【摘 要】
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电力电缆是高压直流输电系统的关键设备,电缆带负荷运行过程中导体发热导致绝缘层温度升高,引发绝缘材料体电导率变化,加剧空间电荷积聚和电场畸变,造成绝缘击穿强度下降,严重威胁电力系统的安全稳定运行。本文着眼于高压直流电缆XLPE绝缘材料体电导率、空间电荷和击穿特性的协同调控,提出基于氧化石墨烯（GO）纳米颗粒微填充和多环芳烃化合物（PAC）小分子共混的XLPE改性方法,围绕直流电压极性反转工况建立XL
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电力电缆是高压直流输电系统的关键设备,电缆带负荷运行过程中导体发热导致绝缘层温度升高,引发绝缘材料体电导率变化,加剧空间电荷积聚和电场畸变,造成绝缘击穿强度下降,严重威胁电力系统的安全稳定运行。本文着眼于高压直流电缆XLPE绝缘材料体电导率、空间电荷和击穿特性的协同调控,提出基于氧化石墨烯（GO）纳米颗粒微填充和多环芳烃化合物（PAC）小分子共混的XLPE改性方法,围绕直流电压极性反转工况建立XLPE电荷输运行为与绝缘击穿特性的关联机制,以期为高压直流电缆用XLPE绝缘材料的研发提供理论依据和实验支撑。本文的主要研究工作和结论如下:（1）采用无机纳米填充改善XLPE的直流绝缘性能,通过对GO纳米颗粒填充质量分数进行调节,实现了仅需微量填充即可显著降低XLPE绝缘材料体电导率及电导率-温度系数、抑制空间电荷的注入和积累并提高绝缘击穿场强的效果;采用量子化学计算方法,建立了XLPE/GO复合材料的量子阱模型,揭示了GO量子阱调控电荷输运行为和提升绝缘击穿特性的作用机理,依此提出了基于GO纳米颗粒微填充的XLPE绝缘材料改性方法。（2）采用有机小分子共混提升XLPE的直流绝缘性能,通过对不同种类多环芳烃化合物进行筛选,获得了能够协同改善XLPE绝缘材料体电导率和空间电荷特性并提高绝缘击穿场强的优选PAC小分子;通过量子化学计算分析,获得了PAC分子的能带结构和电势分布,揭示了PAC小分子俘获高能电子的作用机理,依此提出了基于PAC小分子共混的XLPE绝缘材料改性方法。（3）根据直流电压极性反转条件下XLPE绝缘材料的空间电荷和击穿特性,掌握了极性反转促进空间电荷积聚、加剧局部电场畸变、降低绝缘击穿场强的影响规律;采用量子化学计算分析了XLPE/测量电极系统的能带结构,揭示了极性反转影响XLPE绝缘材料空间电荷特性的作用机理,建立了XLPE电荷输运行为与绝缘击穿特性的关联机制;通过直流绝缘性能实验测试,发现了GO纳米颗粒和优选PAC小分子对XLPE绝缘材料抑制空间电荷积聚、提升绝缘击穿场强具有协同效应,依此提出了基于GO纳米颗粒和PAC小分子复配填充的XLPE绝缘材料改性方法。
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