（1）
摘要 为了改善高压直流电缆工厂接头界面的绝缘特性，该文利用水解法制备了Mg(OH)2，并配置了四种不同含量的Mg(OH)2试剂，通过喷涂的形式，在工厂接头的界面处引入微量的Mg(OH)2颗粒，利用物理、化学和电气测试手段分析了颗粒形貌，以及试样引入Mg(OH)2前后在30℃、50℃和70℃的直流电导、空间电荷和直流击穿特性。结果表明：Mg(OH)2可以与酒精较好地结合，喷涂方式可以实现Mg(OH)2在界面处的良好分散；片状的Mg(OH)2颗粒更为松散，改善了颗粒的团聚现象；随着界面处喷涂Mg(OH)2含量的增加，试样电导率先下降后增加，喷涂Mg(OH)2质量分数为0.001%的试样呈现出最小的直流电导特性；界面喷涂质量分数为0.000 5%的Mg(OH)2试剂可以显著地抑制负极性电荷积聚；喷涂Mg(OH)2后可以显著提高工厂接头试样的直流击穿场强。此外，构建了界面分子链模型，利用量子化学计算分析了引入Mg(OH)2前后电子云轨道及态密度特性对试样绝缘特性的影响。结果表明，适量喷涂Mg(OH)2可以有效地改善高压直流电缆工厂接头的绝缘特性。
关键词：交联聚乙烯 工厂接头 氢氧化镁 界面绝缘 量子化学计算
随着“双碳”目标的稳步推进，推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向发展势在必行[1-4]。其中，海上风电以其优质的风力资源得到了大力发展，根据国家能源局统计，2021年我国新增海上风电装机容量16.9 GW，占全球新增装机容量的80%[5]。而海上的电力输送离不开高压电缆系统的支持，随着目前输电距离和容量的提升，高压直流电缆得到了大力发展，NKT公司已经完成了640 kV电缆的型式试验[6-7]。我国虽然起步晚，但发展迅猛，在2013年南澳、2014年舟山、2015年厦门、2019年江苏如东先后实现了±160、±200、±320、±400 kV高压直流电缆的应用。2021年张北柔直工程±535 kV直流交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）电缆也通过竣工试验投入运行，实现了中国高压直流电缆的“五级连跳”[8-12]。然而随着海上输电距离的不断增加，海缆受生产和储运等限制，其单根长度往往有限，在大长度海缆输电方面，往往需要采用工厂接头进行电缆段的连接[13]。ABB公司在2014年宣布实现了±525 kV高压直流系统的研发（含接头），而我国目前已经实现了±400 kV及以下的高压直流电缆工厂接头的制造，正在开展±500 kV高压直流海缆工厂接头的研制工作[14]。
工厂接头是将熔融的XLPE注入到打磨后的锥形海缆本体表面，通过二次硫化，实现接头处绝缘的恢复。由于本体与恢复绝缘的材料一致，所以恢复后的电缆接头在尺寸和机械方面等与本体绝缘相近[15]。但是由于界面粗糙度及本体与恢复绝缘的差异，二次硫化后，并不能确保工厂接头的界面绝缘特性。之前已经研究了界面粗糙度对工厂接头绝缘特性的影响[16]，发现1 000目砂纸打磨的界面是各类参数变化的拐点，其电流密度大于其他粗糙度的试样，而且击穿场强最低，界面及周边存在明显的空间电荷积聚。因此急须一种可行有效的方式改善界面特性，提高工厂接头的绝缘表现，这对于实现±500 kV直流大长度海缆的研发具有重要意义。
本文首先利用商用±500 kV直流XLPE电缆颗粒，采用平板热压法，在界面喷涂低含量Mg(OH)2后恢复绝缘，形成工厂接头试样；随后研究不同温度下喷涂不同含量Mg(OH)2工厂接头试样的绝缘特性，主要涉及空间电荷、直流电导和直流击穿特性；最后基于量子化学计算分析能带结构与电子云轨道分布，从微观层面分析Mg(OH)2界面改性的机制。
1）制备喷涂试剂
称取3 g直径约为50 nm的MgO颗粒，置于装有400 mL蒸馏水的烧杯中，利用转子常温搅拌9 h，然后将纳米颗粒高速离心，之后在70℃烘箱内干燥48 h，制成Mg(OH)2颗粒。称取少量Mg(OH)2颗粒，以酒精作为溶剂，制成质量分数分别为0.000 1%、0.000 5%、0.001% 和0.01%的喷涂溶剂。
2）制备工厂接头试样
采用商用的±500 kV直流电缆颗粒，利用平板热压法制造工厂接头试样。首先，称取0.7 g XLPE电缆颗粒，放置于圆形模具中，之后置于硫化机上120℃预热5 min，随后在180℃、15 MPa下热压15 min，冷却形成直径为90 mm、厚度为0.1 mm的薄片试样，再将试样置于70℃烘箱内脱气12 h，移除交联副产物。采用1 000目砂纸对材料表面进行打磨，随后在试样表面沿不同方向喷涂Mg(OH)2溶剂共计10次，制成含不同质量分数的Mg(OH)2试样。最后，将新的XLPE电缆颗粒置于模具中，在硫化机中120℃预热5 min，热压成薄片，将表面喷涂过Mg(OH)2的试样覆盖在新压制的薄片上，一同在180℃下进行两次硫化，形成工厂接头试样。
1）喷涂质量。采用万分之克的电子天平称量喷涂质量。首先，将质量分数为0.01%的Mg(OH)2喷涂试剂进行超声处理，形成均匀试剂。设置试样初始质量为0 g，以每72°为一个方向喷涂一次试剂，之后立刻放置于电子天平上称重记录，等待彻底干燥后，重新设置试样质量为0 g，旋转72°后进行第二次喷涂称重并记录，如此反复，每10次为1组，累计进行8组。
2）热重分析。称量约8 mg的Mg(OH)2颗粒，利用美国Perkin-Elmer公司生产的TGA550仪器进行热失重测试。测试以10℃/min的速率在氮气氛围下从40℃升至750℃。
3）扫描电镜。采用场致发射扫描电子显微镜对纳米颗粒及工厂接头试样界面处进行观察。观测前，试样在液氮下脆断，用高锰酸钾和浓硫酸混合溶液刻蚀，表面喷金后进行观察。
4）透射电镜。将少量颗粒置于酒精溶液内，超声处理10 min，形成悬浊液，滴于载网碳膜，干燥后进行观测。
5）空间电荷。利用电声脉冲法测量工厂接头试样内部空间电荷分布，试样分别在30℃、50℃和70℃下，施加30 kV/mm电场极化30 min，去极化10 min。去极化过程中，工厂接头试样的陷阱能级Et和态密度分布N(Et)可以分别表示[14]为
（1）
（2）
式中，k为玻耳兹曼常数；T为热力学温度；
为电子振动频率；t为时间；τ为时间常数；q为电荷量；d为样品厚度；A为常数；f0(·)为陷阱初始占有率。
6）电导率。利用烘箱和三电极系统，试样分别在30℃、50℃和70℃下，在30 kV/mm的电场下极化60 min和去极化10 min进行测试。
7）直流击穿。在加热油浴中，采用球-板电极分别在30℃、50℃和70℃下进行正极性的直流击穿测试，球直径为20 mm，金属板直径为25 mm，其边缘倒圆成半径为2.5 mm的圆弧，上下电极同轴。为了避免沿面闪络，电极浸泡在25号变压器油中，升压速率为1 kV/s，直至试样击穿。每组试样进行15次测试，计算击穿点处的电场强度，利用两参数威布尔分布[18]进行数据的统计分析，即
（3）
式中，y为试样的直流击穿场强；α和b分别为失效概率和形状参数。
喷涂次数与质量的变化曲线如图1所示。从图1中可以看出，随着Mg(OH)2试剂喷涂次数的增加，试样上酒精的质量几乎呈线性增加，而且从误差棒的分布可以看出，在8组的喷涂过程中，每次喷涂的差异性较小，可以较好地保证每次喷涂后，每个试样上酒精的质量几乎相同。由于试剂中Mg(OH)2含量低，酒精中大量的“OH”可以与Mg(OH)2中的“OH”形成氢键，确保Mg(OH)2在酒精中的均匀分散。
图1 喷涂次数与质量变化曲线
Fig.1 Relationship between spraying times and weight
Mg(OH)2的热失重特性如图2所示。从图2可以看出，Mg(OH)2在360℃附近开始分解，在390℃时分解速率达到最大值。这一温度明显高于直流电缆现有允许最高运行温度70℃，因此Mg(OH)2具有较好的热稳定特性。此外，在分解温度以上，Mg(OH)2受热分解为MgO和H2O，而且在分解的过程中，Mg(OH)2会吸收热量，也可以起到一定的阻燃作用，其也是工业上优良的填充型阻燃剂。
图2 Mg(OH)2热失重特性变化曲线
Fig.2 Variation curve of thermal gravity loss characteristics of Mg(OH)2
不同时间下的喷涂试剂如图3所示。从图3中可以看出，刚配置好（0 h）的Mg(OH)2质量分数为0.01%的试剂呈现淡淡的白色；而其他试剂颜色和纯酒精对比则几乎一致，呈现透明状。此外，静止1 h后，配置质量分数为0.01%的试剂颜色略有变浅，但依然保持浑浊状态；其他试样的颜色无明显变化。这一现象可以很好地说明Mg(OH)2在酒精中有着良好的分散特性。
图3 不同时间下的喷涂试剂
Fig.3 Spray reagents at different times
MgO与Mg(OH)2的扫描电镜和透射电镜的图像如图4所示。图4a和图4c分别为MgO的扫描电镜与透射电镜图，可以看出，MgO颗粒呈现出球形，颗粒直径约为50 nm，由于受表面能的影响，呈现较为明显的团聚现象。图4b和图4d分别是Mg(OH)2的扫描电镜与透射电镜图，可以发现，MgO水解后形成Mg(OH)2，呈明显不规则片状，薄片之间相互交错堆叠，分布更加松散，团聚程度得到了明显的缓解。从颗粒的形态上可以看出，Mg(OH)2更容易分散，减少了纳米颗粒的团聚。
图4 MgO和Mg(OH)2的电镜图像
Fig.4 Electron microscope images of MgO and Mg(OH)2
喷涂不同质量分数的Mg(OH)2试样界面及其Mg(OH)2分布的电镜图如图5所示。从图5a中可以看出，纯XLPE工厂接头试样界面处存在明显形态差异，周边存在个别微孔缺陷。图5b为界面喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 1%的试样，表面颗粒分布松散，较为均匀。对于喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%和0.001%的试样（见图5c和图5d），局部已出现了少量Mg(OH)2颗粒堆积的现象。而当质量分数增加到0.01%时（见图5e），局部则出现了较大的Mg(OH)2颗粒聚集。上述结果表明，喷涂低含量的Mg(OH)2试剂可以实现界面处Mg(OH)2的均匀分散。
图5 喷涂不同质量分数Mg(OH)2试样的界面微观特性
Fig.5 Interface microscopic characteristics of specimens sprayed with different concentrations of Mg(OH)2
不同温度下喷涂不同含量Mg(OH)2的工厂接头试样界面随时间变化的电导电流曲线以及基于最后1 min平均值计算的直流电导率结果如图6所示。从图6a中可以看出，30℃下对于界面处喷涂Mg(OH)2的工厂接头试样，电导电流都出现了不同程度的减小，其中喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%的试样呈现出最小的电导电流。当温度增加到50℃时，从图6b的测试结果中可以看出，喷涂Mg(OH)2的试样与未喷涂Mg(OH)2的试样存在明显的电导电流差异，喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%和0.001%的试样呈现出相对较小的电导电流特性。在70℃下，从图6c中可以看出，引入不同含量的Mg(OH)2试样即使在高温的作用下也存在着明显的电导电流差异，其中喷涂Mg(OH)2质量分数为0.001%的试样呈现出最小的电导电流特性。结合图6d中电导率的计算结果可以发现，工厂接头试样的电导电流和直流电导率随着界面喷涂Mg(OH)2含量的增加，除了70℃较高温条件下，整体呈现出先减小后增大的趋势，喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%和0.001%的工厂接头试样整体呈现出相对较小的电导特性。
图6 喷涂不同含量Mg(OH)2试样的电导特性
Fig.6 Conductivity characteristics of specimens sprayed with different concentrations of Mg(OH)2
通过上述不同温度下的测试可以发现，在工厂接头界面处喷涂一定含量的Mg(OH)2有助于降低接头处的电导电流，可明显改善界面附近的电导特性分布。
图7给出了不同温度下工厂接头试样界面喷涂不同含量Mg(OH)2的空间电荷分布，并在图中给出了相应的电场分布情况。从图7中可以看出，30℃下未喷涂Mg(OH)2的工厂接头试样在界面处存在较为明显的负极性空间电荷积聚，而且在周边感应处了正极性电荷。而对于界面喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 1%的试样，界面处积聚的空间电荷得到了一定程度的改善，积聚的负极性电荷减少。当喷涂Mg(OH)2质量分数增加到0.000 5%时，界面处原先积聚的空间电荷得到了显著的改善，几乎无明显的界面电荷积聚，而且阳极附近积聚的正极性电荷也得到了一定程度的抑制。当喷涂Mg(OH)2质量分数继续增加到0.001%时，大量的负极性电荷出现在了界面处。随着含量进一步增加，喷涂Mg(OH)2质量分数为0.01%的试样在界面处积聚了更多的负极性空间电荷。
图7 喷涂不同质量分数Mg(OH)2试样的空间电荷与电场分布特性
Fig.7 Space charge and electric field distribution characteristics of samples sprayed with different concentrations of Mg(OH)2
50℃下，未喷涂Mg(OH)2的试样中存在少量的正极性电荷积聚，此外在电极附近出现了少量的负极性电荷积聚，这说明温度改变了界面处的空间电荷积聚特性。当工厂接头试样界面处喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 1%时，可以发现界面及电极附近积聚的空间电荷得到了显著的抑制。对于界面喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%的试样，可以看到在电极附近出现了少量的负极性电荷积聚。当界面喷涂Mg(OH)2质量分数增加到0.001%时，阳极附近积聚的负极性电荷开始增多。而当喷涂Mg(OH)2质量分数继续增加到0.01%时，阳极附近积聚的负电荷显著增多。
70℃下，未喷涂Mg(OH)2的工厂接头试样界面积聚电荷特性与50℃下类似。界面喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 1%和0.000 5%的试样的空间电荷积聚特性相似，高温作用下，喷涂质量分数为0.000 1%和0.000 5%的Mg(OH)2对于界面及电极附近积聚的空间电荷有一定的程度的抑制作用。当喷涂Mg(OH)2质量分数增加到0.001%时，阳极附近积聚的负极性电荷开始增加。当喷涂Mg(OH)2质量分数进一步增加到0.01%时，阳极附近积聚的负极性空间电荷显著增多。
综上所述，这些结果表明在工厂接头试样界面处喷涂适量的Mg(OH)2可以显著地改善界面处空间电荷积聚特性，减少正极性和负极性电荷的积聚。
不同温度下工厂接头试样喷涂不同质量分数Mg(OH)2的直流击穿场强威布尔分布和整理的工厂接头试样失效概率为63.2%的直流击穿场强如图8所示。可以看出，30℃下随着界面喷涂Mg(OH)2含量的增加，工厂接头试样的直流击穿场强逐渐增大，说明引入Mg(OH)2能够明显地提高试样的直流击穿场强。当温度增加到50℃时，未喷涂Mg(OH)2试样的击穿场强受温度影响出现了下降，而界面喷涂Mg(OH)2后，试样的直流击穿场强开始增加。此外还可以发现，喷涂Mg(OH)2质量分数大于0.000 1%后，试样的击穿场强已趋于饱和。当温度进一步增加到70℃时，未喷涂Mg(OH)2工厂接头试样的击穿场强进一步下降，界面喷涂Mg(OH)2试样的击穿场强相比未喷涂的试样出现了一定程度的增加，而且随着喷涂Mg(OH)2含量的增加呈现出小幅度增大的趋势。不同温度下的测试结果表明，喷涂适量含量的Mg(OH)2试剂可以提高工厂接头的直流击穿场强。
图8 喷涂不同质量分数Mg(OH)2试样的直流击穿场强
Fig.8 Breakdown field strength of samples sprayed with different concentrations of Mg(OH)2
XLPE作为一种由结晶区和无定型区构成的半结晶聚合物，是由低密度聚乙烯在过氧化物的的作用下，形成分子链自由基，随后交联形成了网状结构的有机绝缘材料[17]。结晶区中，分子链在一定温度的作用下规则折叠，通过降低表面能形成了紧密堆叠的片晶[18]；无定型区中，片晶之间及外部的分子链呈无规律的纠缠，分子链之间相互贯穿，结构较为复杂[19]。工厂接头是将新熔融的XLPE注入抛光打磨成铅笔头形的接头处，通过二次加热硫化，实现本体绝缘与恢复绝缘为一体的一种接头恢复工艺。工厂接头界面分子链结构示意图如图9所示。工厂接头在恢复的过程中，基于本体绝缘残余的交联剂及新注入XLPE的交联剂共同作用，实现界面处的粘结及交联，但是由于本体绝缘已经历过硫化，二次XLPE注入后，界面交联的状态及形态远不及本体绝缘，因此必然与本体绝缘存在差异[13]。界面处分子链的交联程度可能相对较低，容易形成微孔及交联度差等缺陷，这可能是造成界面空间电荷积聚的原因[20]。本文通过在界面处引入nm级别且分散程度较好的Mg(OH)2后，较好地抑制了工厂接头试样界面的空间电荷的积聚，而且试样的电导电流得到了降低，直流击穿场强也得到一定程度的提高。
图9 工厂接头界面分子链结构示意图
Fig.9 Schematic diagram of the molecular chain structure of the factory linker interface
基于空间电荷去极化过程计算的不同温度下的陷阱能级分布如图10所示。从图10a中可以看出，30℃下喷涂不同含量的试样的陷阱能级都出现了不同程度的降低，即呈现出一定的浅陷阱特性。当温度增加到50℃时，喷涂不同Mg(OH)2含量的试样并无显著的陷阱能级变化，整体维持在0.95 eV附近。而当温度进一步增加到70℃时，喷涂Mg(OH)2质量分数为0.000 5%的试样的陷阱能级显著下降，而其他试样则与50℃下的结果类似，维持在0.95 eV附近。陷阱能级的分析结果表明，工厂接头界面处引入适当含量的Mg(OH)2可以降低试样的陷阱能级，呈现出一定的浅陷阱特性；高温作用下，陷阱的深度和密度都出现了不同程度的变化，这表明高温作用对试样的陷阱能态分布存在一定程度的影响。
图10 喷涂不同含量Mg(OH)2陷阱能级分布
Fig.10 Energy level distribution of Mg(OH)2 traps sprayed with different concentrations
为了进一步探究Mg(OH)2改性的作用机理，本文构建了界面处分子链结构模型，模拟本体绝缘与恢复绝缘之间的界面特性，通过量子化学计算分析工厂接头界面处引入Mg(OH)2前后分子链的能级结构和态密度分布，以期在理论层面解释喷涂Mg(OH)2对工厂接头陷阱特性的影响，进而分析潜在的绝缘特性机制。其中假设本体绝缘与恢复绝缘分子链结构相同，暂不考虑二次热历史对本体绝缘分子链结构特性的影响。为了提高计算效率，并体现不同含量Mg(OH)2对界面电子结构特性的影响，本文通过改变单一Mg(OH)2单元的数量，即采用不同单分子的个数代表喷涂不同含量Mg(OH)2的试样，模拟计算分子轨道、能带分布等特性。图11给出了界面分子链模型和界面引入不同数量Mg(OH)2的分子链模型。
图11 界面分子链模型（含Mg(OH)2）
Fig.11 Interface molecular chain model (including Mg(OH)2)
图12和图13给出了引入Mg(OH)2前后及界面含不同数量Mg(OH)2的电子云轨道分布。从图12和图13可以看出，对于纯界面分子链结构，试样最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）主要集中在结构较为密集的交联点附近。当在界面引入1个Mg(OH)2分子后，试样的HOMO分布在Mg(OH)2周边；当界面引入2个Mg(OH)2分子时，HOMO分布在XLPE分子链和Mg(OH)2的外侧；界面含有3个Mg(OH)2分子的试样的HOMO与引入2个Mg(OH)2分子的试样类似，分布在XLPE分子链和Mg(OH)2的外侧。而对于最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO），未喷涂Mg(OH)2的试样LUMO分布在另一端的分子链上。界面引入1个Mg(OH)2分子后，LUMO电子云主要分布在Mg原子周边；引入2个Mg(OH)2分子后，LUMO主要集中在Mg(OH)2周边；当引入分子数量增加到3个时，LUMO反而分布在分子链和Mg(OH)2的外侧。从上述结果可以看出，对于纯XLPE试样，电子的得失容易发生在交联点附近，而引入Mg(OH)2后，电子的得失容易发生在Mg(OH)2周边。
图12 界面分子HOMO分布
Fig.12 HOMO distribution of interface molecules
图13 界面分子LUMO分布
Fig.13 LUMO distribution of interface molecules
不同类型试样分子链结构的能带分布如图14所示。从图14可以看出，XLPE试样（未喷涂Mg(OH)2）的能带间隙最大，电子由价带激发到导带需要最多的能量，这可能是导致工厂接头界面电荷积聚的原因。当界面引入1个Mg(OH)2分子后，能带间隙减小，电子跃迁更为容易；而界面引入2个Mg(OH)2后，能带间隙反而有所增加；引入3个Mg(OH)2后，又再次减小。从这些变化中可以看出，界面处的Mg(OH)2数量会影响界面分子链能带间隙的分布，Mg(OH)2含量与界面分子链能带间隙并不成正相关。界面引入一定量的Mg(OH)2后，在试样内引入了新的陷阱能级，这可能是空间电荷积聚减少的原因。而过量的喷涂，可能会导致Mg(OH)2过量堆叠，局部出现聚集，这些可能是过量喷涂Mg(OH)2形成界面空间电荷积聚的原因。
图14 喷涂不同含量Mg(OH)2的能带分布
Fig.14 Energy band distribution of sprayed Mg(OH)2 with different concentrations
不同分子链模型的态密度分布如图15所示。从图15中可以看出，引入Mg(OH)2后，态密度曲线整体出现了左移，局部出现了新的态密度峰。这个局部态密度峰及左移的趋势说明试样引入了新的陷阱能级[21]。由于工厂接头制备工艺的特殊性，与恢复绝缘相比，本体绝缘会经历二次高温硫化。接头绝缘恢复的过程中，高温作用会改变XLPE内部晶相与非晶相分子链的排布，使得聚合物的分子链发生折叠、弯曲和交联，将导致彼此之间形成差异，产生各种形式的缺陷，改变聚合物的能带结构，形成陷阱[22]。陷阱作为聚合物材料限制或束缚电荷运动的局域态，在一定深度下，电子陷阱势垒较高，脱陷困难，进而形成局部的空间电荷积聚[23]。当界面引入Mg(OH)2后，从图14和图15中可以看出，禁带中引入了新的能级，并且HOMO增加，LUMO减小。根据HOMO和LUMO的特性可知，高于LUMO的能级上没有电子，而低于 HOMO的能级上都会被电子占据。这表明Mg(OH)2的引入明显降低了原有界面的能带间隙。在电场的作用下，较高HOMO轨道上的价带电子更容易激发跳跃到导带上，降低了电子跳跃的势垒；而较低的LUMO轨道会更容易形成电子陷阱捕获迁移的电子，即呈现出浅陷阱特性[24]。电荷在迁移的过程中存在频繁的入陷与脱陷过程，而每一次的跳跃过程都会消耗一定能量，导致电荷动能难以累积[25]。因此适量喷涂Mg(OH)2有助于改善界面缺陷，抑制空间电荷积聚，降低试样电导率，提高击穿场强。然而随着喷涂Mg(OH)2含量的增加，试样引入了更多陷阱能级的同时，增加了Mg(OH)2堆叠的可能性，也增大了界面上大面积Mg(OH)2联通的概率，导致界面与本体绝缘和恢复绝缘存在较大的电导差异，使界面处空间电荷积聚，增加了试样的电导电流，当喷涂Mg(OH)2超过一定含量后，也会降低试样的直流击穿场强。
图15 喷涂不同含量Mg(OH)2的态密度分布
Fig.15 Density of states distribution of sprayed Mg(OH)2 with different concentrations
本文通过制备水解Mg(OH)2喷涂试剂，研究了不同含量Mg(OH)2对工厂接头试样绝缘特性的影响，并构建分子链模型进行了界面引入Mg(OH)2前后的分子特性分析，得到如下结论：
1）通过水解改性MgO后，形成的Mg(OH)2呈不规则的薄片状结构，颗粒之间交叉堆叠，减小了颗粒之间的团聚程度，具有较好的热稳定性；此外，少量的Mg(OH)2可以较好地与酒精结合，形成分布均匀且稳定的试剂，提高了界面喷涂后的分散性。
2）喷涂适量含量的Mg(OH)2试剂可以有效地改善工厂接头试样的空间电荷分布，抑制界面处负极性电荷的积聚；直流电导率随界面喷涂Mg(OH)2含量的增加先下降后上升，而直流击穿场强随着喷涂含量的增加趋于饱和。
3）构建了界面分子链结构模型，基于量子化学计算分析了喷涂不同含量Mg(OH)2对工厂接头试样绝缘特性的影响，喷涂适量含量的Mg(OH)2可有效地改善电缆工厂接头的绝缘特性。
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Abstract Factory joint is a key accessory to realize long-distance power transmission of HVDC submarine cable. To improve the insulation properties of the HVDC cable factory joint interface, this paper prepared Mg(OH)2 by hydrolysis method, and configured 4 kinds of Mg(OH)2 reagents with different concentrations (weight fractions are 0.000 1%, 0.000 5%, 0.001% and 0.01%, respectively), which were sprayed at the interface of the factory joint.
A trace amount of Mg(OH)2 particles were introduced at the interface. The particle morphology and the physical and chemical properties of the samples before and after the introduction of Mg(OH)2 were analyzed by thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The electrical properties at 30℃, 50℃ and 70℃ before and after the introduction of Mg(OH)2 into the factory joint were analyzed using the electrical conductivity, space charge and breakdown field strength. The results show that Mg(OH)2 can be combined with alcohol well, it still has good dispersibility after standing for 1 h, and the spraying method can achieve good dispersion of Mg(OH)2 at the interface. The Mg(OH)2 prepared by the hydrolysis of MgO is flaky and the particles are looser. Compared with MgO, the agglomeration of Mg(OH)2 is improved. With the increase of the sprayed Mg(OH)2 concentration at the interface, the conductance of the sample first decreased and then increased, and the sample sprayed with 0.001% showed the smallest DC conductivity. Unmodified samples are prone to negative charge accumulation at the interface, especially at low temperatures. High temperatures help reduce charge build-up at the interface. For the samples sprayed with a small amount of Mg(OH)2, a significant charge suppression effect appeared at both low and high temperatures. However, spraying Mg(OH)2 over it will increase the space charge accumulation at the sample interface. Among them, interfacial spraying of 0.000 5% Mg(OH)2 can significantly suppress negative charge accumulation. With the increase of the sprayed Mg(OH)2 concentration, the interface samples showed an increasing trend at different temperatures, and the DC breakdown field strength of the factory joint samples can be significantly improved after spraying with Mg(OH)2. Based on the space charge depolarization current, the trap characteristics of different samples were calculated, and it was found that after the introduction of Mg(OH)2 at the interface, shallow trap characteristics were exhibited at different temperatures. In addition, an interface molecular chain model was constructed, and the effects of electron cloud orbits and density of states on the insulating properties of the samples before and after the introduction of Mg(OH)2 were analyzed by quantum chemical calculations. The results show that for pure XLPE samples, the gain and loss of electrons easily occur near the cross-linking point, while the gain and loss of electrons easily occur around Mg(OH)2 after the introduction of Mg(OH)2. The results of the density of states distribution of different molecular chain models show that after the introduction of Mg(OH)2, the overall density of states curve shifts to the left, and a new density of states peak appears locally. This indicates that a new trap level is locally introduced. The introduction of new traps increases the trapping and detrapping of charges in the process of migration, and charge jumping consumes a certain amount of energy, making it difficult to accumulate charge kinetic energy.
In summary, the above results show that the appropriate amount of Mg(OH)2 can effectively improve the insulation properties of HVDC cable factory joints.
Keywords：Cross-linked polyethylene, factory joints, magnesium hydroxide, interfacial insulation, quantum chemical calculations
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221428
中图分类号：TM85
宁波市“科技创新2025”重大专项（2018B10019）、宁波东方电缆股份有限公司科技项目（NBO/STD/A/202108001）、国家自然科学基金项目（51977187）和浙江大学“百人计划”（自然科学A类）项目资助。
收稿日期 2022-07-25
改稿日期 2022-09-24
孟繁博 男，1991年生，博士研究生，研究方向为高压交直流电缆系统绝缘测试和状态监测技术。E-mail：meng_fanbo_zju@163.com
陈向荣 男，1982年生，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 李冰）