杨旺华
（广州市电力工程有限公司 510000）
摘要：为了保障高压直流电缆在大负荷、远路程、复杂或者未知的环境下电能输送等方面的应用效果，应该针对性的深入钻研直流电缆绝缘材料的关键问题。了解高压直流电的发展历程中，介绍了绕包和挤包绝缘技术的益处及各自在生活上的应用，并对当今普遍运用的挤包电缆绝缘技术的调查和研究，剖析了最近几年直流电缆聚合物绝缘的研究热点，包含了老化性、空间节能和介电性等研究，提出在空间电荷分布上的不同，包括模型电缆与平板试样，并重点分析了当前聚合物材料电导率和树枝老化。最后，就国外的研究重点而言，找到了高压直流电缆绝缘材料的研究方向。
关键词：空间电荷；介电性能；老化性能；新型材料；高压直流电缆
引言
在远距离高负荷等方面，高压直流输电具备很大的有优势，成为了以后电网研究的主要方向，尤其在城市直流电的发展中，高压直流电成为不可或缺的部分。和交流输电相比，直流输电优势包括输送容量大，传送路程远等，并且前者能快速的调节功率、降低风险，稳定可靠的运行等优点[1]。
直流输电中的重要部分为高压直流电缆，使用普遍。经分析研究发现，加入在输电路程大于四千米的工程中，高压直流电缆的优势体现在成本上，而且优势和路程成正比。高压直流电缆是重要的组成部分之一，关键在于高压直流电缆的安全和稳定运行。
油纸是最开始高压直流电缆的材料。不过，其加工过程复杂并且维修成本高。如果电缆的温度不断升高，就会造成油量不同而绝缘性能改变，最终造成电缆的损坏。然而直流塑料电缆，利用聚乙烯作为绝缘介质，其结构单一但是很牢固，广泛应用于海底的直流电缆工程上。和油纸相比较，后者更易安装，并且质地较软，损伤小，高电厂下稳定运行，并且对环境起到保护作用，其发展更有优势。所以，增加在这方面的分析和研究对直流输电有着很重要的帮助[2]。
在国内，很多研究人员和技术人员正在发明绝缘材料的加工和制造。与国外材料比较，国内的材料还是有很多缺陷，最大问题就是材料流动性不稳定。高压直流电缆运用在国内，还需要对聚合物进行研究。
此文基于国内外绝缘材料的分析，将直流电缆材料作为重点研究对象，讨论了相关的热点问题；另外，本文不仅总结和分析了有关聚合物绝缘材料的研发技术，并且对未来高压直流电绝缘材料的发展前景做出了详细阐述。
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1 高压直流电缆绝缘材料性能研究的热点问题
1.1空间电荷
经过多项分析，空间电荷的形成是因为电解质中的电子发生了迁移，并且被陷阱捕获。点和一般会积累在靠近电极的位置，所以空间电荷移动到其他位置是因为电解质不均匀导致。此外，在外电场作用下，聚合物材料中的酚、苯甲酸等物质也会产生净偶极矩。形成空间电荷会重新分布材料内部的电厂，会改变陷阱的密度，这个过程会体现在两方面：“入陷”和“脱陷”。所以，检测材料空间电荷，在了解如何建立材料内部的空间电荷的同时，也能宏观的了解材料的老化性，其意义体现在材料绝缘特性上。
1.2介电性能
在直流电场下，电导率表示了聚合物绝缘材料的介电性能，是高压直流电制造的重要依据。经过大量实验证明，电导率的不同，空间电荷的分布也会不同。所以，分析电导率不仅可以观测到电厂分布，还能发现电荷迁移的特点。
通过实验分析发现，温度和电场都影响着聚合物绝缘材料的电导率。尤其，体现在高压直流电的应用中，随着电导体的温度逐渐升高，聚合物绝缘材料的电导率也会存在很大的差异，这种差异直接影响了电场的运行，甚至会破坏电场。
不断地研究直流电缆绝缘材料，人们发现材料性能的关键在于电导率。通过不同的电场分析，为了保证电场分布更加精准，可以利用电导率函数进行计算，建立绝缘材料的介电性能成为了未来研究的重要方向。
1.3 老化性能
在运行高压直流电缆时，会受到热或者化学的影响，会出现不可挽回的损失，缩短了使用年限。现阶段从两个层面讨论高压直流电缆材料的老化：①研究老化机理；②评估和检测老化。
大量实验证明，绝缘材料中的水树枝在高压直流电运行的情况下增长速度非常缓慢，但是在交流电中交流分量能够很大程度上的影响其生长。目前的研究成果来看，提升密闭性和防水性的技术已经很好的运用在了直流电缆材料的生产中，此技术不仅保护了绝缘材料，并且有效的防止了水树枝对绝缘材料的损坏。
在研究老化的基础上，组建有关绝缘材料的模型，通过不断地计算和实验，能够精准的找到材料的失效时间，对保护材料有着很大的帮助。
总而言之，因为高压直流电缆寿命短，不能很好地应对老化的问题，所以研究其老化性能也只能通过大量的实验来进行，很难得出可行的方法和理论。
2 高压直流电缆绝缘材料的发展前景
2.1 绝缘材料性能改变研究
现阶段，纳米材料能够控制空间电荷的能力。就导电性能而言可以分为半导电和绝缘纳米颗粒两种。如氧化镁，二氧化硅等。基于纳米颗粒的结构而言，纳米颗粒很大程度的影响了空间电荷。虽然还不能准确的发现纳米颗粒是如何控制空间电荷的，但是已经有很多研究人员为了解释这类现象提出了多种模型。有人认为，带电粒子会因为电厂的影响在介质中向纳米材料移动，就得到了介质和带电粒子双层扩散的模型。
2.2 探索新型绝缘材料
在全球倡导环境友好和开源节流的情形下，对于高压直流电缆聚合物绝缘的要求就变得更高了。第一，不仅要确保热电性能高，在复杂的环境下也能稳定运行；第二，材料是否环保，是否节能已成为当今的热门话题。
就当下的研究发现，具有良好的热电性能无非就是聚丙烯，其实做工艺简单，在绝缘材料的研究上有很大的应用范围。此外，直流电缆绝缘材料的热性能对空间电荷、导电率和老化有着重要的影响。就当前现状而言导热系数低，使聚合物绝缘材料成了控制散热的难点所在。
2.3 新型绝缘材料的前景
现如今，想要控制不同电场下注入空间电荷，无机纳米颗粒选为首要材料。但是研究人员对于其科学道理却产生了分歧，分为两个方面：一是陷阱能级理论，分为深陷阱和浅陷阱，主要的理论来自于核壳模型；第二个理论是材料和电极相接触，分为阻挡接触和欧姆接触，功函数和能带理论作为主要的理论支撑依据。
就目前的报道而言，关于改变绝缘材料的性能去控制空间电荷的却很少。就化学改性层面来说，最主要的就是改变材料分子结构，从而提升材料阻止电荷迁移的性能。但是由于技术有限，并且投入成本过高，所以在生产上，总是不能超过老的品牌。所以在绝缘材料上的改性取得重大突破尤其重要。
3 结论
了解直流电缆的发展历史和前景，就必须了解直流电缆绝缘材料带的空间电荷的特性。研究出科学的评估方法，对精准评估出电导率在不同温度下工作下的特性有很大帮助。在绝缘材料老化和运行寿命之间取得重大突破，组建更完善的评价系统和分析数据能力，是未来着重发展方向。添加纳米材料却是能改善绝缘性，并且有很大的研究价值，但是现如今全国用这种方法的并不是很多，在这方面的应用需要进一步的研究和分析，才能将绝缘材料的前景发展壮大。在未来保护环境的同时绝缘材料又能高效的运行是主要发展方向，需要投入更多精力和时间来研究，对更快的研究和制造这类绝缘材料做出巨大贡献。
参考文献：
[1]胡 毅，刘 庭. 输电线路建设和运行中的制约与技术创新[J]. 高电压技术，2008，34（11）：2262-2269.
[2]马人凤，朱永华，吴建东，等. 超高压直流电缆的国产化研究进展[J]. 绝缘材料，2016，49（11）：1-8.
[3]宋红艳. 纳米 MgO 聚烯烃复合绝缘材料的制备及其电气性能的研究[D]. 上海：上海交通大学，2014.
论文作者:杨旺华
论文发表刊物:《河南电力》2018年20期
论文发表时间:2019/4/30
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