浅谈高压直流交联聚乙烯电缆应用

孙成

摘要：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。

关键词：高压直流电缆；XLPE；空间电荷；温度梯度；绝缘诊断

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1882年，德国用单台直流发电机发电，通过57km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RenéThury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1889年意大利的GorzenteRiver-Genoa直流输电工程。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1987年投运的浙江舟山直流输电工程、1989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。

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。

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。

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。

3 XLPE高压直流电缆的研究现状

3. 1 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35kV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。

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110kV及以上电压等级XLPE电缆料的供应市场。

3.3 XLPE高压直流电缆绝缘内的空间

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。

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電技术市场，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。

参考文献：

[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004：1-64.

[2]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005：1-40.

[3]刘振亚.全面实现电力工业科学发展[J].中国电力企业管理，2010（5）：12-15.

（作者单位：南京中超新材料股份有限公司）