交聯聚乙烯高壓直流電纜的研究現狀與發展

陳　曦

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧530023；2.西安交通大學，陜西西安710049）

交聯聚乙烯高壓直流電纜的研究現狀與發展

陳曦1，2

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧530023；2.西安交通大學，陜西西安710049）

介紹了高壓直流電纜的發展歷史、運行中存在的問題以及目前國內外對交聯聚乙烯（XLPE）高壓直流電纜的研究現狀，提出了國內發展XLPE高壓直流電纜的建議。

高壓直流電纜；XLPE；空間電荷；溫度梯度；絕緣診斷

0 引 言

為了降低溫室效應對氣候的影響，全世界正在大規模發展綠色能源，開發太陽能、風能和潮汐發電等。直流輸電可以把風力發電、潮汐發電、太陽能發電等具有不穩定的電源與電力系統聯接起來而不會影響電網的電能質量水平。

眾所周知，高壓直流輸電線路成本低、損耗小、沒有無功功率、連接方便、容易控制和調節，在長距離輸電中已被廣泛采用。另外，直流電力電纜絕緣的工作電場強度高、絕緣厚度薄、電纜外徑小、重量輕、制造安裝容易、載流量大、沒有交流磁場、有環保方面的優勢。因此直流高壓輸電電纜作為直流輸電系統中不可或缺的一部分，是高壓輸電中的重要課題。

1 高壓直流電纜的發展和應用

1.1直流輸電的發展

最早的直流輸電工程可追溯到1SS2年，德國用單臺直流發電機發電，通過57 km架空線從巴伐利亞州的米斯巴赫鎮向巴伐利亞州首府慕尼黑市的國際展覽會送電。早期的高壓直流輸電不用換流，由瑞士工程師René Thury首先開發，其基本原理是利用直流發電機串聯獲得高電壓，利用這種技術的第一項工程是1SS9年意大利的Gorzente River-Genoa直流輸電工程。到1925年法國尚貝里直流輸電工程建成，世界上當時一共建成6項利用發電機串聯升壓的高壓直流輸電工程。電壓最高為150 kV，功率最高為30 MW。

1932年美國紐約Mechanicville直流輸電工程的建成標志著高壓直流輸電進入了汞弧閥換流時期。直到1954年，世界上第一個工業性直流輸電工程哥特蘭島Ⅰ期工程在瑞典建成并投運。1975年，英國Kingsnorth工程的建成標志著高壓直流輸電的汞弧閥換流時期的結束。在這期間，共有12項采用汞弧閥換流的直流工程投入運行。而此后汞弧閥因制造復雜、可靠性低、價格昂貴等缺點最終被高壓大功率晶閘管代替［1］。

1972年，在加拿大伊爾河建成了世界上第一個采用晶閘管換流的直流工程。截至2011年，世界上已經投入運行的采用晶閘管換流的高壓直流輸電工程共92項，其中純架空線路27項、純電纜線路15項、架空線和電纜混合線路17項、背靠背直流工程33項。這其中包括我國19S7年投運的浙江舟山直流輸電工程、19S9年投運的葛洲壩-南橋直流輸電工程、2001年投運的天生橋-廣州直流輸電工程、2002年投運的嵊泗直流輸電工程、2003年投運的三峽-常州直流輸電工程、2004年投運的貴州-廣東Ⅰ回直流輸電工程和三峽-廣東直流輸電工程、2005年投運的靈寶背靠背工程、2006年投運的三峽-上海直流輸電工程、2007年投運的貴州-廣東Ⅱ回直流輸電工程、2010年投運的云南-廣東直流輸電工程和向家壩-上海直流輸電工程。其中云南-廣東直流輸電工程是世界上第一個±S00 kV特高壓直流輸電工程，是我國特高壓直流輸電自主示范工程。向家壩-上海直流輸電工程是世界上最長的特高壓直流輸電工程，線路全長1907 km［2］。

1.2直流輸電的應用

目前新型、清潔、可再生能源發電已成為未來電力系統的發展方向，風力、太陽能等新型能源發電在世界范圍內逐步擴展，其主要特點之一是分散化與小型化，且往往遠離用電中心。同時鉆探平臺、島嶼、礦區等“孤島”負荷目前多采用污染性大的柴油發電機供電，地理條件與發電規模的制約使得利用現有交流輸電技術將這些“孤島”電源與電網連接經濟性差、環保壓力大，而采用直流輸電更加經濟、方便。另外，隨著電力工業的不斷發展，用電負荷不斷增加，空中輸電線路走廊日趨飽和，架設新的線路受到環境、經濟條件等因素的限制，變得越發困難。尤其在城市負荷中心，增加傳統的架空交流輸電線幾乎不可能。目前，國際上正通過使用輕型高壓直流輸電技術（HVDC Light）來解決這些問題。由瑞典ABB公司率先開發出的輕型高壓直流輸電作為一種經濟、靈活、高質量的輸電方式，已用于國外許多直流高壓輸電工程中，并產生了良好的輸電及環保效益。隨著電力電子技術的高速發展，直流輸電系統的輕型換流技術和設備已經成熟，柔性直流輸電或全控直流輸電（VSC-HVDC）也受到廣泛的關注。VSC-HVDC技術不同于傳統的高壓直流輸電技術，它不僅適用于高壓直流輸電，更由于其經濟、可控性強、靈活、輕便等特點，向城市的中低壓配電網發展。

近幾年，隨著各國對節能減排和能源綜合利用的需要，以風力發電、光伏發電和燃料電池發電等新能源為代表的分布式能源系統因變負荷靈活、較低的初投資、供電可靠、較小的輸電損失和適合可再生能源應用等特點而越來越受到重視［3］。光伏發電和燃料電池發電是以直流形式產生電能，經過直-直斬波和直-交逆變才能并入傳統的交流配電網。如果接入直流配電網，便可以省略直-交逆變環節，從而節省大量的換流器件并降低能耗。另外，隨著電力電子技術的進步，一方面含直流環節的電器增多，即需要對電能進行交-直-交轉換的電器，最普遍的就是變頻電器；另一方面很多電氣設備其本質上都是使用直流的，需要將交流電變成直流電再送給電器使用，例如液晶電視、室內及室外LED照明燈、電動汽車、電動自行車、個人電腦等。如果改用直流配電網，便可省略交流變直流的整流過程，必然比將交流電變成直流電再使用更加節省能源。

我國正在建設的特高壓交直流電網可以有效地解決高效能源輸送的難題，同時直流輸電還廣泛應用于新能源的規模化利用。大力發展的直流輸電系統需要大量的高壓/超高壓直流電纜。為此，電纜作為輸電的載體是發電站和整個城市輸配電系統中不可或缺的重要的組成部分，為了適應直流高壓輸電在特高壓及新能源電力傳輸中的廣泛應用，電纜的絕緣水平需要向高的絕緣水平、高的可靠性和小的體積方向發展。

2 XLPE高壓直流電纜運行中存在的問題

2.1空間電荷的產生及影響

交聯聚乙烯（XLPE）結構簡單、介電性能好、物理化學結構穩定，作為電纜中的絕緣材料得到廣泛的應用。但在直流電場作用下，XLPE材料內部會形成空間電荷。一般來講，聚合物中空間電荷主要由兩部分組成：一部分是在低場強下，因為雜質在電場作用下電離發生遷移造成，稱為異極性電荷，即靠近陰極處為正電荷，靠近陽極處為負電荷；另一部分是在高場強下，由電極注入的可遷移和入陷的載流子，稱為同極性空間電荷，即靠近陽極處為正電荷，靠近陰極處為負電荷。這些空間電荷的存在對聚合物局部電場分布造成畸變，從而使聚合物的導電性能和擊穿性能發生改變，尤其是在目前應用廣泛的XLPE電纜上。根據現場運行經驗，對XLPE電纜安裝后進行直流耐壓測試后，發生XLPE電纜擊穿，而直流下空間電荷的產生被認為是其擊穿的主要原因。IEEE成立了兩個專門委員會（IEEE-DEIS TC32-13和32-4）研究空間電荷的存貯、絕緣材料的老化和擊穿間的宏觀特性、相應的微觀或納米機理，目的是解釋聚合物電老化和空間電荷作用間的關系［4］。對于XLPE電纜的老化機理研究大致分為水樹枝老化、電樹枝老化和熱電老化機理研究，無論哪種老化方式都可能導致空間電荷的積聚，加速電纜的老化。一方面XLPE電纜中含有水樹枝時，其絕緣層中會出現空間電荷，這類空間電荷在電場撤去后會逐漸消失；另一方面在電場作用下由樹枝尖端注入到XLPE電纜絕緣缺陷中的空間電荷，即使在去掉外電場時空間電荷也不會消失，此類空間電荷所產生的靜電力與電纜工頻運行電壓疊加作用即可能在水樹枝的尖端引發電樹枝，對電纜的安全運行有較大威脅。電纜中空間電荷的產生和積聚，會畸變絕緣中的電場分布，加速電樹枝的生長，所以非常有必要對電纜絕緣中的空間電荷分布進行研究。

2.2直流作用下絕緣內的溫度梯度效應

XLPE作為高壓直流電纜的絕緣時，內部存在大量的局部電荷陷阱，造成內部空間電荷集聚，形成空間電荷效應。尤其是高壓直流電纜運行在滿負荷時，導體溫度較外屏蔽層溫度高，即電纜絕緣的溫度由內到外呈現溫度梯度分布。這種溫度梯度效應加劇了電極上電荷的注入和遷移，促使介質內積聚的空間電荷量增加，進一步增強絕緣層表面的電場強度，加速絕緣材料的電老化，縮短絕緣材料的使用壽命；尤其是當絕緣內的異極性空間電荷積累比較多時就可能引發絕緣材料的擊穿，使絕緣失效。已有研究表明，XLPE中的空間電荷積聚是導致電纜早期絕緣失效的主要原因，而實際運行中的溫度梯度效應更會加速空間電荷的積聚造成電纜的早期絕緣失效。

眾所周知，電纜在正常工作溫度下，其內部的絕緣材料介電常數與溫度無關。交流電壓下，絕緣介質內的電場強度分布取決于介電常數，即電場強度在電纜絕緣層中的分布幾乎不受溫度分布的影響。但在直流電壓下，電場強度分布取決于絕緣材料的電阻率，而絕緣材料的電阻率一般隨溫度呈指數變化，溫度分布變化會使絕緣材料電阻率隨之發生變化，進而引起絕緣內電場強度的分布發生改變。因此，直流電纜絕緣層中場強分布不僅與電纜幾何尺寸、外施電壓有關，也與電纜負載大小有關［5］。

在直流電場下，絕緣材料的電導率σ與溫度T和電場強度E的關系，一般可由式（1）或者式（2）表示［6］：

式中：σ0是與材料有關的常數；α是溫度系數；β是場強系數。

Reddy等學者認為，精確計算聚合物的電導率隨溫度和電場強度的變化規律應采用式（3）來仿真計算直流電纜絕緣內的電導率變化［7］：

式中：A是與材料有關的常數；φ是活化能（eV）；q是電子電荷量（C）；kb是波爾茲曼常數；B是場強系數。

有關A、B和φ的取值主要是由實驗材料和實驗條件確定［21］。在空載或者暫態情況下，直流電纜絕緣層中的場強分布與交流電纜類似：絕緣內層場強比外層場強高。但隨著負荷電流的變化，線芯導體的焦耳熱損耗會通過絕緣層向外散發，導致電纜絕緣層形成溫度梯度，即絕緣內層溫度比外層溫度高，使得內層的電導率會比外層電導率大，由于直流電場中電場強度按電導率的反比分布，在絕緣內徑處電導率比外徑處電導率越來越大的過程中，絕緣內徑處的電場強度會逐漸降低，外徑處的電場強度會逐漸增大。于是，當絕緣層的溫度梯度達到一定程度時，直流電纜絕緣層兩側就會出現“場強反轉”的現象。可見，在電導率改變的同時，絕緣層內部各處場強又會發生變化，場強的變化又會改變絕緣層的電導率。

3 XLPE高壓直流電纜的研究現狀

3.1國內外XLPE電纜的發展狀況

聚乙烯（PE）以其優良的介電性能、物理機械性能和易加工處理等優點得到廣泛應用，它的產量在塑料產品中居首位，其大分子鏈呈線型或者支鏈結構，在受熱或者應力作用下，分子鏈間比較容易發生相對運動，因而PE的抗熱變形能力比較弱、工作溫度比較低，一般會采用交聯技術來彌補其結構上的缺陷、并提高性能。一般的交聯方式有：輻照交聯、紫外光交聯、過氧化物交聯等。但工業上對于35 kV以上的XLPE電纜均使用過氧化物交聯工藝。在交聯之后，PE分子鏈交叉連接呈現立體網狀結構，不但改善PE的耐熱性、耐磨性，而且提高其抗蠕變性等力學性能。目前，XLPE應用于低、中、高壓的電纜干式絕緣中，預計最后可能完全取代浸漬紙電纜。

當今交流超高壓干式電纜發展比較快的主要是德國、日本和法國［8］。我國XLPE電纜自上世紀70年代起步，在西電東送和支援中東部建設環境下，XLPE電纜的生產發展與應用都具有良好的機遇。目前，國內6～35 kV的XLPE電纜已取代油紙電纜，主要采用國產料。國內生產的XLPE電纜電壓等級達到500 kV，但超高壓電纜制造設備和原料都采用進口。我國電纜制造企業在不斷引進國外先進交聯電纜生產線和生產技術的基礎上，自行開發出新的XLPE電纜生產線，快速縮短了與國外先進水平的差距［9］。

而對于直流電纜，國際上以瑞典ABB公司最具有代表性，其直流電纜絕緣采用XLPE制成，最高電壓達320 kV，但其僅適用于VSC系統使用，另外還有法國Nexans公司（絕緣材料為PE，電壓等級為500 kV）；意大利Pirelli公司（絕緣材料為XLPE，電壓等級為250 kV），法國Sagem公司（絕緣材料為低密度聚乙烯（LDPE），電壓等級為400 kV）；日本Viscas公司（絕緣材料為XLPE，最高額定電壓為500 kV）［10］。

3.2國內外XLPE電纜料的使用概況

高壓直流輸電技術是當今輸電技術的發展趨勢，電纜是輸電的關鍵，其使用的絕緣材料是電纜電壓等級能否提高的關鍵性因素。一般認為聚合物絕緣高壓直流電纜的絕緣料要具備高直流擊穿強度、高絕緣電阻系數、低溫度系數、低電場系數、低熱阻系數和不易形成空間電荷的特點。目前，國際上XLPE直流電纜使用的電纜料的主要生產商是美國陶氏化學公司和北歐化工公司，他們幾乎壟斷了110 kV及以上電壓等級XLPE電纜料的供應市場。

目前國內電纜料只能滿足35 kV以下交流電纜使用，其基料主要為大慶石化總廠出產的19E和上海石化股份公司出產的DJ200A、DJ210等，而66 kV以上的電纜基料主要是北歐化工的4201和UCC的4201。隨著設備的引進和研發實力的增強，35 kV以下的XLPE電纜料目前已經全部國產化，浙江萬馬集團、上海化工廠、河南萬博塑料有限公司是市場主要占有廠家。隨著電力工程的發展，國內已開發了110 kV等級的XLPE電纜絕緣料，而對于更高電壓等級電纜料和直流電纜料的自主研發迫在眉睫。

3.3XLPE高壓直流電纜絕緣內的空間電荷抑制

從19S4年起就開始了以改性添加劑抑制或改善空間電荷分布為方向的研究工作［11］。日本的JPower、藤倉電纜和古河電工展開聯合研究，研發了兩種高壓直流用XLPE絕緣料，一種是添加導電有機填料，另一種是添加極性無機填料，測試結果表明：兩種填料有效抑制XLPE空間電荷的積聚，并提高了電阻率。在此基礎上，日本成功開發了±250 kV高壓直流XLPE電纜［12］。在進一步改善性能的基礎上，他們于2001年又研發成功±500 kV高壓直流XLPE電纜［13］，但還未見工程使用。

為了能夠找到更好的直流電纜絕緣材料，國內外學者在電纜料改性方面做了大量的研究工作。尹毅教授［14］通過加入1％氯化聚乙烯（CPE）到PE中，有效改善空間電荷效應并提高了體積電阻率，并提高直流預壓短路樹枝起始電壓；黨智敏教授［15］將三梨糖醇成核劑加到PE中通過改變PE的結晶形態來提高其耐水樹性能；Fleming［16］研究了LDPE摻雜BaSrTiO3后的空間電荷特性和電導特性；還有的學者通過加入無機納米粒子（如納米MgO［17］、納米SiO2［18］等）來改性PE的性能，等等。加入添加劑的目的是為了降低聚合物中電子在入陷和復合過程中產生的破壞聚合物分子鏈的熱電子的概率，從而提高聚合物的力學性能、改善其介電性能。對于納米粒子在聚合物基體的作用機理，美國學者提出聚合物納米復合體系的界面特性及日本學者提出的多殼模型，對納米技術在電介質學科的研究具有一定的指導意義。我國學者在電纜絕緣料改性方面也進行了大量的研究工作并取得可喜的成績，但在大幅度提高電纜絕緣綜合介電性能和工業實際應用中尚未取得突破性進展。

3.4XLPE高壓直流電纜運行中溫度梯度效應

由于直流電纜絕緣材料的電阻隨溫度變化，以及絕緣中空間電荷等問題的存在，有學者研究不同溫度條件下電纜絕緣內的空間電荷分布，搭建了溫度可控的空間電荷測量系統，以及初步解決在不同的溫度條件下，由于聲速不同對測量結果的影響。雖然這些研究對直流電纜的研發有一定的作用，但這些都是在均一溫度條件下的測量結果。面對實際工程中的問題，已有學者初步的研究。例如，Montanari教授認為對于Mini級電纜，溫度梯度效應對空間電荷聚集的影響僅存在于絕緣材料閾值之下［5］；但對于MV級電纜，溫度梯度效應則可造成絕緣中的電場發生反轉，即最大場強出現在電纜絕緣的外側，實驗中電纜外施場強為30 kV/mm，溫度差為20℃，結果表明電荷的遷移量和注入量都有所升高，且在電纜絕緣層表面處有大量空間電荷積聚；Chen.G教授和Dissado教授同樣指出溫度梯度效應對電纜試樣絕緣內空間電荷的影響［19］。然而，電纜滿負荷運行時的導體溫度可達到90℃，絕緣內外溫度差可能超過70℃。隨著輸電電壓等級的提高，高場強高溫度梯度下的聚合物絕緣中空間電荷積聚及電場分布有待研究。

3.5XLPE高壓直流電纜試驗和絕緣診斷技術

國際大電網組織CIGRE在2003年2月由第21.01小組提出一個適合聚合物絕緣高壓直流輸電電纜的試驗方法TB219“Recommendations for testing DC extruded cable systems for Power transmission at a rated voltage up to 250 kV”，至今，ABB等國外公司開發的聚合物直流電纜，最后的試驗報告形式均采用CIGRE推薦的試驗方法進行評估，從試驗的性質上看，包括了直流電纜從研究到生產以及安裝運行各個階段所必須進行的開發試驗、型式試驗、預鑒定試驗、抽樣試驗、交接試驗、預防性試驗等。CIGRE SC B1于2012年發布了TB496，擴大了TB219的電壓等級，升高到500 kV，并增加了新的內容。IEC相關標準也在制定中。

目前，預防性試驗中規定的電纜試驗項目不多，根據需要又開發出多種在線和離線試驗方法，針對10～35 kV電壓等級一般有直流分量法、直流電壓疊加法、電橋法、交流疊加法、低頻疊加法、損耗電流測試法、接地線電流測量法、局部放電法等；針對110kV及以上電壓等級的XLPE電纜絕緣在線監測技術主要有損耗電流諧波分量法、接地線電流法、絕緣外護套接地電阻及化學電勢在線測量、局部放電法、光纖測溫法五種方法。

4 展 望

隨著直流輸電在特高壓及新能源電力傳輸中的廣泛應用，直流輸電設備需求日益擴大。按照國家規劃，在未來20、30年內，我國將大規模建設高壓直流輸電線和建立柔性直流輸電示范工程，這將成為世界上最大的高壓直流輸電技術市場，隨著我國對國產高壓直流電纜自主研發的重視，我們更需要關注高壓直流電纜產業的各個環節，一方面研發新型電纜用絕緣材料并設計新的電纜結構，使之具備高壓直流條件下的使用特性，充分考慮電纜絕緣中的電場分布、溫度梯度效應、空間電荷效應、機械應力和環境應力等對其運行產生的影響，制定符合我國不同電壓等級的直流電纜相關試驗的規范、導則和標準；另一方面可以考慮交流改直流的最大極限工作電壓和最大容量，將既存的XLPE交流電纜改成在極限工作電壓允許范圍內的XLPE直流電纜，大大節省建設資金及電纜敷設、更換的成本。

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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

陳 曦（19S3-），女，工程師，博士，在站博士后.

作者地址：廣西南寧市民主路6-2號［530023］.