随着我国“双碳”战略目标的不断深化，承担城市输配电重任的电力电缆正经历着绿色化、低碳化的关键性变革。传统交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘生产过程耗能大、不可回收的缺点严重限制了其可持续性发展。聚丙烯基（PP）环保型电缆绝缘因其生产过程耗能少、退役可回收，成为了近年来国内外的研究热点。
然而，PP绝缘的室温模量远高于XLPE绝缘，造成了电缆敷设安装的困难。通过弹性体改性增韧后，非交联PP绝缘机械模量的温度稳定性又会发生较大的劣化，导致实际运行中PP电缆绝缘较高温度下的热变形，可能引发电缆偏心故障。因此，提升温度稳定性是聚丙烯电缆绝缘研究亟待解决的瓶颈问题。
图1 聚丙烯绝缘温度稳定性较低引发的电缆偏心故障示意图
针对以上问题，西安交通大学电气学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室李建英教授课题组联合中国科学院化学所、中国电力科学院、燕山石化、江苏上上电缆集团等单位，在共聚聚丙烯（IPC）绝缘的多相结构中引入了多重长链支化（LCB）结构，实现了环保型聚丙烯电缆绝缘温度稳定性的大幅提升。
该工作结果表明，相比于IPC，LCBIPC的模量不仅在室温20℃下获得了13%的降低，同时在150℃下实现了近300%的提升。在160℃的极端高温下，LCBIPC的蠕变量和热变形量分别减少了85%及82%。
该工作认为LCBIPC能够通过增强分子链段的缠结效应来抑制无定形区随温度的膨胀，在温度稳定性得到大幅提升的同时，各项电气性能在30℃至90℃的宽温域下也得到提升。同时，该工作验证了LCBIPC仍具有良好的可回收性，在多次重塑加工后熔融指数未发生明显的变化。
该研究成果突破了环保型聚丙烯电缆绝缘温度稳定性难以提升的瓶颈问题，对于提高聚丙烯电缆的运行可靠性提供了重要的理论和技术支撑。
图2 多重长链支化结构的设计、表征及大幅提升的温度稳定性：长链支化共聚聚丙烯（a）合成路径及其（b）核磁氢谱、（c）剪切流变表征结果；（d）机械模量的温度依赖特性；不同温度下的（e）热变形率及（f）热蠕变量结果；（g）热变形率及热蠕变量的高温机械模量依赖特性；（h）长链支化共聚聚丙烯高温机械模量与文献结果的对比；长链支化共聚聚丙烯（i）交流击穿强度的温度依赖特性及（j）体积电阻率结果
研究团队研发了原位聚合聚丙烯绝缘料和半导电屏蔽料，形成了20万吨/年的连续稳定生产能力，并具备长周期一体化稳定制备水平；开发了中压聚丙烯绝缘电力电缆制造装备及工艺，突破了聚丙烯绝缘均匀定型难题，实现了可剥离屏蔽中压电缆设计和稳定制造；提出了电缆料性能评价指标和电力电缆可靠性试验方法，建立了从聚丙烯电缆料到电缆的标准化体系。经测算，新型电力电缆较传统电力电缆的制造成本降低17%，生产能耗降低45%。
在国家电网公司设备部的统筹下，中国电力科学研究院牵头制定了标准化聚丙烯绝缘电力电缆设计、技术规范、入网检测要求，能够支撑35kV及以下电力电缆工程批量化推广和稳定运行。2023年5月，团队的项目技术成果“聚丙烯绝缘材料原位聚合与电力电缆制造关键技术”通过中国电力企业联合会鉴定。
上述研究成果以“采用多重长链支化结构显著提升环保型聚丙烯电缆绝缘的温度稳定性”（Greatly Enhanced Temperature Stability of Eco-friendly Polypropylene for Cable Insulation by Multifold Long-chain Branched Structures）为题发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上。该工作得到国家自然科学基金重点项目和青年项目、电工材料电气绝缘全国重点实验室自主研究课题和中国石化科技项目的支持。
