淺談擠壓型高壓直流電纜及關(guān)鍵技術(shù)的研究進展

李平

（山東萬達電纜有限公司，山東 東營 257500）

隨著高壓直流輸電技術(shù)中輕型直流輸電技術(shù)在諸多輸電工程建設(shè)中的應(yīng)用，交聯(lián)聚乙烯高壓直流電纜在輸電工程中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。與交流電纜相比，直流電纜在輸電工程中的應(yīng)用具備更加復(fù)雜的性能。例如，直流電纜的絕緣層主要負(fù)責(zé)承受直流電壓，其電場分布與體積電阻率之間呈現(xiàn)正比例分布關(guān)系。基于聚合物絕緣材料電阻率本身對溫度因素較為敏感的原因，電阻率本身會伴隨溫度增加而不斷降低，進而導(dǎo)致擠壓性直流電纜在工作過程中會出現(xiàn)明顯的電場反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；又例如，直流電纜在使用過程中其電壓極性一般保持穩(wěn)定態(tài)勢，因此在空間電荷不斷累積的情況下很容易導(dǎo)致直流電纜使用過程中出現(xiàn)各種故障，導(dǎo)致直流電纜工作期間出現(xiàn)聚合物電解質(zhì)加速老化問題。但總體來說，直流輸電技術(shù)相較交流輸電技術(shù)更加適用于跨海峽等水下直流輸電工程以及城市范圍內(nèi)復(fù)雜線路走廊直流輸電工程的建設(shè)過程中，因此，對于直流輸電技術(shù)應(yīng)用過程中直流電纜性能的復(fù)雜性和優(yōu)越性，要始終以客觀的態(tài)度去看待解析，確保直流電纜優(yōu)越性能夠充分發(fā)揮的同時著力解決其使用過程中存在的性能問題。本文將針對直流電纜的主要類型進行簡單總結(jié)，同時針對擠壓型高壓直流電纜及其關(guān)鍵技術(shù)的研究進展進行討論總結(jié)。

1 直流電纜的主要類型

直流電纜本身涵蓋繞包絕緣電纜和擠壓絕緣電纜兩種類型。而繞包絕緣電纜本身又涵蓋浸漬紙絕緣電纜、膠浸實心絕緣電纜兩種類型。因此，在有三種直流電纜的情況下，不同類型的電纜在使用過程中具體包含以下特點。

1.1 浸漬紙絕緣電纜的特點

浸漬紙絕緣電纜是一種使用浸漬低黏度絕緣油制作而成的特殊紙絕緣電纜類型，同時也是世界范圍內(nèi)最早出現(xiàn)和使用的高壓直流電力電纜類型。作為當(dāng)前使用范圍最廣泛和最常見的高壓直流電纜，在當(dāng)前長距離供油問題已經(jīng)得到有效解決的背景下，浸漬紙絕緣電纜的用途范圍已經(jīng)由以往的陸地范圍擴充至海底電纜范圍內(nèi)。然而，由于浸漬紙絕緣電纜本身制作工藝非常復(fù)雜且使用過程中對運行維護的成本要求較高的特點，浸漬紙絕緣電纜使用過程中其附近溫度越高，則絕緣油本身黏度越低，絕緣油也會逐漸由高勢能處逐漸遷移至低勢能處，最終導(dǎo)致絕緣油較少的電纜部分其絕緣強度明顯下降，絕緣油較多的電纜部分絕緣強度壓力逐漸增大并最終損壞。

1.2 膠浸實心絕緣電纜的特點

膠浸實心絕緣電纜是一種使用浸漬高黏度化合物制作而成的絕緣電纜類型，膠浸實心絕緣電纜在使用過程中其電壓梯度已經(jīng)上升至25kv/mm，因此非常適宜用于長距離海底輸電工程的電纜敷設(shè)工作中。同時由于膠浸實心絕緣電纜本身冷卻作用良好的原因，該項特點能夠有效避免膠浸實心絕緣電纜使用過程中浸漬劑不斷流失的問題。需要注意的是膠浸實心絕緣電纜不適宜用于大落差輸電工程的電纜敷設(shè)工作中。

1.3 擠壓型直流電纜的特點

當(dāng)前擠壓性直流電纜多使用聚乙烯作為電纜的絕緣介質(zhì)，由此制作成的電纜其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單且堅固，生產(chǎn)安裝工藝更為便捷。研究結(jié)果顯示，擠壓型直流電纜在輸電工程中的各項性能應(yīng)用指標(biāo)相較于膠浸實心絕緣電纜均有非常明顯的進步。

2 擠壓型高壓直流電纜的研究進展

2.1 擠壓型高壓直流電纜的使用現(xiàn)狀

當(dāng)前世界范圍內(nèi)歐洲和日本對于擠壓型直流電纜的研制和使用積累了多年經(jīng)驗。以歐洲為例，瑞士ABB公司、法國Nexans公司、意大利Prsamann貴公司均是當(dāng)前世界范圍內(nèi)直流電纜制造、安裝、研發(fā)行業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位的公司。而我國在直流電纜的研發(fā)過程中也投入了大量的成本，但直流電纜的商業(yè)應(yīng)用仍然處于起步狀態(tài)。需要認(rèn)清的是，當(dāng)前我國電纜的生產(chǎn)施工以及運行水平和世界先進水平相比仍然存在較大差距，在輸電工程建設(shè)過程中使用的各種直流電纜材料仍然處于大部分依賴進口的情況。但在直流電纜的使用過程中基于近年來我國基建范圍不斷拓展，對于直流電纜的使用也積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。例如，2013年我國南方電網(wǎng)建成世界范圍內(nèi)首個多端柔性直流輸電示范工程，其中使用的±160kv直流電纜以及電纜附件樣品均通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的型式試驗；又例如2014年我國中天科技海纜有限公司研發(fā)±320kv、±200kv交聯(lián)聚乙烯絕緣直流電力電纜成功，對我國直流電纜技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)和使用積累了非常重要的經(jīng)驗。

2.2 擠壓型高壓直流電纜的研究進展

（1）直流電纜中的空間電荷。在當(dāng)前擠壓型高壓直流電纜多使用交聯(lián)聚乙烯作為主要絕緣材料的背景下，直流電壓下的空間電荷不斷累積會對擠壓型高壓直流電纜的絕緣性能產(chǎn)生多個方面的影響。例如，研究結(jié)果顯示，空間電荷的累積會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)內(nèi)部局部范圍內(nèi)的電場畸變，絕緣介質(zhì)中的最高電場強度相較外加電場強度提升范圍為8倍，進而很容易導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿的問題；又例如，空間電荷導(dǎo)致的電場畸變效應(yīng)將會使得當(dāng)前直流電纜絕緣中實際電場強度的數(shù)值計算和設(shè)計變得更加困難等。因此，總體來說，高壓直流電纜使用過程中電纜絕緣層中空間電荷特性的認(rèn)知和計算仍然是阻礙高壓直流電纜技術(shù)發(fā)展的一項關(guān)鍵問題。直流電纜使用過程中其絕緣層中空間電荷的來源、測量方法、抑制方法等仍然存在多個方面的爭議。以直流電纜絕緣層中空間電荷的測量方法為例，近年來，涌現(xiàn)出的空間電荷測量方法包括熱脈沖法、壓力波擴展法、電聲脈沖閥等多種類型；以空間電荷的醫(yī)治方法為例，國內(nèi)外有關(guān)空間電荷的抑制方法主要包括在電纜絕緣材料中添加無機納米氧化物、接枝改性電纜絕緣并以此賦予其特殊官能團、其他共混改性三種類型。

（2）電纜絕緣層的直流電導(dǎo)。直流電導(dǎo)是反映電纜絕緣材料在直流輸電工程運行過程中絕緣性能的一項重要指標(biāo)，直流電導(dǎo)本身會受到溫度場、電場、空間電荷、陷阱密度、電荷運輸?shù)榷囗椧蛩氐挠绊憽４送猓绷麟妼?dǎo)本身具備的溫度效應(yīng)也會導(dǎo)致直流電纜在正常運行過程中其絕緣內(nèi)部電場出現(xiàn)畸變問題。總體來說，在電纜絕緣層的直流電導(dǎo)研發(fā)過程中有關(guān)電極與介質(zhì)截面電荷的注入、抽出，以及聚合物電解質(zhì)內(nèi)部的電荷運輸、電荷運輸過程中入陷與負(fù)荷等均存在大量需要解決的問題。

（3）可回收電纜絕緣材料。當(dāng)前擠壓型高壓直流電纜在使用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料的情況下，基于交聯(lián)聚乙烯本身具有良好高溫機械性能與電氣性能的原因，其對于提升擠壓型高壓直流電纜的各項工作性能發(fā)揮了非常積極的作用。然而，通過輻照或者其他化學(xué)方法形成的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致交聯(lián)聚乙烯在使用壽命完結(jié)后仍然難以回收，只能通過焚燒處理其回收物，進而導(dǎo)致資源浪費以及環(huán)境污染問題。近年來，如何提高電纜絕緣材料的環(huán)境相容性也已成為擠壓型高壓直流電纜研發(fā)的一項關(guān)鍵問題。有研究結(jié)果顯示，聚乙烯基材料和聚丙烯基材料可作為擠壓型高壓直流電纜的絕緣材料，且上述兩種材料均具有可回收性。以聚乙烯基材料為例，該種材料本身具備非常良好的絕緣性能且熔點較高，不需要依靠交聯(lián)手段也能夠在較高的溫度下正常發(fā)揮其絕緣性能。有研究結(jié)果顯示，聚乙烯基材料在使用過程中表現(xiàn)出的長期特穩(wěn)定性以及直流電阻率均明顯優(yōu)于交聯(lián)聚乙烯。

3 結(jié)語

綜上所述，未來電網(wǎng)工程逐漸朝著大容量、遠(yuǎn)距離、高可靠方向發(fā)展，加強對高壓直流電纜的研究開發(fā)必然擁有非常廣闊和良好的前景。雖然近年來擠壓型直流電纜的使用愈發(fā)廣泛，但擠壓型直流電纜在研發(fā)時依然面臨諸多需要解決的問題，例如，空間電荷計算、直流電導(dǎo)、絕緣材料環(huán)境相容性等，對于當(dāng)前擠壓型直流電纜的使用效果造成阻礙和限制。