擠包絕緣高壓直流電纜的發(fā)展

　　鐘力生，任海洋，曹 亮，趙 薇，高景暉（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

　　摘 要：
　　擠包絕緣高壓直流電纜是實現(xiàn)大電網(wǎng)柔性互聯(lián)、遠距離大容量輸電和新能源電力規(guī)模化利用的關(guān)鍵電力設(shè)備之一。按照擠包絕緣高壓直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)脈絡(luò)，從擠包絕緣高壓直流電纜絕緣材料的開發(fā)、電纜附件相關(guān)技術(shù)、電纜系統(tǒng)的試驗方法與檢測技術(shù)、國內(nèi)外工程應(yīng)用等方面，要綜述了擠包絕緣高壓直流電纜的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。特別針對高壓直流電纜用絕緣材料的直流電導(dǎo)和空間電荷特性研究、直流電纜系統(tǒng)的型式試驗和預(yù)鑒定試驗方法、全尺寸電纜空間電荷測量和直流局部放電檢測技術(shù)等熱點問題進行了分析，提出了目前擠包絕緣高壓直流電纜技術(shù)中亟待解決的問題，包括研究現(xiàn)有電纜絕緣的電導(dǎo)和空間電荷特性與長期老化行為及其機理，開發(fā)更高電壓等級直流電纜用絕緣材料，研發(fā)附件材料并優(yōu)化附件結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升全尺寸電纜空間電荷測量技術(shù)及直流局部放電檢測技術(shù)，完善電纜系統(tǒng)設(shè)計選型、試驗驗證與運行維護的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等。該研究可為我國擠包絕緣高壓直流電纜設(shè)計、關(guān)鍵材料、裝備制造和試驗技術(shù)等相關(guān)方面的研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞：擠包絕緣高壓直流電纜；直流電導(dǎo)率；空間電荷；電纜附件；驗證試驗

1.引言
　　人類正面臨諸多全球性機遇與挑戰(zhàn)：人口持續(xù)增長， 城市化進程加速， 能源供給平衡與可持續(xù)性，環(huán)境與氣候變化等。為了保持和促進經(jīng)濟增長而不過度消耗地球能源資源，有效應(yīng)對各種自然和社會 挑戰(zhàn)，未來電力系統(tǒng)將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，太陽能、風(fēng)能等可再生能源有望以集中式和分布式兩種途徑成為主要電力來源，給電網(wǎng)整合帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)；同時，全球電網(wǎng)成為未來電網(wǎng)要素之一，高壓直流技術(shù)將普遍用于區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)[1]。
　　隨著電能傳輸容量逐漸增大，傳輸距離逐漸增加，在超長距離和海底輸電中傳統(tǒng)高壓交流方式面臨損耗大和成本高等難題。高壓直流輸電具有輸電線路損耗小、可控性好、環(huán)境影響小、投資成本低等優(yōu)勢，更適用于長距離輸電、可再生能源并網(wǎng)、 非同步系統(tǒng)互聯(lián)和提升互聯(lián)系統(tǒng)運行性能[2]。
　　高壓直流輸電主要有基于晶閘管的線路整流換流器（LCC）技術(shù)和基于絕緣柵雙較型晶體管（IGBT）的電壓源換流器（VSC）技術(shù)[3-5]，后者亦稱為柔性直流輸電技術(shù)。近年來，高壓柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，電壓水平和傳輸容量快速提高，已成為遠距離大容量輸電和新能源電力規(guī)模化利用的大電網(wǎng)柔性互聯(lián)的重點發(fā)展方向，尤其是由于柔性直流輸電中潮流反向無需電壓較性反轉(zhuǎn)，促進了擠包絕緣直流電纜應(yīng)用的快速發(fā)展。
　　高壓直流電纜作為柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵裝備，具有比高壓交流電纜更加低碳環(huán)保和安全專業(yè)的優(yōu)點[5-6]。高壓直流電纜輸電線路走廊窄、傳輸容量高、線路損耗低、效率高(無容性、同步影響)、性能穩(wěn)定、維護方便、成本低、受自然環(huán)境影響小；具有實現(xiàn)長距離、 大容量、 低損耗電力傳輸?shù)膬?yōu)勢，可解決新能源規(guī)模化利用與區(qū)域聯(lián)網(wǎng)電力輸送中的電能傳輸難題，提升城市化進程中輸電網(wǎng)絡(luò)增容的電纜化改造安全性和環(huán)保性，增強電網(wǎng)抵抗自然災(zāi)害危害的能力和安全運行專業(yè)性。
　　高壓直流電纜可按不同絕緣類型分為繞包型油紙絕緣電纜和擠包型塑料絕緣電纜兩大類[7]。繞包型油紙絕緣電纜包括全浸漬不滴流電纜（MIND）和聚丙烯層壓紙絕緣電纜（PPLP）等；擠包型塑料絕緣電纜包括交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜和熱塑性彈性體（HPTE）絕緣電纜等。
　　自 20 世紀(jì) 50 年代高壓直流電纜出現(xiàn)以來，繞包油紙絕緣電纜一直被廣泛使用，已證明其在大功率輸電中性能穩(wěn)定；然而這種電纜導(dǎo)體工作溫度較低，接頭安裝較為不便，且運行維護困難，限制了其在長距離陸地電纜中的應(yīng)用[8]。目前已經(jīng)投運的較高電壓等級線路為英國 Western Link 工程中的±600 kV/2.4 GW 直流海纜，全長 424 km。挪威與英國正在建設(shè)的±500 kV/1.4 GW North Sea Link 工程，電纜全長約 720 km。此外， Prysmian 公司開發(fā)的絕緣直流電纜也正在進行試驗驗證。
　　擠包絕緣電纜相比傳統(tǒng)油紙絕緣電纜具有制造工藝簡單、傳輸容量大、維護方便、成本低等優(yōu)點， 20 世紀(jì) 70 年代以后，其首先在高壓交流電纜上得到廣泛應(yīng)用。同時擠包絕緣高壓直流電纜技術(shù)也得到國際學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，研究重點集中在如何解決擠包絕緣高壓直流電纜中空間電荷抑制及電導(dǎo)隨溫度和電場變化的調(diào)控問題。
　　世紀(jì) 90 年代，隨著新型改性 XLPE 電纜料的突破和柔性直流輸電技術(shù)的出現(xiàn)，擠包絕緣高壓直流電纜開始實現(xiàn)工程應(yīng)用。 1999 年 ABB 公司采用 XLPE 直流電纜料制造并投運了世界首條±擠包絕緣直流電纜線路[9]；同期 J-Power 公司采用納米復(fù)合 XLPE 絕緣料， 研發(fā)出±250 kV 直流電纜，并于 2012 年投入工程應(yīng)用[10]。近十年來，擠包絕緣高壓直流電纜的發(fā)展已成為國際直流輸電領(lǐng)域的研究熱點，先后建成十余條高壓直流電纜示范工程，線路總長度超過 5 000 km，較高運行電壓等級和傳輸容量達到±320 kV/1 000 MW。
　　年， ABB 與北歐化工公司合作推出新一代直流電纜絕緣料和屏蔽料，制造出直流電纜系統(tǒng)產(chǎn)品并通過了試驗驗證 [11]；隨后公司也開發(fā)出基于非交聯(lián)絕緣料技術(shù)的直流電纜；這些發(fā)展將擠包絕緣高壓直流電纜技術(shù)提高到一個新的水平，但均未投入工程應(yīng)用。
　　目前， 600 kV 以上擠包絕緣直流電纜系統(tǒng)正在開發(fā)。
　　年， ABB 與北歐化工等 12 家單位提出歐洲 2030 年戰(zhàn)略研發(fā)規(guī)劃，預(yù)期通過解決絕緣材料、設(shè)計制造和試驗技術(shù)等難題，實現(xiàn)擠包絕緣直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，以滿足可再生能源開發(fā)與區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的需求。我國清潔能源應(yīng)用、城市化建設(shè)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建戰(zhàn)略的實施，也將為高壓直流電纜的發(fā)展帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。
　　近年來，我國在擠包絕緣高壓直流電纜制造和應(yīng)用方面取得突破。在 2013 年南澳±160 kV/200 MW、年 舟 山 ±200 kV/400 MW 和 2015 年 廈 門±320 kV/1 000 MW 等柔性直流輸電工程中實現(xiàn)了擠包絕緣直流電纜的工程應(yīng)用[12]；所用直流電纜和附件由中天科技、青島漢纜、寧波東方、長纜電工、上海三原等國內(nèi)企業(yè)制造； 2017 年中天科技又成功開發(fā)出 525 kV/2.7 GW 直流電纜系統(tǒng)，標(biāo)志著我國高壓直流電纜的制造技術(shù)進入世界先進行列。然而我國直流電纜用關(guān)鍵絕緣料與屏蔽料依靠國外進口。

　　本文針對高壓直流電纜系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題，重點分析擠包絕緣直流電纜料和附件材料技術(shù)，探討高壓直流電纜系統(tǒng)的驗證試驗、運行維護、監(jiān)測和診斷方法，簡要介紹了世界上擠包絕緣高壓直流電纜工程應(yīng)用情況。旨在通過分析目前擠包絕緣高壓直流電纜發(fā)展現(xiàn)狀，為國內(nèi)電纜研究開發(fā)人員、制造和運行企業(yè)提供參考，為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直流電纜料開發(fā)與高壓直流電纜系統(tǒng) 制造和應(yīng)用提供借鑒。

2.高壓直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)
　　2.1開發(fā)過程
　　一種新型直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)，首先應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求進行電纜設(shè)計和材料選擇、附件設(shè)計、性能評估與方案優(yōu)化； 然后對不同尺度樣品（平板試樣、模型電纜、全尺寸電纜和附件）的理化、電氣、機械性能進行測試分析；在此基礎(chǔ)上確定電纜系統(tǒng)的較終設(shè)計，完成制造并進行試驗驗證。
　　在絕緣材料選擇和配方設(shè)計時需要考慮不同絕緣體系（熱固性、熱塑性、聚合物共混或納米電介質(zhì)復(fù)合絕緣系統(tǒng)等）的特性，并針對平板試樣和不同尺寸同軸電纜試樣進行理化性能、電氣性能（直流電導(dǎo)率、擊穿場強、空間電荷效應(yīng)）、機械性能測試分析和長期性能的評估。結(jié)合直流電纜中電場按電導(dǎo)率分布的特點，綜合選擇直流電導(dǎo)率低且隨溫度和場強變化穩(wěn)定，空間電荷積聚量少，擊穿場強高的材料。
　　在電纜系統(tǒng)設(shè)計和性能評估時，應(yīng)考慮典型安裝和熱負荷條件的電纜系統(tǒng)絕緣中電應(yīng)力分布；電應(yīng)力、溫度、環(huán)境條件等因素對系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的影響；電纜尺寸、材料成分和工藝條件（導(dǎo)體制備、絕緣擠出及后處理工藝）預(yù)期變化對絕緣電應(yīng)力分布的敏感性。
　　附件開發(fā)是電纜系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。應(yīng)在不同尺寸電纜上進行大量測試和仿真，確定附件材料與設(shè)計方案。附件與電纜的界面區(qū)域十分關(guān)鍵，必須合理設(shè)計保持性能穩(wěn)定。直流電纜附件采用復(fù)合介質(zhì)材料，且運行在電場及溫度梯度場耦合條件下，電纜與附件界面處的電導(dǎo)率匹配性及空間電荷效應(yīng)和電場分布變化規(guī)律復(fù)雜，給附件設(shè)計、制造和性能評估帶來困難。在附件開發(fā)中應(yīng)通過幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計及非線性材料電導(dǎo)調(diào)控層使電纜與附件絕緣界面的電場趨于均勻。
　　在電纜系統(tǒng)制造時，除滿足絕緣中無微孔、裂紋、形變、污物顆粒以及焦痕等高壓交流電纜制造要求以外，還應(yīng)進行更為嚴(yán)格的質(zhì)量過程控制，包括絕緣料的潔凈度、絕緣料與屏蔽料的匹配、交聯(lián)過程控制及交聯(lián)后脫氣處理工藝等，保持高壓直流電纜性能優(yōu)良。例如，在交聯(lián)副產(chǎn)物中，有些對交流電纜運行無害的化合物，將會影響高壓直流電纜絕緣的電導(dǎo)率和空間電荷積聚特性。
　　較后應(yīng)對高壓直流電纜與附件系統(tǒng)進行型式試驗和預(yù)鑒定試驗驗證，根據(jù)需要還可以進行擴展試驗和特殊試驗，保持開發(fā)的電纜系統(tǒng)具有預(yù)期良好性能和長期運行穩(wěn)定性。
　　2.2開發(fā)試驗
　　目前國際規(guī)范中沒有明確規(guī)定在新電纜系統(tǒng)開發(fā)時應(yīng)進行哪些具體開發(fā)試驗，由國際大電網(wǎng)委員會（CIGRE）提出的 500 kV 擠包絕緣高壓直流電纜推薦試驗方法《》（TB 496）僅提出“開發(fā)和分析工作的確切性質(zhì)和程度由制造方自行確定”
　　的原則，同時推薦了試驗可涵蓋的幾個方面[13]。直流電導(dǎo)特性是影響絕緣材料選擇的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)測量和合理評價材料的直流電導(dǎo)率是基本的開發(fā)試驗環(huán)節(jié)。此外，開發(fā)試驗中對材料各項性能的測量和評價應(yīng)盡量考慮其與較終電纜系統(tǒng)的性能等效性，保持開發(fā)過程合理專業(yè)。
　　直流電導(dǎo)測量評價高壓直流電纜絕緣材料的直流電導(dǎo)率較小且易受溫度和電場影響，因此準(zhǔn)測量其直流電導(dǎo)率對于電纜絕緣設(shè)計十分重要。在對 XLPE 等絕緣材料的高場強直流電導(dǎo)率進行測量時，要求盡可能考慮電纜實際運行電場條件，準(zhǔn)的控制測量溫度，測量結(jié)果應(yīng)有良好的穩(wěn)定性與可重復(fù)性。
　　直流電導(dǎo)率測量穩(wěn)定性和重復(fù)性受材料組分、測量裝置（如電較材料與接觸面）、測量條件（如場強、溫度、壓力、濕度等）、試樣制備和試樣處理等多種因素影響。應(yīng)通過控制試樣制備、處理、保存以及測量過程中各種條件和操作步驟，盡可能提高測量結(jié)果穩(wěn)定性和重復(fù)性。由于不同測量裝置得到的測量結(jié)果存在一定差異，因此有必要說明測量裝置、試樣制備與處理方法。
　　材料的直流電導(dǎo)率是由測量其電導(dǎo)電流計算得到的，由于在實際測量時材料的泄漏電流不斷衰減，需很長時間才能較終達到穩(wěn)態(tài)，因此直流電導(dǎo)率的測量時間也應(yīng)合理考慮，對測得的結(jié)果應(yīng)指明測量時間。 H. Ghorbani 等人在 70 ℃，條件下測量了 525 kV直流電纜 XLPE 材料模壓平板試樣的直流電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)在測量 23 h 后電流仍未達到穩(wěn)態(tài)，先后獲得的直流電導(dǎo)率存在數(shù)量級差別，且還有繼續(xù)減小趨勢[14]。
　　在評估 XLPE 絕緣材料中交聯(lián)副產(chǎn)物對材料電 導(dǎo)率的影響時，應(yīng)謹慎進行測量前試樣預(yù)處理，測量時應(yīng)選擇較厚試樣（如 0.5~2 mm），以避免交聯(lián)副產(chǎn)物在試樣中揮發(fā)對測量結(jié)果造成影響，保持獲得準(zhǔn)的電導(dǎo)率測量結(jié)果，掌握交聯(lián)副產(chǎn)物對電導(dǎo)率影響的變化規(guī)律。
　　試驗等效性在材料與電纜開發(fā)過程中，使用平板試樣、模型電纜和樣機電纜對全尺寸電纜性能進行等效分析是一種有效的開發(fā)試驗方法，也稱為小型試驗[15]。
　　相比全尺寸電纜試驗，小型試驗所需材料少，試驗系統(tǒng)簡易，測試時間短，在材料選型和對比分析中能發(fā)揮重要作用。

　　小型試驗必須保持結(jié)果穩(wěn)定且能反映更大尺寸試品特性。實際中由于不同尺寸試品（如平板試樣和模型/樣機電纜）的處理條件、測量系統(tǒng)和測量方法存在差異，這種理想的對應(yīng)關(guān)系很難得到。因此，嚴(yán)格控制試樣制備、處理條件和測量過程，保持測量結(jié)果在不同尺寸試品之間顯示出相近結(jié)果或相似趨勢，是小型試驗等效性研究的重要內(nèi)容。例如， J. Andersson 等人測量了平板試樣、模型電纜和樣機電纜的直流電導(dǎo)率[15]，結(jié)果表明，脫氣時間、模壓制樣溫度、電較半導(dǎo)電材料均對平板試樣的直流電導(dǎo)率存在影響；模型電纜與平板試樣的結(jié)果存在異同；從平板試樣到全尺寸電纜測量所得到的直流電導(dǎo)率呈增大趨勢，但在相近數(shù)量級范圍；這些結(jié)果的測量時間和測量溫度（絕緣溫度梯度） 不同，很難取得良好的厚度對應(yīng)關(guān)系

本文由 安徽電力電纜 整理編輯，節(jié)選自《擠包絕緣高壓直流電纜的發(fā)展》高壓直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)的發(fā)展部分。