交流配电XLPE 电缆直流改造的拓扑结构和空间电荷研究综述

于竞哲，陈向荣

（浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室（浙江大学），杭州 310027）

0 引言

随着新能源、新材料和电力电子技术的发展，现有交流配电网面临着分布式能源接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化等方面的挑战。与交流配电网相比，直流配电网可以有效提高电能质量和供电容量，减少电力电子换流器的使用，降低电能损耗和运行成本，协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益。随着柔性直流技术的发展，直流配电技术成为了国内外研究的焦点[1-5]。

我国在2013 年开展了柔性直流配电的863课题“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”，定位于中压直流配电技术研究[6]。基于此课题，中国南方电网有限责任公司深圳供电局开展了针对基于柔性直流输电的±10 kV 直流配电网的关键技术研究[7]。2016 年，国家电网浙江省电力有限公司开展了直流配电网的工程理论与关键技术研究[8]。2018 年3 月，浙江省杭州市大江东区块试点了±10 kV 柔性直流配网工程。直流配电已经成为未来配电网发展的一个重要方向。

然而，我国大中型城市存在的土地资源紧张、地下线路饱和问题导致新建直流配电线路非常困难。如果能够对原有交流线路进行直流改造，将有利于交流电网逐步过渡到直流配电网，这对于直流配电网的实现具有重要意义。此外，随着经济的快速发展，我国部分城市负荷中心或旧城区出现供电容量短缺的问题，需要对原有线路进行扩容改造，但在供电制式不变的情况下增加线路供电能力是十分困难的。而如果对原有线路进行直流改造，在原有线路不变的前提下可提升供电能力，是一种较好的交流电网改造方案。

目前，交流XLPE（交联聚乙烯）电缆被广泛用于城市电网中的配电线路。XLPE 绝缘电缆在直流运行方式下的温度场和电场分布与其在交流运行方式下的有很大区别，而且XLPE 绝缘电介质材料在高压电场下，特别是直流高压电场的作用下容易俘获外界注入的电荷，电荷在介质内部的积累可能引起材料内部电场的严重畸变，进而导致材料绝缘击穿。在交流XLPE 电缆的直流改造工程中，为确保系统的可靠运行，实际运行参数一般采用较为保守的值[9-10]，不能充分发挥原有线路的供电能力。因此，为准确设计交流电缆直流改造后的运行参数，相关学者对此进行了研究。文献[11]针对东北地区城市电网66 kV 交流单芯XLPE 电缆线路，采用数值法计算了直埋敷设2 根平行排列交流电缆的直流载流量，并计算了电缆改为双极式直流运行后的输送功率。文献[12]通过有限元仿真软件，在绝缘试样电导率模型基础上，研究了66 kV 交流XLPE 电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性。文献[13]针对10 kV 交流三芯XLPE 电缆配电线路，通过有限元分析软件对改为双极式直流运行方式的电缆进行了温度场和电场耦合仿真分析，得到了所选电缆改为直流运行后的相关参数。

交流XLPE 电缆线路的直流改造有助于线路供电能力的提升，同时对于直流配电网的实现具有重要意义。鉴于目前国内外相关理论研究和实际运行经验较少，本文首先针对交流XLPE 电缆直流改造的拓扑结构及相关研究进行了梳理；然后对交流XLPE 电缆本体和附件在直流电压下的空间电荷问题进行了介绍；最后提出了交流XLPE电缆直流改造在绝缘方面有待进一步研究的问题，为交流XLPE 电缆直流改造的相关工程提供一定参考。

1 电缆线路交改直的拓扑结构

与传统直流输电技术相比，柔性直流输电技术的无功、有功可独立控制，无需滤波及无功补偿设备，可向无源负荷供电，潮流翻转时电压极性不改变，更适合于构建多端直流线路以及直流配电网。

1.1 单极式直流接线方式

对单回交流线路进行直流改造时，一种方案是将三相交流线路改为带大地回线的单极直流线路，其拓扑结构如图1 所示[14]。三相交流线路中的每一相都加载相同的直流电流和直流电压。交流输电线路的三相线路组成一条单极直流线路，从而实现更大的输送容量。在单极式直流拓扑结构中，采用大地回线方式虽然线路投资相对较省，但对接地极址的要求较高，较大的入地电流也可能对极址附近变电站、地下金属管道等金属设施带来不良影响。此外，随着我国社会经济的快速发展，土地资源日益紧张，导致电缆配电网的建设受到了很大限制。特别是对于大型城市的配电线路建设，接地极极址及线路路径选择甚至成为整个工程的制约因素。

图1 单回三相电缆的单极式直流运行方案

1.2 双极式直流接线方式

对单回交流线路进行直流改造时，还可将其改造成双极式直流线路，即将三相输电线中的两相作为传输负荷电流的正、负极线使用，第三相输电线作为接地线使用，其拓扑结构见图2[13]。文献[9]介绍了一条现役35 kV 交流XLPE 电缆线路在发生二次故障后改造为直流运行的方案。

图2 单回三相电缆的双极式直流运行方案

对于双回交流线路的直流改造， 如英国的ANGLE 直流项目[10]，也可将其改造成双极式直流线路。ANGLE 直流项目计划将一条连接安格尔西岛和威尔士大陆的33 kV 双回交流线路改为直流运行。该线路总长约3 km，主要为电缆线路，但也有一小段架空线路。该项目计划将此线路改为±27 kV 双极式直流运行，其中一回三相交流线路并联组成正极线路，而另一回交流线路组成负极线路，同时两端换流站分别建有接地极。

Shekhar 等[14]以三芯11 kV 交流XLPE 电缆为例，将电压降落、电容泄漏电流、趋肤效应和负载功率因数等多影响因素结合起来，对其在单极和双极直流拓扑下的直流输送功率进行了定量分析。针对单回交流线路的直流改造，图3 描述了在单极直流拓扑结构下、不同长度交流电缆的直流输送功率提升比例与导体横截面积的关系，图4 描述了双极直流拓扑结构下的结果。由图3和图4 可知：交流电缆线路越长，直流输送功率提升比例越大；所选电缆在单极直流拓扑下的输送功率提升比例更大。此外，由文献[14]可知，对于双回交流线路，其在双极直流拓扑下的输送功率提升比例与单回交流线路在单极直流拓扑下的输送功率提升比例非常接近。

1.3 三线双极式直流接线方式

虽然将交流线路改造成双极式直流线路对其供电能力有一定提升，但没能充分利用原有交流线路的三相输电线。为了能够最大程度地开发原有线路的供电能力，国内外学者还提出了其他直流拓扑结构。

图3 单回交流线路改为单极直流后的输送功率提升比例

图4 单回交流线路改为双极直流后的输送功率提升比例

文献[15]提出了一种TPS-HVDC（基于三极结构的直流输电）概念。TPS-HVDC 指在充分利用原有三相交流输电线的基础上，通过特殊的电流调制方法和换流站技术，较大幅度提升线路输电容量的一种直流输电结构。文献[16]提出了一种具有线路扩容输电能力的输电技术，TWBS-HVDC（基于三线双极结构的直流输电技术）给出了具体的拓扑结构、运行原理、控制策略并进行了仿真分析。TWBS-HVDC 包含3 个输电极，分别为正极、负极和调制极，对应三相交流线路的3 根输电线，其电流特性如图5 所示。

图5 中，UDC为直流电压，Imax和Imin分别为输电线上的最大和最小直流电流。正常运行时，正极和负极电流的绝对值在Imax和Imin之间变化，为达到扩容目的，Imax要大于传输线的热限制电流。而三相输电线总的直流电流幅值为2Imax，又因为Imax大于传输线的热限制电流，从而达到了扩容的目的。调制极流过的电流是正极和负极电流的差值，实现对正极和负极进行周期性地分流，以满足热稳定要求。

图5 TWBS-HVDC 调制特性

文献[17]针对交流电缆线路直流改造工程，提出一种能抑制电缆内空间电荷积聚的SWACHVDC（基于方波交流结构的直流输电系统），并给出了具体的调制策略和拓扑结构。 SWACHVDC包含3 个输电极，分别标识为U，V 和W，对应三相交流线路的3 根输电线，图6 给出了其电压、电流调制特性。

图6 SWAC-HVDC 调制特性

由图6 可知，SWAC-HVDC 运行时，使U，V 和W 三相电流幅值在Imax，Imin和Imax-Imin3 档之间轮换变化， 其增加线路供电能力的原理和TWBS-HVDC 相似。 因为电流方向周期性地变化，其电压极性也需周期性地反转以保证功率传输方向不变。而周期性反转的电压就使得电缆绝缘层内的空间电荷难以积累，从而能够提高电缆线路的直流运行电压，使线路的供电能力得到进一步提高。

TWBS-HVDC 和SWAC-HVDC 输电方式的电流特性与TPS-HVDC 输电技术相同，但在直流电压特性上体现的是与双极HVDC 相似的双极特性。若仅考虑其外在特性，则TWBS-HVDC和SWAC-HVDC 方式可作为双极HVDC 对待。因此，在扩展成多端直流系统时只需要双线扩展，扩展能力等同于双极HVDC[17]。

1.4 直流拓扑结构选择

对于单回交流配电线路的单极直流拓扑结构，尽管其输送功率提升明显，但接地极的建设可能给实际工程带来困难。而且对于交流线路的直流改造，双极式直流、TWBS-HVDC 和SWACHVDC 接线方式的电压对外均表现为双极特性，适用于交流线路的多端直流改造，有利于实现直流配电网。

对于单回交流配电线路的双极式直流拓扑结构，因为有一根电缆作为接地回线而没有得到有效利用，又因为空间电荷效应的影响，其直流运行电压受到一定限制，所以其输送功率提升效果最差。但双极式直流拓扑结构技术成熟，且运行方式灵活，可靠性高。

对于TWBS-HVDC 方式，虽然其直流运行电压也会受到空间电荷积累的影响，但其采用特殊的调制策略来提高直流电流，进而提高直流输送功率。此外，对于SWAC-HVDC 方式，因为其采用特殊的调制策略避免了空间电荷积累问题，所以其直流运行电压可以取较高的值，从而进一步提升了直流输送功率。但这2 种直流运行方式均处在理论研究阶段。

因此，对于单回交流配电线路的直流改造，可考虑采用双极式接线方式；当其供电能力提升较小时，也可考虑采用单极或者三线双极式接线方式。

2 交流XLPE 电缆的空间电荷问题

2.1 XLPE 绝缘材料的空间电荷问题

对于XLPE 绝缘材料，其直流击穿场强大于交流击穿场强[18]。如果仅从绝缘击穿的角度考虑，则交流电缆改为直流运行后的运行电压幅值可大幅提高。 但是将交流电缆改为双极式直流运行后，有2 根导体会一直处在直流高压下运行。电缆主绝缘及附件绝缘长期承受直流电场作用后易积累空间电荷。绝缘中积累的空间电荷可能引起材料内部电场的严重畸变，进而导致材料绝缘击穿[19]。当空间电荷在电缆绝缘中积累后，若线路发生故障接地将导致绝缘层上电场叠加进而导致击穿。此外，绝缘中积累的空间电荷能够通过局部场增强、 电离和促进热电子形成等途径加速XLPE 分子链的断裂，进而增大降解速率，导致加速老化问题[20]。为了抑制绝缘中的空间电荷效应，国内外学者通过添加、共混、接枝、共聚等方法对直流电缆用XLPE 绝缘材料进行改性研究，而交流XLPE 电缆未针对空间电荷问题进行过相应处理。因此，为了交流电缆改为直流运行后能够有较长的使用寿命，需要限制电缆绝缘层中的空间电荷积累。

电缆绝缘中的空间电荷来源有电极注入、杂质电离、绝缘温度梯度和不同绝缘界面，其中电极注入是主要来源。前3 种方式产生的空间电荷存在于电缆本体和附件绝缘中，而不同绝缘界面处积累的空间电荷主要存在于电缆附件中。

2.2 交流XLPE 电缆本体

对于电缆中的聚合物绝缘材料，存在一个空间电荷开始快速积累的阈值场强[21-23]。当绝缘材料在阈值场强以下工作时，空间电荷的积累量很少，可被忽略；当绝缘材料在阈值场强以上工作时，空间电荷的积累量迅速增加。对于XLPE 绝缘材料，S．Delpino 等人指出其在25 ℃下的阈值场强为8 kV/mm，而在70 ℃下的阈值场强为3 kV/mm[24]。T．T．N．Vu 等人通过实验发现XLPE 在20 ℃下的阈值场强为10 kV/mm，而在70 ℃下的阈值场强小于2 kV/mm[25]。根据阈值场强对电缆绝缘进行设计将显著减少由于空间电荷的存在而导致的加速老化问题。

当电缆绝缘在低于空间电荷积累阈值场强的条件下工作时，可以忽略由于电极注入和杂质电离带来的空间电荷积累。而对于电缆本体绝缘来说，当绝缘层上存在温度梯度时，就会有空间电荷积累。文献[26]对XLPE 微型电缆进行了不同温度梯度下的空间电荷测量，结果表明当电缆缆芯温度接近70 ℃和绝缘层平均电场强度为3 MV/m时：在0 ℃温度梯度下，绝缘层中的平均电荷密度约为0．06 C/m3；在20 ℃温度梯度下，绝缘层中的平均电荷密度约为0．08 C/m3，略大于无温度梯度试验所测得的电荷量。因为配电电缆绝缘层较薄，温度梯度较小，所以对电缆本体绝缘来说，由温度梯度带来的空间电荷积累问题可忽略。因此，当电缆本体绝缘在低于空间电荷积累阈值场强的条件下工作时，电缆本体可长期稳定运行。

文献[27]对10 kV 和35 kV 交流XLPE 绝缘材料的电导电流进行测量。根据实验所得电流密度与场强关系曲线，得到了绝缘材料在不同温度下的空间电荷积累阈值。选取典型10 kV 和35 kV交流XLPE 电缆为研究对象，其横截面积分别为240 mm2和120 mm2，电缆敷设方式为土壤直埋，环境温度为25 ℃，导体温度系数为0．003 93 K-1。针对单回交流电缆配电线路的直流改造，通过对交流XLPE 绝缘电缆在单极、双极和三极直流拓扑结构下进行热电耦合仿真，得到了电缆的直流载流量和绝缘中的最大场强。为了忽略空间电荷效应带来的影响，将绝缘中最大场强限制在空间电荷积累阈值以下，得到了电缆在不同导体运行温度下的直流运行电压。根据所得直流载流量和直流运行电压得到了10 kV 和35 kV 交流电缆改为不同直流运行方式后的输送功率提升倍数，分别如图7 和图8 所示。

图7 10 kV 交流电缆改为直流运行后的输送功率提升倍数

由图7 和图8 可知，对于2 种电缆，单极直流拓扑结构下的输送功率最大，3 极直流拓扑次之，双极直流拓扑最小。此外，10 kV 交流电缆改为直流运行后的输送功率提升倍数大于35 kV 交流电缆。 这是因为随着交流电缆电压等级的升高，电缆绝缘层厚度所留的裕度减小。为了避免空间电荷效应的影响，交流电缆改为直流运行后的直流电压所受限制增大，因此其输送功率提升幅度降低。

图8 35 kV 交流电缆改为直流运行后的输送功率提升倍数

2.3 交流XLPE 电缆附件

交流电缆附件受到制作工艺、运行环境等因素的影响而事故频发，是电缆系统的薄弱环节。目前对在直流电压运行下的交流XLPE 电缆附件的相关研究还较少，而交流XLPE 电缆附件的直流电场分布和空间电荷特性对于电缆系统交改直的可靠运行至关重要[28]。对于在直流电压下运行的电缆附件来说，除了考虑电极注入和杂质电离带来的空间电荷积累问题，还需要对不同绝缘界面处积累的空间电荷进行研究。在电缆附件中，双层绝缘界面处的电导率不连续性导致了移动到界面处的电荷量与移出界面处的电荷量不相等。根据Maxwell-Wagner 机制，当界面积累的电荷量大到可以改变界面处电场的不连续性来平衡界面电流时，界面处达到稳定状态[29]。

文献[30]对10 kV 交流XLPE 电缆本体和附件绝缘材料的电导电流进行了测量，得到了绝缘材料在不同温度下的空间电荷积累阈值。通过对在直流运行下10 kV 交流XLPE 电缆中间接头进行热电耦合仿真，得到了不同绝缘温差下电缆中间接头的电场分布。 当绝缘温差为10 ℃时，10 kV 交流XLPE 电缆中间接头的直流电场分布如图9 所示，其中图9（a）为中间接头电场分布，图9（b）为应力锥附近的电场分布，图9（c）为高压屏蔽管附近的电场分布。由图9 可知，电缆接头处的最大场强出现在高压屏蔽管处，而应力锥区域的场强较小。此外，电场仿真结果和实验结果表明，当电缆中间接头的绝缘温差较小时，电缆附件中屏蔽管处的最大场强超过阈值场强，有空间电荷在绝缘中积累的风险。

图9 在10 ℃绝缘温差下10 kV 电缆中间接头的电场分布

3 XLPE 电缆交改直在绝缘方面存在的问题

3.1 空间电荷积累与绝缘老化关系

目前针对交流电缆直流改造后的研究大多基于仿真计算，而仿真过程中大多忽略注入空间电荷的影响。虽然将绝缘中场强限制在空间电荷积累阈值场强以下能够避免空间电荷积累问题，但这样做的同时也损失了一定的直流输送功率。尽管空间电荷的积累会加速绝缘材料的老化，但是当电缆绝缘层的场强稍微大于阈值时，积累的空间电荷可能并不会对电缆寿命产生严重影响。对于在直流电压下运行的交流电缆来说，目前没有一个明确的电荷积累量与绝缘老化速度的定量关系。针对薄片绝缘试样和全尺寸电缆的空间电荷测量技术已经较为成熟[20，24]，因此有必要对全尺寸交流电缆在不同温度下的空间电荷进行实验测量，结合电缆的老化情况，对交流电缆直流改造后的空间电荷特性与电缆老化关系进行深入研究。

3.2 界面空间电荷的影响

对于交流电缆附件，通过降低直流运行电压幅值来使屏蔽管处的最大场强小于阈值场强，进而可忽略注入空间电荷的积累问题。但在直流电压下运行的交流电缆附件中，电缆本体绝缘和附件增强绝缘之间的界面处始终会有一定量的电荷积累。目前针对多层薄片绝缘试样和多层绝缘模型电缆的空间电荷测量技术已经较为成熟[25-26，29]，但对于实际电缆附件的空间电荷测量问题尚无解决方法，实际电缆附件的电场和空间电荷分布主要通过仿真软件进行计算。电缆附件界面处所积累的空间电荷本身对绝缘老化和劣化的加速程度，即其对中间接头长期稳定运行的影响还有待进一步研究。

3.3 XLPE 电缆交改直的老化问题

目前针对交流电缆直流改造后的研究未考虑电缆老化问题。老化问题包括两部分：一是对于不同老化程度的交流XLPE 电缆，将其改造为直流运行时，直流运行参数的选取是否和电缆的老化程度相关；二是当将交流电缆改为直流运行后，交流电缆在直流电压下的老化问题，即交流电缆绝缘在直流电压下的使用寿命问题。对于在不同直流电压和直流电流下运行的交流电缆，其绝缘寿命与在交流电压下运行时的绝缘寿命的关系有待进一步研究。

4 结语

本文对国内外在交流配电XLPE 电缆的直流改造方面的研究进行了梳理和介绍。对于在直流电压下运行的交流XLPE 电缆，绝缘中的空间电荷积累是其面临的主要问题。将电缆绝缘中的电场强度限制在空间电荷积累阈值场强以下时，可以忽略由于电极注入和杂质电离带来的空间电荷积累的影响。对于单回交流配电线路直流改造的拓扑结构，可考虑采用双极式接线方式；当其供电能力提升较小时，也可考虑采用单极或者三线双极式接线方式。将交流XLPE 电缆改为直流运行后，交流XLPE 电缆的空间电荷测量、界面空间电荷对绝缘的影响以及XLPE 电缆交改直的老化问题还有待深入研究。