高压直流交联聚乙烯电缆的研究现状与展望

闫大庆

（北京兆维电子（集团）有限责任公司，北京 100015）

随着电力电子技术的迅速发展，直流输电技术日趋完善，在输送能力和送电距离上可与高压交流输电竞争，而且相比于高压交流输电（HVAC），高压直流输电（HVDC）技术更适合大容量、长距离输电。传统的高压直流输电电缆一般为油浸式纸绝缘电缆或者充油式电缆等，但是由于油浸式纸绝缘电缆很难承载很大的容量、充油式电缆基本上不适合长距离输电等原因，人们一直在寻求更加合适的绝缘材料来制造高压直流输电电力电缆。上世纪90年代，挤出型聚合绝缘电缆在高压交流输电的应用中，几乎完全替代了充油式-纸绝缘电缆。由于挤出型交联聚乙烯绝缘材料具有消耗材料少、加工成本低、可靠性高、出色的电气和机械性能等优点，人们开始研究开发适用于高压直流输电的挤出型交联聚乙烯绝缘电缆及相关产品。总体来说，一方面近年来挤出型交联聚乙烯绝缘电缆在高压直流输电领域有了一些商业上的应用，并且开发出了许多具有突出优势的新产品，但是由于一些技术难题和成本上的劣势，所以在高压直流输电电缆的市场中还是处于弱势；而在更高电压等级（500kV以上）的高压直流输电电缆的市场中，纸绝缘-充油式电缆仍然处于垄断地位。另一方面，鉴于挤出型交联聚乙烯绝缘电缆有很多突出的优点，而且随着一些限制其发展技术难题的解决，更多的有竞争力的产品会开发出来，将会有更广阔的市场空间和更丰厚的利润。

1 高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆的现状与发展趋势

挤出型交联聚乙烯绝缘电缆从上世纪90年代末开始至今开发出了很多优秀的产品。ABB公司和日本古河电工集团等公司都在XLPE绝缘电缆应用于高压直流输电系统上作出了很多贡献，例如ABB公司开发研制的轻型高压直流输电电缆系统有3个电压等级80kV、150kV和320kV已经通过商业认证，其中80kV到150kV已经投入商业项目并开始运行，这些系统的容量可达50～350MW。1999年轻型高压直流输电电缆系统在瑞典运行以来，已经有若干个项目安装运行。目前，ABB公司的轻型高压直流输电电缆的最高电压等级已达到320kV，容量可达1000～1200MW。2004年，日本古河电工集团开发的500kV高压直流XLPE电缆已经通过前期试验认证，但是目前看来，该系统仍然是最高电压等级的试验认证，没有商业认证。目前，高压直流输电聚合物绝缘电缆已经有若干个工程项目应用，最高电压等级为300kV。而大于500kV的高压直流聚合物绝缘电缆，仍然处于试验阶段。

在目前的聚乙烯绝缘材料中，由于XLPE和乙丙橡皮绝缘材料（EPR）有着电气绝缘特性优良、制造过程简单和价格为市场所接受等优点，所以得到了广泛的应用。EPR在某些方面甚至优于XLPE，但是通常价格上EPR也更加昂贵。低密度聚乙烯（LDPE）、线型低密度聚乙烯（LLDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）只是偶尔应用，间列聚乙烯也有着非常出色的绝缘特性，但是价格太高，为市场所不能接受。也注意到，近两年出现了一些针对LDPE、LLDPE、HDPE等进行掺杂来改变其电气绝缘特性的研究。

另外，世界最大的两家电缆生产商意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法国的耐克森公司（Nexans）也生产高压直流输电电缆。不过从产品来看，两家公司更倾向于生产较为传统的油浸式绝缘电缆等，目前应用较多的高压直流输电电缆，而提供的用于高压直流输电的XLPE绝缘电缆相对较少，电压等级也较低。目前意大利的普瑞司曼公司提供油浸式绝缘电缆500kV DC和SCFF（self-contained fluid filled cables）600kV，同时Prysmian公司致力于开发PPL（paper polypropylene laminated cables）技术和前面两种电缆材料的结合，形成具有更好电气特性的绝缘新材料。

国内的高压直流XLPE绝缘电缆的产品相对很少，国内公司和研究所主要包括：远东电缆有限公司、特变电工、上海电缆研究所、武高院电缆所、青岛汉缆、杭州华新丽华股份有限公司等。国内的高校和科研院所从事相关研究的有：上海交通大学等高校。

总体来说，ABB公司和日本古河电工集团对高压直流XLPE绝缘电缆的研究较为深入，并开发出了各自的核心产品。意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法国的耐克森公司（Nexans）主要在传统的油浸式绝缘电缆等以往应用较多的产品上进行进一步的开发完善和创新，对XLPE DC电缆这方面的开发没有ABB公司和日本古河电工集团深入。

2 高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆研制的特点及先进性

挤出型XLPE绝缘材料被人们广泛使用的原因在于，它具有很多突出的优点：材料消耗少、加工成本低、可靠性高、电气性能和机械性能优良。而且相对于油浸式纸绝缘电缆或者充油式电缆，挤出型XLPE绝缘具有运行时允许的温度高——这也使得传输更大容量成为可能。具有维护率低、免除漏油等麻烦、对周边环境的影响小（属于环境友好型电缆）等优势。

ABB公司研制开发的轻型高压直流输电电缆具有以上优点的同时，还有一些自身的特殊优点。它是一种高密度电缆，质量轻、尺寸小，而且连接更加方便。另外与HVAC XLPE绝缘电缆相比，有着更小的尺寸损耗和更高的能量承载密度，轻型高压直流输电电缆的传输能力在20～50MW/kg，而HVAC电缆的传输能力在10～20MW/kg之间。

综上所述，高压直流XLPE绝缘电缆不但具备高压直流输电电缆对一般交流电缆的一些优势，而且由XLPE绝缘材料做成的高压直流电缆对于传统的高压直流浸式纸绝缘电缆或者充油式电缆来看，也有着突出的优点。

3 研制高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆在未来需解决的关键性技术问题

尽管交联聚乙烯（XLPE）作为绝缘材料有很多突出的优点，经过多年的努力也开发出了一些优秀的产品，但是仍然有一些重要的问题需要解决。从目前高压直流输电电缆的市场来看，传统的高压直流输电电缆如浸式纸绝缘电缆或者充油式电缆仍然是主流产品，而且在此基础上改进的工作仍然在不断进行，这一点由世界上最大的两家电缆公司意大利的普瑞司曼公司和法国的耐克森公司生产的产品中可以看出来。在500kV及500kV以上的高压直流输电电缆的产品来看，充油式-纸绝缘电缆仍然是绝对的主流产品，相比之下，500kV的高压直流XLPE绝缘电缆在日本只是处于试验认证阶段而没有得到商业认证，ABB公司的轻型高压直流输电电缆虽然有80kV、150kV和320kV已经通过商业认证，但是应用到工程项目上的还只是80kV、150kV两个电压等级的系统。从此可见，提高电压等级和容量是目前高压直流XLPE绝缘电缆产品的发展方向，这也对技术上提出了相应的要求。

从技术层面上来看，XLPE绝缘电缆在高压直流输电过程中，产生和积累的空间电荷是目前聚合物绝缘材料需要面对的最重要的问题，它始终限制着聚合物绝缘材料在高压直流输电电缆中的应用。所以，空间电荷积累的机理和抑制空间电荷积累都是研究的重点，包括相应的聚合物绝缘材料电缆中半导体-绝缘体交界面性质和半导体材料-绝缘体材料的研究、绝缘体交界面性质的研究、温度梯度对空间电荷产生的影响、空间电荷积累的过程等。

当然也包括其他的一些问题：绝缘材料老化的机理、新材料长期的稳定性、局部放电的影响。目前还不清楚运行电压的上限应该由空间电荷的量度决定，还是由电气老化的阙值电压来决定。