張夢甜，玉林威，陳向榮，侯帥，李秀娟

(1.浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點實驗室(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院)，浙江 杭州310027；2.直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)，廣東 廣州 510663； 3. 浙江萬馬高分子材料集團有限公司，浙江 杭州 311305)

高壓直流輸電系統(tǒng)與交流輸電線系統(tǒng)相比，具有輸送容量大、無渦流損耗、電力聯(lián)網(wǎng)方便等優(yōu)點，解決了電力能源大容量遠距離傳輸和新能源并網(wǎng)這2個重要問題[1]，適用于向海島供電、城市負荷中心增容、風(fēng)電太陽能并網(wǎng)等[2]。與傳統(tǒng)的油紙絕緣高壓電力電纜相比，交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)直流電纜因具有制造安裝方便、載流量大、環(huán)境友好等優(yōu)點[2-5]，已成為國內(nèi)外主要的高壓直流電纜類型。

在高壓直流XLPE電纜的生產(chǎn)過程中，電纜絕緣中會存在交聯(lián)副產(chǎn)物的殘留，在直流電場的作用下，這些交聯(lián)副產(chǎn)物會解離出離子，與電極注入電荷一起向陽極陰極遷移，在材料內(nèi)部和電極附近形成空間電荷積累。異極性電荷加強附近電場，同極性電荷減弱周圍電場，均會引起電場畸變，使絕緣材料老化，嚴重時造成局部放電和絕緣擊穿[3，6]。尤其是異極性電荷對絕緣的損害十分嚴重，而異極性電荷主要是由副產(chǎn)物解離產(chǎn)生，因此需要對交聯(lián)后的XLPE電纜進行脫氣處理，以減少材料內(nèi)部副產(chǎn)物的殘余量。另外，電纜在直流電壓下運行時，內(nèi)外層絕緣的溫度和電場存在一定的梯度，由于電導(dǎo)率的溫度場強特性，絕緣中很有可能出現(xiàn)場強反轉(zhuǎn)，即靠近導(dǎo)體的內(nèi)層場強最低，外層場強最高，容易引起絕緣內(nèi)部空間電荷聚集，進而導(dǎo)致局部電場畸變，甚至絕緣擊穿[3，6-11]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對XLPE電纜脫氣前后介電性能、機械性能、化學(xué)性能的變化及脫氣時間的合理選擇做了大量研究。歐陽本紅等[12]分析了110 kV交流XLPE電纜切片的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過脫氣處理后，試樣中的副產(chǎn)物含量顯著降低；鐘瓊霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)脫氣處理能有效減少XLPE電纜內(nèi)部交聯(lián)副產(chǎn)物的含量，進而改善其空間電荷特性；李志偉[6]等研究了脫氣時間對110 kV XLPE電纜聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與鏈結(jié)構(gòu)的影響；潘文林等[14]分析了525 kV電纜絕緣層中不同位置絕緣的交聯(lián)副產(chǎn)物相對含量及直流特性隨脫氣時間的變化規(guī)律，指出脫氣時間設(shè)置為35 d較為合理經(jīng)濟，脫氣破壞了交聯(lián)副產(chǎn)物分布的均一性，內(nèi)部絕緣的直流特性參數(shù)均劣于中部與外部絕緣；金海云等[15]指出將110 kV交流XLPE電纜的脫氣時間控制在168～336 h，可以有效改善各層的力學(xué)性能，并使介電性能趨于穩(wěn)定。目前的研究大多集中于脫氣處理對XLPE電纜空間電荷特性的影響[16-19]，而對絕緣位置不同引起介電性能差異的研究較少。此外，大部分研究是在實驗室條件下進行壓膜脫氣處理[6]，未能真實反映實際生產(chǎn)中的電纜脫氣，而且針對110 kV、220 kV的交流XLPE電纜的研究相對較多[20-21]，但對更高等級的國產(chǎn)525 kV直流XLPE電纜的介電性能研究較少。

本文以525 kV國產(chǎn)直流XLPE電纜為研究對象，用車床將脫氣后的電纜段絕緣環(huán)切成0.2 mm左右厚的薄膜，根據(jù)絕緣內(nèi)外徑尺寸將絕緣切片分為內(nèi)層(靠近導(dǎo)體)、中層、外層3層，對不同絕緣位置的電纜切片進行直流電導(dǎo)率測試、直流擊穿測試和空間電荷測試，分析XLPE介電性能隨絕緣位置變化而變化的規(guī)律及影響因素。

1 實驗

1.1 試樣制備

電纜試樣采用國產(chǎn)±525 kV未投運的直流XLPE電纜。交聯(lián)工序完成后，在脫氣房中進行脫氣處理，周期15～20 d，脫氣溫度70～75 ℃；用車床對電纜段絕緣層進行環(huán)切(如圖1所示)，獲得厚度為0.2 mm左右的絕緣薄膜試樣。

圖1 高壓直流電纜環(huán)切示意圖Fig.1 Schematic view of cutting HVDC XLPE cable insulation

為了研究不同絕緣層位置電纜直流特性的差異，根據(jù)絕緣層內(nèi)外徑尺寸、按面積積分[20]將切片分為內(nèi)層、中層、外層3層(如圖2所示)，并置于密封袋中室溫保存；3層絕緣厚度分別為12 mm、10 mm和8 mm。

1.2 直流電導(dǎo)率測試

采用三電極系統(tǒng)[22]測量電纜絕緣切片的直流電導(dǎo)率，測量電極直徑3 cm。在溫度30 ℃、50 ℃、70 ℃及場強10 kV/mm、20 kV/mm、30 kV/mm下，記錄試樣在烘箱加壓30 min后Keithley 6517B靜電計顯示的電流值，并根據(jù)薄膜試樣的厚度、測量電極面積計算得到試樣的直流電導(dǎo)。為減少測量誤差的影響，同一絕緣層采用2個薄膜試樣進行測量，以2次計算的直流電導(dǎo)率平均值作為最終結(jié)果。

圖2 高壓直流電纜絕緣分層示意圖Fig.2 Schematic view of HVDC XLPE cable layering

1.3 直流擊穿強度測試

采用DDJ-100 kV電壓擊穿測試儀，直流電壓范圍為0～100 kV；測量電極采用符合IEC 60243-1：2013標準的柱柱電極，電極直徑25 mm，電極高度25 mm，邊緣圓角3 mm。在室溫下進行實驗時，將試樣浸入變壓器油中，以500 V/s的速度持續(xù)升壓直至試樣擊穿，記錄此時擊穿電壓等參數(shù)，并測量擊穿點的厚度，計算擊穿場強。3層電纜切片試樣在直流電壓下各測量15組數(shù)據(jù)，采用二參數(shù)威布爾統(tǒng)計數(shù)據(jù)。二參數(shù)威布爾分布的累積密度函數(shù)表達式為

(1)

式中：E為被測擊穿電壓；F(E)為場強小于或等于E時的擊穿概率；α為尺度參數(shù)，即擊穿概率為63.2%時的電壓正值；β為形狀參數(shù)，表明擊穿場強的分布范圍，其值越小，擊穿場強的范圍越大。

1.4 空間電荷特性測試

采用電聲脈沖法(pulsed electro-acoustic method，PEA)進行空間電荷測試。高壓電極和薄膜試樣之間為半導(dǎo)電層襯底材料，鋁作為接地電極。實驗所用脈沖幅值為500 V、頻率為100 Hz、寬度為10 ns，聚偏二氟乙烯(PVDF)厚度為10 μm。室溫下測量時，外加電場強度為10 kV/mm、25 kV/mm和40 kV/mm，對試樣加壓30 min、去極化30 min，測量試樣中空間電荷的分布。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 直流電導(dǎo)率分析

525 kV直流電纜不同絕緣層試樣在3個溫度和3個場強下的直流電導(dǎo)率如圖3所示。由圖3可知，XLPE電纜的電導(dǎo)率大小與溫度和場強密切相關(guān)。當(dāng)溫度從30 ℃升高至70 ℃時，電導(dǎo)率大約提升了2個數(shù)量級；與30 ℃、10 kV/mm下的電導(dǎo)率相比，70 ℃、30 kV/mm下的電導(dǎo)率提升了將近3個數(shù)量級。測試溫度為30 ℃時，電纜內(nèi)外層試樣在10 kV/mm和20 kV/mm下的電導(dǎo)率差別很??；場強升高，內(nèi)層和中層曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點，兩者電導(dǎo)率變化較大，明顯大于外層電導(dǎo)率。溫度升高至50 ℃時，中層和外層10 kV/mm下的電導(dǎo)率相接近，明顯小于內(nèi)層電導(dǎo)率；之后，中層和外層電導(dǎo)率開始出現(xiàn)差別，隨著場強升高，兩者差別變大，且中層電導(dǎo)率逐漸接近內(nèi)層電導(dǎo)率。當(dāng)溫度達到70 ℃時，內(nèi)層和中層在各個場強下的電導(dǎo)率相差很小，圖中兩曲線非常接近，均大于外層電導(dǎo)率。

圖3 電纜切片試樣電導(dǎo)率對比Fig.3 Conductivity comparison of cable samples

副產(chǎn)物解離出來的載流子是XLPE電纜電導(dǎo)率提高的重要原因[23]，內(nèi)、中、外層絕緣脫氣不均使其內(nèi)部殘留副產(chǎn)物的含量不同，從而導(dǎo)致直流電導(dǎo)率的差異。整體而言，外層絕緣與脫氣室接觸良好，受熱較多，且釋放的副產(chǎn)物不易聚集[24]，使得外層絕緣副產(chǎn)物的含量低于內(nèi)、中層含量，與圖3中外層試樣的直流電導(dǎo)率小于內(nèi)層及中層試樣的結(jié)果一致；且在20 kV/mm的外加場強下，溫度越高，內(nèi)外2層的電導(dǎo)率差別越大。

2.2 直流擊穿特性分析

電纜切片試樣在直流電壓下持續(xù)升壓擊穿場強如圖4所示。取擊穿概率63.2%對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為材料的擊穿場強，由圖4可知，內(nèi)層絕緣的形狀參數(shù)11.60最小，中層絕緣的形狀參數(shù)27.46最大，外層絕緣的形狀參數(shù)23.97居中，三者均大于10，表明擊穿測試結(jié)果可靠。此外，電纜切片的內(nèi)層擊穿場強最低，為189.3 kV/mm；中層擊穿場強居中，為232.9 kV/mm；外層擊穿場強最高，為245.0 kV/mm。中層和外層擊穿場強相差較小，且明顯高于內(nèi)層擊穿場強；外層擊穿電場強度約為內(nèi)層的1.3倍，中層擊穿強度約為內(nèi)層的1.23倍。

脫氣后內(nèi)層絕緣的交聯(lián)副產(chǎn)物含量高于中層及外層絕緣，使內(nèi)層絕緣空穴和極性分子數(shù)量偏多，載流子和空間電荷密度偏多，材料結(jié)構(gòu)較為松散[25]，因此擊穿強度明顯小于中層及外層絕緣試樣。

圖4 電纜切片試樣擊穿特性對比Fig.4 DC breakdown comparison of cable samples

2.3 空間電荷特性分析

圖5為3層絕緣試樣在10 kV/mm、25 kV/mm和40 kV/mm場強及室溫下極化10 s、600 s、1 200 s、1 800 s時的空間電荷分布，圖中：d表征沿試樣厚度方向的位置；虛線位置為電極位置，其中左側(cè)為陰極，右側(cè)為陽極。

由圖5(a)、(b)可知，在10 kV/mm和25 kV/mm外加電場下，電纜層內(nèi)部幾乎無明顯的電荷積聚現(xiàn)象，空間電荷分布曲線平緩；由圖5(c)可知，當(dāng)電場升高至40 kV/mm時，內(nèi)層和中層電纜試樣出現(xiàn)明顯的空間電荷聚集，而外層依然無電荷聚集現(xiàn)象。不同的是，內(nèi)層在兩電極附近積累異極性電荷，隨著極化時間推移，陰極峰值電荷密度減小，陽極峰值密度有所提高，試樣內(nèi)部異極性電荷積累量增加；而中層電纜內(nèi)部主要積累負電荷，隨極化時間推移，陰極峰值電荷密度有所減小，陽極峰值密度有所增加，內(nèi)部積累的負電荷量增加，且主要集中在陽極附近，相當(dāng)于陰極注入的負電荷往試樣內(nèi)部遷移，逐漸靠近陽極。

圖5 內(nèi)、中、外層試樣分別在10、25、40 kV/mm直流電場作用下極化過程中的空間電荷分布Fig.5 Space charge distribution of inner, middle, outer samples at 10, 25, 40 kV/mm during polarization

同極性空間電荷的聚集一般是由電荷在高于閾值的電場下注入試樣內(nèi)部并積聚在電極附近所導(dǎo)致的，隨著時間的推移和場強升高，同極性電荷增多并向試樣內(nèi)部移動；而異極性電荷的聚集一般是由絕緣材料內(nèi)部的極性分子或雜質(zhì)的電離和極化導(dǎo)致的，也會隨著時間的推移和外加電場的增強向試樣內(nèi)部移動[25-28]。電場較低時，電荷主要由電極注入，同時電極附近的入陷電荷因難于脫陷而無法在介質(zhì)內(nèi)部遷移[13]，因此10 kV/mm和25 kV/mm場強下，3層試樣內(nèi)部的空間電荷分布平緩。在較高電場下，除了電極注入電荷外，還有XLPE中極性副產(chǎn)物解離出的正負離子對；此外，交聯(lián)副產(chǎn)物分子本身可以在材料中形成局部電荷陷阱中心，電極注入的同極性電荷和正負離子對在向電極遷移的過程中會被陷阱捕獲[17，29]。因此在40 kV/mm下，3層試樣內(nèi)部的空間電荷量要高于10 kV/mm和25 kV/mm下的空間電荷量。內(nèi)層絕緣含有的殘留副產(chǎn)物含量最高，解離出的正負離子對和形成的陷阱數(shù)量多，電極附近異極性電荷積聚也最明顯。對于中層絕緣，副產(chǎn)物含量較少，由于試樣內(nèi)部存在著大量的局域態(tài)限制，電子空穴的遷移速度大于正負離子[13]，電子遷移速度大于空穴，主要形成陰極注入電荷在試樣內(nèi)部的積累。外層絕緣因其較少的副產(chǎn)物殘留，空間電荷分布平緩?？臻g電荷的結(jié)果與前述直流電導(dǎo)率和直流擊穿的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

a)由于絕緣具有一定厚度，脫氣處理后的電纜絕緣中殘留的副產(chǎn)物含量不均，高壓直流XLPE電纜絕緣各層表現(xiàn)出直流介電性能的差異。在30 ℃、10 kV/mm場強，30 ℃、20 kV/mm場強和50 ℃、10 kV/mm場強下，各層的電導(dǎo)率差異性很??；溫度為70 ℃時，中層和內(nèi)層絕緣電導(dǎo)率值大致相等；其余情況，內(nèi)、中、外3層電導(dǎo)率依次減小。

b)中、外層絕緣擊穿場強分別為內(nèi)層的1.23倍、1.3倍；場強為10 kV/mm和25 kV/mm時，3層絕緣均無明顯電荷積聚；而場強升高至40 kV/mm時，內(nèi)層試樣電極附近出現(xiàn)異極性電荷積聚，中層試樣內(nèi)部有同極性電荷注入，外層試樣內(nèi)部及電極附近無明顯電荷積聚。

c)在實際電纜脫氣工藝及性能檢測中，為了確保高壓直流XLPE電纜整體良好的絕緣性能，應(yīng)以內(nèi)層電纜的性能作為最低應(yīng)用標準，并以此來設(shè)置脫氣溫度和脫氣時間。一種方法是只對電纜內(nèi)層切片進行副產(chǎn)物含量檢測與分析，選取副產(chǎn)物殘余量不再顯著變化時的脫氣時間和溫度；另一種方法是開發(fā)考慮了內(nèi)層副產(chǎn)物擴散效果的原位光學(xué)測量技術(shù)，具體內(nèi)容有待進一步研究。