柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计分析 彭晓宏

柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计分析彭晓宏摘要：本文拟从柔直挤包绝缘电缆的绝缘料及电缆产品结构等方面出发，探讨 柔直电缆结构设计。从直流电缆制造工艺来分类，主要有绕包绝缘电缆和挤包绝 缘电缆2类。绕包绝缘电缆是采用专门的电缆纸带绕包在导体及其屏蔽外面，再 使用绝缘油浸渍纸绝缘，消除纸带之间的空气隙。关键词：柔性直流输电；空间电荷；电缆；纳米填料；电场分布国内尚无厂家供应柔直电缆绝缘料，世界上高载流量的90绝缘料也无商 品供货；电缆结构尺寸的设计理论缺乏，消除绝缘中空间电荷积累的制造工艺技 术还需要研究；电缆连接件的材料和设计理论都急待解决；电缆系统的试验验证 技术，比如试验终端等迫切需要解决。国内尚无厂家供应柔直电缆绝缘料，世界 上高载流量的9 0 C绝缘料也无商品供货；电缆结构尺寸的设计理论缺乏，消除 绝缘中空间电荷积累的制造工艺技术还需要研究；电缆连接件的材料和设计理论 都急待解决；电缆系统的试验验证技术，比如试验终端等迫切需要解决。一、柔直电缆绝缘料（一）空间电荷测量技术在绝缘试样的厚度方向上分布的空间电荷会影响其上的电场分布。在平行板 结构中，无空间电荷时电场分布是均匀的；而在有空间电荷存在的情况下，电场 分布将随厚度的变化而变化。若不计正负号，电场的积分总是等于外加电压。空 间电荷使局部电场增加而高于外加电场，因而导致击穿。注入的同号电荷引起了 电极附近的电场下降，相应的，试样中部的电场就上升。反之，在电极附近的载 流子积累若形成异号电荷，则引起此界面上电场增加。然而，更多的情况是异号 电荷与同号电荷同时存在，这就更需要加以控制PWP法的基本原理是：弹性 波在介质中以声速传播时，破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡， 引起介质中的电荷发生微小位移，电荷的微小位移又导致介质电极上感应电荷量 的变化，因此在外电路上可观测到电流或电压信号的变化，从而获得介质中间电 荷分布的有关信息。（二）空间电荷的陷阱能级介质中的空间电荷行为主要取决于它的空间分布与陷阱能级分布。前者的研 究基本上用测量空间电荷分布的技术，如前面提到的PEA法与PWP法，后者 基本上以热刺激放电法、等温放电法、光刺激放电法等进行研究。一般说来，聚 合物的电击穿是由于介质微观结构的不完整性以及介质中引入的外来杂质所引起 的，它们构成了引起介质老化的电荷积累的中心，即电荷的物理陷阱和化学陷阱。 在目前广泛应用的聚合物材料中，由于材料中存在着链折叠和弯曲、分子链同分 异构体转换构成的缺陷等分子间的空隙属于物理陷阱。聚合物材料中还存在着分 子结构的缺陷，分子结构型的无序，分子链上的各种支链、侧链、端基、断链、 晶区与无定区的界面，还有近年来被广泛关注的聚合物/纳米粒子复合电介质中 的聚合物与纳米粒子的面，以及各种极性基团、添加剂、抗氧化剂、交联剂和杂 质等，这些因素都会在电介质材料中引入局域态，构成电荷的化学陷阱（深度可 大于leV）。因此，认识聚合物介质的陷阱能量分布对于更好地研究和改善聚 合物的绝缘性能具有重要的意义。二、柔直电缆设计（一）电场分布电缆绝缘层中的电场分布，交流电缆与直流电缆有很大的不同。交流电缆中 电场分布是与介电常数E呈反比分布，E与温度无关。直流电缆中电场分布是与 体积电阻率呈正比分布，电阻率与温度和电场有关。交流电缆中几乎没有空间电 荷累积效应，而直流电缆中有明显的空间电荷累积的影响。运行中的直流电缆， 受到雷电冲击电压、操作冲击电压时、电场分布受E影响。这样，直流电缆绝缘 层中电场分布比交流电缆复杂得多。当直流电缆导体电流为零，即空载时，最大电场强度在导体屏蔽外表面上。 当负载电流增加时，导体屏蔽表面场强减小，绝缘层外表面电场强度将增大，它 会超过导体屏蔽上场强。运行中的直流电缆系统本身一直承载直流工作电压，暂 态电压来袭时，会叠加在直流电压上，直流电压叠加冲击电压，其绝缘中电场分 布既不同于交流电缆，又不同于直流电缆，而是两者的综合。（二）国内外柔直电缆ABB公司将电压源换流器（VSC）换流站与聚合物电缆相结合形成柔直 输电的概念，较传统的LCC直流输电，成本大大下降。为了提高输电线路可靠 性，在柔直输电中通常采用电缆系统作为输电线路ABB公司研制的直流电缆 结构为：中间导体一般为铝材，导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤出 均匀包裹在导体外面，形成绝缘结构，采用铜丝绕包在绝缘屏蔽外形成金属屏蔽， 最外面由铝箔和聚乙烯形成外护套保护电缆。这种新型的三层聚合材料挤压的单 极性电缆，较传统的油纸绝缘结构电缆，具有高强度、绿色环保等特点，适合用 于深海等恶劣环境。这种直流电缆重量轻、成本低、传输功率大。例如：一对9 5mm2铝导体电缆，在直流工作电压为100kV时，能够 传输3 0MW的功率，其重量为lkg/m，绝缘厚度为5.5mm，可以非常 方便地埋在地下。关键的材料以及导体屏蔽、直流交联料和绝缘屏蔽料，各厂均 进口同一家电缆料公司的同一牌号产品，而且绝缘料的最高工作温度为7 0。6 比现在的交流交联料工作温度9 0 C低了许多，这就导致电缆的载流能力偏小， 经济性能下降。国产柔直电缆现状是几乎均采用铜导体，这就造成造价高、重量重、铝套容 易电化腐蚀，故外面涂沥青防腐层，外护套外面涂石墨导电层，以便进行外护套 直流耐压，但沥青和石墨在电缆制造和使用中均易污染环境。海底电缆的金属套 多采用铅套，铅是重金属，也会污染环境。三、柔直电缆发展趋势欧洲超级电网是一种未来电力系统，主要基于直流输电，将偏远地区的大规 模可再生电力传输到消费中心，输电线路大量采用直流交联电缆系统。在中国， 柔直电缆系统采用进口绝缘料的研究尚处于起步阶段，其电缆结构将交流电缆的 结构套用过来，几乎都是铜导体铝护套或者铅护套。国内 2 0 0 kV五端柔直 工程和士 16 0kV三端柔直工程的所需要的直流电缆系统正在试验验证之中。士 16 0kV柔直陆地和海底电缆已经定标两家国内电缆公司生产。未来的发展方 向是将2根极线放在一起，一次性敷设完成，甚至还可以将光缆也与2根极线放 在一起同时完成敷设。结语：通过添加纳米填料抑制电缆XLPE绝缘中空间电荷时，必须解决纳米粒子 与XLPE的相容性通过添加纳米填料抑制电缆XLPE绝缘中空间电荷时，必 须解决纳米粒子与XLPE的相容。现有开发的柔直电缆工作温度较低，部分结 构材料不环保，文中提出高载流90CX作温度绝缘料，并研究设计出绿色环保 高压、超高压陆地和海底电缆结构。柔直XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电 阻率呈正比分布，而电阻率与导体负载和绝缘中电场有关，运行中柔直电缆经受 的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键影响因素。参考文献：1 罗军,潘晨美，帅选阳,李辉,王利群，屠德民,陈文卿.超高压交联聚乙烯电缆绝 缘料流变行为研究J.绝缘材料,2015(11).2 史丛丛，单永东.XETFE电线电缆绝缘料的研究进展J.绝缘材料,2015(07).3 陈曦，吴锴.新型XLPE高压直流电缆绝缘料的空间电荷特性研究J.绝缘材 料,2015(05).4 田丰，苏朝化,王小磊.自然交联聚乙烯电缆绝缘料的配方研究J.绝缘材料,2014(04).5 张丽本，陈敏，顾金云,邓之俊.一种光伏及建筑电缆用阻燃耐候型硅烷交联绝 缘料的研究J.化工管理,2014(18).