高壓直流電力電纜發展現狀研究

史志寒　吳鵬鵬　程成　徐滔

摘 要：文章從高壓直流電力的發展情況出發，介紹了高壓直流電纜現狀以及其在實際中的應用。文章對我國高壓直流電力電纜的發展中存在的關鍵性問題和技術難題進行分析，指出問題可能的原因，并對高壓直流電力電纜的未來發展進行展望，分析當前形勢下大力發展高壓直流電力電纜的必要性。

關鍵詞：高壓直流電纜；技術難題；未來發展

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著我國經濟的發展，城市化進程的加快，城市群的特征逐漸顯現，各行各業對于電力的需求逐步增加。現如今，對于遠距離的供電需求主要是依靠高壓直流的輸電以及通過電網的互聯構成的輸電網絡來維持電力的供應，這種高壓直流的輸電模式特別適用于一些較遠的供電基站，比如一些島嶼等。隨著城市化進程的擴張，城市副中心的構建、電力增容以及風力發電的采用等都已經成為電力技術發展的熱門領域。

1 高壓直流電纜發展現狀概述

隨著時代的進步，高壓直流輸電技術得到了廣泛的應用。目前，在高壓直流輸電領域主要采用以下兩種電纜技術。

1.1 油紙絕緣高壓直流電力電纜

這種高壓電纜也成為紙絕緣電纜，紙絕緣電纜又有很多種類，目前使用最為廣泛的紙絕緣電纜為MI電纜。該電纜本身優點很明顯，容量大，整體傳輸可靠性高，但是也存在接合時長過長的問題。與此同時，紙質的電纜本身的制造工藝較為繁瑣，后期的維修保護成本較高，在高負荷傳輸過程中，電纜溫度急劇升高，油的粘度會隨著溫度的升高而降低。一段時間后，隨著黏度降低導致的油位移使得電纜整體存在絕緣強度差以及壓力不均衡的情況，使得電纜受力不均發生變形。

1.2 擠壓型聚合物直流電纜

擠壓型直流電纜又被稱為直流塑料電纜，通過字面意思直觀地理解就能發現其與紙質直流電纜的差別。直流塑料電纜內主要的絕緣介質為聚乙烯，聚乙烯本身具有穩定、結構簡單、耐用好、安裝容易等優點。擠壓型聚合物直流電纜也更加適用于海底等電路管道的傳輸。與此同時，塑料介質的絕緣材料整體損耗程度更低，制作安裝成本不高，環保性能好，更加適用于未來的大規模高壓直流電力傳輸場景。

2 高壓直流電纜技術研究熱門問題

目前，高壓直流技術已經較為成熟，特別是高壓晶閘管技術的突破使得高壓直流電纜在傳輸中對高壓電流的支持更好。高壓直流電纜的發展成為業界在架設直流輸電的重要因素。當前制約高壓直流電纜發展的幾個很重要的問題就是空間電荷、電纜材料等。

2.1 高壓電纜中的材料問題

在高壓直流電纜應用中，電纜的絕緣材料是直流電纜傳輸中最重要的保障。在目前的技術發展中，交聯聚乙烯和硅橡膠作為應用在電纜絕緣材料中兩種比較常用的物質，也得到了業界的認可和廣泛的應用。在西方熱點的研究領域中，會將一些納米材料應用到聚合物中，以解決空間電荷的問題。納米材料在應用于聚合物上主要有以下幾個影響：（1）使得聚合物中雜質離子的含量升高；（2）由于納米材料的特殊性，會帶來表面效應和小尺寸影響；（3）由于小尺寸的影響，會使得高壓電纜中聚合物的陷阱發生變化，變為淺陷阱。隨著對于納米材料的研究更加的深入和廣泛，在高壓電纜中應用納米材料進行填充以及納米電介質的合成，能夠為高壓電纜技術的發展帶來新的機遇。

2.2 空間電荷問題

目前對于空間電荷的研究是高壓直流電纜絕緣材料的熱門領域問題。比較常見的絕緣材料XLPE優勢明顯，在高壓直流傳輸中能夠保持載流子的遷移率在較低標準以及陷阱濃度在較高的標準狀態，從而提升和保證高壓直流傳輸中的絕緣穩定性。但是XLPE的顯著特性也會導致在XLPE材料的內部空間電荷的大量聚集，這種空間電荷的聚集以及流動會導致其內部的結構發生變化，電場發生畸形變化，進而會對XLPE材料本身產生影響，加速其老化。與此同時，由于在XLPE絕緣材料內部的空間電荷的移動是沒有規律的，無法預測的，這對絕緣材料本身影響大。

3 未來高壓直流絕緣材料發展面臨的問題

3.1 絕緣材料的純凈度問題

絕緣材料純凈度是未來制約絕緣材料發展的重要問題。目前應用的主要是以LDPE樹脂作為制作XLPX高壓電纜傳輸的基礎材料，LDPE樹脂本身的純凈度以及加工方式直接決定XLPE絕緣材料的性能和純凈度。為此，對LDPE樹脂材料的加工和研究是十分重要的也是提升XLPE絕緣材料性能的基礎。在這方面的技術水平以及原材料的制取處于被國外公司壟斷狀態。目前制約直流電纜材料發展的因素中主要有兩點：超凈聚乙烯原材料制備和交聯聚乙烯納米改性技術。雖然我國一些大型的石化公司能夠自行生產一些LDPE樹脂用于支持XLPE電纜絕緣材料的構建，但是一些高壓電纜的絕緣材料更多是依賴國外公司的進口，我國對于高壓傳輸中XLPE絕緣材料的產能明顯不足。

3.2 納米粒子添加對于空間電荷問題的影響

對于空間電荷問題的解決目前業界普遍傾向于通過添加納米材料來完成。MgO作為已經有過實驗成功先例的納米原材料，能夠影響目前XLPE絕緣材料的聚合物內的空間電荷的分布形態，使其分布更加均勻，減少相互作用。納米材料內部本身的納米顆粒能夠與絕緣材料聚合物的基體產生相互作用，調節電場分布。納米材料下的氧化鎂是目前應用最為廣泛的也是經過實驗認證的。氧化鎂（MgO）材料本身的優勢是顯而易見的，其制造和獲取方法也很多，但是業界普遍受困擾的問題在于如何制造出高純度的納米氧化鎂。目前高純度的納米氧化鎂的制造方式仍然比較局限，等離子噴射法和沉淀法是業界比較認可的兩種方式，其中沉淀法本身由于其操作簡便、成本低、獲得的氧化鎂純度較高已經獲得了行業的認可。

3.3 空間電荷測試技術的優化

空間電荷的分布以及空間電荷運動規律、相互作用都是需要攻克和解決的問題。為此，對于空間電荷的測量技術的優化對于了解和掌握空間電荷的特性是十分重要的。目前在絕緣材料中空間電荷的檢測主要有熱脈沖法、升溫檢測法，以及通過激光、壓力、電脈沖等進行電荷的無損檢測等幾種方法。在對空間電荷進行測試及檢測時，首要原則就是不能損壞和影響原有的電荷結構。在對實際應用的直流電纜進行空間電荷檢測時，通常會采取電脈沖的方法，因為它能夠更好地適應高壓直流電纜的絕緣層和場地特性。目前，空間電荷測試技術在測試精度和測試廣度兩個方面都有很大的提升空間，在優化空間電荷測試技術上仍然需要下功夫、做研究。

4 高壓電力電纜未來發展趨勢

4.1 XLPE電纜全面替代傳統電纜

XLPE電纜的優勢是顯而易見的，其本身良好的電氣特性、耐電強度、耐用性、絕緣穩定性等都是現階段最理想的絕緣介質。現如今XLPE電纜的普及度并沒有達到一個特別高的階段，從未來的發展角度來看，無論是高電壓級還是低電壓級都應該全面采用XLPE電纜作為絕緣材料。雖然許多人仍然質疑其應用的可靠性，但是已經有許多實際應用成功的案例值得人們去借鑒。而且，隨著后續絕緣材料之間軟接頭工藝的不斷改進和完善，其在海底之間完成大陸與島嶼的海底高壓直流輸送的應用也會逐漸被人們認可。

4.2 多種混合的輸電模式

目前的送電模式主要有地下電纜、高空架電輸送，以及專門的管道輸送等等。

但是無論是何種方式，在應用場景上都有其瓶頸和制約性。在未來，應該綜合考慮每種送電模式的優缺點，采用混合式的輸電模式，以適應多種特殊地形，降低故障率，提升送電的穩定性和可靠性。在未來，應該實現超高壓直流電纜、高壓輸送線路、架空送電線路混合并行的模式。這樣能夠解決大城市群、海島、海拔高地區等多種類型的送電難題，具有綜合的技術經濟優勢以及廣闊的應用前景，逐步形成地空聯合的混合輸電系統。

4.3 高壓氣體作為絕緣介質

在未來，高壓直流電纜輸送中可以采用高壓氣體作為絕緣介質（GIL）逐步替代傳統的絕緣介質。利用高壓氣體作為絕緣介質可以將導電線路和接地外殼剝離。高壓氣體作為絕緣介質的方式早在20世紀70年代的美國就曾經有過應用案例，但是應用范圍沒有十分廣泛。目前制約GIL發展的主要因素主要是其可靠性和穩定性以及由此帶來的溫室效應增加的情況。與此同時，GIL在建設的初期成本較高，許多國家和企業并不能很好的承受，這也是GIL并沒有大力推行的重要原因之一，但是這種思路是未來的一個發展趨勢，也是今后研究的熱點，一旦解決了上述問題或是性價比高的高壓氣體的發現將為GIL提供更廣闊的發展空間。

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