累现象得到改善。但随着电压稳定剂含量的增加，其可作为导电物质参与载流子迁移过程，因而XLPE-5的电导率反而有所上升，击穿场强有所下降。

图9为XLPE和电压稳定剂分子的HOMO、LUMO电子云图和静电势分布。阴影区域为电子在HOMO与LUMO轨道时波函数形成的离域空间，电子在离域空间出现的概率大，电子流动也相对更剧烈。由图9可知，XLPE分子的HOMO电子云位于碳链区域，LUMO电子云位于交联点附近，这表明空穴更喜欢沿着碳链移动，而电子更喜欢移动到XLPE交联点位置处的低密度区域。电压稳定剂分子的HOMO与LUMO图的阴影面积基本覆盖整个电压稳定剂分子，电子可以在电压稳定剂分子周围得到充分运动；两者阴影面积大小近似相等，表明电压稳定剂分子的给-受电子能力相近，且苯环处的HOMO与LUMO图的电子云分布呈互补，即苯环处在两轨道间有明显的电荷转移[26]，这是因为电压稳定剂分子以苯环为中心，给电子基团作为阴极，吸电子基团作为阳极，构成一个微型电场，对高能电子的运动起束缚作用，进而耗散高能电子的能 量[27]。由静电势图可知，XLPE的碳链骨架部分为正静电势，其分子表面为负静电势，同时XLPE是一种非极性电介质，因此其静电势较小，根据仿真结果可知，在无电场作用下XLPE分子偶极矩为0.03德拜（Debye, D）。电压稳定剂分子在无电场作用时，羰基和苯环附近为正静电势，羟基和烷基附近为负静电势，其静电势远大于XLPE，这表明在电子和空穴都更容易被电压稳定剂分子捕获。同时，电压稳定剂分子的固有偶极矩约为2.37D，因此，电压稳定剂具有较大的分子极性。非极性的XLPE分子以电子位移极化为主，随着频率的增加，电子位移极化可以完全建立，因此XLPE的相对介电常数随频率变化的幅度很小；而极性较大的电压稳定剂分子在电场作用下也会参与极化过程，因此电压稳定剂/XLPE试样的相对介电常数有所增加[28-29]；且电压稳定剂主要以偶极子转向极化为主，其随频率的增加而难以建立完全，因此添加了电压稳定剂的XLPE试样相对介电常数对频率的变化更为灵敏。添加了电压稳定剂后，试样的介质损耗峰出现双峰现象，这是由于电压稳定剂极性基团的引入，使XLPE内部不仅存在电导损耗，还存在转向极化损耗，损耗峰有所增大；电压稳定剂含量的增加，束缚了偶极子转向极化，延长了松弛极化时间，使高频段的峰值向左移动。

图9 XLPE与电压稳定剂分子的HOMO、LUMO图及静电势分布

XLPE内部是由结晶区和无定形区构成，结晶区的分子排列紧密且有序，而无定形区分子链排列疏松。电压稳定剂通常会存在于无定形区，4-丙基苯甲酸的烷基作为增溶侧链基团，有助于电压稳定剂在XLPE无定形区中分散，进而提高电压稳定剂在XLPE中的相容性，这也增加了结晶区与无定形区的界面处的陷阱，而直流电场下，载流子主要在非晶区传输，因此边界处的空隙和杂质会阻碍电荷的传输[16]，进而抑制了XLPE内部空间电荷的传输，使空间电荷的消散速度减慢。当电压稳定剂含量较低时，其对XLPE分子链的排列影响较小，因而XLPE分子链之间的排列仍保持紧密有序，此时试样的结晶度较高，而较高的结晶度可以减小载流子的平均自由程，降低载流子积累的能量，使其对XLPE的分子链破坏程度减小，进而提高了XLPE的直流击穿强度。随着电压稳定剂含量的增加，XLPE分子链的对称性被无定形区中的电压稳定剂分子减弱，因此试样的结晶度有所降低。且电场使电压稳定剂分子和XLPE分子发生取向行为，当施加直流电场时，分子沿电场方向排列且不易发生转向，因此，当电压稳定剂含量较高时，分子排列所形成的通道相对固定且连接紧密，此时击穿场强有所下降。此外，在无定形区中，还存在XLPE的交联点，而交联特性对XLPE的机械性能产生重要影响。随着交联度的增加，分子链的滑动变得困难，拉伸强度随之增加；但这阻碍了分子链周期性结构的形成，导致电压稳定剂/XLPE试样的结晶度降低。因此，不同含量电压稳定剂/XLPE试样的机械性能和结晶度呈现相反的变化趋势。

4 结论

本文采用500kV XLPE直流电缆料，通过溶液共混法和热压法制备了含量为0%、1%、3%和5%的4-正丙基苯甲酸电压稳定剂/XLPE试样，通过电学、机械及热学性能测试，结合量子化学计算，得到如下结论：

1）添加电压稳定剂后的XLPE试样，空间电荷积累现象得到改善，去极化时空间电荷在阳极处的消散速率减小，阴极处的消散速率增加；含有电压稳定剂的XLPE试样直流电导率降低，材料的绝缘寿命指数提高，相对介电常数和介质损耗有所增加。

2）随着电压稳定剂含量的增加，试样直流击穿场强先增大后减小。相对介电常数随频率的增加而下降，且相较于纯XLPE试样而言，频率对添加了电压稳定剂试样的相对介电常数作用更加明显；试样的机械性能和结晶度呈现相反的变化趋势。

3）量子化学计算结果表明，电压稳定剂具有正电子亲和能和较窄的分子带隙，且其分子极性较大，因此添加电压稳定剂后向试样内部引入了陷阱，抑制了载流子的迁移并缓冲了高能电子能量，也减少了参与碰撞的有效电子数量，有效提高了电缆绝缘材料的性能。

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The Effect of Voltage Stabilizer and Its Content on the Insulation Properties of 500kV HVDC Cable Insulation Materials

1,2,31,2,3,41,2,31,2,31,2,3

（1. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center Hangzhou 311200 China 3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Power Semiconductor Materials and Devices Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center Zhejiang University Hangzhou 311200 China 4. International Research Center for Advanced Electrical Engineering International Campus Zhejiang University Haining 314400 China）

This paper studies the effects of voltage stabilizer and its content of 4-n-propylbenzoic acid on the insulation properties of the cross-linked polyethylene (XLPE) material used for 500kV HVDC cable. The XLPE specimens with voltage stabilizer content of 0%, 1%, 3% and 5% were prepared by solution blending and hot pressing methods. Then the space charge, DC conductivity, DC breakdown, dielectric properties, mechanical properties, and differential scanning calorimetry were tested on the specimens. The results show that the addition of the voltage stabilizer can inhibit the accumulation of space charge, reduce the DC conductivity and improve the lifetime index of insulation. In contrast, the DC breakdown strength and lifetime index of the XLPE specimen with 1% voltage stabilizer content are the highest. With the increase of voltage stabilizer content, the DC breakdown strength of the specimen first increases and then decreases, while the relative permittivity and the dielectric loss gradually increase, and the effect of frequency on the relative dielectric constant of the material is noticeable. Moreover, the mechanical properties and crystallinity of the specimens show the opposite trend. Quantum chemical calculations show that compared with XLPE, the voltage stabilizer has positive electron affinity energy and a narrower molecular band gap. At the same time, the polarity of voltage stabilizer molecules is large, which is conducive to introducingtraps inside the specimen after addition, thus effectively improving the electrical properties of the cable insulation material.

Voltage stabilizer, HVDC, XLPE, insulation properties, quantum chemical calculation

TM211

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220845

国家自然科学基金面上项目（51977187）、宁波市“科技创新2025”重大专项（2018B10019）和浙江大学“百人计划”（自然科学A类）资助。

2022-05-18

2022-07-06

石逸雯 女，1998年生，硕士研究生，研究方向为高压直流电缆绝缘材料及测试技术。

E-mail: shiyw@zju.edu.cn

陈向荣 男，1982年生，百人计划研究员，博士生导师，研究方向为先进电气材料与高压绝缘测试技术，先进电力装备与新型电力系统，高电压新技术。

E-mail: chenxiangrongxh@zju.edu.cn（通信作者）

（编辑 郭丽军）