高压直流电力电缆发展现状研究

史志寒　吴鹏鹏　程成　徐滔

摘 要：文章从高压直流电力的发展情况出发，介绍了高压直流电缆现状以及其在实际中的应用。文章对我国高压直流电力电缆的发展中存在的关键性问题和技术难题进行分析，指出问题可能的原因，并对高压直流电力电缆的未来发展进行展望，分析当前形势下大力发展高压直流电力电缆的必要性。

关键词：高压直流电缆；技术难题；未来发展

中图分类号：TM247 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0063-02

Abstract： Based on the development of HVDC power， this paper introduces the present situation of HVDC cable and its application in practice. This paper analyzes the key problems and technical problems existing in the development of HVDC power cables in China， points out the possible causes of the problems， and looks forward to the future development of HVDC power cables. The necessity of developing HVDC power cable under the current situation is analyzed.

Keywords： HVDC cable； technical problems； future development

引言

隨着我国经济的发展，城市化进程的加快，城市群的特征逐渐显现，各行各业对于电力的需求逐步增加。现如今，对于远距离的供电需求主要是依靠高压直流的输电以及通过电网的互联构成的输电网络来维持电力的供应，这种高压直流的输电模式特别适用于一些较远的供电基站，比如一些岛屿等。随着城市化进程的扩张，城市副中心的构建、电力增容以及风力发电的采用等都已经成为电力技术发展的热门领域。

1 高压直流电缆发展现状概述

随着时代的进步，高压直流输电技术得到了广泛的应用。目前，在高压直流输电领域主要采用以下两种电缆技术。

1.1 油纸绝缘高压直流电力电缆

这种高压电缆也成为纸绝缘电缆，纸绝缘电缆又有很多种类，目前使用最为广泛的纸绝缘电缆为MI电缆。该电缆本身优点很明显，容量大，整体传输可靠性高，但是也存在接合时长过长的问题。与此同时，纸质的电缆本身的制造工艺较为繁琐，后期的维修保护成本较高，在高负荷传输过程中，电缆温度急剧升高，油的粘度会随着温度的升高而降低。一段时间后，随着黏度降低导致的油位移使得电缆整体存在绝缘强度差以及压力不均衡的情况，使得电缆受力不均发生变形。

1.2 挤压型聚合物直流电缆

挤压型直流电缆又被称为直流塑料电缆，通过字面意思直观地理解就能发现其与纸质直流电缆的差别。直流塑料电缆内主要的绝缘介质为聚乙烯，聚乙烯本身具有稳定、结构简单、耐用好、安装容易等优点。挤压型聚合物直流电缆也更加适用于海底等电路管道的传输。与此同时，塑料介质的绝缘材料整体损耗程度更低，制作安装成本不高，环保性能好，更加适用于未来的大规模高压直流电力传输场景。

2 高压直流电缆技术研究热门问题

目前，高压直流技术已经较为成熟，特别是高压晶闸管技术的突破使得高压直流电缆在传输中对高压电流的支持更好。高压直流电缆的发展成为业界在架设直流输电的重要因素。当前制约高压直流电缆发展的几个很重要的问题就是空间电荷、电缆材料等。

2.1 高压电缆中的材料问题

在高压直流电缆应用中，电缆的绝缘材料是直流电缆传输中最重要的保障。在目前的技术发展中，交联聚乙烯和硅橡胶作为应用在电缆绝缘材料中两种比较常用的物质，也得到了业界的认可和广泛的应用。在西方热点的研究领域中，会将一些纳米材料应用到聚合物中，以解决空间电荷的问题。纳米材料在应用于聚合物上主要有以下几个影响：（1）使得聚合物中杂质离子的含量升高；（2）由于纳米材料的特殊性，会带来表面效应和小尺寸影响；（3）由于小尺寸的影响，会使得高压电缆中聚合物的陷阱发生变化，变为浅陷阱。随着对于纳米材料的研究更加的深入和广泛，在高压电缆中应用纳米材料进行填充以及纳米电介质的合成，能够为高压电缆技术的发展带来新的机遇。

2.2 空间电荷问题

目前对于空间电荷的研究是高压直流电缆绝缘材料的热门领域问题。比较常见的绝缘材料XLPE优势明显，在高压直流传输中能够保持载流子的迁移率在较低标准以及陷阱浓度在较高的标准状态，从而提升和保证高压直流传输中的绝缘稳定性。但是XLPE的显著特性也会导致在XLPE材料的内部空间电荷的大量聚集，这种空间电荷的聚集以及流动会导致其内部的结构发生变化，电场发生畸形变化，进而会对XLPE材料本身产生影响，加速其老化。与此同时，由于在XLPE绝缘材料内部的空间电荷的移动是没有规律的，无法预测的，这对绝缘材料本身影响大。

3 未来高压直流绝缘材料发展面临的问题

3.1 绝缘材料的纯净度问题

绝缘材料纯净度是未来制约绝缘材料发展的重要问题。目前应用的主要是以LDPE树脂作为制作XLPX高压电缆传输的基础材料，LDPE树脂本身的纯净度以及加工方式直接决定XLPE绝缘材料的性能和纯净度。为此，对LDPE树脂材料的加工和研究是十分重要的也是提升XLPE绝缘材料性能的基础。在这方面的技术水平以及原材料的制取处于被国外公司垄断状态。目前制约直流电缆材料发展的因素中主要有两点：超净聚乙烯原材料制备和交联聚乙烯纳米改性技术。虽然我国一些大型的石化公司能够自行生产一些LDPE树脂用于支持XLPE电缆绝缘材料的构建，但是一些高压电缆的绝缘材料更多是依赖国外公司的进口，我国对于高压传输中XLPE绝缘材料的产能明显不足。

3.2 纳米粒子添加对于空间电荷问题的影响

对于空间电荷问题的解决目前业界普遍倾向于通过添加纳米材料来完成。MgO作为已经有过实验成功先例的纳米原材料，能够影响目前XLPE绝缘材料的聚合物内的空间电荷的分布形态，使其分布更加均匀，减少相互作用。纳米材料内部本身的纳米颗粒能够与绝缘材料聚合物的基体产生相互作用，调节电场分布。纳米材料下的氧化镁是目前应用最为广泛的也是经过实验认证的。氧化镁（MgO）材料本身的优势是显而易见的，其制造和获取方法也很多，但是业界普遍受困扰的问题在于如何制造出高纯度的纳米氧化镁。目前高纯度的纳米氧化镁的制造方式仍然比较局限，等离子喷射法和沉淀法是業界比较认可的两种方式，其中沉淀法本身由于其操作简便、成本低、获得的氧化镁纯度较高已经获得了行业的认可。

3.3 空间电荷测试技术的优化

空间电荷的分布以及空间电荷运动规律、相互作用都是需要攻克和解决的问题。为此，对于空间电荷的测量技术的优化对于了解和掌握空间电荷的特性是十分重要的。目前在绝缘材料中空间电荷的检测主要有热脉冲法、升温检测法，以及通过激光、压力、电脉冲等进行电荷的无损检测等几种方法。在对空间电荷进行测试及检测时，首要原则就是不能损坏和影响原有的电荷结构。在对实际应用的直流电缆进行空间电荷检测时，通常会采取电脉冲的方法，因为它能够更好地适应高压直流电缆的绝缘层和场地特性。目前，空间电荷测试技术在测试精度和测试广度两个方面都有很大的提升空间，在优化空间电荷测试技术上仍然需要下功夫、做研究。

4 高压电力电缆未来发展趋势

4.1 XLPE电缆全面替代传统电缆

XLPE电缆的优势是显而易见的，其本身良好的电气特性、耐电强度、耐用性、绝缘稳定性等都是现阶段最理想的绝缘介质。现如今XLPE电缆的普及度并没有达到一个特别高的阶段，从未来的发展角度来看，无论是高电压级还是低电压级都应该全面采用XLPE电缆作为绝缘材料。虽然许多人仍然质疑其应用的可靠性，但是已经有许多实际应用成功的案例值得人们去借鉴。而且，随着后续绝缘材料之间软接头工艺的不断改进和完善，其在海底之间完成大陆与岛屿的海底高压直流输送的应用也会逐渐被人们认可。

4.2 多种混合的输电模式

目前的送电模式主要有地下电缆、高空架电输送，以及专门的管道输送等等。

但是无论是何种方式，在应用场景上都有其瓶颈和制约性。在未来，应该综合考虑每种送电模式的优缺点，采用混合式的输电模式，以适应多种特殊地形，降低故障率，提升送电的稳定性和可靠性。在未来，应该实现超高压直流电缆、高压输送线路、架空送电线路混合并行的模式。这样能够解决大城市群、海岛、海拔高地区等多种类型的送电难题，具有综合的技术经济优势以及广阔的应用前景，逐步形成地空联合的混合输电系统。

4.3 高压气体作为绝缘介质

在未来，高压直流电缆输送中可以采用高压气体作为绝缘介质（GIL）逐步替代传统的绝缘介质。利用高压气体作为绝缘介质可以将导电线路和接地外壳剥离。高压气体作为绝缘介质的方式早在20世纪70年代的美国就曾经有过应用案例，但是应用范围没有十分广泛。目前制约GIL发展的主要因素主要是其可靠性和稳定性以及由此带来的温室效应增加的情况。与此同时，GIL在建设的初期成本较高，许多国家和企业并不能很好的承受，这也是GIL并没有大力推行的重要原因之一，但是这种思路是未来的一个发展趋势，也是今后研究的热点，一旦解决了上述问题或是性价比高的高压气体的发现将为GIL提供更广阔的发展空间。

参考文献：

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