柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计研究

尤占山

摘 要：文章系统研究了直流电缆绝缘料与电缆的结构设计。分析指出，实现柔性直流电缆绝缘的关键问题是要解决电荷分布测量问题，而绝缘空间电荷测量装置的研制以及空间电荷陷阱能量的分析是其中的技术难点。通常在解决纳米填料掺杂XLPE材料中的电荷分布问题时，可以通过物理或化学修饰等手段来解决材料间的相容性问题。研究指出，柔性直流电缆绝缘料中的电荷分布于体积电阻率呈正相关关系，且在空间电荷的影响下，运行中的柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后，基于以上研究成果开发出了耐高压的柔性电缆绝缘结构。

关键词：柔性直流电缆；电缆结构；电荷分布；电阻

所谓的柔性电缆特指的是基于电源换流器的高压直流输电。该输电方式具有输电容量大、输电距离长、点对点输电等特点，非常适合向海岛供电、城市复核中心增容以及风电并网等工作，有力地促进了城市直流供电系统的完善与发展。在当今世界范围内，中压、高压和超高压柔直挤包绝缘电缆均采用高聚物交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene，XLPE）为绝缘材料，不需要进行极性翻转实验即可直接运行。从供应商的全球分布范围来看，我国没有一家专门提供绝缘电缆材料的公司，且电缆结构设计也不尽合理。为了打破国外的技术垄断，有必要针对柔性直流电缆绝缘材料的基本属性进行电缆结构设计，以求进一步促进我国电力行业的发展[1]。

1 柔直电缆绝缘料概述

11直流XLPE绝缘料的开发

早在2004年日本的一家单位就成功开发出了一种基于500 kV的直流XLPE电缆，同时通过引入极性基团的方式消除空间电荷。测量实验结果指出，该绝缘材料在高压直流电源的作用下，空间电场分布接近于均匀，类似于拉普拉斯电场分布。在靠近内半导屏蔽层的电场强度随着时间的推移而出现了一定程度的畸变，且极性基团作为空间陷阱点具有捕捉载流子的能力，空间电荷不能在材料中进行迁移，导致电场分布均匀。

1.2空间电荷测量技术

空间电荷的存在容易导致电场分布的变化，在一些特定的区域内还有可能造空间电荷造成的局部电场高于外加电场而导致材料被击穿。空间电荷分布的测量有如下两方面的意义：（l）有助于控制因为空间电荷引起的局部电场。（2）以空间电荷的发展和演变中有助于理解电荷的传输机制。目前常用的两种空间电荷测量技术主要有压力波（ PressureWave Propagation，PWP）法和电声脉冲（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）法两种，PWP法利用了弹性波在传输介质中以声速传播的过程中会破坏介质原先的弹性力和电荷产生电场力的平衡的原理，通过测量因空间电荷的微小位移而产生的介质中感应电荷的变化从而获得导电介质内的空间电荷分布情况；PEA法的基本步骤是在介质电极上加上一个窄的高压脉冲，在该脉冲作用下空间电荷和电极界面内都相应的产生一个声脉冲，通过接受和分析这些声脉冲就可以获取内部空间电荷的基本信息。

1.3空間电荷的陷阱能级

通常来讲，电荷的物理陷阱和化学陷阱指是由于介质微观结构的不完整性和外界杂质的引入形成了一个介质电荷老化的中心，陷阱能级的存在直接导致了介质中的电场分布，进而影响材料的绝缘性能。因此更好地认识和研究聚合物介质的陷阱能级分布对于绝缘材料性能的了解和结构设计大有裨益。目前主流的陷阱能级测量方法主要有自主时间段法（Thread-specific Data，TSD）和功率谱密度（PowerSpectral Density， PSD）法两种。TSD法以期操作简单、正确率高、系统简单等优势被广泛地应用到介质陷阱的测量工作中，通过分析电流谱的基本参数就可以获取能级陷阱的相应参数，包括电荷密度、活化能、平均渡越时间等。PSD法的基本原理是利用能量可调的电能光子辐射式样，从而使得具备相应能级的陷阱得到激发，脱离出阱，由于能级陷阱的运动导致出现宏观电流，通过测量这些电流就可以获取相应的陷阱分布情况[2]。

2 柔直电缆结构设计

2.1电场分布

在交流电缆和直流电缆的绝缘材料中的电场分布存在较大不同，直流电缆中的电场分布情况与体积绝缘率存在正相关关系，而体积绝缘率又与温度与电场有关。在直流导线中存在一定的电荷累计的情况，与交流电缆中的情况相比复杂得多。在理想状态下假定温度稳定，忽略电荷的影响，在绝缘层r位置处的电场强度为：F=，其中。当同时考虑温度和电子率的影响时，有，其中。在

直流绝缘介质中，在经受雷击和误操作过电压时，叠加的反极性电压和极性电压使得绝缘介质总体上表现击穿强度下降的趋势，这主要是因为在稳定的直流电压电缆中，靠近导电部位的绝缘层内存在极性相同的空间电荷，而在反极性电压的作用下被绝缘层捕获的空间电荷保持与原电荷极性相反的特性，在这两种空间电荷的影响下产生的局部电荷会发生相应的畸变，超过了一定的承受极限时则会发生击穿。因此，绝缘层的材料性质和厚度设计直接受叠加冲击绝缘水平的影响，尤其是在高压和超高压输电线路中这种情况尤为严重[3]。

2.2新型柔性直流电缆绝缘层设计

目前国内主要的直流电缆主要采用的是铜材质，而众所周知的是铜具有重量重、价钱高、铝套容易电化腐坏等特征。传统的绝缘层中普遍采用外面涂沥青、外护套外面涂生石灰导电层的方式来进行绝缘处理，但是沥青和石灰都会造成一定程度的环境污染，而海底电缆绝缘层中使用的铅属于重金属也会成为新的污染源[4]。因此，基于国产柔性直流电缆绝缘材料的主要问题笔者进行了新的设计，针对实际需要设计了±320 kV和±200 kV的两种柔性直流电缆结构，如图1-2所示。

3结语

综上所述，本文系统地分析了柔性直流电缆绝缘料的技术特征以及当前发展过程中面临的主要问题，并设计了一种全新的柔性直流电缆结构。本文指出应该大力发展绝缘层电荷测量装置的研发工作，提升研发的准确性，同时还要解决添加的纳米填料与ELPC之间的相容性问题，并在此基础上开发出环保、耐高温高压的绝缘层材料和设计结构。

[参考文献]

[1]钟力生，任海洋，曹亮，等.挤包绝缘高压直流电缆的发展[J]高电压技术，2017 （11）：3473-3489.

[2]赵健康，赵鹏，陈铮铮，等.高压直流电缆绝缘材料研究进展评述[J]高电压技术，2017 （11）：3490-3503

[3]孙毅，张轶，贺之渊，等.柔性直流输电系统电缆护套过电压仿真[J]高电压技术，2017 （11）：3528-3533

[4]杨黎明，朱智恩，杨荣凯，等.柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计[J]电力系统自动化，2013 （15）：117-124