直流电力电缆的发展

苏丹丹

摘 要：直流电缆相比于交流电缆具有较低的介质损耗和导体损耗，较高的载流量和绝缘的工作电场强度，较薄的绝缘厚度，并且电缆外径小、重量轻、柔软性好、安装容易。本文基于输电技术的发展状况提出交流输电的制约因素，着重介绍直流输电的优势和目前存在的需要完善和解决的问题。

关键词：直流；电力电缆；制约因素；发展

引言

输电技术的百年发展史主要是依靠不断提高电压等级来提高线路的输送容量及输送距离的。交流电力系统虽然能十分便捷地将电能传输到用户，但损耗较大。对于远距离输电，电缆的电容电流亦严重地影响传输电流。当电缆的长度达到临界长度时，发送的电流几乎全部转为电容电流。如越海输电，交流输电采用电抗器等补偿措施十分困难，，海上不可能架设杆塔，故远距离输电，尤其越海输电必须采用高压直流输电。

1 交流电缆线路的制约因素

热极限：线路功率损耗引起线路发热。架空线过热会造成杆塔之间线路弧垂过大。电缆过热会加速绝缘老化。

电压约束：无功功率流动会引起输电线路的电压降落。

稳定性因素：电力系统遭受外部干扰后，发电机之间同步运行状态会发生变化。

2 直流输电的优势及问题

2.1 优势

（1）直流线路造价和运行费用不高。直流输电一般只需要2根线，节省金属及绝缘材料，并且输电走廊窄。直流线路要求的绝缘水平相对较低。直流电阻没有集肤效应，电晕损耗及其对无线电的干扰小。

（2）直流输电没有稳定性问题，输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，也不会产生低频振荡。

（3）可以隔离故障，不会传递和波及系统的其他部分。

（4）容易进行潮流控制，改善电网的潮流分布。

（5）易于实现地下或海底电缆输电。交流高压电缆有很大的分布电容，充电功率很大，海底加装补偿器不现实，而直流线路基本没有电容电流，是实现长距离海底电缆输电的途径。

2.2 问题

（1）换流装置费用高。

（2）直流断路器昂贵。

（3）换流装置运行中会产生谐波。

（4）换流站运行时消耗大量无功功率。

3 常用的直流电缆及应用领域

3.1 浸渍纸绝缘直流电缆（MI Cable），最常用的高压直流电力电缆，使用的历史已经超过40年，并被证实具有很高的可靠性，目前其使用的电压可达 500kV，导体的截面可达2500mm2。

3.2 充油直流电缆（OF Cable），常用于短程连接，目前的使用电压 500kV，导体截面达到3000mm2。

3.3 塑料绝缘直流电缆（Extruded Cable），目前还在发展中，如交联聚乙烯（XLPE）直流电缆。（直到目前，直流电缆的需求仍然不大。只有当大量的直流输电工程实际投运并处于盈利状态，塑料直流电缆才会对电缆生产商更有吸引力。直流电缆的制作工艺与交流电缆并不完全一致。普通的塑料直流电力电缆本身存在很多特殊问题，例如极性频繁翻转时的电缆击穿问题，空间电荷积累问题等。）

3.4 应用领域

轨道交通——地铁牵引供电系统一般采用1500V直流电压。地铁用直流电缆要求防水、阻燃性能好。但是北京地铁已在2012年全部改用交流机车。

电力系统——直流电力电缆可用于城市地下电网、工矿企业的内部供电，尤其是过江、过海的水下线路使用直流电力电缆是最佳选择。

4 直流电缆的空间电荷特性及抑制方法

4.1 空间电荷特性

电极注入形成空间电荷。常温时，通常在电场强度超过10kv/mm的情况下会在导体/绝缘表面产生电荷注入，而且到目前为止还不能很好的被抑制。电极注入的是同极性空间电荷，也就是说注入的电荷与电极极性同号。同极性空间电荷可以降低电极附近的局部场强。在对LDPE的研究中发现，空间电荷密度与温度有关。如果在低温下空间电荷密度很大，则这些电荷主要是由电极注入的。温度高于55°C时，空间电荷密度很小，这主要是由于载流子迁移率提高的缘故。

杂质的场助热解离形成空间电荷。在外界电场的作用下，杂质分子由于热作用而解离为正离子和电子或负离子，它们中的大多数会在很短的时间内重新复合。那些没有重新结合的电子会由于其很高的迁移率而迁移到阳极，或在迁移的过程中被陷阱捕获。这些电子的迁移会产生一个渐降的电流，假如从电极再没有电子的注入，那么这个电流最终也就将消失。而那些迁移率比较低的正离子或少数负离子会在绝缘层中形成稳定的空间电荷分布。绝大多数聚合物绝缘材料存在杂质热解离现象，但这并不是唯一或主要的空间电荷产生机制。

偶极子极化引起空间电荷。这种极化源于电介质内永久偶极子在部分范围内的不均匀排列。永久偶极子的偶极矩一般比较大，如在交联过程中产生交联副产物，其趋于分散在试样的表面并形成束缚电荷，束缚电荷在电极表面上感应出等量的电荷，并改变试样与电极界面的局部电场，因此它们的作用等同于空间电荷。这种空间电荷产生机理也能看到“镜像”效应。

稳态直流电流外加介电常数/电导率的空间变化率引起界面极化空间电荷。由电磁学理论可知，介电常数/电导率随位置的变化而变化的电介质材料，当直流电流密度j达到稳态时，将产生一个密度为ρ的空间电荷分布。这种空间电荷与其他形成机理不同，且没有直接关系。

4.2 抑制空间电荷的方法

很多研究表明，向聚乙烯中添加适量的无机纳米氧化物以及特殊的有机填料，可以有效的抑制聚乙烯内部的空间电荷。无机纳米填料可以分为两类：（1）无机极性材料，通过强极性的无机材料抑制复合介质内阴阳离子的移动，从而达到防止电荷积聚形成空间电荷的作用。（2）无机导电材料，通过吸附载流子，达到抑制空间电荷的作用。

5 直流电缆的附件问题

直流塑料电缆附件的发展比塑料电缆滞后得多，主要是因为难以分析和研究电缆主绝缘与附件增强绝缘交界面上的界面空间电荷的积累情况，以及开发研究合适的附件增强绝缘材料。在附件结构方面，已有报道的有ABB公司的电缆接头在电缆主绝缘与附件增强绝缘间应用一层非线性控制层，满足不同温度不同电场下非线性材料与电缆主绝缘、非线性材料与附件增强绝缘的电导率比值与介电常数比值接近1，从而抑制界面空间电荷，对此种非线性材料的研究难度比较大；日本很早就250kv甚至500kv的高压直流塑料电缆及其附件的研究报道，但至今仍未能应用到商业领域。在附件绝缘材料方面，目前多数学者采用EPR（乙丙橡胶）作为直流塑料电缆附件的绝缘材料。

参考文献

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