高压超高压柔性直流输电电缆附件绝缘材料研究

王锦明，刘延卓，苏禹，贾超，方菊，李智文

（1.长园电力技术有限公司；2.北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519000）

高压柔性直流输电系统具有长距离、大容量、低损耗等优点，在目前的长距离大容量输电线路和新能源规模化利用的大电网互联技术中起着重要的作用，对实现碳达峰、碳中和，保障电力安全及能源的可持续发展具有重要的战略意义。高压柔性直流输电系统在大容量输电线路、海上长距离输电、城市电网、新能源接入方面有着显著的优越性，有望成为高压输电的主流技术。随着高压柔性直流电缆制造技术的不断发展，与之相配套的直流电缆附件的研究工作也陆续地在国内外开展。高压超高压直流电缆附件的研制是一项涉及多门学科的复杂过程，一直制约着直流输电系统的发展。

虽然在高压交流电缆及附件的研制方面我们取得了一定的成绩，但是在直流和交流电场下附件的特性差异性很大。因此对高压直流电缆附件绝缘材料关键技术研究是非常有必要的，也是推动高压超高压直流电缆附件发展的关键因素。本文主要从表层分子结构改性调控技术和纳米改性非调控技术2方面进行研究，提出适用于高压直流电缆附件的材料配方，并对±320kV和±500kV高压直流电缆附件样品进行了型式试验。

1 国内外研究现状

近几年，随着我国电力系统的快速发展，高压直流输电因其特有的优越性而被广泛应用。国外主要的电缆及附件制造商ABB、普睿司曼均已成功研制出高压直流电缆附件。

ABB研发的直流电缆接头是在电缆绝缘与附件增强绝缘之间增加了一层具有非线性控制性电应力材料，该材料在不同温度、电场下使得附件增强绝缘、电缆绝缘接触的两侧电导率、介电常数相匹配，有效避免了空间电荷在界面的积聚。但这种新型电应力材料研发难度大、价格高，而其他关于新型高压直流电缆附件的研究鲜有报道。

国内厂商对高压直流电缆及附件的研究起步较晚，目前高压直流电缆附件的设计和生产还有待完善，已成功研发出高压直流电缆附件的厂家只有两三家，上海三元电缆附件有限公司已研发出±160kV、±200kV电压等级的直流电缆附件，长园电力和长缆电工这两家公司均已研发出±500kV及以下电压等级的电缆附件。虽然这些厂家研发的直流电缆附件产品已有部分应用于实际工程中，但投运时间不长，安全可靠性还有待验证。这三家公司在绝缘材料上的选择也有所不同，长缆电工科技股份有限公司是采用三元乙丙橡胶作为高压直流电缆接头和终端的绝缘材料进行研究，而长园电力技术有限公司则是采用改性硅橡胶作为绝缘材料进行研究。一些专家学者也对直流电缆附件用绝缘材料进行了一些研究，如韩宝忠等人分析了硅橡胶电导率的特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响，却未提及空间电荷对电场分布的影响。

2 主要研究的内容

高压直流电力电缆是直流输电系统的关键装备，作为重要的电气、机械连接部件的直流电缆附件是由不同介质组成的复合绝缘体系，界面上容易产生空间电荷，电荷积聚到一定程度则会引起局部电场畸变，使得绝缘老化加速，甚至威胁输电系统的安全。本项目首先是对硅橡胶和和EPDM两种纳米改性复合绝缘材料进行了对比研究，鉴于我公司实际情况及之前交直流电缆附件的开发经验，最后将硅橡胶纳米改性复合绝缘材料作为项目主要研究核心，从实验测试和数值模拟两方面对直流电缆附件增强绝缘和XLPE绝缘组成的双层介质界面的电荷调控方法与抑制机理进行研究，解决直流电缆附件绝缘材料关键技术问题。

选用双组份加成型液体硅橡胶为基料，以纳米材料为改性填料，通过研究不同的纳米材料和不同添加比例的纳米材料和液体硅橡胶复合材料的电导介电性能，并与纯硅橡胶的性能作对比，再采用有限元仿真软件对高压直流电缆附件的电场、温度场分布进行仿真计算，从而对配方的合理性进行初步验证。

3 解决的关键问题

本次材料改性主要解决绝缘材料的电导特性和空间电荷特性。本项目解决的关键问题如下。

（1）纳米/LSR复合材料电导率-温度特性研究与分析。

（2）纳米/LSR复合材料电导率-电场特性研究与分析。

（3）纳米/LSR复合材料电导率-温度、电场特性研究与分析。

（4）纳米复合液体硅橡胶的介电特性研究与分析。

（5）多物理场下空间电荷特性影响机理研究与试验。

4 研究方法与技术路线

本项目主要研究方法是通过对硅橡胶材料进行进行纳米掺杂改性，调整硅橡胶材料的电导率性能和非线性度使之与直流XLPE电缆绝缘电导率参数进行匹配，同时通过纳米和硅橡胶接枝工艺，改善硅橡胶内部空间电荷水平，从而抑制硅橡胶和XLPE绝缘界面的空间电荷生成，消除电缆附件界面击穿问题。具体技术路线为：

（1）表层分子结构改性调控技术。表层分子结构改性调控技术主要是通过改变聚合物表面化学组份和物理结构来实现其电气性能的改善，相关研究表明表层分子结构改性的温度、时间、压力等条件能够在一定程度上抑制绝缘材料的空间电荷，同时利用强电负性材料对绝缘材料进行特殊化处理，并对其表面电荷电离能、电子亲和能等特性进行研究，发现新生成的化合键层在抑制绝缘材料表面电荷积累方面有一定的效果。利用强电负性混合气体对绝缘材料分别进行20、40和60min的处理，发现试样的静态接触角降低，改变材料的表面能、表面电导等特性能促进绝缘材料表面电荷的消散。表层分子结构调控对复合绝缘介电常数、空间电荷与陷阱能级分布的影响进行测试，发现调控时间在20min以上可降低深陷阱密度，并有效抑制材料空间电荷的注入与积聚。通过应用发现表层分子结构改性可以弥补试样本身的一些缺陷，降低了试样的陷阱深度，并提高了电荷消散速度，有效抑制电荷在绝缘材料中的耐电晕性能。

（2）纳米改性非调控技术。场梯度或应力控制通常是指降低电力设备中的电场集中程度。有些材料的电导率或极化会随着外界电场的变化而呈现非线性变化，这类材料被统称为非线性材料。非线性材料应用在大容量、高电压等级的电力设备上有明显的优势，能够提高产品竞争力，也在一定程度上解决了设备成本、尺寸、温度和损耗之间的矛盾。

对纳米材料调控直流电场分布进行大量试验，将硅橡胶与纳米材料混合，通过填充纳米材料得到非线性电导复合材料，当纳米材料填充到一定比例后，复合材料就可表现出非线性电导特性。同时还发现纳米材料的表面处理工艺对纳米材料在硅橡胶中的分散有很大的影响，从而会影响材料的电导率均压程度。而且纳米料的不同对复合材料的非线性系数影响很大。通过添加纳米材料，可对纳米改性硅橡胶材料的高低场电导、电场阈值和非线性系数实现有效调控。与相同充量的微米硅橡胶复合材料相比，纳米硅橡胶复合材料的电导率要高，而且在较低电场作用下就能表现出隧道效应，同时纳米硅橡胶复合材料的非线性电导能均匀几何尖端处的电场分布，抑制电晕放电。综上所述，除了具有优异的电场调控能力外，纳米材料的添加可使材料获得非线性电导特性，有效促进材料表面电荷消散，降低表面电荷水平，进一步改善了空间电荷积聚问题。

5 创新点

（1）调控电导率技术，通过硅橡胶绝缘材料纳米改性来调控电导率，实现电场分布的均化。同时，将电缆绝缘材料和附件增强绝缘材料改性，使得在不同温度、电场下两种材料的电导率比值与介电常数比值接近，从而达到减小界面空间电荷的目的。

（2）利用纳米改性非调控技术，将硅橡胶与纳米材料混合，通过填充纳米材料得到非线性电导复合材料，通过添加纳米材料，可对纳米改性硅橡胶材料的高低场电导、电场阈值和非线性系数实现有效调控。

（3）通过对硅橡胶绝缘材料进行改性研究及对直流电缆附件进行热场、电场仿真计算与分析，研制出直流液体硅橡胶材料，实现国内首例±500kV电缆附件系统型式试验。

（4）通过本项目关键技术改性后的材料适应性广，可以与超纯电缆料和纳米改性电缆料良好配合，并且可以与交流加工设备通用，加工方便降低研发成本，具有广泛的应用前景。

6 结语

本项目通过对高压柔性直流电缆附件绝缘材料关键技术进行研究，突破了直流电缆附件发展的瓶颈。项目研究成果将可以很好地应用于高压直流电缆附件产品中，同时能为直流电缆附件空间电荷积聚问题提供一定的技术支撑，能够推动高压直流输电系统的更快发展。同时可以替代国外同类产品，打破了国内市场直流电缆附件基本由发达国家垄断的局面，增强民族工业竞争力，大幅减少了电力系统建设投资成本。直流电缆附件其优越的安全性能可大大降低用电的安全隐患，减少维修所耗的人力、物力，同时在一定程度上减少事故发生。