高压直流电缆绝缘材料的发展与展望

绝缘材料2016，49(2)0引言高压直流输电由于在远距离大容量送电及电网互联等方面具有独特的优势，是未来电网发展的主要趋势，适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电并网等，特别是城市直流配电系统的发展，高压直流输电必不可少。1953年，连接瑞典大陆与哥特兰岛之间的100kV20MW海底电缆的商业化运行，成为世界上首个高压直流电缆输电工程。此后，随着电子、电气技术的发展，高压直流输电技术在世界各地得到越来越多的应用[1-3]。目前，高压直流输电主要采用油纸绝缘高压直流电力电缆和直流塑料电缆。但是，油纸绝缘电缆的制造工艺复杂，运行维护成本高。在电缆温升较高的情况下，由于油的黏度降低会向低势位迁移，导致少油部分的绝缘强度降低以及多油部位的压力增大，以致电缆局部受压膨胀变形甚至损坏。挤压型聚合物直流电缆，也称为直流塑料电缆，其内部绝缘介质主要为聚乙烯，结构简单而坚固，适合大规模应用于海底或陆上的直流输电电缆线路。相对于油纸绝缘直流电缆，交联聚乙烯直流电缆柔软性好，制造安装容易；介质损耗和导体损耗低，载流量大；可以使电缆在较高的电场下运行，减薄绝缘厚度，电缆外径缩小，质量减轻；同时又具有环保方面的优势，具有更广阔的应用情景。因此，研究和开发塑料绝缘直流电缆对直流输电至关重要[4-7]。然而，高压直流电缆中存在空间电荷，空间电荷会导致聚乙烯电缆绝缘内局部电场畸变和电气性能下降，尤其是在实际运行中，温度梯度效应会加剧电缆外绝缘层电场的畸变，降低电缆的使用寿命[8]。为此，研究如何抑制聚乙烯绝缘中空间电荷—————————————收稿日期：2015-05-29修回日期：2015-10-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51207009、51377010、51425201)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB239503)作者简介：张翀（1982-），男（汉族），山西运城人，博士生，研究方向为绝缘材料；通讯作者：查俊伟（1982-），男（汉族），安徽望江人，副教授，博士，研究方向为绝缘材料、介电高分子材料；党智敏（1969-），男（汉族），陕西人，教授，博士，研究方向为介电高分子材料、高储能密度材料设计与制备。高压直流电缆绝缘材料的发展与展望张翀1,2，查俊伟1，王思蛟1，巫运辉1，闫轰达1，李维康2，陈新2，党智敏1（1.北京科技大学高分子科学与工程系，北京100083；2.国网智能电网研究院，北京102211）摘要：针对高压直流电缆的发展历史，介绍了高压直流电缆的基本原理、应用现状以及技术瓶颈，指出我国研发高压直流电缆的必要性和紧迫性，并对未来高压直流电缆的发展方向进行了展望。关键词：高压直流电缆；聚乙烯；纳米复合材料；空间电荷；介电性能中图分类号：TM215；TM85文献标志码：A文章编号：1009-9239（2016）02-0001-09DOI：10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2016.02.001DevelopmentandOutlookofInsulatingMaterialsforHighVoltageDirectCurrentCablesZhangChong1,2,ZhaJunwei1,WangSijiao1,WuYunhui1,YanHongda1,LiWeikang2,ChenXin2,DangZhimin1(1.DepartmentofPolymerScienceandEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.StateGridSmartGridResearchInstitute,Beijing102211,China)Abstract:Thebasicprinciple,applicationstatus,andtechnicalbottlenecksofhighvoltagedirectcurrent(HVDC)cableswereintroducedaccordingtothehistoryofHVDCcables,andthenecessityandurgencyfordevelopingHVDCcableswerepiontedoutinChina.ThefuturedevelopmentdirectionofHVDCcableswasprospected.Keywords:HVDCcables;polyethylene;nanocomposites;spacecharge;dielectricalproperty张翀等：高压直流电缆绝缘材料的发展与展望1绝缘材料2016，49(2)的产生对于直流电缆的研制具有实际应用意义。随着绝缘材料和纳米技术的发展，在绝缘介质中通过特定工艺添加功能纳米材料，可以在一定程度上抑制高压直流电缆中的空间电荷。其中，如何控制纳米粒子在聚乙烯中的空间分布成为关键。当聚合物材料中添加纳米粒子后，纳米粒子与聚合物、纳米粒子之间会形成界面效应，这些界面会间接影响载流子的迁移以及复合电介质内部载流子的浓度。研究表明[9-11]，纳米粒子（MgO、TiO2、SiOx、Al2O3等）的引入可以使直流电场与温度梯度场下聚乙烯纳米复合材料内的空间电荷积聚和局部电场畸变得到削弱，直流击穿场强提高，同时使聚乙烯纳米复合材料的体积电阻率随着温度的升高呈现先升后降的趋势[12-14]。采用高压直流塑料电缆的柔性直流输电是国际大电网倡导的主流方向，高压和超高压塑料绝缘直流电缆的开发和应用近年来增长迅速。但是目前只有日本和少数西欧国家能生产高压和超高压塑料绝缘直流电缆，形成了技术壁垒。我国高压直流电缆的研制仍处于起步阶段，制约了当前柔性直流输电技术的发展和应用。因此，发展高压直流电缆迫在眉睫。1高压直流电缆概况1.1直流电缆与交流电缆的区别图1为交、直流电缆中的电场分布。(a)交流电缆(b)直流电缆(c)直流电缆空间电荷图1交、直流电缆中电场分布[15]Fig.1ElectricfielddistributioninACandDCcables如图1所示，交流电缆中的电场分布取决于介电常数，其内部任何一点的电位与电容有关（图1（a）），如式（1）所示。V1=VC2C1+C2(1)而在直流电缆中，电场按电阻率大小分布，其内部任何一点的电位均与电阻有关（图1（b）），如式（2）所示。V1=VR1R1+R2(2)电场分布受电阻率的影响。由于交流电场变化快，材料中正负电荷的迁移无法跟上电场的变化，因此绝缘中不会产生空间电荷。但是在直流电场中极易形成大量空间电荷，对电介质内的电场分布造成畸变（图1(c)），特别是高电压下的强电场作用会加速聚合物电介质的老化演变[16-18]。因此，研制直流塑料电缆的关键是消除绝缘材料中的空间电荷。1.2高压直流电缆的发展概况高压直流电缆主要分为纸绝缘电缆和塑料绝缘挤出电缆两种。其中纸绝缘电缆又分为很多种，最普遍使用的是50年代发展的整体浸渍纸绝缘（Mass-impregnated，MI）电缆。MI电缆具有容量大、传输可靠性高的特点，但接合时间太长限制了其发展。塑料绝缘挤出电缆（Extrudedcable）目前还处于发展阶段，其最高使用电压为250kV，主要用于与电源转换器的连接。在不改变电缆输送极性时，允许功率反向输送。交联聚乙烯（XLPE）直流电缆的开发与应用仅约10年，目前只有ABB、西门子两家公司进行了商业化生产，形成技术及价格垄断。ABB已经能生产320kV电压等级的轻型交联聚乙烯直流电缆，但还没有商业运行的实例。日本J-power承建的本州到北海道的±250kV交联聚乙烯直流电缆，2011年投产后成为世界上运行电压等级最高的交联聚乙烯直流电缆，日本研制的±500kV交联聚乙烯直流电缆已经通过CIGRE推荐的型式试验，但还没有投入商业运行。近几年，高压直流电缆在我国发展迅速。2009年，我国首条超高压、长距离、大容量的电缆线路海南500kV跨海联网工程海底电缆敷设成功，成为位居亚洲第一、世界第二的500kV跨海电缆工程。2010年，上海世博会采用500kV电力电缆作为输电线路，成为国内首条长距离用于城市电网的高压直流电缆，开启了超高压电缆在城市电网应用的新阶段。2013年竣工的舟山±200kV五端柔性直流工程、南澳±160kV三端柔性直流电缆工程及正在建设的大连和厦门±320kV两端柔性直流工程均采用XLPE电缆，其中舟山±200kV线路使用的是国产XLPE电缆，在世界范围内处于领先水平。2014年，我国第二条500kV长距离、大容量交联电缆输电线张翀等：高压直流电缆绝缘材料的发展与展望2绝缘材料2016，49(2)路——海淀500kV电缆工程在北京市海淀区建设完毕，标志着我国成为日本之后世界第二个在城市电缆中应用500kV超高压电力电缆的国家。未来10年，500kV超高压电缆会随着我国城市的高速发展、输电技术的快速提高而实现突飞猛进的发展。但是，国内高压、超高压电缆及附件的技术研发、施工能力和运行水平均落后于国外同行，仍需要不断的努力提高[19-21]。2高压直流电缆绝缘材料及相关科学问题的研究现状2.1高压直流电缆中的关键问题—空间电荷直流塑料电缆在运行过程中，由于受到电场的作用，其绝缘层部分的绝缘材料中特别容易聚积空间电荷。空间电荷会造成局部电场畸变，直接影响绝缘材料的介电强度，使材料发生老化和劣化，最终导致击穿，从而严重影响塑料电缆的使用寿命。因此，减少和消除绝缘材料中的空间电荷是研究高压直流塑料电缆的关键，也是电介质理论研究的重要前沿方向，对促进聚合物绝缘材料老化和击穿理论的发展具有重大意义[22-24]。然而，由于结构的复杂性，关于绝缘材料的空间电荷积聚和迁移、击穿和老化的宏观特性、相应的微观或纳米机理尚没有统一的认识。空间电荷主要由电极注入的可迁移电荷、入陷的载流子、有机或无机杂质的电离等引起，在材料内部发生迁移，然后在某一处叠加形成电荷包[25-26]。空间电荷的形成过程如图2所示。图2介质中电荷的入陷和脱陷模型Fig.2Thetrappinganddetrappingmodelofchargesinthedielectrics空间电荷的形成、积聚使得材料内部的电场发生重新分布，从另外一个角度反映了陷阱密度的变化，整个过程涉及两个重要的方面：“入陷”和“脱陷”。入陷、脱陷的速率影响着电荷注入、载流子的迁移率等，直接影响聚合物材料的电场分布，最终影响到电缆的击穿特性等。因此，通过对材料空间电荷的检测，不仅从微观上可以了解材料内部空间电荷的建立和衰减过程，同时从宏观上可以表现出材料的电击穿和老化特性，对研究材料的综合绝缘特性具有重要的意义[27-28]。关于聚合物绝缘材料的空间电荷、老化、击穿等现象以及它们之间的关联，科研人员提出了多种解释模型[29-33]，但是没有形成统一的认识，尤其是关于空间电荷、老化、击穿与材料结构的关系，仅限于实验现象的简单分析，没有量化的理论进行指导，这对深入分析材料绝缘破坏及抑制方法的实施造成巨大的阻力[34-37]。因此，需要进一步加大对空间电荷检测技术的研发，包括测量过程的实时性、测试条件的多样性等，详细了解空间电荷的形成、输运特性与材料结构、电极等的关系，深入分析三者之间的关系，为新型高压直流电缆用绝缘材料的开发提供指导。2.2直流电缆用绝缘材料及其纳米改性关键技术早期，在研究聚烯烃复合材料时并未考虑将纳米粉末材料用于聚烯烃材料改性，一方面是考虑到纳米粉末在基体材料中的分散性问题，因为很难保证纳米粉末在聚烯烃基体中仍然保持纳米分散状态；另一方面是对聚烯烃纳米复合材料的功能特性还缺乏进一步的研究。随着纳米材料科学的研究进入快速发展阶段，聚合物基纳米复合材料的特性研究和应用越来越受到国内外学者的高度重视。纳米颗粒在聚合物基体中的分散性技术已经有了较多的研究成果，纳米粒子的添加方法也多种多样，如溶胶-凝胶法、共混法（溶液共混法、悬浮液或乳液共混法、熔融共混法与机械共混法等）