淺談高壓直流交聯聚乙烯電纜應用

孫成

摘要：介紹了高壓直流電纜的發展歷史、運行中存在的問題以及目前國內外對交聯聚乙烯（XLPE）高壓直流電纜的研究現狀，提出了國內發展XLPE高壓直流電纜的建議。

關鍵詞：高壓直流電纜；XLPE；空間電荷；溫度梯度；絕緣診斷

為了降低溫室效應對氣候的影響，全世界正在大規模發展綠色能源，開發太陽能、風能和潮汐發電等。直流輸電可以把風力發電、潮汐發電、太陽能發電等具有不穩定的電源與電力系統聯接起來而不會影響電網的電能質量水平。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、容易控制和調節，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、有環保方面的優勢。因此直流高壓輸電電纜作為直流輸電系統中不可或缺的一部分，是高壓輸電中的重要課題。

1高壓直流電纜的發展和應用

1.1直流輸電的發展

最早的直流輸電工程可追溯到1882年，德國用單臺直流發電機發電，通過57km架空線從巴伐利亞州的米斯巴赫鎮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，其基本原理是利用直流發電機串聯獲得高電壓，利用這種技術的第一項工程是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，世界上已經投入運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年投運的浙江舟山直流輸電工程、1989年投運的葛洲壩-南橋直流輸電工程、2001年投運的天生橋-廣州直流輸電工程、2002年投運的嵊泗直流輸電工程、2003年投運的三峽-常州直流輸電工程、2004年投運的貴州-廣東Ⅰ回直流輸電工程和三峽-廣東直流輸電工程、2005年投運的靈寶背靠背工程、2006年投運的三峽-上海直流輸電工程、2007年投運的貴州-廣東Ⅱ回直流輸電工程、2010年投運的云南-廣東直流輸電工程和向家壩-上海直流輸電工程。

1.2直流輸電的應用

目前新型、清潔、可再生能源發電已成為未來電力系統的發展方向，風力、太陽能等新型能源發電在世界范圍內逐步擴展，其主要特點之一是分散化與小型化，且往往遠離用電中心。同時鉆探平臺、島嶼、礦區等“孤島”負荷目前多采用污染性大的柴油發電機供電，地理條件與發電規模的制約使得利用現有交流輸電技術將這些“孤島”電源與電網連接經濟性差、環保壓力大，而采用直流輸電更加經濟、方便。

2 XLPE高壓直流電纜運行中存在的問題

2.1空間電荷的產生及影響

交聯聚乙烯（XLPE）結構簡單、介電性能好、物理化學結構穩定，作為電纜中的絕緣材料得到廣泛的應用。但在直流電場作用下，XLPE材料內部會形成空間電荷。一般來講，聚合物中空間電荷主要由兩部分組成：一部分是在低場強下，因為雜質在電場作用下電離發生遷移造成，稱為異極性電荷，即靠近陰極處為正電荷，靠近陽極處為負電荷；另一部分是在高場強下，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，靠近陰極處為負電荷。

2.2直流作用下絕緣內的溫度梯度效應

XLPE作為高壓直流電纜的絕緣時，內部存在大量的局部電荷陷阱，造成內部空間電荷集聚，形成空間電荷效應。尤其是高壓直流電纜運行在滿負荷時，導體溫度較外屏蔽層溫度高，即電纜絕緣的溫度由內到外呈現溫度梯度分布。這種溫度梯度效應加劇了電極上電荷的注入和遷移，促使介質內積聚的空間電荷量增加，進一步增強絕緣層表面的電場強度，加速絕緣材料的電老化，縮短絕緣材料的使用壽命；尤其是當絕緣內的異極性空間電荷積累比較多時就可能引發絕緣材料的擊穿，使絕緣失效。

3 XLPE高壓直流電纜的研究現狀

3. 1 XLPE電纜的發展狀況

聚乙烯（PE）以其優良的介電性能、物理機械性能和易加工處理等優點得到廣泛應用，它的產量在塑料產品中居首位，其大分子鏈呈線型或者支鏈結構，在受熱或者應力作用下，分子鏈間比較容易發生相對運動，因而PE的抗熱變形能力比較弱、工作溫度比較低，一般會采用交聯技術來彌補其結構上的缺陷、并提高性能。一般的交聯方式有：輻照交聯、紫外光交聯、過氧化物交聯等。但工業上對于35kV以上的XLPE電纜均使用過氧化物交聯工藝。在交聯之后，PE分子鏈交叉連接呈現立體網狀結構，不但改善PE的耐熱性、耐磨性，而且提高其抗蠕變性等力學性能。

3.2國內外XLPE電纜料的使用概況

高壓直流輸電技術是當今輸電技術的發展趨勢，電纜是輸電的關鍵，其使用的絕緣材料是電纜電壓等級能否提高的關鍵性因素。一般認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度、高絕緣電阻系數、低溫度系數、低電場系數、低熱阻系數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商是美國陶氏化學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電纜料的供應市場。

3.3 XLPE高壓直流電纜絕緣內的空間

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

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用，直流輸電設備需求日益擴大。按照國家規劃，在未來20、30年內，我國將大規模建設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市場，隨著我國對國產高壓直流電纜自主研發的重視，我們更需要關注高壓直流電纜產業的各個環節，一方面研發新型電纜用絕緣材料并設計新的電纜結構，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、空間電荷效應、機械應力和環境應力等對其運行產生的影響，制定符合我國不同電壓等級的直流電纜相關試驗的規范、導則和標準；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的XLPE直流電纜，大大節省建設資金及電纜敷設、更換的成本。

參考文獻：

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

[2]劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社，2005：1-40.

[3]劉振亞.全面實現電力工業科學發展[J].中國電力企業管理，2010（5）：12-15.

（作者單位：南京中超新材料股份有限公司）