陳　曦

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧530023；2.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

交聯(lián)聚乙烯高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

陳曦1，2

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧530023；2.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

介紹了高壓直流電纜的發(fā)展歷史、運(yùn)行中存在的問(wèn)題以及目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀，提出了國(guó)內(nèi)發(fā)展XLPE高壓直流電纜的建議。

高壓直流電纜；XLPE；空間電荷；溫度梯度；絕緣診斷

0 引 言

為了降低溫室效應(yīng)對(duì)氣候的影響，全世界正在大規(guī)模發(fā)展綠色能源，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐發(fā)電等。直流輸電可以把風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等具有不穩(wěn)定的電源與電力系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)而不會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平。

眾所周知，高壓直流輸電線路成本低、損耗小、沒(méi)有無(wú)功功率、連接方便、容易控制和調(diào)節(jié)，在長(zhǎng)距離輸電中已被廣泛采用。另外，直流電力電纜絕緣的工作電場(chǎng)強(qiáng)度高、絕緣厚度薄、電纜外徑小、重量輕、制造安裝容易、載流量大、沒(méi)有交流磁場(chǎng)、有環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)。因此直流高壓輸電電纜作為直流輸電系統(tǒng)中不可或缺的一部分，是高壓輸電中的重要課題。

1 高壓直流電纜的發(fā)展和應(yīng)用

1.1直流輸電的發(fā)展

最早的直流輸電工程可追溯到1SS2年，德國(guó)用單臺(tái)直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)57 km架空線從巴伐利亞州的米斯巴赫鎮(zhèn)向巴伐利亞州首府慕尼黑市的國(guó)際展覽會(huì)送電。早期的高壓直流輸電不用換流，由瑞士工程師René Thury首先開(kāi)發(fā)，其基本原理是利用直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)獲得高電壓，利用這種技術(shù)的第一項(xiàng)工程是1SS9年意大利的Gorzente River-Genoa直流輸電工程。到1925年法國(guó)尚貝里直流輸電工程建成，世界上當(dāng)時(shí)一共建成6項(xiàng)利用發(fā)電機(jī)串聯(lián)升壓的高壓直流輸電工程。電壓最高為150 kV，功率最高為30 MW。

1932年美國(guó)紐約Mechanicville直流輸電工程的建成標(biāo)志著高壓直流輸電進(jìn)入了汞弧閥換流時(shí)期。直到1954年，世界上第一個(gè)工業(yè)性直流輸電工程哥特蘭島Ⅰ期工程在瑞典建成并投運(yùn)。1975年，英國(guó)Kingsnorth工程的建成標(biāo)志著高壓直流輸電的汞弧閥換流時(shí)期的結(jié)束。在這期間，共有12項(xiàng)采用汞弧閥換流的直流工程投入運(yùn)行。而此后汞弧閥因制造復(fù)雜、可靠性低、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)最終被高壓大功率晶閘管代替［1］。

1972年，在加拿大伊爾河建成了世界上第一個(gè)采用晶閘管換流的直流工程。截至2011年，世界上已經(jīng)投入運(yùn)行的采用晶閘管換流的高壓直流輸電工程共92項(xiàng)，其中純架空線路27項(xiàng)、純電纜線路15項(xiàng)、架空線和電纜混合線路17項(xiàng)、背靠背直流工程33項(xiàng)。這其中包括我國(guó)19S7年投運(yùn)的浙江舟山直流輸電工程、19S9年投運(yùn)的葛洲壩-南橋直流輸電工程、2001年投運(yùn)的天生橋-廣州直流輸電工程、2002年投運(yùn)的嵊泗直流輸電工程、2003年投運(yùn)的三峽-常州直流輸電工程、2004年投運(yùn)的貴州-廣東Ⅰ回直流輸電工程和三峽-廣東直流輸電工程、2005年投運(yùn)的靈寶背靠背工程、2006年投運(yùn)的三峽-上海直流輸電工程、2007年投運(yùn)的貴州-廣東Ⅱ回直流輸電工程、2010年投運(yùn)的云南-廣東直流輸電工程和向家壩-上海直流輸電工程。其中云南-廣東直流輸電工程是世界上第一個(gè)±S00 kV特高壓直流輸電工程，是我國(guó)特高壓直流輸電自主示范工程。向家壩-上海直流輸電工程是世界上最長(zhǎng)的特高壓直流輸電工程，線路全長(zhǎng)1907 km［2］。

1.2直流輸電的應(yīng)用

目前新型、清潔、可再生能源發(fā)電已成為未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，風(fēng)力、太陽(yáng)能等新型能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)逐步擴(kuò)展，其主要特點(diǎn)之一是分散化與小型化，且往往遠(yuǎn)離用電中心。同時(shí)鉆探平臺(tái)、島嶼、礦區(qū)等“孤島”負(fù)荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機(jī)供電，地理?xiàng)l件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)保壓力大，而采用直流輸電更加經(jīng)濟(jì)、方便。另外，隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，用電負(fù)荷不斷增加，空中輸電線路走廊日趨飽和，架設(shè)新的線路受到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件等因素的限制，變得越發(fā)困難。尤其在城市負(fù)荷中心，增加傳統(tǒng)的架空交流輸電線幾乎不可能。目前，國(guó)際上正通過(guò)使用輕型高壓直流輸電技術(shù)（HVDC Light）來(lái)解決這些問(wèn)題。由瑞典ABB公司率先開(kāi)發(fā)出的輕型高壓直流輸電作為一種經(jīng)濟(jì)、靈活、高質(zhì)量的輸電方式，已用于國(guó)外許多直流高壓輸電工程中，并產(chǎn)生了良好的輸電及環(huán)保效益。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)的輕型換流技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)成熟，柔性直流輸電或全控直流輸電（VSC-HVDC）也受到廣泛的關(guān)注。VSC-HVDC技術(shù)不同于傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)，它不僅適用于高壓直流輸電，更由于其經(jīng)濟(jì)、可控性強(qiáng)、靈活、輕便等特點(diǎn)，向城市的中低壓配電網(wǎng)發(fā)展。

近幾年，隨著各國(guó)對(duì)節(jié)能減排和能源綜合利用的需要，以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電等新能源為代表的分布式能源系統(tǒng)因變負(fù)荷靈活、較低的初投資、供電可靠、較小的輸電損失和適合可再生能源應(yīng)用等特點(diǎn)而越來(lái)越受到重視［3］。光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電是以直流形式產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)直-直斬波和直-交逆變才能并入傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)。如果接入直流配電網(wǎng)，便可以省略直-交逆變環(huán)節(jié)，從而節(jié)省大量的換流器件并降低能耗。另外，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，一方面含直流環(huán)節(jié)的電器增多，即需要對(duì)電能進(jìn)行交-直-交轉(zhuǎn)換的電器，最普遍的就是變頻電器；另一方面很多電氣設(shè)備其本質(zhì)上都是使用直流的，需要將交流電變成直流電再送給電器使用，例如液晶電視、室內(nèi)及室外LED照明燈、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、個(gè)人電腦等。如果改用直流配電網(wǎng)，便可省略交流變直流的整流過(guò)程，必然比將交流電變成直流電再使用更加節(jié)省能源。

我國(guó)正在建設(shè)的特高壓交直流電網(wǎng)可以有效地解決高效能源輸送的難題，同時(shí)直流輸電還廣泛應(yīng)用于新能源的規(guī)?；谩４罅Πl(fā)展的直流輸電系統(tǒng)需要大量的高壓/超高壓直流電纜。為此，電纜作為輸電的載體是發(fā)電站和整個(gè)城市輸配電系統(tǒng)中不可或缺的重要的組成部分，為了適應(yīng)直流高壓輸電在特高壓及新能源電力傳輸中的廣泛應(yīng)用，電纜的絕緣水平需要向高的絕緣水平、高的可靠性和小的體積方向發(fā)展。

2 XLPE高壓直流電纜運(yùn)行中存在的問(wèn)題

2.1空間電荷的產(chǎn)生及影響

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、介電性能好、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作為電纜中的絕緣材料得到廣泛的應(yīng)用。但在直流電場(chǎng)作用下，XLPE材料內(nèi)部會(huì)形成空間電荷。一般來(lái)講，聚合物中空間電荷主要由兩部分組成：一部分是在低場(chǎng)強(qiáng)下，因?yàn)殡s質(zhì)在電場(chǎng)作用下電離發(fā)生遷移造成，稱為異極性電荷，即靠近陰極處為正電荷，靠近陽(yáng)極處為負(fù)電荷；另一部分是在高場(chǎng)強(qiáng)下，由電極注入的可遷移和入陷的載流子，稱為同極性空間電荷，即靠近陽(yáng)極處為正電荷，靠近陰極處為負(fù)電荷。這些空間電荷的存在對(duì)聚合物局部電場(chǎng)分布造成畸變，從而使聚合物的導(dǎo)電性能和擊穿性能發(fā)生改變，尤其是在目前應(yīng)用廣泛的XLPE電纜上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)XLPE電纜安裝后進(jìn)行直流耐壓測(cè)試后，發(fā)生XLPE電纜擊穿，而直流下空間電荷的產(chǎn)生被認(rèn)為是其擊穿的主要原因。IEEE成立了兩個(gè)專門委員會(huì)（IEEE-DEIS TC32-13和32-4）研究空間電荷的存貯、絕緣材料的老化和擊穿間的宏觀特性、相應(yīng)的微觀或納米機(jī)理，目的是解釋聚合物電老化和空間電荷作用間的關(guān)系［4］。對(duì)于XLPE電纜的老化機(jī)理研究大致分為水樹(shù)枝老化、電樹(shù)枝老化和熱電老化機(jī)理研究，無(wú)論哪種老化方式都可能導(dǎo)致空間電荷的積聚，加速電纜的老化。一方面XLPE電纜中含有水樹(shù)枝時(shí)，其絕緣層中會(huì)出現(xiàn)空間電荷，這類空間電荷在電場(chǎng)撤去后會(huì)逐漸消失；另一方面在電場(chǎng)作用下由樹(shù)枝尖端注入到XLPE電纜絕緣缺陷中的空間電荷，即使在去掉外電場(chǎng)時(shí)空間電荷也不會(huì)消失，此類空間電荷所產(chǎn)生的靜電力與電纜工頻運(yùn)行電壓疊加作用即可能在水樹(shù)枝的尖端引發(fā)電樹(shù)枝，對(duì)電纜的安全運(yùn)行有較大威脅。電纜中空間電荷的產(chǎn)生和積聚，會(huì)畸變絕緣中的電場(chǎng)分布，加速電樹(shù)枝的生長(zhǎng)，所以非常有必要對(duì)電纜絕緣中的空間電荷分布進(jìn)行研究。

2.2直流作用下絕緣內(nèi)的溫度梯度效應(yīng)

XLPE作為高壓直流電纜的絕緣時(shí)，內(nèi)部存在大量的局部電荷陷阱，造成內(nèi)部空間電荷集聚，形成空間電荷效應(yīng)。尤其是高壓直流電纜運(yùn)行在滿負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)體溫度較外屏蔽層溫度高，即電纜絕緣的溫度由內(nèi)到外呈現(xiàn)溫度梯度分布。這種溫度梯度效應(yīng)加劇了電極上電荷的注入和遷移，促使介質(zhì)內(nèi)積聚的空間電荷量增加，進(jìn)一步增強(qiáng)絕緣層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，加速絕緣材料的電老化，縮短絕緣材料的使用壽命；尤其是當(dāng)絕緣內(nèi)的異極性空間電荷積累比較多時(shí)就可能引發(fā)絕緣材料的擊穿，使絕緣失效。已有研究表明，XLPE中的空間電荷積聚是導(dǎo)致電纜早期絕緣失效的主要原因，而實(shí)際運(yùn)行中的溫度梯度效應(yīng)更會(huì)加速空間電荷的積聚造成電纜的早期絕緣失效。

眾所周知，電纜在正常工作溫度下，其內(nèi)部的絕緣材料介電常數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。交流電壓下，絕緣介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布取決于介電常數(shù)，即電場(chǎng)強(qiáng)度在電纜絕緣層中的分布幾乎不受溫度分布的影響。但在直流電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度分布取決于絕緣材料的電阻率，而絕緣材料的電阻率一般隨溫度呈指數(shù)變化，溫度分布變化會(huì)使絕緣材料電阻率隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起絕緣內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的分布發(fā)生改變。因此，直流電纜絕緣層中場(chǎng)強(qiáng)分布不僅與電纜幾何尺寸、外施電壓有關(guān)，也與電纜負(fù)載大小有關(guān)［5］。

在直流電場(chǎng)下，絕緣材料的電導(dǎo)率σ與溫度T和電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系，一般可由式（1）或者式（2）表示［6］：

式中：σ0是與材料有關(guān)的常數(shù)；α是溫度系數(shù)；β是場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)。

Reddy等學(xué)者認(rèn)為，精確計(jì)算聚合物的電導(dǎo)率隨溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律應(yīng)采用式（3）來(lái)仿真計(jì)算直流電纜絕緣內(nèi)的電導(dǎo)率變化［7］：

式中：A是與材料有關(guān)的常數(shù)；φ是活化能（eV）；q是電子電荷量（C）；kb是波爾茲曼常數(shù)；B是場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)。

有關(guān)A、B和φ的取值主要是由實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)條件確定［21］。在空載或者暫態(tài)情況下，直流電纜絕緣層中的場(chǎng)強(qiáng)分布與交流電纜類似：絕緣內(nèi)層場(chǎng)強(qiáng)比外層場(chǎng)強(qiáng)高。但隨著負(fù)荷電流的變化，線芯導(dǎo)體的焦耳熱損耗會(huì)通過(guò)絕緣層向外散發(fā)，導(dǎo)致電纜絕緣層形成溫度梯度，即絕緣內(nèi)層溫度比外層溫度高，使得內(nèi)層的電導(dǎo)率會(huì)比外層電導(dǎo)率大，由于直流電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度按電導(dǎo)率的反比分布，在絕緣內(nèi)徑處電導(dǎo)率比外徑處電導(dǎo)率越來(lái)越大的過(guò)程中，絕緣內(nèi)徑處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，外徑處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)逐漸增大。于是，當(dāng)絕緣層的溫度梯度達(dá)到一定程度時(shí)，直流電纜絕緣層兩側(cè)就會(huì)出現(xiàn)“場(chǎng)強(qiáng)反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。可見(jiàn)，在電導(dǎo)率改變的同時(shí)，絕緣層內(nèi)部各處場(chǎng)強(qiáng)又會(huì)發(fā)生變化，場(chǎng)強(qiáng)的變化又會(huì)改變絕緣層的電導(dǎo)率。

3 XLPE高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀

3.1國(guó)內(nèi)外XLPE電纜的發(fā)展?fàn)顩r

聚乙烯（PE）以其優(yōu)良的介電性能、物理機(jī)械性能和易加工處理等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，它的產(chǎn)量在塑料產(chǎn)品中居首位，其大分子鏈呈線型或者支鏈結(jié)構(gòu)，在受熱或者應(yīng)力作用下，分子鏈間比較容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而PE的抗熱變形能力比較弱、工作溫度比較低，一般會(huì)采用交聯(lián)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)其結(jié)構(gòu)上的缺陷、并提高性能。一般的交聯(lián)方式有：輻照交聯(lián)、紫外光交聯(lián)、過(guò)氧化物交聯(lián)等。但工業(yè)上對(duì)于35 kV以上的XLPE電纜均使用過(guò)氧化物交聯(lián)工藝。在交聯(lián)之后，PE分子鏈交叉連接呈現(xiàn)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不但改善PE的耐熱性、耐磨性，而且提高其抗蠕變性等力學(xué)性能。目前，XLPE應(yīng)用于低、中、高壓的電纜干式絕緣中，預(yù)計(jì)最后可能完全取代浸漬紙電纜。

當(dāng)今交流超高壓干式電纜發(fā)展比較快的主要是德國(guó)、日本和法國(guó)［8］。我國(guó)XLPE電纜自上世紀(jì)70年代起步，在西電東送和支援中東部建設(shè)環(huán)境下，XLPE電纜的生產(chǎn)發(fā)展與應(yīng)用都具有良好的機(jī)遇。目前，國(guó)內(nèi)6～35 kV的XLPE電纜已取代油紙電纜，主要采用國(guó)產(chǎn)料。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的XLPE電纜電壓等級(jí)達(dá)到500 kV，但超高壓電纜制造設(shè)備和原料都采用進(jìn)口。我國(guó)電纜制造企業(yè)在不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)交聯(lián)電纜生產(chǎn)線和生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行開(kāi)發(fā)出新的XLPE電纜生產(chǎn)線，快速縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距［9］。

而對(duì)于直流電纜，國(guó)際上以瑞典ABB公司最具有代表性，其直流電纜絕緣采用XLPE制成，最高電壓達(dá)320 kV，但其僅適用于VSC系統(tǒng)使用，另外還有法國(guó)Nexans公司（絕緣材料為PE，電壓等級(jí)為500 kV）；意大利Pirelli公司（絕緣材料為XLPE，電壓等級(jí)為250 kV），法國(guó)Sagem公司（絕緣材料為低密度聚乙烯（LDPE），電壓等級(jí)為400 kV）；日本Viscas公司（絕緣材料為XLPE，最高額定電壓為500 kV）［10］。

3.2國(guó)內(nèi)外XLPE電纜料的使用概況

高壓直流輸電技術(shù)是當(dāng)今輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，電纜是輸電的關(guān)鍵，其使用的絕緣材料是電纜電壓等級(jí)能否提高的關(guān)鍵性因素。一般認(rèn)為聚合物絕緣高壓直流電纜的絕緣料要具備高直流擊穿強(qiáng)度、高絕緣電阻系數(shù)、低溫度系數(shù)、低電場(chǎng)系數(shù)、低熱阻系數(shù)和不易形成空間電荷的特點(diǎn)。目前，國(guó)際上XLPE直流電纜使用的電纜料的主要生產(chǎn)商是美國(guó)陶氏化學(xué)公司和北歐化工公司，他們幾乎壟斷了110 kV及以上電壓等級(jí)XLPE電纜料的供應(yīng)市場(chǎng)。

目前國(guó)內(nèi)電纜料只能滿足35 kV以下交流電纜使用，其基料主要為大慶石化總廠出產(chǎn)的19E和上海石化股份公司出產(chǎn)的DJ200A、DJ210等，而66 kV以上的電纜基料主要是北歐化工的4201和UCC的4201。隨著設(shè)備的引進(jìn)和研發(fā)實(shí)力的增強(qiáng)，35 kV以下的XLPE電纜料目前已經(jīng)全部國(guó)產(chǎn)化，浙江萬(wàn)馬集團(tuán)、上海化工廠、河南萬(wàn)博塑料有限公司是市場(chǎng)主要占有廠家。隨著電力工程的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)了110 kV等級(jí)的XLPE電纜絕緣料，而對(duì)于更高電壓等級(jí)電纜料和直流電纜料的自主研發(fā)迫在眉睫。

3.3XLPE高壓直流電纜絕緣內(nèi)的空間電荷抑制

從19S4年起就開(kāi)始了以改性添加劑抑制或改善空間電荷分布為方向的研究工作［11］。日本的JPower、藤倉(cāng)電纜和古河電工展開(kāi)聯(lián)合研究，研發(fā)了兩種高壓直流用XLPE絕緣料，一種是添加導(dǎo)電有機(jī)填料，另一種是添加極性無(wú)機(jī)填料，測(cè)試結(jié)果表明：兩種填料有效抑制XLPE空間電荷的積聚，并提高了電阻率。在此基礎(chǔ)上，日本成功開(kāi)發(fā)了±250 kV高壓直流XLPE電纜［12］。在進(jìn)一步改善性能的基礎(chǔ)上，他們于2001年又研發(fā)成功±500 kV高壓直流XLPE電纜［13］，但還未見(jiàn)工程使用。

為了能夠找到更好的直流電纜絕緣材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電纜料改性方面做了大量的研究工作。尹毅教授［14］通過(guò)加入1％氯化聚乙烯（CPE）到PE中，有效改善空間電荷效應(yīng)并提高了體積電阻率，并提高直流預(yù)壓短路樹(shù)枝起始電壓；黨智敏教授［15］將三梨糖醇成核劑加到PE中通過(guò)改變PE的結(jié)晶形態(tài)來(lái)提高其耐水樹(shù)性能；Fleming［16］研究了LDPE摻雜BaSrTiO3后的空間電荷特性和電導(dǎo)特性；還有的學(xué)者通過(guò)加入無(wú)機(jī)納米粒子（如納米MgO［17］、納米SiO2［18］等）來(lái)改性PE的性能，等等。加入添加劑的目的是為了降低聚合物中電子在入陷和復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)生的破壞聚合物分子鏈的熱電子的概率，從而提高聚合物的力學(xué)性能、改善其介電性能。對(duì)于納米粒子在聚合物基體的作用機(jī)理，美國(guó)學(xué)者提出聚合物納米復(fù)合體系的界面特性及日本學(xué)者提出的多殼模型，對(duì)納米技術(shù)在電介質(zhì)學(xué)科的研究具有一定的指導(dǎo)意義。我國(guó)學(xué)者在電纜絕緣料改性方面也進(jìn)行了大量的研究工作并取得可喜的成績(jī)，但在大幅度提高電纜絕緣綜合介電性能和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中尚未取得突破性進(jìn)展。

3.4XLPE高壓直流電纜運(yùn)行中溫度梯度效應(yīng)

由于直流電纜絕緣材料的電阻隨溫度變化，以及絕緣中空間電荷等問(wèn)題的存在，有學(xué)者研究不同溫度條件下電纜絕緣內(nèi)的空間電荷分布，搭建了溫度可控的空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，以及初步解決在不同的溫度條件下，由于聲速不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。雖然這些研究對(duì)直流電纜的研發(fā)有一定的作用，但這些都是在均一溫度條件下的測(cè)量結(jié)果。面對(duì)實(shí)際工程中的問(wèn)題，已有學(xué)者初步的研究。例如，Montanari教授認(rèn)為對(duì)于Mini級(jí)電纜，溫度梯度效應(yīng)對(duì)空間電荷聚集的影響僅存在于絕緣材料閾值之下［5］；但對(duì)于MV級(jí)電纜，溫度梯度效應(yīng)則可造成絕緣中的電場(chǎng)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在電纜絕緣的外側(cè)，實(shí)驗(yàn)中電纜外施場(chǎng)強(qiáng)為30 kV/mm，溫度差為20℃，結(jié)果表明電荷的遷移量和注入量都有所升高，且在電纜絕緣層表面處有大量空間電荷積聚；Chen.G教授和Dissado教授同樣指出溫度梯度效應(yīng)對(duì)電纜試樣絕緣內(nèi)空間電荷的影響［19］。然而，電纜滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)體溫度可達(dá)到90℃，絕緣內(nèi)外溫度差可能超過(guò)70℃。隨著輸電電壓等級(jí)的提高，高場(chǎng)強(qiáng)高溫度梯度下的聚合物絕緣中空間電荷積聚及電場(chǎng)分布有待研究。

3.5XLPE高壓直流電纜試驗(yàn)和絕緣診斷技術(shù)

國(guó)際大電網(wǎng)組織CIGRE在2003年2月由第21.01小組提出一個(gè)適合聚合物絕緣高壓直流輸電電纜的試驗(yàn)方法TB219“Recommendations for testing DC extruded cable systems for Power transmission at a rated voltage up to 250 kV”，至今，ABB等國(guó)外公司開(kāi)發(fā)的聚合物直流電纜，最后的試驗(yàn)報(bào)告形式均采用CIGRE推薦的試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估，從試驗(yàn)的性質(zhì)上看，包括了直流電纜從研究到生產(chǎn)以及安裝運(yùn)行各個(gè)階段所必須進(jìn)行的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、預(yù)鑒定試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)、交接試驗(yàn)、預(yù)防性試驗(yàn)等。CIGRE SC B1于2012年發(fā)布了TB496，擴(kuò)大了TB219的電壓等級(jí)，升高到500 kV，并增加了新的內(nèi)容。IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。

目前，預(yù)防性試驗(yàn)中規(guī)定的電纜試驗(yàn)項(xiàng)目不多，根據(jù)需要又開(kāi)發(fā)出多種在線和離線試驗(yàn)方法，針對(duì)10～35 kV電壓等級(jí)一般有直流分量法、直流電壓疊加法、電橋法、交流疊加法、低頻疊加法、損耗電流測(cè)試法、接地線電流測(cè)量法、局部放電法等；針對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)的XLPE電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有損耗電流諧波分量法、接地線電流法、絕緣外護(hù)套接地電阻及化學(xué)電勢(shì)在線測(cè)量、局部放電法、光纖測(cè)溫法五種方法。

4 展 望

隨著直流輸電在特高壓及新能源電力傳輸中的廣泛應(yīng)用，直流輸電設(shè)備需求日益擴(kuò)大。按照國(guó)家規(guī)劃，在未來(lái)20、30年內(nèi)，我國(guó)將大規(guī)模建設(shè)高壓直流輸電線和建立柔性直流輸電示范工程，這將成為世界上最大的高壓直流輸電技術(shù)市場(chǎng)，隨著我國(guó)對(duì)國(guó)產(chǎn)高壓直流電纜自主研發(fā)的重視，我們更需要關(guān)注高壓直流電纜產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，一方面研發(fā)新型電纜用絕緣材料并設(shè)計(jì)新的電纜結(jié)構(gòu)，使之具備高壓直流條件下的使用特性，充分考慮電纜絕緣中的電場(chǎng)分布、溫度梯度效應(yīng)、空間電荷效應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力等對(duì)其運(yùn)行產(chǎn)生的影響，制定符合我國(guó)不同電壓等級(jí)的直流電纜相關(guān)試驗(yàn)的規(guī)范、導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)；另一方面可以考慮交流改直流的最大極限工作電壓和最大容量，將既存的XLPE交流電纜改成在極限工作電壓允許范圍內(nèi)的XLPE直流電纜，大大節(jié)省建設(shè)資金及電纜敷設(shè)、更換的成本。

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Research Status and Trend of XLPE HVDC Cable

CHEN Xi1，2
（1.Guangxi Power Grid Electric Power Research Institute，Nanning 530023，China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

The history of high voltage direct current（HVDC）cables，the problems in operation of XLPE cables and the research status of XLPE cables were Presented.Moreover，the development tendency of XLPE HVDC cable was put forward.

HVDC cables；XLPE；space charge；temperature gradient；insulation diagnosis

TM247.1

A

1672-6901（2015）02-0001-05

2014-09-05

陳 曦（19S3-），女，工程師，博士，在站博士后.

作者地址：廣西南寧市民主路6-2號(hào)［530023］.