淺談高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜應(yīng)用

孫成

摘要：介紹了高壓直流電纜的發(fā)展歷史、運(yùn)行中存在的問題以及目前國內(nèi)外對交聯(lián)聚乙烯（XLPE）高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀，提出了國內(nèi)發(fā)展XLPE高壓直流電纜的建議。

關(guān)鍵詞：高壓直流電纜；XLPE；空間電荷；溫度梯度；絕緣診斷

為了降低溫室效應(yīng)對氣候的影響，全世界正在大規(guī)模發(fā)展綠色能源，開發(fā)太陽能、風(fēng)能和潮汐發(fā)電等。直流輸電可以把風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽能發(fā)電等具有不穩(wěn)定的電源與電力系統(tǒng)聯(lián)接起來而不會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)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(diào)節(jié)，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(qiáng)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(huán)保方面的優(yōu)勢。因此直流高壓輸電電纜作為直流輸電系統(tǒng)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(fā)展和應(yīng)用

1.1直流輸電的發(fā)展

最早的直流輸電工程可追溯到1882年，德國用單臺直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過57km架空線從巴伐利亞州的米斯巴赫鎮(zhèn)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RenéThury首先開發(fā)，其基本原理是利用直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)獲得高電壓，利用這種技術(shù)的第一項工程是1889年意大利的GorzenteRiver-Genoa直流輸電工程。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(jīng)投入運(yùn)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1987年投運(yùn)的浙江舟山直流輸電工程、1989年投運(yùn)的葛洲壩-南橋直流輸電工程、2001年投運(yùn)的天生橋-廣州直流輸電工程、2002年投運(yùn)的嵊泗直流輸電工程、2003年投運(yùn)的三峽-常州直流輸電工程、2004年投運(yùn)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(yùn)的靈寶背靠背工程、2006年投運(yùn)的三峽-上海直流輸電工程、2007年投運(yùn)的貴州-廣東Ⅱ回直流輸電工程、2010年投運(yùn)的云南-廣東直流輸電工程和向家壩-上海直流輸電工程。

1.2直流輸電的應(yīng)用

目前新型、清潔、可再生能源發(fā)電已成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，風(fēng)力、太陽能等新型能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)逐步擴(kuò)展，其主要特點之一是分散化與小型化，且往往遠(yuǎn)離用電中心。同時鉆探平臺、島嶼、礦區(qū)等“孤島”負(fù)荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機(jī)供電，地理條件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)保壓力大，而采用直流輸電更加經(jīng)濟(jì)、方便。

2 XLPE高壓直流電纜運(yùn)行中存在的問題

2.1空間電荷的產(chǎn)生及影響

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）結(jié)構(gòu)簡單、介電性能好、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作為電纜中的絕緣材料得到廣泛的應(yīng)用。但在直流電場作用下，XLPE材料內(nèi)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(qiáng)下，因為雜質(zhì)在電場作用下電離發(fā)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(fù)電荷；另一部分是在高場強(qiáng)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(fù)電荷。

2.2直流作用下絕緣內(nèi)的溫度梯度效應(yīng)

XLPE作為高壓直流電纜的絕緣時，內(nèi)部存在大量的局部電荷陷阱，造成內(nèi)部空間電荷集聚，形成空間電荷效應(yīng)。尤其是高壓直流電纜運(yùn)行在滿負(fù)荷時，導(dǎo)體溫度較外屏蔽層溫度高，即電纜絕緣的溫度由內(nèi)到外呈現(xiàn)溫度梯度分布。這種溫度梯度效應(yīng)加劇了電極上電荷的注入和遷移，促使介質(zhì)內(nèi)積聚的空間電荷量增加，進(jìn)一步增強(qiáng)絕緣層表面的電場強(qiáng)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(dāng)絕緣內(nèi)的異極性空間電荷積累比較多時就可能引發(fā)絕緣材料的擊穿，使絕緣失效。

3 XLPE高壓直流電纜的研究現(xiàn)狀

3. 1 XLPE電纜的發(fā)展?fàn)顩r

聚乙烯（PE）以其優(yōu)良的介電性能、物理機(jī)械性能和易加工處理等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，它的產(chǎn)量在塑料產(chǎn)品中居首位，其大分子鏈呈線型或者支鏈結(jié)構(gòu)，在受熱或者應(yīng)力作用下，分子鏈間比較容易發(fā)生相對運(yùn)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(lián)技術(shù)來彌補(bǔ)其結(jié)構(gòu)上的缺陷、并提高性能。一般的交聯(lián)方式有：輻照交聯(lián)、紫外光交聯(lián)、過氧化物交聯(lián)等。但工業(yè)上對于35kV以上的XLPE電纜均使用過氧化物交聯(lián)工藝。在交聯(lián)之后，PE分子鏈交叉連接呈現(xiàn)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不但改善PE的耐熱性、耐磨性，而且提高其抗蠕變性等力學(xué)性能。

3.2國內(nèi)外XLPE電纜料的使用概況

高壓直流輸電技術(shù)是當(dāng)今輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢，電纜是輸電的關(guān)鍵，其使用的絕緣材料是電纜電壓等級能否提高的關(guān)鍵性因素。一般認(rèn)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(qiáng)度、高絕緣電阻系數(shù)、低溫度系數(shù)、低電場系數(shù)、低熱阻系數(shù)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(chǎn)商是美國陶氏化學(xué)公司和北歐化工公司，他們幾乎壟斷了110kV及以上電壓等級XLPE電纜料的供應(yīng)市場。

3.3 XLPE高壓直流電纜絕緣內(nèi)的空間

加入添加劑的目的是為了降低聚合物中電子在入陷和復(fù)合過程中產(chǎn)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(xué)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(jī)理，美國學(xué)者提出聚合物納米復(fù)合體系的界面特性及日本學(xué)者提出的多殼模型，對納米技術(shù)在電介質(zhì)學(xué)科的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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(yīng)用，直流輸電設(shè)備需求日益擴(kuò)大。按照國家規(guī)劃，在未來20、30年內(nèi)，我國將大規(guī)模建設(shè)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(shù)市場，隨著我國對國產(chǎn)高壓直流電纜自主研發(fā)的重視，我們更需要關(guān)注高壓直流電纜產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)，一方面研發(fā)新型電纜用絕緣材料并設(shè)計新的電纜結(jié)構(gòu)，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(yīng)、空間電荷效應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力等對其運(yùn)行產(chǎn)生的影響，制定符合我國不同電壓等級的直流電纜相關(guān)試驗的規(guī)范、導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)；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(nèi)的XLPE直流電纜，大大節(jié)省建設(shè)資金及電纜敷設(shè)、更換的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004：1-64.

[2]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京：中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005：1-40.

[3]劉振亞.全面實現(xiàn)電力工業(yè)科學(xué)發(fā)展[J].中國電力企業(yè)管理，2010（5）：12-15.

（作者單位：南京中超新材料股份有限公司）