近些年,随着高压直流(high voltage direct current,HVDC)输电技术的飞速发展,聚合物绝缘HVDC电缆的应用日益广泛。聚合物绝缘电力电缆的绝缘层在长期电场作用下容易产生电树枝,导致电缆绝缘强度下降,严重威胁电力电缆安全稳定运行。目前,尽管国内外研究学者针对聚合物电树枝化已经进行了大量研究,然而大部分研究都集中在交流条件下,直流条件下的电树枝化研究较为有限。与此同时,人们发现向聚合物材料中添加少量无机纳米颗粒可以提高材料的抗交流电树枝化性能,但其对直流条件下聚合物电树枝化的影响仍有待研究。本文对HVDC电缆绝缘中可能出现的直流接地电树枝进行研究。考虑到材料电树枝化与其内部空间电荷行为密切相关,首先分析了纳米添加浓度对材料空间电荷特性的影响,并确定了空间电荷积累量最少的纳米添加浓度。在此基础上研发了以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)为基体,添加纳米MgO颗粒的新型HVDC电缆绝缘料。之后分别对MgO/XLPE和某商用XLPE HVDC电缆绝缘料在20~80℃范围内进行周期性直流接地电树枝实验。通过理化分析、空间电荷测试和电荷输运仿真等方法研究了温度和纳米添加对材料电树枝特性的影响机理。由不同纳米添加浓度的MgO/低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)的空间电荷测试可知,MgO/LDPE中空间电荷积累量均比纯LDPE中小,且0.5wt%MgO/LDPE中最少。通过同步辐射小角X射线散射(small-angle x-ray scattering,SAXS)分析发现,纳米MgO与LDPE基体之间存在界面层,其作为电荷陷阱和电荷复合中心对电荷输运具有一定调控作用。随着纳米添加浓度增加,界面层厚度增大,由界面层引入的电荷陷阱的深度和电荷复合中心数随之增加。当纳米添加浓度为0.5wt%时,尽管电荷陷阱较纳米添加浓度为0.1wt%时更深,但仍属于浅陷阱,有利于电荷迁移。同时纳米添加浓度为0.5wt%时电荷复合中心数比0.1wt%时更大,促进了正负电荷复合。这两点共同作用,导致最终积累在0.5wt%MgO/LDPE中的空间电荷量最小。由MgO/XLPE和XLPE在20、40、60和80℃下的周期性直流接地电树枝实验可知,电树枝的引发率、长度和宽度均随外施电压升高而增大。对同种材料而言,当温度与电压幅值保持不变时,负极性电树枝引发率几乎均大于正极性电树枝引发率,且负极性下电树枝形态比正极性下更茂密。随着温度升高,两种材料中的电树枝引发率、长度与宽度均增大,电树枝分枝增多,表明温度升高促进了电树枝的发展。在相同温度与电压下,与XLPE相比,MgO/XLPE中的电树枝引发率、长度与宽度更小,表明MgO/XLPE在一定程度上表现出优于XLPE的抗电树枝化性能。此外,MgO/XLPE中的电树枝形态在较高温度下比XLPE中茂密,且正极性电树枝与XLPE中的正极性电树枝在形态上存在明显区别,其形态与负极性电树枝相似。以XLPE为例分析温度对周期性直流接地电树枝特性的影响。通过对XLPE进行差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)测试、空间电荷测试及电荷输运行为仿真可知,随着温度升高,材料机械强度下降,较少量电荷入陷与脱陷就可能导致电树枝的引发与生长。在较高温度下,直流预压阶段针尖附近积累的受陷电荷密度下降,但电荷入陷与脱陷更加频繁,从而产生更多热电子。同时,热电子运动在较高温度下增强,更容易造成分子链断裂。此外,短路瞬间尽管受陷电荷减少,但电荷脱陷加剧,可能释放比低温下更大的电机械能量,促进电树枝的发展。随着温度升高,针尖附近受陷电荷分布范围增大,导致电树枝长度与宽度增加。此外,试样内部受陷电荷分布更加均匀,因此电树枝分枝更易形成,形态更加茂密。由MgO/XLPE的DSC测试、空间电荷测试及电荷输运行为仿真可知,尽管与XLPE相比,MgO/XLPE机械强度略差,直流预压阶段电荷入陷与脱陷频率较高,但由于其电荷陷阱深度较浅,单次电荷入陷释放的能量较少,抑制了热电子的生成。同时由于纳米MgO与XLPE基体之间存在带负电的电双层,热电子在该处容易发生散射而损失能量,这在一定程度上抑制了电树枝的发展。短路瞬间尽管电荷脱陷增强,但受陷电荷基数下降,可能释放较少的电机械能量。此外,由于电双层改变了注入电荷的分布,使电树枝长度与宽度减少。电双层吸引空穴,排斥电子,因此正极性电树枝分枝围绕纳米颗粒生长,负极性电树枝从纳米颗粒之间穿过,最终均导致电树枝分枝较多,形态较为茂密。