朱智恩， 曾浩， 楊黎明， 高凱， 李棟， 陳龍嘯， 王傳博

(南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，柔性直流電纜系統(tǒng)技術(shù)，尤其是高載流量柔性直流電纜技術(shù)成為整個(gè)電纜行業(yè)的熱點(diǎn)研究方向，可解決遠(yuǎn)海風(fēng)電進(jìn)網(wǎng)、海島供電、城市增容等柔直輸電領(lǐng)域的輸電線路問題[1—3]。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建設(shè)了多個(gè)柔直輸電工程，工程所用柔性直流電纜的絕緣材料全部來自進(jìn)口。電纜的通常工作溫度為70 ℃[4]，因此開發(fā)工作溫度為90 ℃的高載流量柔性直流電纜絕緣料能提高柔直電纜系統(tǒng)輸送容量，進(jìn)而滿足電網(wǎng)建設(shè)中大容量輸送的需求。例如，對(duì)于±320 kV柔直電纜，工作溫度由70 ℃提高至90 ℃，其輸送容量能夠提高10%～20%。

在國(guó)外，美國(guó)陶氏化學(xué)公司、日本和韓國(guó)等電纜材料公司正致力于研發(fā)工作溫度為90 ℃的柔直電纜絕緣材料，而北歐化工也有開發(fā)90 ℃材料的計(jì)劃。在國(guó)內(nèi)，南瑞集團(tuán)一直從事工作溫度90 ℃的柔直電纜絕緣料及其電纜系統(tǒng)的核心技術(shù)研究。目前，交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)直流電纜絕緣料的研究主要集中于通過物理或者化學(xué)改性的方法以實(shí)現(xiàn)絕緣中的空間電荷抑制。具體來說，主要包括納米材料添加技術(shù)和分子接枝技術(shù)[5]。這2種方法均是通過在電纜樹脂基料中引入極性原子/基團(tuán)，通過調(diào)控材料中的深/淺陷阱濃度及載流子遷移率，以實(shí)現(xiàn)空間電荷的抑制[6]。

柔直電纜絕緣材料主要電氣性能指標(biāo)包括空間電荷、電阻率、直流擊穿電場(chǎng)等?？臻g電荷性能研究起于上個(gè)世紀(jì)80年代，主要測(cè)試方法包括壓力波法和電聲脈沖法[7—8]。科研工作者針對(duì)柔直電纜絕緣材料從不同方面開展了大量的研究，包括電極材料對(duì)空間電荷注入影響[9]、絕緣界面對(duì)空間電荷的影響[6,10]、溫度梯度對(duì)空間電荷的影響[11]等。電阻率也是其關(guān)鍵指標(biāo)之一，其絕對(duì)值決定了電纜絕緣泄漏電流，即絕緣熱損耗。溫度對(duì)電阻率的作用將直接影響電纜絕緣的電場(chǎng)分布[12]。直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度直接決定了柔直電纜絕緣厚度設(shè)計(jì)及絕緣可靠性。許多科研工作者針對(duì)柔直電纜絕緣材料性能進(jìn)行了大量的研究，但大部分研究?jī)H關(guān)注材料的部分性能，未從產(chǎn)品的角度全面考慮其電氣綜合性能。

文中研究了柔直電纜絕緣料的空間電荷、電阻率、直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度等關(guān)鍵性能，并與高壓交流電纜絕緣料和國(guó)外柔直電纜絕緣料的相應(yīng)性能進(jìn)行比較分析。

1 電氣性能試驗(yàn)

1.1 試樣制備

絕緣基料選用國(guó)產(chǎn)高壓電纜絕緣用低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)，密度約0.92 g/cm3；添加劑選用空間電荷抑制劑和微量抗氧劑(質(zhì)量百分比約為0.2%)。其中，空間電荷抑制劑為通過氣相法制備的金屬氧化物納米粒子，粒徑為20～50 nm，比表面積約100 m2/g；為保證與LDPE良好的相容性，納米粒子表面已經(jīng)過偶聯(lián)處理。將LDPE與添加劑在130 ℃的密式混煉機(jī)上熔融共混15 min，制備成分均勻的LDPE納米復(fù)合絕緣料。在復(fù)合材料中添加質(zhì)量百分比約2%的過氧化二異丙苯(dicumyl peroxide，DCP)，將材料裝入廣口瓶并放置烘箱內(nèi)20 h，溫度80 ℃。為保證DCP充分被LDPE吸收，每隔一段時(shí)間需要搖晃廣口瓶。通過上述步驟，完成了柔直電纜絕緣料試樣制作。

此外文中還選用了其他2種絕緣材料：國(guó)內(nèi)高壓交流電纜絕緣料和國(guó)外高壓柔直電纜絕緣料。為便于簡(jiǎn)化，文中將新柔直電纜絕緣料命名為S1，國(guó)內(nèi)交流絕緣料命名為S2，國(guó)外柔直電纜絕緣料命名為S3。

利用平板硫化機(jī)將上述3種含交聯(lián)劑的絕緣料熱壓交聯(lián)成型，交聯(lián)工藝溫度為175 ℃，壓力約為15 MPa，時(shí)間15 min。用于空間電荷實(shí)驗(yàn)和電阻率實(shí)驗(yàn)的圓形試樣尺寸為直徑200 mm、厚度1 mm，用于直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的圓形試樣尺寸為直徑10 mm，厚度約0.3 mm。

1.2 測(cè)試設(shè)備及方法

空間電荷實(shí)驗(yàn)利用壓力波法測(cè)試系統(tǒng)，關(guān)于此方法的詳細(xì)介紹可見文獻(xiàn)[7—8]。文中系統(tǒng)的脈沖激光器波長(zhǎng)1 064 nm，能量650 mJ；直流發(fā)生器最大輸出電壓60 kV，紋波系數(shù)0.5%；示波器帶寬為350 MHz，采樣頻率為2.5 GHz。利用此設(shè)備在外加電場(chǎng)40 kV/mm下，分別測(cè)試20 ℃和90 ℃下試樣空間的電荷分布。

電阻率測(cè)試設(shè)備示意如圖1所示，測(cè)試裝置由ZC36型高阻計(jì)、40 kV直流高壓源和烘箱3部分組成。

圖1 絕緣試樣電阻率測(cè)試設(shè)備示意Fig.1 Schematic diagram of resistivity test for insulation sample

試驗(yàn)分別測(cè)試了30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃時(shí)試樣的電阻率，其中電場(chǎng)固定為20 kV/mm。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試驗(yàn)條件下進(jìn)行5組平行試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果取中值。

直流擊穿測(cè)試設(shè)備由直流電壓發(fā)生器、恒溫油槽、擊穿電極等組成。直流電壓發(fā)生器的額定電壓為200 kV，最大電流為5 mA，紋波系數(shù)為0.5%；恒溫油槽溫度范圍為20～100 ℃，溫度誤差為±2 ℃；擊穿電極由直徑均為20 mm的球-球電極組成。此實(shí)驗(yàn)包括2種方法：方法一為連續(xù)升壓法，直流電壓以1～3 kV/s速度升壓至試樣擊穿，為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)取10個(gè)試樣，并取中間2個(gè)值的平均值作為實(shí)驗(yàn)值；方法二為階梯升壓法，以ΔE=10 kV/mm的階梯電場(chǎng)增加，在每個(gè)電場(chǎng)下維持時(shí)間Δt=30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 空間電荷性能

根據(jù)研究，工程運(yùn)行的高壓超高壓柔直電纜絕緣中最大電場(chǎng)約為20 kV/mm。文中將外加電場(chǎng)提高1倍，開展外加電場(chǎng)40 kV/mm下的空間電荷性能研究。利用壓力波法空間電荷測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了自主研發(fā)柔直電纜絕緣料S1在20 ℃及90 ℃下的空間電荷分布，如圖2和圖3所示。

圖2 20 ℃下S1試樣的空間電荷分布(1 h時(shí)刻)Fig.2 The distribution of space charge of S1 sample at 20 ℃ (at 1 h)

圖3 90 ℃下S1試樣的空間電荷分布(1 h時(shí)刻)Fig.3 The distribution of space charge of S1 sample at 90 ℃ (at 1 h)

圖2和圖3顯示的是S1試樣在1 h時(shí)刻的空間電荷分布，圖2(a)和圖3(a)為壓力波法測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的原始信號(hào)(以電壓形式表示)，圖2(b)和圖3(b)為根據(jù)處理軟件轉(zhuǎn)換的試樣中電場(chǎng)分布。由圖2和圖3可知，在不同的溫度下，S1試樣均顯示了良好的空間電荷抑制性能，試樣內(nèi)部電場(chǎng)均勻，電場(chǎng)畸變率(最大電場(chǎng)與外加電場(chǎng)差值除以外加電場(chǎng))不超過5%。

為研究空間電荷與加壓時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)一步研究了S1試樣在90 ℃下并加壓24 h后的空間電荷分布情況，如圖4所示。

圖4 90 ℃下S1試樣的空間電荷分布(24 h時(shí)刻)Fig.4 The distribution of space charge of S1 sample at 90 ℃ (at 24 h)

由圖4可知，隨著加壓時(shí)間的增加，S1試樣中的空間電荷分布幾乎沒有發(fā)生明顯變化，電場(chǎng)畸變率也不超過5%。

為了與柔直電纜絕緣試樣S1進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)研究了未添加納米粉末的交流電纜絕緣料S2試樣以及國(guó)外柔直料S3的空間電荷性能，這2種試樣的空間電荷分布如圖5所示。

圖5 20 ℃下S2和S3試樣的空間電荷分布(1 h時(shí)刻)Fig.5 The distribution of space charge of S2 and S3 samples at 20 ℃ (at 1 h)

由圖5可知，S2試樣在靠近負(fù)極位置積累了較多的異極性電荷——正電荷，并引起了負(fù)極峰明顯增高；S3試樣在正極和負(fù)極附近均出現(xiàn)了異極性電荷。由其電場(chǎng)分布可知，S2試樣在靠近負(fù)極位置存在明顯的電場(chǎng)畸變，最大電場(chǎng)畸變率約25%；S3試樣在靠近正極和負(fù)極位置也出現(xiàn)了明顯的電場(chǎng)畸變，最大電場(chǎng)出現(xiàn)在正極附近，電場(chǎng)畸變率約30%。

研究表明[13]，通過在LDPE中添加納米粒子，由于兩者介電常數(shù)差異引起了電場(chǎng)的變化，可進(jìn)而形成1.5～5 eV的較深陷阱。在S1試樣加壓的初期，電極附近的深陷阱能夠迅速捕獲少量的同極性電荷，同極性電荷形成的電場(chǎng)降低了界面電場(chǎng)，并顯著降低了電極電荷的注入[14]。故在S1試樣中幾乎不存在空間電荷注入，且空間電荷分布較為穩(wěn)定，幾乎不隨時(shí)間變化。在S2試樣中，由于LDPE結(jié)晶形態(tài)的不完整性[15]，容易引起空間電荷注入，且存在抗氧劑、交聯(lián)分解殘留物，易形成較淺的陷阱，進(jìn)一步引起空間電荷積累。國(guó)外直流料通過在材料中引入淺陷阱，提高載流子遷移率并防止空間電荷積累，這樣僅在較低電場(chǎng)(例如20 kV/mm)下就具有較好的空間電荷抑制性能。因此，文中新絕緣材料在較高電場(chǎng)下具有更優(yōu)異的空間電荷抑制性能。

2.2 電阻性能

在溫度30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃下，測(cè)試了S1，S2和S3試樣電阻率與溫度的關(guān)系，電場(chǎng)為20 kV/mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？v坐標(biāo)規(guī)定電阻率最小值(即S2試樣90 ℃下電阻率)為1，并以此最小值為基值進(jìn)行倍數(shù)關(guān)系標(biāo)示。

圖6 S1和S2及S3試樣在不同溫度下的電阻率(測(cè)試電場(chǎng)20 kV/mm)Fig.6 The resistivity of S1,S2 and S3 samples at different temperatures (testing field 20 kV/mm)

由圖6可知，交流電纜絕緣料S2試樣電阻率最低，柔直電纜絕緣料S1試樣電阻率最高，其在較高溫度下的電阻率超過了國(guó)外柔直料S3試樣的電阻率。這是由于S1試樣中添加的納米粒子形成了更深的陷阱，降低了載流子遷移率，引起電導(dǎo)率下降或電阻率升高。這意味著文中的柔直電纜絕緣料在高溫下具有較低的電導(dǎo)電流，能夠降低絕緣熱損耗。

對(duì)縱坐標(biāo)(電阻率)取自然對(duì)數(shù)坐標(biāo)并進(jìn)行線性擬合，可發(fā)現(xiàn)電阻率對(duì)數(shù)與溫度存在良好的線性關(guān)系，即可近似地認(rèn)為電阻率與溫度存在指數(shù)關(guān)系，可表示為：

ρ=k1e-aT

(1)

式中：ρ為電阻率；k1為系數(shù)；a為電阻率溫度系數(shù)；T為溫度。通過線性擬合，可得出S1，S2和S3試樣的電阻率溫度系數(shù)a分別為0.06，0.08，0.09(1/℃)。

研究表明[12,16—17]，電阻率溫度系數(shù)與柔直電纜絕緣電場(chǎng)分布存在較大的關(guān)系。在柔直電纜工作溫度下，較大的溫度系數(shù)不但會(huì)增加絕緣電場(chǎng)畸變程度，還會(huì)引起柔直電纜絕緣電場(chǎng)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即最大電場(chǎng)由絕緣內(nèi)層位置轉(zhuǎn)移至絕緣外層位置。這將加速電纜絕緣老化，從而導(dǎo)致?lián)舸┢茐?。更重要的是，絕緣外部位置的較大電場(chǎng)給柔直電纜連接件(接頭和終端)的設(shè)計(jì)帶來較大的困難。電纜絕緣外部靠近電纜絕緣/連接件應(yīng)力錐絕緣的界面是整個(gè)柔直電纜系統(tǒng)的薄弱位置，易發(fā)生電擊穿。進(jìn)一步的研究表明[12]，在絕緣電阻率溫度系數(shù)一致的情況下，隨著柔直電纜工作溫度提高(例如從70 ℃到90 ℃)，電場(chǎng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象更明顯，絕緣外層電場(chǎng)越高。因此，從工作溫度90 ℃的柔直電纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)盡量減小電纜絕緣電阻率溫度系數(shù)。綜合以上可知，文中開發(fā)的柔直電纜絕緣料在高溫下具有較高的電阻率，即較低的熱損耗；還有較低的電阻率溫度系數(shù)，不但能降低電場(chǎng)畸變承擔(dān)，還有利于整個(gè)柔直電纜系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)。

2.3 直流擊穿性能

利用1.2節(jié)描述的連續(xù)升壓法測(cè)試了S1，S2和S3試樣在溫度30 ℃，50 ℃，70 ℃，90 ℃下的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)規(guī)定最小值(即S2試樣在90 ℃下?lián)舸╇妶?chǎng))為100，并以此最小值為基值進(jìn)行倍數(shù)關(guān)系標(biāo)示。

圖7 S1和S2及S3試樣在不同溫度下的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(連續(xù)升壓法)Fig.7 The DC breakdown strength of S1,S2 and S3 samples at different temperatures (continuous increasing voltage method)

由圖7可知，柔直電纜絕緣料S1具有更高的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，而在較低溫度下高壓交流電纜絕緣料S2的直流擊穿電場(chǎng)稍高于國(guó)外柔直電纜絕緣料S3，但在較高溫度下則相反。相比于S2試樣，S1試樣的直流擊穿電場(chǎng)明顯提高，尤其是在較高溫度下，90 ℃下后者約為前者的1.6倍。這說明通過添加納米粒子抑制了空間電荷積累，降低了局部電場(chǎng)畸變，間接地提高了擊穿電場(chǎng)。為進(jìn)一步研究絕緣材料在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間、高溫下的直流擊穿性能，利用階梯升壓法(階梯電壓ΔE=10 kV/mm，維持時(shí)間Δt=30 min)開展了3種試樣在90 ℃的直流擊穿電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，共開展了5組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 S1和S2及S3在90 ℃下的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(階梯升壓法)Fig.8 The DC breakdown strength of S1,S2 and S3 samples at 90 ℃ (step increasing voltage method)

由圖8可知，在90 ℃下，S1試樣直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度最高，約為S2試樣的1.27倍；S3試樣直流擊穿電場(chǎng)次之，約為S2試樣的1.09倍；S2試樣直流擊穿電場(chǎng)最低。圖8結(jié)果也表明柔直電纜絕緣料在較高溫度下具有良好的長(zhǎng)時(shí)間空間電荷抑制性能，故在較長(zhǎng)時(shí)間的直流電場(chǎng)下具有較高的擊穿性能。

3 結(jié)論

文中基于空間電荷、電阻率、直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度3個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)研發(fā)的高載流量柔性直流電纜絕緣料進(jìn)行了大量的研究，結(jié)論如下：

(1) 該柔直電纜絕緣料在20 ℃和高溫(90 ℃)下具有良好的長(zhǎng)期空間電荷抑制性能，明顯優(yōu)于高壓交流電纜絕緣料和國(guó)外柔直電纜絕緣料；

(2) 與交流電纜絕緣料和國(guó)外柔直電纜絕緣料相比，該柔直電纜絕緣料(尤其在高溫下)具有較高的電阻率及較低的電阻率溫度系數(shù)。

(3) 相比于其他2種絕緣材料，該柔直電纜絕緣料(尤其在高溫下)具有較高的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。