高压直流电力电缆的发展概况

核心提示：　　高压直流输电有许多优点，线路成本纸、线路损耗小、没有无功功率、电力连接方便、容易控制和调节，尤其是在长距离输电中直流电力系统已经广泛采用。我国在80年代已建成葛州坝到上海的500kV直流输电线路，

　　高压直流输电有许多优点，线路成本纸、线路损耗小、没有无功功率、电力连接方便、容易控制和调节，尤其是在长距离输电中直流电力系统已经广泛采用。我国在80年代已建成葛州坝到上海的500kV直流输电线路，最近又在建设三峡刭常州的500kV直流输4线路。直流电力电缆具有下列优点：绝缘的工作电场强度篼，绝缘厚度薄，电缆外径小、重量轻、柔软性好和制造安装容易；介质损耗和导体损耗低，载流量大；没有交流磁场，有环保方面的优势。相对于交流电力系统而言，直流篼压电力电缆的发展是滞后的，例如，在日本发展1000kV电力设备的同时，也研制成功了500kVXLPE电力电缆，并很快投入了运行，可是，500kV的直流电力电缆至今尚未研究成功w.研制篼压直流电缆还有一些困难要克服，困难之Hi空间电荷问题，只有懂得空间电荷才能成功设计高压直流电力电缆。

　　1直流输电容量直流高压输电起始于50年代，随着篼压晶闸管技术的进步，篼压大电流的换流技术变得较为简单，篼压直流输电在先进国家中已成为交流输电的竞争对手，在世界范围内，篼压直流输电容量随年份的增加情况如所示。

　　2影响直流绝缘介电强度的因素众所皆知在交流电场中复合绝缘中的电场分布决定于介电常数，在直流电场中，电场按电阻率大小一交压器油层压板与油复合绝缘在电场中的电场分布分布，工频电场变化如此快，材料中的正负电荷的迁移无法跟上电场的变化，因而绝缘中也不会产生空间电荷，可是在直流电场中则相反，将形成空间电荷，影响电场分布。如（a）示出层压板与油复合绝缘在直流和交流电场中的电场分布。由（b），在交流情况下等位线平行层压板，电力线垂直于层压板，复合绝缘的介电强度很篼，但由（a）也可见，在直流电场中，在两层板相搭盖的油隙中，等位线几乎与层压板相垂直，电场强度沿层压板表面分布，介电强度很低。如再考虑空间电荷对直流电场的影响，电场分布更不均，复合绝缘的介电强度更低。

　　3空间电荷效应当聚乙烯为绝缘时，聚合物具有大量的局部态，空间电荷效应特别严重，以聚乙烯为试样，在进行脉冲击穿试验时，先对试样进行直流预压，所示直流预压对脉冲击穿电场强度的影响。

　　由可见，当直流电压与脉冲击穿电场强度相同时，随着直流电压幅值的增加，脉冲击穿电场强度也略有增加。当两者极性相反时，随着直流电压的增加，脉冲击穿电压线性下降，当去掉直流预压电压后再加脉冲电压，其间隙时间对脉冲击穿电场强度影响很大，间隙时间越长，脉冲击穿电场强度越高。

　　以上。

　　E/E.与加压时间的关系由可见，不论是电缆的内屏蔽还是外屏蔽层附近的介质中，空间电荷使电场强度提高的倍数随着加压时间的延长而增加。为了表达清楚，把中加压48小时后绝缘中电场强度的理论值和测量值如下：电缆绝缘在加压48小时后内屏蔽层附近的电场强度几乎为理论值的8倍多，外屏蔽层附近也提高了6倍。电缆绝缘在加压60小时后发生击穿，充分说明了空间电荷在直流塑料绝缘中的危害性。

　　5直流塑料电缆绝缘材料的研究研制直流塑料电缆的关键是消除绝缘材料中的空间电荷，日本在XLPE中添加两种填料是+极化的无机填料（XQ）；2.XLPE+导电无机填料（XLA）。通过偶极子定向极化的无机填料抑制空间电荷，或导电无机填料吸附载流子，降低空间电荷。上述两种绝缘料制造模型电缆，测得的电缆绝缘击穿电压与绝缘厚度的关系见。从图可知，普通的XLPE直流击穿电压最低，随着绝缘厚度的增加会趋向饱和趋势，在其中添加极化和导电的无机填料，两者的效应几乎相等，在相当大的范围内击穿电压与厚度呈线性关系，在相等厚度下，XQ和XL*A的击穿电压比普通XLPE提高80%.不同直流电缆绝缘的击穿电压与厚度的关系在模型电缆绝缘上施加不同的电压，测得绝缘电阻率与电场强度的关系如所示。从图可知，普通XLPE的电阻率最低，其次是XLPE中添加导电无机填料的，最高的是XLPE中添加极化的无机填料。添加少量无机填料（1 %），不仅降低XLPE的电P且率，还有提高电阻率的作用。这一现象正好说明无机填料有吸附载流子的作用。

　　模型电缆绝缘的电阻率与电场强度的关系1976年日本日立公司首次报道研制DC电缆的情况时，绝缘中空间电荷分布测量技术还不过关，电缆绝缘中的空间电荷分布只能采用粉沫图像法作定性分析，把红铅和硫的混合粉沫散在交联聚乙烯电缆的截面上，根据红、黄色环的分布区分正负电荷的存在。或用TSC曲线推算电荷在绝缘中的分布。

　　示出普通交联聚乙烯和含有无机填料交联聚乙烯电缆绝缘（绝缘厚度6mm）的击穿电场强度与电缆温度的关系。

　　从可见，普通交联聚乙烯绝缘的直流击穿电场强度随着温度的升高而线性下降，在9（TC下，普通交联聚乙烯和含有无机填料交联聚乙稀电缆绝缘的直流和反极性击穿试验的结果反极性击穿电场强度最低，当交联聚乙烯中含有无机填料时，直流击穿电场强度几乎与温度无关，在9CTC下，反极性击穿电场强度较高。

　　6日本250kVXLPE电缆的结构日本以XQ和XL*A两种绝缘材料研制了250kVXLPE海底电缆，电缆的截面结构示于中。中电缆导线截面积为800mm2，绝缘厚度20mm，工作温度下，设计的场强为50kV/mm，脉冲设计场强55kV/mm.为了制造长电缆，必须在工厂中把分段电缆连接起来，在工厂中使用的电缆连接头的结构如0所示。由图可见，连接头的绝缘材料与电缆本体的绝缘材料是相同的。连接头的外径与电缆直径相等，连接头制造好之后，整个电缆外绕包铠甲线，完成海底电缆。

　　导体（咖mm\钢）内半导体层绝缘外半导体层防溻护套聚乙烯抗腐衬垫层钼丝铠装（批mmx39根）聚丙烯股绳外径最大！24mm重XLPE电缆绝缘中的空间电荷导体内半导体屏fis外半羚体屏冲层（压屯S件测量条件为：（1）导线和空气温度均为5C，加*500kV3小时，然后再加+500kV3小时；（2）导线温度85.和空气温度7*C加一500kV3小时，然后再加+500kV3小时。在不同温度下，测得DCXLPE电缆绝缘中的空间电荷分布如2所示。

　　2中电缆的外电极位于0处，内电极位于20mm处，在室温下，当电缆上外施电压500kV后立即或加压3小时后测量，在绝缘靠近电极处出现小量的异极性电荷（2（A）中（a）（b）），靠近外电极的负电荷分布在l2mm的狭窄范围内，接着负电荷之后出现一个小的正电荷峰，分布在较宽广的范围内，加压时间延长，这些峰略有增加，短路后（2（A）中（c）），在外电极处留下很小的正电荷峰。

　　电压下，空间电荷的峰值略有增加，分布范围更宽广，短路后留下更多一些，可见，从2中（d）（e）也可见，在+500kV电压下，与室温下相比，在外电极处正电荷的峰值并不增加，短路不能完全释放空间2DCXLPE电缆绝缘中的空间电荷电荷。

　　8250kVDCXLPE电缆绝缘中的电场分布根据电缆绝缘中的空间电荷分布，由泊松方程可以解得绝缘中的电场强度的分布，3示出不同温度下，内外电极附近，绝缘和半导界面处，电场强度随加压时间的情况。

　　如在绝缘中无空间电荷，可以计算出在电缆内外半导体处的电场强度分别为36kV/mm和18kV/mm，从3（a）低温下的曲线可见，当导体为负极性时，外电极处电场强度几乎与加压时间无关，而在内电极处的电场强度随着加压时间的增加缓慢上升。当导线为正极性时加压到240分钟时，因空间电荷的积累，内外电极处电场强度达到最低值。

　　由3（b）高温下曲线可见，当导线为负极性时，外电极处电场强度随着加压间的增加缓慢上升，而内电极处的电场强度一直在小范围内波动，当导线为正极性时，内电极处电场强度随着加压时间的增加而缓慢下降，而外电极处相反，缓慢上升。

　　空间电荷的存在只使内电极处电场强度增加10%40%，比第三节中讲到的纯XLPE中，空间电荷可使电场强度的增加小得多，添加无机填料几乎完全消除了空间电荷的影响。

　　9直流塑料电缆绝缘材料的研究动态发展高压直流电缆，关键是材料，虽然日本已经时间（分）⑷低温时间（分）（h）尚温3内外半导电极附近绝缘中最大电场强度随加压时间的关系研制成功了世界第一条250kV直流XLPE电缆，但是人们在为寻找更好的直流电缆绝缘而不断努力。Khalil等热激励电流的测量，研究了BaTi03和电极材料对聚乙烯中空间电荷形成的影响。为了实测这种试样中的空间电荷分布，我们去年也曾以100目BaTi03在11（TC的热炼机上混入聚乙烯中，压成0.5mm板，用电声脉冲法测量了试样中的空间电荷分布M.众所皆知，采用无机填料可以消除聚乙稀中的空间电荷效应，无机填料比重大，增加电缆重量，必须用偶联剂增加界面强度，工艺复杂。

　　日本研究发现在聚乙烯中添加1 %的极性基团可以大大降低空间电荷；韩国用极性基团对聚乙烯接枝和共混，降低了聚乙烯的空间电荷；聚乙烯的空间电荷效应与本身的形态结构密切相关，把高密度聚乙烯和低密度聚乙烯共混可降低空间电荷，有望在直流电缆上得到使用；我们最近的研究表明，在聚乙烯中添加一点氯化聚乙烯，也可以大大降低空间电荷效应，氯化聚乙烯与聚乙烯相溶性好，具有工业应用的前景；以有效成核剂分散在聚乙烯中，改善形态也能降低空间电荷。

　　10结束语近十年来，固体介质中空间电荷分布的测量和空间电荷的形成、抑制机理的研究，是绝缘领域中研究最活跃的课题，研究此课题不仅具有巨大的工业应用前景，而且改变电介质介电强度的基本理论，现代研究表明，空间电荷的陷阱、复合产生的高能粒子是导致聚合物分子链断裂的根本原因，空间电荷效应也是开发新型传感器的一种途径。