高壓超高壓柔性直流輸電電纜附件絕緣材料研究

王錦明，劉延卓，蘇禹，賈超，方菊，李智文

（1.長園電力技術有限公司；2.北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519000）

高壓柔性直流輸電系統具有長距離、大容量、低損耗等優點，在目前的長距離大容量輸電線路和新能源規模化利用的大電網互聯技術中起著重要的作用，對實現碳達峰、碳中和，保障電力安全及能源的可持續發展具有重要的戰略意義。高壓柔性直流輸電系統在大容量輸電線路、海上長距離輸電、城市電網、新能源接入方面有著顯著的優越性，有望成為高壓輸電的主流技術。隨著高壓柔性直流電纜制造技術的不斷發展，與之相配套的直流電纜附件的研究工作也陸續地在國內外開展。高壓超高壓直流電纜附件的研制是一項涉及多門學科的復雜過程，一直制約著直流輸電系統的發展。

雖然在高壓交流電纜及附件的研制方面我們取得了一定的成績，但是在直流和交流電場下附件的特性差異性很大。因此對高壓直流電纜附件絕緣材料關鍵技術研究是非常有必要的，也是推動高壓超高壓直流電纜附件發展的關鍵因素。本文主要從表層分子結構改性調控技術和納米改性非調控技術2方面進行研究，提出適用于高壓直流電纜附件的材料配方，并對±320kV和±500kV高壓直流電纜附件樣品進行了型式試驗。

1 國內外研究現狀

近幾年，隨著我國電力系統的快速發展，高壓直流輸電因其特有的優越性而被廣泛應用。國外主要的電纜及附件制造商ABB、普睿司曼均已成功研制出高壓直流電纜附件。

ABB研發的直流電纜接頭是在電纜絕緣與附件增強絕緣之間增加了一層具有非線性控制性電應力材料，該材料在不同溫度、電場下使得附件增強絕緣、電纜絕緣接觸的兩側電導率、介電常數相匹配，有效避免了空間電荷在界面的積聚。但這種新型電應力材料研發難度大、價格高，而其他關于新型高壓直流電纜附件的研究鮮有報道。

國內廠商對高壓直流電纜及附件的研究起步較晚，目前高壓直流電纜附件的設計和生產還有待完善，已成功研發出高壓直流電纜附件的廠家只有兩三家，上海三元電纜附件有限公司已研發出±160kV、±200kV電壓等級的直流電纜附件，長園電力和長纜電工這兩家公司均已研發出±500kV及以下電壓等級的電纜附件。雖然這些廠家研發的直流電纜附件產品已有部分應用于實際工程中，但投運時間不長，安全可靠性還有待驗證。這三家公司在絕緣材料上的選擇也有所不同，長纜電工科技股份有限公司是采用三元乙丙橡膠作為高壓直流電纜接頭和終端的絕緣材料進行研究，而長園電力技術有限公司則是采用改性硅橡膠作為絕緣材料進行研究。一些專家學者也對直流電纜附件用絕緣材料進行了一些研究，如韓寶忠等人分析了硅橡膠電導率的特性對XLPE絕緣高壓直流電纜終端電場分布的影響，卻未提及空間電荷對電場分布的影響。

2 主要研究的內容

高壓直流電力電纜是直流輸電系統的關鍵裝備，作為重要的電氣、機械連接部件的直流電纜附件是由不同介質組成的復合絕緣體系，界面上容易產生空間電荷，電荷積聚到一定程度則會引起局部電場畸變，使得絕緣老化加速，甚至威脅輸電系統的安全。本項目首先是對硅橡膠和和EPDM兩種納米改性復合絕緣材料進行了對比研究，鑒于我公司實際情況及之前交直流電纜附件的開發經驗，最后將硅橡膠納米改性復合絕緣材料作為項目主要研究核心，從實驗測試和數值模擬兩方面對直流電纜附件增強絕緣和XLPE絕緣組成的雙層介質界面的電荷調控方法與抑制機理進行研究，解決直流電纜附件絕緣材料關鍵技術問題。

選用雙組份加成型液體硅橡膠為基料，以納米材料為改性填料，通過研究不同的納米材料和不同添加比例的納米材料和液體硅橡膠復合材料的電導介電性能，并與純硅橡膠的性能作對比，再采用有限元仿真軟件對高壓直流電纜附件的電場、溫度場分布進行仿真計算，從而對配方的合理性進行初步驗證。

3 解決的關鍵問題

本次材料改性主要解決絕緣材料的電導特性和空間電荷特性。本項目解決的關鍵問題如下。

（1）納米/LSR復合材料電導率-溫度特性研究與分析。

（2）納米/LSR復合材料電導率-電場特性研究與分析。

（3）納米/LSR復合材料電導率-溫度、電場特性研究與分析。

（4）納米復合液體硅橡膠的介電特性研究與分析。

（5）多物理場下空間電荷特性影響機理研究與試驗。

4 研究方法與技術路線

本項目主要研究方法是通過對硅橡膠材料進行進行納米摻雜改性，調整硅橡膠材料的電導率性能和非線性度使之與直流XLPE電纜絕緣電導率參數進行匹配，同時通過納米和硅橡膠接枝工藝，改善硅橡膠內部空間電荷水平，從而抑制硅橡膠和XLPE絕緣界面的空間電荷生成，消除電纜附件界面擊穿問題。具體技術路線為：

（1）表層分子結構改性調控技術。表層分子結構改性調控技術主要是通過改變聚合物表面化學組份和物理結構來實現其電氣性能的改善，相關研究表明表層分子結構改性的溫度、時間、壓力等條件能夠在一定程度上抑制絕緣材料的空間電荷，同時利用強電負性材料對絕緣材料進行特殊化處理，并對其表面電荷電離能、電子親和能等特性進行研究，發現新生成的化合鍵層在抑制絕緣材料表面電荷積累方面有一定的效果。利用強電負性混合氣體對絕緣材料分別進行20、40和60min的處理，發現試樣的靜態接觸角降低，改變材料的表面能、表面電導等特性能促進絕緣材料表面電荷的消散。表層分子結構調控對復合絕緣介電常數、空間電荷與陷阱能級分布的影響進行測試，發現調控時間在20min以上可降低深陷阱密度，并有效抑制材料空間電荷的注入與積聚。通過應用發現表層分子結構改性可以彌補試樣本身的一些缺陷，降低了試樣的陷阱深度，并提高了電荷消散速度，有效抑制電荷在絕緣材料中的耐電暈性能。

（2）納米改性非調控技術。場梯度或應力控制通常是指降低電力設備中的電場集中程度。有些材料的電導率或極化會隨著外界電場的變化而呈現非線性變化，這類材料被統稱為非線性材料。非線性材料應用在大容量、高電壓等級的電力設備上有明顯的優勢，能夠提高產品競爭力，也在一定程度上解決了設備成本、尺寸、溫度和損耗之間的矛盾。

對納米材料調控直流電場分布進行大量試驗，將硅橡膠與納米材料混合，通過填充納米材料得到非線性電導復合材料，當納米材料填充到一定比例后，復合材料就可表現出非線性電導特性。同時還發現納米材料的表面處理工藝對納米材料在硅橡膠中的分散有很大的影響，從而會影響材料的電導率均壓程度。而且納米料的不同對復合材料的非線性系數影響很大。通過添加納米材料，可對納米改性硅橡膠材料的高低場電導、電場閾值和非線性系數實現有效調控。與相同充量的微米硅橡膠復合材料相比，納米硅橡膠復合材料的電導率要高，而且在較低電場作用下就能表現出隧道效應，同時納米硅橡膠復合材料的非線性電導能均勻幾何尖端處的電場分布，抑制電暈放電。綜上所述，除了具有優異的電場調控能力外，納米材料的添加可使材料獲得非線性電導特性，有效促進材料表面電荷消散，降低表面電荷水平，進一步改善了空間電荷積聚問題。

5 創新點

（1）調控電導率技術，通過硅橡膠絕緣材料納米改性來調控電導率，實現電場分布的均化。同時，將電纜絕緣材料和附件增強絕緣材料改性，使得在不同溫度、電場下兩種材料的電導率比值與介電常數比值接近，從而達到減小界面空間電荷的目的。

（2）利用納米改性非調控技術，將硅橡膠與納米材料混合，通過填充納米材料得到非線性電導復合材料，通過添加納米材料，可對納米改性硅橡膠材料的高低場電導、電場閾值和非線性系數實現有效調控。

（3）通過對硅橡膠絕緣材料進行改性研究及對直流電纜附件進行熱場、電場仿真計算與分析，研制出直流液體硅橡膠材料，實現國內首例±500kV電纜附件系統型式試驗。

（4）通過本項目關鍵技術改性后的材料適應性廣，可以與超純電纜料和納米改性電纜料良好配合，并且可以與交流加工設備通用，加工方便降低研發成本，具有廣泛的應用前景。

6 結語

本項目通過對高壓柔性直流電纜附件絕緣材料關鍵技術進行研究，突破了直流電纜附件發展的瓶頸。項目研究成果將可以很好地應用于高壓直流電纜附件產品中，同時能為直流電纜附件空間電荷積聚問題提供一定的技術支撐，能夠推動高壓直流輸電系統的更快發展。同時可以替代國外同類產品，打破了國內市場直流電纜附件基本由發達國家壟斷的局面，增強民族工業競爭力，大幅減少了電力系統建設投資成本。直流電纜附件其優越的安全性能可大大降低用電的安全隱患，減少維修所耗的人力、物力，同時在一定程度上減少事故發生。