我国能源禀赋与能源需求呈逆向分布，形成“西电东送、北电南供”的局面。特高压直流输电工程在电能远距离、大容量传输方面发挥着重要作用。随着直流输电系统电压等级的提高、输送容量的增大，设备内部的电、热、力学工况应力逐渐增大，对电工材料的性能提出了更高要求。

氮化硅陶瓷材料在特高压直流设备中应用潜力巨大

特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管作为特高压换流站的核心设备之一，发挥着连接换流阀厅内部和户外高压电气设备的重要作用。在特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部，支柱绝缘子是最为关键的绝缘结构，起到支撑高压导杆、减小套管内部电场畸变的作用。在实际运行中，高压导杆不仅承受高达±800千伏及以上的电压，而且内部通有3150～6300安的直流大电流，最高温度可达115摄氏度。支柱绝缘子的上下部之间存在75～85摄氏度的温度差，电效应和热效应都较为显著。与六氟化硫气体的绝缘强度相比，支柱绝缘子的表面绝缘强度较低，容易发生沿面闪络，是套管内部的绝缘薄弱点。

类似的情况还发生在气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）以及气体绝缘金属封闭开关（GIS）等电气设备中。其共同点在于支柱绝缘子要长期经受强电场、大温度梯度以及六氟化硫气氛等多因素耦合作用，传统支柱绝缘用材料易发生本征特性劣化，造成绝缘性能下降，引发沿面闪络，影响电气设备安全运行。因此，研发能够提升特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备可靠性的新型支柱绝缘子材料具有重要意义。

陶瓷材料作为一种无机非金属材料，具有高机械强度、高耐久性、低热膨胀系数等性能优势，广泛应用于电力设备外绝缘领域。传统外绝缘陶瓷材料主要由石英、长石、黏土等原料烧结而成，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中，绝缘性能和耐腐蚀性能方面无法满足应用要求。解决这一问题，需要从种类繁多、绝缘特性相差悬殊的陶瓷材料配方体系中选出表面绝缘强度高、与六氟化硫气体相容性强的高性能陶瓷基础材料体系。氮化硅陶瓷材料是一种由硅氮元素以共价键结合的化合物，具有良好的机械强度、绝缘性能、温度稳定性、导热性和耐腐蚀性能，是结构陶瓷家族中综合性能最为优异的一类，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中应用潜力巨大。

研发新型支柱材料，优化支柱结构模型

自2018年起，国网智能电网研究院有限公司联合华北电力大学、中材高新材料股份有限公司成立研发团队，开展特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备用氮化硅陶瓷材料研究。

高致密度、高耐腐蚀性、高绝缘强度及优良的表面电荷特性是氮化硅陶瓷材料应用于特高压气体内绝缘环境的决定性因素。为实现氮化硅陶瓷材料力-电性能的协同调控，项目组从原材料、配方体系、制备工艺等角度出发，采用高纯度、亚微米级氮化硅粉体，通过掺杂钇、铋等稀土功能离子和镁、铝金属氧化物烧结助剂，优化氮化硅陶瓷材料配方体系，并调控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷结构。