摘要：直流电缆主绝缘及附件绝缘长期承受直流电场作用而产生空间电荷积聚。空间电荷的积聚会引起局部电场畸变，加速绝缘老化与破坏过程。空间及界面电荷积聚问题是高压直流XLPE电缆绝缘与相应附件绝缘面临的关键问题。高压直流电缆输电是解决电力能源大规模远距离传输、消纳可再生能源、解决海上平台与孤岛送电的重要途径，是智能电网以及未来全球能源互联网中重要的组成部分。
关键词：高压直流；交联聚乙烯电缆；电缆附件；空间及界面电荷
1.高压直流XLPE电缆简介
世界上首条商业化运行的XLPE挤出式直流电缆应用在1999年瑞典哥特兰岛2期工程，电缆电压等级为80kV，输送功率为50MW。比较充油式电缆、粘性浸渍纸式电缆和挤出绝缘式电缆三种高压直流电缆的优缺点。相比于前两种电缆，XLPE直流电缆起步较晚，但是其具有耐高温、传输功率密度大、强度高、质量轻、环保、安装简便等优点，因此在其面世后得到了迅速的普及。随着XLPE绝缘的发展，XLPE直流电缆的电压等级逐渐提高，输送功率显著增大。XLPE电缆已经成为直流电缆的主流方向，XLPE直流电缆的使用量已经超过OF和MI直流电缆，并保持持续的增长势头。
2.XLPE高压直流电缆运行中存在的问题
2.1空间电荷的产生及影响
交联聚乙烯（XLPE）结构简单、介电性能好、物理化学结构稳定，作为电缆中的绝缘材料得到广泛的应用。但在直流电场作用下，XLPE材料内部会形成空间电荷。一般来讲，聚合物中空间电荷主要由两部分组成：一部分是在低场强下，因为杂质在电场作用下电离发生迁移造成，称为异极性电荷，即靠近阴极处为正电荷，靠近阳极处为负电荷；另一部分是在高场强下，由电极注入的可迁移和入陷的载流子，称为同极性空间电荷，即靠近阳极处为正电荷，靠近阴极处为负电荷。这些空间电荷的存在对聚合物局部电场分布造成畸变，从而使聚合物的导电性能和击穿性能发生改变，尤其是在目前应用广泛的XLPE电缆上。根据现场运行经验，对XLPE电缆安装后进行直流耐压测试后，发生XLPE电缆击穿，而直流下空间电荷的产生被认为是其击穿的主要原因。IEEE成立了两个专门委员会研究空间电荷的存贮、绝缘材料的老化和击穿间的宏观特性、相应的微观或纳米机理，目的是解释聚合物电老化和空间电荷作用间的关系。对于XLPE电缆的老化机理研究大致分为水树枝老化、电树枝老化和热电老化机理研究，无论哪种老化方式都可能导致空间电荷的积聚，加速电缆的老化。一方面XLPE电缆中含有水树枝时，其绝缘层中会出现空间电荷，这类空间电荷在电场撤去后会逐渐消失；另一方面在电场作用下由树枝尖端注入到XLPE电缆绝缘缺陷中的空间电荷，即使在去掉外电场时空间电荷也不会消失，此类空间电荷所产生的静电力与电缆工频运行电压叠加作用即可能在水树枝的尖端引发电树枝，对电缆的安全运行有较大威胁。
2.2 XLPE高压直流电缆运行中温度梯度效应
由于直流电缆绝缘材料的电阻随温度变化，以及绝缘中空间电荷等问题的存在，有学者研究不同温度条件下电缆绝缘内的空间电荷分布，搭建了温度可控的空间电荷测量系统，以及初步解决在不同的温度条件下，由于声速不同对测量结果的影响。虽然这些研究对直流电缆的研发有一定的作用，但这些都是在均一温度条件下的测量结果。面对实际工程中的问题，已有学者初步的研究。例如，Mon-tanari教授认为对于Mini级电缆，温度梯度效应对空间电荷聚集的影响仅存在于绝缘材料阈值之下；但对于MV级电缆，温度梯度效应则可造成绝缘中的电场发生反转，即最大场强出现在电缆绝缘的外侧，实验中电缆外施场强为30kV/mm，温度差为20℃，结果表明电荷的迁移量和注入量都有所升高，且在电缆绝缘层表面处有大量空间电荷积聚；Chen．G教授和Dissado教授同样指出温度梯度效应对电缆试样绝缘内空间电荷的影响。然而，电缆满负荷运行时的导体温度可达到90℃，绝缘内外温度差可能超过70℃。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆随着输电电压等级的提高，高场强高温度梯度下的聚合物绝缘中空间电荷积聚及电场分布有待研究。
2.3界面电荷研究现状
在电缆附件内部存在由电缆主绝缘XLPE与电缆附件绝缘SiR或EPDM所构成的界面结构，根据极性反转情况下空间电荷积聚与电场分布极化理论，不同绝缘介质界面存在不连续性而在电场下形成电荷积聚，从而导致附件内部形成局部高电场强度。
3.直流输电的应用
随着各国对节能减排和能源综合利用的需要，以风力发电、光伏发电和燃料电池发电等新能源为代表的分布式能源系统因变负荷灵活、较低的初投资、供电可靠、较小的输电损失和适合可再生能源应用等特点而越来越受到重视。光伏发电和燃料电池发电是以直流形式产生电能，经过直-直斩波和直-交逆变才能并入传统的交流配电网。如果接入直流配电网，便可以省略直-交逆变环节，从而节省大量的换流器件并降低能耗。另外，随着电力电子技术的进步，一方面含直流环节的电器增多，即需要对电能进行交-直-交转换的电器，最普遍的就是变频电器；另一方面很多电气设备其本质上都是使用直流的，需要将交流电变成直流电再送给电器使用，例如液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、个人电脑等。如果改用直流配电网，便可省略交流变直流的整流过程，必然比将交流电变成直流电再使用更加节省能源。我国正在建设的特高压交直流电网可以有效地解决高效能源输送的难题，同时直流输电还广泛应用于新能源的规模化利用。大力发展的直流输电系统需要大量的高压或超高压直流电缆。为此，电缆作为输电的载体是发电站和整个城市输配电系统中不可或缺的重要的组成部分，为了适应直流高压输电在特高压及新能源电力传输中的广泛应用，电缆的绝缘水平需要向高的绝缘水平、高的可靠性和小的体积方向发展。
4.高压直流电缆绝缘材料展望
交联聚乙烯因特殊网状分子结构而具有重量轻、耐热性好、负载能力强、机械强度高、绝缘性能优异等特点，是典型的热固型绝缘材料。但随着XLPE电缆的应用需求和敷设里程的不断增加，XLPE电缆所存在的缺陷也逐渐凸显：其一是交联工艺能耗大，生产效率低，相对于免交联绝缘材料来说其设备投入和能源损失较大；其二是XLPE绝缘废料很难回收再利用，这就导致了资源的大量浪费。另外，交联过程往往会在电缆绝缘内部引入交联副产物等杂质；对于XLPE直流电缆来说，这些引入的杂质会在电场下发生电离，从而在绝缘内部形成空间电荷的积聚现象。新型的热塑性免交联电缆绝缘材料可以实现绝缘材料的回收再利用，减少资源的浪费，同时在一定程度上改善因交联过程中引入杂质而带来的空间电荷问题，其研究对于直流电缆的发展具有重要意义。
5.结束语
随着直流输电在特高压及新能源电力传输中的广泛应用，直流输电设备需求日益扩大。按照国家规划，在未来20、30年内，我国将大规模建设高压直流输电线和建立柔性直流输电示范工程，这将成为世界上最大的高压直流输电技术市场，随着我国对国产高压直流电缆自主研发的重视，我们更需要关注高压直流电缆产业的各个环节。
参考文献：
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论文作者:吴雪松
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/7
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