交联聚乙烯高压直流电缆的研究现状与发展

陈　曦

（1.广西电网公司电力科学研究院，广西南宁530023；2.西安交通大学，陕西西安710049）

交联聚乙烯高压直流电缆的研究现状与发展

陈曦1，2

（1.广西电网公司电力科学研究院，广西南宁530023；2.西安交通大学，陕西西安710049）

介绍了高压直流电缆的发展历史、运行中存在的问题以及目前国内外对交联聚乙烯（XLPE）高压直流电缆的研究现状，提出了国内发展XLPE高压直流电缆的建议。

高压直流电缆；XLPE；空间电荷；温度梯度；绝缘诊断

0 引 言

为了降低温室效应对气候的影响，全世界正在大规模发展绿色能源，开发太阳能、风能和潮汐发电等。直流输电可以把风力发电、潮汐发电、太阳能发电等具有不稳定的电源与电力系统联接起来而不会影响电网的电能质量水平。

众所周知，高压直流输电线路成本低、损耗小、没有无功功率、连接方便、容易控制和调节，在长距离输电中已被广泛采用。另外，直流电力电缆绝缘的工作电场强度高、绝缘厚度薄、电缆外径小、重量轻、制造安装容易、载流量大、没有交流磁场、有环保方面的优势。因此直流高压输电电缆作为直流输电系统中不可或缺的一部分，是高压输电中的重要课题。

1 高压直流电缆的发展和应用

1.1直流输电的发展

最早的直流输电工程可追溯到1SS2年，德国用单台直流发电机发电，通过57 km架空线从巴伐利亚州的米斯巴赫镇向巴伐利亚州首府慕尼黑市的国际展览会送电。早期的高压直流输电不用换流，由瑞士工程师René Thury首先开发，其基本原理是利用直流发电机串联获得高电压，利用这种技术的第一项工程是1SS9年意大利的Gorzente River-Genoa直流输电工程。到1925年法国尚贝里直流输电工程建成，世界上当时一共建成6项利用发电机串联升压的高压直流输电工程。电压最高为150 kV，功率最高为30 MW。

1932年美国纽约Mechanicville直流输电工程的建成标志着高压直流输电进入了汞弧阀换流时期。直到1954年，世界上第一个工业性直流输电工程哥特兰岛Ⅰ期工程在瑞典建成并投运。1975年，英国Kingsnorth工程的建成标志着高压直流输电的汞弧阀换流时期的结束。在这期间，共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。而此后汞弧阀因制造复杂、可靠性低、价格昂贵等缺点最终被高压大功率晶闸管代替［1］。

1972年，在加拿大伊尔河建成了世界上第一个采用晶闸管换流的直流工程。截至2011年，世界上已经投入运行的采用晶闸管换流的高压直流输电工程共92项，其中纯架空线路27项、纯电缆线路15项、架空线和电缆混合线路17项、背靠背直流工程33项。这其中包括我国19S7年投运的浙江舟山直流输电工程、19S9年投运的葛洲坝-南桥直流输电工程、2001年投运的天生桥-广州直流输电工程、2002年投运的嵊泗直流输电工程、2003年投运的三峡-常州直流输电工程、2004年投运的贵州-广东Ⅰ回直流输电工程和三峡-广东直流输电工程、2005年投运的灵宝背靠背工程、2006年投运的三峡-上海直流输电工程、2007年投运的贵州-广东Ⅱ回直流输电工程、2010年投运的云南-广东直流输电工程和向家坝-上海直流输电工程。其中云南-广东直流输电工程是世界上第一个±S00 kV特高压直流输电工程，是我国特高压直流输电自主示范工程。向家坝-上海直流输电工程是世界上最长的特高压直流输电工程，线路全长1907 km［2］。

1.2直流输电的应用

目前新型、清洁、可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向，风力、太阳能等新型能源发电在世界范围内逐步扩展，其主要特点之一是分散化与小型化，且往往远离用电中心。同时钻探平台、岛屿、矿区等“孤岛”负荷目前多采用污染性大的柴油发电机供电，地理条件与发电规模的制约使得利用现有交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网连接经济性差、环保压力大，而采用直流输电更加经济、方便。另外，随着电力工业的不断发展，用电负荷不断增加，空中输电线路走廊日趋饱和，架设新的线路受到环境、经济条件等因素的限制，变得越发困难。尤其在城市负荷中心，增加传统的架空交流输电线几乎不可能。目前，国际上正通过使用轻型高压直流输电技术（HVDC Light）来解决这些问题。由瑞典ABB公司率先开发出的轻型高压直流输电作为一种经济、灵活、高质量的输电方式，已用于国外许多直流高压输电工程中，并产生了良好的输电及环保效益。随着电力电子技术的高速发展，直流输电系统的轻型换流技术和设备已经成熟，柔性直流输电或全控直流输电（VSC-HVDC）也受到广泛的关注。VSC-HVDC技术不同于传统的高压直流输电技术，它不仅适用于高压直流输电，更由于其经济、可控性强、灵活、轻便等特点，向城市的中低压配电网发展。

近几年，随着各国对节能减排和能源综合利用的需要，以风力发电、光伏发电和燃料电池发电等新能源为代表的分布式能源系统因变负荷灵活、较低的初投资、供电可靠、较小的输电损失和适合可再生能源应用等特点而越来越受到重视［3］。光伏发电和燃料电池发电是以直流形式产生电能，经过直-直斩波和直-交逆变才能并入传统的交流配电网。如果接入直流配电网，便可以省略直-交逆变环节，从而节省大量的换流器件并降低能耗。另外，随着电力电子技术的进步，一方面含直流环节的电器增多，即需要对电能进行交-直-交转换的电器，最普遍的就是变频电器；另一方面很多电气设备其本质上都是使用直流的，需要将交流电变成直流电再送给电器使用，例如液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、个人电脑等。如果改用直流配电网，便可省略交流变直流的整流过程，必然比将交流电变成直流电再使用更加节省能源。

我国正在建设的特高压交直流电网可以有效地解决高效能源输送的难题，同时直流输电还广泛应用于新能源的规模化利用。大力发展的直流输电系统需要大量的高压/超高压直流电缆。为此，电缆作为输电的载体是发电站和整个城市输配电系统中不可或缺的重要的组成部分，为了适应直流高压输电在特高压及新能源电力传输中的广泛应用，电缆的绝缘水平需要向高的绝缘水平、高的可靠性和小的体积方向发展。

2 XLPE高压直流电缆运行中存在的问题

2.1空间电荷的产生及影响

交联聚乙烯（XLPE）结构简单、介电性能好、物理化学结构稳定，作为电缆中的绝缘材料得到广泛的应用。但在直流电场作用下，XLPE材料内部会形成空间电荷。一般来讲，聚合物中空间电荷主要由两部分组成：一部分是在低场强下，因为杂质在电场作用下电离发生迁移造成，称为异极性电荷，即靠近阴极处为正电荷，靠近阳极处为负电荷；另一部分是在高场强下，由电极注入的可迁移和入陷的载流子，称为同极性空间电荷，即靠近阳极处为正电荷，靠近阴极处为负电荷。这些空间电荷的存在对聚合物局部电场分布造成畸变，从而使聚合物的导电性能和击穿性能发生改变，尤其是在目前应用广泛的XLPE电缆上。根据现场运行经验，对XLPE电缆安装后进行直流耐压测试后，发生XLPE电缆击穿，而直流下空间电荷的产生被认为是其击穿的主要原因。IEEE成立了两个专门委员会（IEEE-DEIS TC32-13和32-4）研究空间电荷的存贮、绝缘材料的老化和击穿间的宏观特性、相应的微观或纳米机理，目的是解释聚合物电老化和空间电荷作用间的关系［4］。对于XLPE电缆的老化机理研究大致分为水树枝老化、电树枝老化和热电老化机理研究，无论哪种老化方式都可能导致空间电荷的积聚，加速电缆的老化。一方面XLPE电缆中含有水树枝时，其绝缘层中会出现空间电荷，这类空间电荷在电场撤去后会逐渐消失；另一方面在电场作用下由树枝尖端注入到XLPE电缆绝缘缺陷中的空间电荷，即使在去掉外电场时空间电荷也不会消失，此类空间电荷所产生的静电力与电缆工频运行电压叠加作用即可能在水树枝的尖端引发电树枝，对电缆的安全运行有较大威胁。电缆中空间电荷的产生和积聚，会畸变绝缘中的电场分布，加速电树枝的生长，所以非常有必要对电缆绝缘中的空间电荷分布进行研究。

2.2直流作用下绝缘内的温度梯度效应

XLPE作为高压直流电缆的绝缘时，内部存在大量的局部电荷陷阱，造成内部空间电荷集聚，形成空间电荷效应。尤其是高压直流电缆运行在满负荷时，导体温度较外屏蔽层温度高，即电缆绝缘的温度由内到外呈现温度梯度分布。这种温度梯度效应加剧了电极上电荷的注入和迁移，促使介质内积聚的空间电荷量增加，进一步增强绝缘层表面的电场强度，加速绝缘材料的电老化，缩短绝缘材料的使用寿命；尤其是当绝缘内的异极性空间电荷积累比较多时就可能引发绝缘材料的击穿，使绝缘失效。已有研究表明，XLPE中的空间电荷积聚是导致电缆早期绝缘失效的主要原因，而实际运行中的温度梯度效应更会加速空间电荷的积聚造成电缆的早期绝缘失效。

众所周知，电缆在正常工作温度下，其内部的绝缘材料介电常数与温度无关。交流电压下，绝缘介质内的电场强度分布取决于介电常数，即电场强度在电缆绝缘层中的分布几乎不受温度分布的影响。但在直流电压下，电场强度分布取决于绝缘材料的电阻率，而绝缘材料的电阻率一般随温度呈指数变化，温度分布变化会使绝缘材料电阻率随之发生变化，进而引起绝缘内电场强度的分布发生改变。因此，直流电缆绝缘层中场强分布不仅与电缆几何尺寸、外施电压有关，也与电缆负载大小有关［5］。

在直流电场下，绝缘材料的电导率σ与温度T和电场强度E的关系，一般可由式（1）或者式（2）表示［6］：

式中：σ0是与材料有关的常数；α是温度系数；β是场强系数。

Reddy等学者认为，精确计算聚合物的电导率随温度和电场强度的变化规律应采用式（3）来仿真计算直流电缆绝缘内的电导率变化［7］：

式中：A是与材料有关的常数；φ是活化能（eV）；q是电子电荷量（C）；kb是波尔兹曼常数；B是场强系数。

有关A、B和φ的取值主要是由实验材料和实验条件确定［21］。在空载或者暂态情况下，直流电缆绝缘层中的场强分布与交流电缆类似：绝缘内层场强比外层场强高。但随着负荷电流的变化，线芯导体的焦耳热损耗会通过绝缘层向外散发，导致电缆绝缘层形成温度梯度，即绝缘内层温度比外层温度高，使得内层的电导率会比外层电导率大，由于直流电场中电场强度按电导率的反比分布，在绝缘内径处电导率比外径处电导率越来越大的过程中，绝缘内径处的电场强度会逐渐降低，外径处的电场强度会逐渐增大。于是，当绝缘层的温度梯度达到一定程度时，直流电缆绝缘层两侧就会出现“场强反转”的现象。可见，在电导率改变的同时，绝缘层内部各处场强又会发生变化，场强的变化又会改变绝缘层的电导率。

3 XLPE高压直流电缆的研究现状

3.1国内外XLPE电缆的发展状况

聚乙烯（PE）以其优良的介电性能、物理机械性能和易加工处理等优点得到广泛应用，它的产量在塑料产品中居首位，其大分子链呈线型或者支链结构，在受热或者应力作用下，分子链间比较容易发生相对运动，因而PE的抗热变形能力比较弱、工作温度比较低，一般会采用交联技术来弥补其结构上的缺陷、并提高性能。一般的交联方式有：辐照交联、紫外光交联、过氧化物交联等。但工业上对于35 kV以上的XLPE电缆均使用过氧化物交联工艺。在交联之后，PE分子链交叉连接呈现立体网状结构，不但改善PE的耐热性、耐磨性，而且提高其抗蠕变性等力学性能。目前，XLPE应用于低、中、高压的电缆干式绝缘中，预计最后可能完全取代浸渍纸电缆。

当今交流超高压干式电缆发展比较快的主要是德国、日本和法国［8］。我国XLPE电缆自上世纪70年代起步，在西电东送和支援中东部建设环境下，XLPE电缆的生产发展与应用都具有良好的机遇。目前，国内6～35 kV的XLPE电缆已取代油纸电缆，主要采用国产料。国内生产的XLPE电缆电压等级达到500 kV，但超高压电缆制造设备和原料都采用进口。我国电缆制造企业在不断引进国外先进交联电缆生产线和生产技术的基础上，自行开发出新的XLPE电缆生产线，快速缩短了与国外先进水平的差距［9］。

而对于直流电缆，国际上以瑞典ABB公司最具有代表性，其直流电缆绝缘采用XLPE制成，最高电压达320 kV，但其仅适用于VSC系统使用，另外还有法国Nexans公司（绝缘材料为PE，电压等级为500 kV）；意大利Pirelli公司（绝缘材料为XLPE，电压等级为250 kV），法国Sagem公司（绝缘材料为低密度聚乙烯（LDPE），电压等级为400 kV）；日本Viscas公司（绝缘材料为XLPE，最高额定电压为500 kV）［10］。

3.2国内外XLPE电缆料的使用概况

高压直流输电技术是当今输电技术的发展趋势，电缆是输电的关键，其使用的绝缘材料是电缆电压等级能否提高的关键性因素。一般认为聚合物绝缘高压直流电缆的绝缘料要具备高直流击穿强度、高绝缘电阻系数、低温度系数、低电场系数、低热阻系数和不易形成空间电荷的特点。目前，国际上XLPE直流电缆使用的电缆料的主要生产商是美国陶氏化学公司和北欧化工公司，他们几乎垄断了110 kV及以上电压等级XLPE电缆料的供应市场。

目前国内电缆料只能满足35 kV以下交流电缆使用，其基料主要为大庆石化总厂出产的19E和上海石化股份公司出产的DJ200A、DJ210等，而66 kV以上的电缆基料主要是北欧化工的4201和UCC的4201。随着设备的引进和研发实力的增强，35 kV以下的XLPE电缆料目前已经全部国产化，浙江万马集团、上海化工厂、河南万博塑料有限公司是市场主要占有厂家。随着电力工程的发展，国内已开发了110 kV等级的XLPE电缆绝缘料，而对于更高电压等级电缆料和直流电缆料的自主研发迫在眉睫。

3.3XLPE高压直流电缆绝缘内的空间电荷抑制

从19S4年起就开始了以改性添加剂抑制或改善空间电荷分布为方向的研究工作［11］。日本的JPower、藤仓电缆和古河电工展开联合研究，研发了两种高压直流用XLPE绝缘料，一种是添加导电有机填料，另一种是添加极性无机填料，测试结果表明：两种填料有效抑制XLPE空间电荷的积聚，并提高了电阻率。在此基础上，日本成功开发了±250 kV高压直流XLPE电缆［12］。在进一步改善性能的基础上，他们于2001年又研发成功±500 kV高压直流XLPE电缆［13］，但还未见工程使用。

为了能够找到更好的直流电缆绝缘材料，国内外学者在电缆料改性方面做了大量的研究工作。尹毅教授［14］通过加入1％氯化聚乙烯（CPE）到PE中，有效改善空间电荷效应并提高了体积电阻率，并提高直流预压短路树枝起始电压；党智敏教授［15］将三梨糖醇成核剂加到PE中通过改变PE的结晶形态来提高其耐水树性能；Fleming［16］研究了LDPE掺杂BaSrTiO3后的空间电荷特性和电导特性；还有的学者通过加入无机纳米粒子（如纳米MgO［17］、纳米SiO2［18］等）来改性PE的性能，等等。加入添加剂的目的是为了降低聚合物中电子在入陷和复合过程中产生的破坏聚合物分子链的热电子的概率，从而提高聚合物的力学性能、改善其介电性能。对于纳米粒子在聚合物基体的作用机理，美国学者提出聚合物纳米复合体系的界面特性及日本学者提出的多壳模型，对纳米技术在电介质学科的研究具有一定的指导意义。我国学者在电缆绝缘料改性方面也进行了大量的研究工作并取得可喜的成绩，但在大幅度提高电缆绝缘综合介电性能和工业实际应用中尚未取得突破性进展。

3.4XLPE高压直流电缆运行中温度梯度效应

由于直流电缆绝缘材料的电阻随温度变化，以及绝缘中空间电荷等问题的存在，有学者研究不同温度条件下电缆绝缘内的空间电荷分布，搭建了温度可控的空间电荷测量系统，以及初步解决在不同的温度条件下，由于声速不同对测量结果的影响。虽然这些研究对直流电缆的研发有一定的作用，但这些都是在均一温度条件下的测量结果。面对实际工程中的问题，已有学者初步的研究。例如，Montanari教授认为对于Mini级电缆，温度梯度效应对空间电荷聚集的影响仅存在于绝缘材料阈值之下［5］；但对于MV级电缆，温度梯度效应则可造成绝缘中的电场发生反转，即最大场强出现在电缆绝缘的外侧，实验中电缆外施场强为30 kV/mm，温度差为20℃，结果表明电荷的迁移量和注入量都有所升高，且在电缆绝缘层表面处有大量空间电荷积聚；Chen.G教授和Dissado教授同样指出温度梯度效应对电缆试样绝缘内空间电荷的影响［19］。然而，电缆满负荷运行时的导体温度可达到90℃，绝缘内外温度差可能超过70℃。随着输电电压等级的提高，高场强高温度梯度下的聚合物绝缘中空间电荷积聚及电场分布有待研究。

3.5XLPE高压直流电缆试验和绝缘诊断技术

国际大电网组织CIGRE在2003年2月由第21.01小组提出一个适合聚合物绝缘高压直流输电电缆的试验方法TB219“Recommendations for testing DC extruded cable systems for Power transmission at a rated voltage up to 250 kV”，至今，ABB等国外公司开发的聚合物直流电缆，最后的试验报告形式均采用CIGRE推荐的试验方法进行评估，从试验的性质上看，包括了直流电缆从研究到生产以及安装运行各个阶段所必须进行的开发试验、型式试验、预鉴定试验、抽样试验、交接试验、预防性试验等。CIGRE SC B1于2012年发布了TB496，扩大了TB219的电压等级，升高到500 kV，并增加了新的内容。IEC相关标准也在制定中。

目前，预防性试验中规定的电缆试验项目不多，根据需要又开发出多种在线和离线试验方法，针对10～35 kV电压等级一般有直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、交流叠加法、低频叠加法、损耗电流测试法、接地线电流测量法、局部放电法等；针对110kV及以上电压等级的XLPE电缆绝缘在线监测技术主要有损耗电流谐波分量法、接地线电流法、绝缘外护套接地电阻及化学电势在线测量、局部放电法、光纤测温法五种方法。

4 展 望

随着直流输电在特高压及新能源电力传输中的广泛应用，直流输电设备需求日益扩大。按照国家规划，在未来20、30年内，我国将大规模建设高压直流输电线和建立柔性直流输电示范工程，这将成为世界上最大的高压直流输电技术市场，随着我国对国产高压直流电缆自主研发的重视，我们更需要关注高压直流电缆产业的各个环节，一方面研发新型电缆用绝缘材料并设计新的电缆结构，使之具备高压直流条件下的使用特性，充分考虑电缆绝缘中的电场分布、温度梯度效应、空间电荷效应、机械应力和环境应力等对其运行产生的影响，制定符合我国不同电压等级的直流电缆相关试验的规范、导则和标准；另一方面可以考虑交流改直流的最大极限工作电压和最大容量，将既存的XLPE交流电缆改成在极限工作电压允许范围内的XLPE直流电缆，大大节省建设资金及电缆敷设、更换的成本。

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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

陈 曦（19S3-），女，工程师，博士，在站博士后.

作者地址：广西南宁市民主路6-2号［530023］.