【行業前沿】西交大李建英團隊在聚丙烯電纜絕緣領域獲重要進展

發展綠色低碳電力裝備是實現我國“雙碳”戰略目標的重要組成部分。聚丙烯(PP)憑借優異的電氣性能和可回收性，有望替代傳統交聯聚乙烯(XLPE)電纜絕緣。然而由于PP固有的高脆性和低韌性，必須對其增韌改性。目前，人們通過眾多改性方法將PP絕緣的室溫彎曲模量成功從2 GPa降至約300 MPa，十分接近XLPE水平。業界基本達成共識：PP絕緣已成功實現從“硬”到“軟”的根本性改性優化。

然而，研究發現PP電纜絕緣在受到4%的拉伸應變時擊穿強度就會發生高達17.4%的大幅下降，4%的應變也遠小于其屈服應變(16%)；而XLPE在高達10%的拉伸率下擊穿強度僅發生1.8%的小幅下降。這說明即使PP絕緣的模量已足夠低，其在拉伸應力下仍然不夠“軟”，這與之前業界所達成的共識相悖。

進一步研究發現，該PP絕緣的彈性極限應變為3.5%，說明其在4%的應變下已發生從彈性形變向塑性形變的轉變。而XLPE絕緣的彈性極限應變卻高達9.2%，表明XLPE絕緣具有更寬的彈性形變域。有限元仿真計算顯示，4%的應變仍處于150 mm2以上截面積的配網電纜正常敷設的彎曲應變區間內。這說明，PP電纜敷設時的最小彎曲半徑如若完全延用XLPE電纜的敷設標準，將導致絕緣可靠性和長期穩定性受到巨大挑戰。

原位拉伸電子顯微鏡、原位拉伸小角X射線散射結果表明，PP絕緣在超過彈性極限應變后，表面產生了尺寸約為50 nm的微裂紋，并隨拉伸率的擴大進一步劇烈擴展，PP絕緣中自由體積隨之迅速增加，由此導致了擊穿強度的大幅下降。提高PP絕緣彈性極限應變，抑制PP絕緣的屈服行為，可延長其擊穿強度大幅下降的臨界應變和擊穿強度下降的幅度。通過向PP絕緣中引入70%彈性體抑制其屈服行為，彈性極限點顯著提高至5.4%(在正常敷設時彎曲應變區間之外)，其擊穿強度在6%的拉伸率下僅表現出5.1%的下降。

上述結果表明，PP電纜絕緣是“硬”或“軟”，不應僅僅參考彈性形變模量或其屈服應變，更應考慮PP絕緣的彈性極限應變。

研究成果以“小應變致聚丙烯絕緣擊穿強度驟降機制研究”（Small Strain-Induced Abrupt Drop in the Electrical Breakdown Strength of Polypropylene Insulation）為題發表在材料物理學頂刊《納米快報》（NANO LETTERS）上，武康寧副教授為第一作者，博士生隋浩然為學生第一作者，李建英教授為通訊作者，第一完成單位為西安交通大學電工材料電氣絕緣全國重點實驗室。該工作合作單位為中國電科院、中石油石化院、陜西電科院、上上電纜。該工作得到國家自然科學基金青年學生基礎研究項目（524B2096）、中央高校基本科研業務費（xzy012024013）的支持。

李建英教授課題組多年來專注聚烯烴絕緣電纜的研究工作及其科研成果的落地轉化。相關成果發表于Chemical Engineering Journal,Composites Science and Technology、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、高電壓技術等電氣/材料領域國內外知名刊物上。課題組參與開發的聚丙烯絕緣電力電纜已在國家電網公司獲得工程化應用。

來 源 | 西安交通大學電氣工程學院