挤包绝缘高压直流电缆的发展

挤包绝缘高压直流电缆的发展

但欣伟

但欣伟

（广州市电力工程有限公司510000）

摘要：挤包绝缘高压直流电缆是电力发展的关键设备，对大电网柔性互联、远距离大容量输电、推广新能源电力的实现具有重大意义。本文就直流电缆料应用基本问题、超纯XLPE直流电缆料、非交联高压直流电缆料三方面的分析对挤包绝缘高压直流电缆的发展问题进行了相关探究。对当今电力发展的一些热点问题进行了特别分析，尤其是就挤包绝缘高压直流电缆技术中一些关键性问题给出了相关建议，希望本文中提出的相关建议能够对我国挤包绝缘高压直流电缆技术的发展有所帮助。

关键词：挤包绝缘；高压直流电缆；发展研究

1.直流电缆料的应用

选择合理的高压直流电缆绝缘料是挤包绝缘高压直流电缆技术发展的前提，高压交流电缆绝缘料一方面必须具备优良电、热、力和化学性能，另一方面还必须符合在直流下的要求，也就是介电性能既要适应电场和温度，还必须满足材料中的空间电荷特性。在选择挤包绝缘直流电缆料使必须注意下列问题：直流电导率不能过高，以避免其在温度、电场、极性反转和加压时间方面过于敏感；避免空间电荷的聚集；击穿场强不能过低，以避免其在温度升高、极性反转时发生变动；热导率大。其中最为重要的是直流电导率和空间电荷特性问题。

1.1直流电导率的温度稳定性

理想的挤包绝缘直流电缆料，其直流电导率必须足够低，防止热量损耗，从而使绝缘的利用效率得到提高。例如，新一代直流电缆料的电导率就足够低，在进行电缆试验时，就大大降低了其在在试验电压下的热击穿的风险，有时候这种风险甚至可以忽略不计。因此，研究降低绝缘料的电导率十分必要。

要降低直流电导率，一般可以采取两种方法：一是使聚乙烯基绝缘料的洁净度提高，生产高洁净度的绝缘料，以此减少材料中的杂质；二是改变材料特性，例如添加纳米无机填料，以降低载流子的迁移率。挤包绝缘直流电缆料的直流电导率的温度和场强必须具有一定的稳定性，尤其是温度的稳定性。直流电导率是温度和电场的函数，随着温度的升高，直流电导率也会呈指数式增加。就直流电缆的电场设计来看，在电缆绝缘中电场应呈内高外低分布。如果电缆的工作超载，电缆绝缘两侧就会产生内高外低的温度差，如此一来绝缘中原本均一的电导率也会出现内高外低的情况。此时，电缆绝缘内侧的场强会有所降低，而绝缘外侧的场强则会升高，当温差达到一定程度时，还可能发生“电场反转”。绝缘中电场分布出现反转，会形成电缆运行工况与电缆设计的场强之间的巨大偏差，同时空间电荷在温度梯度下的低温聚集效应，会加速绝缘外侧电场的畸变，增大电缆失效的风险。因此，直流电导率的温度稳定性对挤包绝缘高压直流电缆技术的发展至为关键。

1.2空间电荷的杂质浓度

空间电荷的杂质浓度对挤包绝缘高压直流电缆技术的发展也有着不可忽视的影响。因此必须将电缆绝缘中空间电荷的杂质浓度尽可能地降至最低。解决这个问题，一般可以通过两个途径：一是改善绝缘材料的特性，通过减少或中和电极注入电荷来减少空间电荷的杂质；二是通过接枝聚合物、有机混合、添加无机纳米填料等方式，对材料中陷阱的深度和密度进行控制，从而抑制空间电荷，降低空间电荷杂质的浓度。

2.超纯XLPE直流电缆绝缘料

选择合理的高压直流电缆绝缘料，对解决电导与空间电荷存在的问题至关重要，这就必须直流电缆料的洁净度。开发超纯XLPE直流电缆绝缘料是提高直流电缆料的洁净度的最好选择。

根据相关研究，比之标准的320kVXLPE绝缘料，超纯XLPE直流电缆绝缘料具有交联度更低、结晶度更高、熔融温度更高的优势。热延伸试验、记忆效应试验、动态热机械分析的相关结果表明，虽然超纯XLPE直流电缆绝缘料的交联度低，但是它的热变形恢复能力非常突出。除了上述优点，超纯XLPE直流电缆绝缘料还具有极低的直流电导率，良好的电导率的场强和温度稳定性，见图1。

图1超纯XLPE直流电导率与场强和温度的关系

在高电场和高温的条件下，超纯XLPE直流电缆绝缘料的低电导的特性更为突出，更能适应电压等级更高、容量更大的直流电缆。在生产该超纯绝缘材料的过程中，交联剂过氧化二异丙苯（DCP）在高温的影响下会分解成枯基醇、苯乙酮和α-甲基苯乙烯、甲烷和水等低分子物质，并以气体的形态存在，在绝缘中聚集会形成微小的气孔。若要对材料中的交联副产物进行消除，就必须要对交联后的XLPE绝缘实施脱气处理。

根据研究结果，如王霞等人通过对纳米改性XLPE材料的体积电阻率和空间电荷的测试，发现比起进口高压直流电缆料，XLPE纳米复合材料的电阻率更高，空间电荷积聚也更少。当前，在国家电网公司与多家单位的合作下，320kV纳米复合XLPE绝缘高压直流电缆已经被成功研发，只需要等待相关试验验证的通过。

3.非交联高压直流电缆料

完成高压直流XLPE电缆线芯的制造工作后，还需要对其进行脱气处理。相较于高压交流电缆的脱气时间，直流电缆的脱气时间要长。这样可以使得电缆绝缘中的交联副产物含量降低，同时避免其影响电气性能。但是无论脱气处理的时间多长、程度多深，依然不能完全消除残留的绝缘中交联副产物。因此，为了防止绝缘直流电导率和空间电荷性能受到交联副产物的不利影响，并使高压直流电缆的生产工艺得到简化，可通过改变高聚物的特性，对热塑性聚烯烃材料用于高压直流电缆的可行性进行探究。

（下转第314页）

Prysmian公司开发了一种基于热塑性聚丙烯（PP）的非交联绝缘体系的高性能热塑性材料（HPTE），在这种材料中没有出现交联副产物，但它在应用上受到耐温性能的影响。通过该公司的员工对HPTE材料的研究结果，在空间电荷消散特性上，HPTE比XLPE更具优势，且HPTE即使在高温、高场强和极性反转的条件下，稳定性也非常高。在导体温度为90℃，场强为±50kV/mm的条件下，绝缘厚度为4.5mm模型电缆没有发生击穿，这说明HPTE绝缘的空间电荷温度稳定性和极性反转承受能力非常高；而比起HPTE，XLPE的空间电荷温度稳定性则稍显逊色，如果改变XLPE的极性，就会发现XLPE绝缘中电流也会随之大幅度地增加，开始产生击穿现象。而在全尺寸HPTE绝缘样机电缆评估的试验中，则不会发生这种击穿现象。虽然该公司这种基于HPTE材料的P-Laser技术还未在有关工程得到应用，但是该公司已经运用这种技术先后制造了320kV和525kV直流电缆，并且通过了相关试验的检验。

在对非交联高压直流电缆料领域的研究方面，我国尚处于初级阶段，我国排名靠前的一些高校已经开始了对聚乙烯或聚丙烯非交联材料相关性能和应用的研究。

4.结论

随着柔性直流输电技术向更高电压等级、更大传输容量的方向发展，挤包绝缘高压直流电缆技术的发展面临新的机遇与挑战。由于挤包绝缘直流电缆系统涉及到的理论问题非常广泛，加之在实际工程应用经验不足，因此电缆的寿命延长问题还难以得到有效的处理。虽然我国挤包绝缘高压直流电缆系统已经开始应用于实际工程，但是由于开发研究的基础薄弱，与世界先进水平相比，我国挤包绝缘高压直流电缆技术在开发直流电缆产品、工程施工和维护线路运行上还有待发展。所以我国的挤包绝缘高压直流电缆技术应在各个领域开展全面系统的调查研究，并不断完善对挤包绝缘高压直流高压直流电缆料的标准和规范的制定。

参考文献：

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