柔性直流電纜絕緣料及電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

尤占山

摘 要：文章系統(tǒng)研究了直流電纜絕緣料與電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析指出，實現(xiàn)柔性直流電纜絕緣的關(guān)鍵問題是要解決電荷分布測量問題，而絕緣空間電荷測量裝置的研制以及空間電荷陷阱能量的分析是其中的技術(shù)難點。通常在解決納米填料摻雜XLPE材料中的電荷分布問題時，可以通過物理或化學(xué)修飾等手段來解決材料間的相容性問題。研究指出，柔性直流電纜絕緣料中的電荷分布于體積電阻率呈正相關(guān)關(guān)系，且在空間電荷的影響下，運行中的柔性直流電纜經(jīng)受的反極性沖擊電壓是電纜絕緣的關(guān)鍵因素。最后，基于以上研究成果開發(fā)出了耐高壓的柔性電纜絕緣結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：柔性直流電纜；電纜結(jié)構(gòu)；電荷分布；電阻

所謂的柔性電纜特指的是基于電源換流器的高壓直流輸電。該輸電方式具有輸電容量大、輸電距離長、點對點輸電等特點，非常適合向海島供電、城市復(fù)核中心增容以及風電并網(wǎng)等工作，有力地促進了城市直流供電系統(tǒng)的完善與發(fā)展。在當今世界范圍內(nèi)，中壓、高壓和超高壓柔直擠包絕緣電纜均采用高聚物交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene，XLPE）為絕緣材料，不需要進行極性翻轉(zhuǎn)實驗即可直接運行。從供應(yīng)商的全球分布范圍來看，我國沒有一家專門提供絕緣電纜材料的公司，且電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計也不盡合理。為了打破國外的技術(shù)壟斷，有必要針對柔性直流電纜絕緣材料的基本屬性進行電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計，以求進一步促進我國電力行業(yè)的發(fā)展[1]。

1 柔直電纜絕緣料概述

11直流XLPE絕緣料的開發(fā)

早在2004年日本的一家單位就成功開發(fā)出了一種基于500 kV的直流XLPE電纜，同時通過引入極性基團的方式消除空間電荷。測量實驗結(jié)果指出，該絕緣材料在高壓直流電源的作用下，空間電場分布接近于均勻，類似于拉普拉斯電場分布。在靠近內(nèi)半導(dǎo)屏蔽層的電場強度隨著時間的推移而出現(xiàn)了一定程度的畸變，且極性基團作為空間陷阱點具有捕捉載流子的能力，空間電荷不能在材料中進行遷移，導(dǎo)致電場分布均勻。

1.2空間電荷測量技術(shù)

空間電荷的存在容易導(dǎo)致電場分布的變化，在一些特定的區(qū)域內(nèi)還有可能造空間電荷造成的局部電場高于外加電場而導(dǎo)致材料被擊穿。空間電荷分布的測量有如下兩方面的意義：（l）有助于控制因為空間電荷引起的局部電場。（2）以空間電荷的發(fā)展和演變中有助于理解電荷的傳輸機制。目前常用的兩種空間電荷測量技術(shù)主要有壓力波（ PressureWave Propagation，PWP）法和電聲脈沖（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）法兩種，PWP法利用了彈性波在傳輸介質(zhì)中以聲速傳播的過程中會破壞介質(zhì)原先的彈性力和電荷產(chǎn)生電場力的平衡的原理，通過測量因空間電荷的微小位移而產(chǎn)生的介質(zhì)中感應(yīng)電荷的變化從而獲得導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)的空間電荷分布情況；PEA法的基本步驟是在介質(zhì)電極上加上一個窄的高壓脈沖，在該脈沖作用下空間電荷和電極界面內(nèi)都相應(yīng)的產(chǎn)生一個聲脈沖，通過接受和分析這些聲脈沖就可以獲取內(nèi)部空間電荷的基本信息。

1.3空間電荷的陷阱能級

通常來講，電荷的物理陷阱和化學(xué)陷阱指是由于介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的不完整性和外界雜質(zhì)的引入形成了一個介質(zhì)電荷老化的中心，陷阱能級的存在直接導(dǎo)致了介質(zhì)中的電場分布，進而影響材料的絕緣性能。因此更好地認識和研究聚合物介質(zhì)的陷阱能級分布對于絕緣材料性能的了解和結(jié)構(gòu)設(shè)計大有裨益。目前主流的陷阱能級測量方法主要有自主時間段法（Thread-specific Data，TSD）和功率譜密度（PowerSpectral Density， PSD）法兩種。TSD法以期操作簡單、正確率高、系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用到介質(zhì)陷阱的測量工作中，通過分析電流譜的基本參數(shù)就可以獲取能級陷阱的相應(yīng)參數(shù)，包括電荷密度、活化能、平均渡越時間等。PSD法的基本原理是利用能量可調(diào)的電能光子輻射式樣，從而使得具備相應(yīng)能級的陷阱得到激發(fā)，脫離出阱，由于能級陷阱的運動導(dǎo)致出現(xiàn)宏觀電流，通過測量這些電流就可以獲取相應(yīng)的陷阱分布情況[2]。

2 柔直電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1電場分布

在交流電纜和直流電纜的絕緣材料中的電場分布存在較大不同，直流電纜中的電場分布情況與體積絕緣率存在正相關(guān)關(guān)系，而體積絕緣率又與溫度與電場有關(guān)。在直流導(dǎo)線中存在一定的電荷累計的情況，與交流電纜中的情況相比復(fù)雜得多。在理想狀態(tài)下假定溫度穩(wěn)定，忽略電荷的影響，在絕緣層r位置處的電場強度為：F=，其中。當同時考慮溫度和電子率的影響時，有，其中。在

直流絕緣介質(zhì)中，在經(jīng)受雷擊和誤操作過電壓時，疊加的反極性電壓和極性電壓使得絕緣介質(zhì)總體上表現(xiàn)擊穿強度下降的趨勢，這主要是因為在穩(wěn)定的直流電壓電纜中，靠近導(dǎo)電部位的絕緣層內(nèi)存在極性相同的空間電荷，而在反極性電壓的作用下被絕緣層捕獲的空間電荷保持與原電荷極性相反的特性，在這兩種空間電荷的影響下產(chǎn)生的局部電荷會發(fā)生相應(yīng)的畸變，超過了一定的承受極限時則會發(fā)生擊穿。因此，絕緣層的材料性質(zhì)和厚度設(shè)計直接受疊加沖擊絕緣水平的影響，尤其是在高壓和超高壓輸電線路中這種情況尤為嚴重[3]。

2.2新型柔性直流電纜絕緣層設(shè)計

目前國內(nèi)主要的直流電纜主要采用的是銅材質(zhì)，而眾所周知的是銅具有重量重、價錢高、鋁套容易電化腐壞等特征。傳統(tǒng)的絕緣層中普遍采用外面涂瀝青、外護套外面涂生石灰導(dǎo)電層的方式來進行絕緣處理，但是瀝青和石灰都會造成一定程度的環(huán)境污染，而海底電纜絕緣層中使用的鉛屬于重金屬也會成為新的污染源[4]。因此，基于國產(chǎn)柔性直流電纜絕緣材料的主要問題筆者進行了新的設(shè)計，針對實際需要設(shè)計了±320 kV和±200 kV的兩種柔性直流電纜結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。

3結(jié)語

綜上所述，本文系統(tǒng)地分析了柔性直流電纜絕緣料的技術(shù)特征以及當前發(fā)展過程中面臨的主要問題，并設(shè)計了一種全新的柔性直流電纜結(jié)構(gòu)。本文指出應(yīng)該大力發(fā)展絕緣層電荷測量裝置的研發(fā)工作，提升研發(fā)的準確性，同時還要解決添加的納米填料與ELPC之間的相容性問題，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出環(huán)保、耐高溫高壓的絕緣層材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)。

[參考文獻]

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[3]孫毅，張軼，賀之淵，等.柔性直流輸電系統(tǒng)電纜護套過電壓仿真[J]高電壓技術(shù)，2017 （11）：3528-3533

[4]楊黎明，朱智恩，楊榮凱，等.柔性直流電纜絕緣料及電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]電力系統(tǒng)自動化，2013 （15）：117-124