高壓直流交聯聚乙烯電纜的研究現狀與展望

閆大慶

（北京兆維電子（集團）有限責任公司，北京 100015）

隨著電力電子技術的迅速發展，直流輸電技術日趨完善，在輸送能力和送電距離上可與高壓交流輸電競爭，而且相比于高壓交流輸電（HVAC），高壓直流輸電（HVDC）技術更適合大容量、長距離輸電。傳統的高壓直流輸電電纜一般為油浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜等，但是由于油浸式紙絕緣電纜很難承載很大的容量、充油式電纜基本上不適合長距離輸電等原因，人們一直在尋求更加合適的絕緣材料來制造高壓直流輸電電力電纜。上世紀90年代，擠出型聚合絕緣電纜在高壓交流輸電的應用中，幾乎完全替代了充油式-紙絕緣電纜。由于擠出型交聯聚乙烯絕緣材料具有消耗材料少、加工成本低、可靠性高、出色的電氣和機械性能等優點，人們開始研究開發適用于高壓直流輸電的擠出型交聯聚乙烯絕緣電纜及相關產品。總體來說，一方面近年來擠出型交聯聚乙烯絕緣電纜在高壓直流輸電領域有了一些商業上的應用，并且開發出了許多具有突出優勢的新產品，但是由于一些技術難題和成本上的劣勢，所以在高壓直流輸電電纜的市場中還是處于弱勢；而在更高電壓等級（500kV以上）的高壓直流輸電電纜的市場中，紙絕緣-充油式電纜仍然處于壟斷地位。另一方面，鑒于擠出型交聯聚乙烯絕緣電纜有很多突出的優點，而且隨著一些限制其發展技術難題的解決，更多的有競爭力的產品會開發出來，將會有更廣闊的市場空間和更豐厚的利潤。

1 高壓直流交聯聚乙烯（XLPE）電纜的現狀與發展趨勢

擠出型交聯聚乙烯絕緣電纜從上世紀90年代末開始至今開發出了很多優秀的產品。ABB公司和日本古河電工集團等公司都在XLPE絕緣電纜應用于高壓直流輸電系統上作出了很多貢獻，例如ABB公司開發研制的輕型高壓直流輸電電纜系統有3個電壓等級80kV、150kV和320kV已經通過商業認證，其中80kV到150kV已經投入商業項目并開始運行，這些系統的容量可達50～350MW。1999年輕型高壓直流輸電電纜系統在瑞典運行以來，已經有若干個項目安裝運行。目前，ABB公司的輕型高壓直流輸電電纜的最高電壓等級已達到320kV，容量可達1000～1200MW。2004年，日本古河電工集團開發的500kV高壓直流XLPE電纜已經通過前期試驗認證，但是目前看來，該系統仍然是最高電壓等級的試驗認證，沒有商業認證。目前，高壓直流輸電聚合物絕緣電纜已經有若干個工程項目應用，最高電壓等級為300kV。而大于500kV的高壓直流聚合物絕緣電纜，仍然處于試驗階段。

在目前的聚乙烯絕緣材料中，由于XLPE和乙丙橡皮絕緣材料（EPR）有著電氣絕緣特性優良、制造過程簡單和價格為市場所接受等優點，所以得到了廣泛的應用。EPR在某些方面甚至優于XLPE，但是通常價格上EPR也更加昂貴。低密度聚乙烯（LDPE）、線型低密度聚乙烯（LLDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）只是偶爾應用，間列聚乙烯也有著非常出色的絕緣特性，但是價格太高，為市場所不能接受。也注意到，近兩年出現了一些針對LDPE、LLDPE、HDPE等進行摻雜來改變其電氣絕緣特性的研究。

另外，世界最大的兩家電纜生產商意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法國的耐克森公司（Nexans）也生產高壓直流輸電電纜。不過從產品來看，兩家公司更傾向于生產較為傳統的油浸式絕緣電纜等，目前應用較多的高壓直流輸電電纜，而提供的用于高壓直流輸電的XLPE絕緣電纜相對較少，電壓等級也較低。目前意大利的普瑞司曼公司提供油浸式絕緣電纜500kV DC和SCFF（self-contained fluid filled cables）600kV，同時Prysmian公司致力于開發PPL（paper polypropylene laminated cables）技術和前面兩種電纜材料的結合，形成具有更好電氣特性的絕緣新材料。

國內的高壓直流XLPE絕緣電纜的產品相對很少，國內公司和研究所主要包括：遠東電纜有限公司、特變電工、上海電纜研究所、武高院電纜所、青島漢纜、杭州華新麗華股份有限公司等。國內的高校和科研院所從事相關研究的有：上海交通大學等高校。

總體來說，ABB公司和日本古河電工集團對高壓直流XLPE絕緣電纜的研究較為深入，并開發出了各自的核心產品。意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法國的耐克森公司（Nexans）主要在傳統的油浸式絕緣電纜等以往應用較多的產品上進行進一步的開發完善和創新，對XLPE DC電纜這方面的開發沒有ABB公司和日本古河電工集團深入。

2 高壓直流交聯聚乙烯（XLPE）電纜研制的特點及先進性

擠出型XLPE絕緣材料被人們廣泛使用的原因在于，它具有很多突出的優點：材料消耗少、加工成本低、可靠性高、電氣性能和機械性能優良。而且相對于油浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜，擠出型XLPE絕緣具有運行時允許的溫度高——這也使得傳輸更大容量成為可能。具有維護率低、免除漏油等麻煩、對周邊環境的影響小（屬于環境友好型電纜）等優勢。

ABB公司研制開發的輕型高壓直流輸電電纜具有以上優點的同時，還有一些自身的特殊優點。它是一種高密度電纜，質量輕、尺寸小，而且連接更加方便。另外與HVAC XLPE絕緣電纜相比，有著更小的尺寸損耗和更高的能量承載密度，輕型高壓直流輸電電纜的傳輸能力在20～50MW/kg，而HVAC電纜的傳輸能力在10～20MW/kg之間。

綜上所述，高壓直流XLPE絕緣電纜不但具備高壓直流輸電電纜對一般交流電纜的一些優勢，而且由XLPE絕緣材料做成的高壓直流電纜對于傳統的高壓直流浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜來看，也有著突出的優點。

3 研制高壓直流交聯聚乙烯（XLPE）電纜在未來需解決的關鍵性技術問題

盡管交聯聚乙烯（XLPE）作為絕緣材料有很多突出的優點，經過多年的努力也開發出了一些優秀的產品，但是仍然有一些重要的問題需要解決。從目前高壓直流輸電電纜的市場來看，傳統的高壓直流輸電電纜如浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜仍然是主流產品，而且在此基礎上改進的工作仍然在不斷進行，這一點由世界上最大的兩家電纜公司意大利的普瑞司曼公司和法國的耐克森公司生產的產品中可以看出來。在500kV及500kV以上的高壓直流輸電電纜的產品來看，充油式-紙絕緣電纜仍然是絕對的主流產品，相比之下，500kV的高壓直流XLPE絕緣電纜在日本只是處于試驗認證階段而沒有得到商業認證，ABB公司的輕型高壓直流輸電電纜雖然有80kV、150kV和320kV已經通過商業認證，但是應用到工程項目上的還只是80kV、150kV兩個電壓等級的系統。從此可見，提高電壓等級和容量是目前高壓直流XLPE絕緣電纜產品的發展方向，這也對技術上提出了相應的要求。

從技術層面上來看，XLPE絕緣電纜在高壓直流輸電過程中，產生和積累的空間電荷是目前聚合物絕緣材料需要面對的最重要的問題，它始終限制著聚合物絕緣材料在高壓直流輸電電纜中的應用。所以，空間電荷積累的機理和抑制空間電荷積累都是研究的重點，包括相應的聚合物絕緣材料電纜中半導體-絕緣體交界面性質和半導體材料-絕緣體材料的研究、絕緣體交界面性質的研究、溫度梯度對空間電荷產生的影響、空間電荷積累的過程等。

當然也包括其他的一些問題：絕緣材料老化的機理、新材料長期的穩定性、局部放電的影響。目前還不清楚運行電壓的上限應該由空間電荷的量度決定，還是由電氣老化的闕值電壓來決定。