直流電力電纜的發(fā)展

蘇丹丹

摘 要：直流電纜相比于交流電纜具有較低的介質損耗和導體損耗，較高的載流量和絕緣的工作電場強度，較薄的絕緣厚度，并且電纜外徑小、重量輕、柔軟性好、安裝容易。本文基于輸電技術的發(fā)展狀況提出交流輸電的制約因素，著重介紹直流輸電的優(yōu)勢和目前存在的需要完善和解決的問題。

關鍵詞：直流；電力電纜；制約因素；發(fā)展

引言

輸電技術的百年發(fā)展史主要是依靠不斷提高電壓等級來提高線路的輸送容量及輸送距離的。交流電力系統(tǒng)雖然能十分便捷地將電能傳輸到用戶，但損耗較大。對于遠距離輸電，電纜的電容電流亦嚴重地影響傳輸電流。當電纜的長度達到臨界長度時，發(fā)送的電流幾乎全部轉為電容電流。如越海輸電，交流輸電采用電抗器等補償措施十分困難，，海上不可能架設桿塔，故遠距離輸電，尤其越海輸電必須采用高壓直流輸電。

1 交流電纜線路的制約因素

熱極限：線路功率損耗引起線路發(fā)熱。架空線過熱會造成桿塔之間線路弧垂過大。電纜過熱會加速絕緣老化。

電壓約束：無功功率流動會引起輸電線路的電壓降落。

穩(wěn)定性因素：電力系統(tǒng)遭受外部干擾后，發(fā)電機之間同步運行狀態(tài)會發(fā)生變化。

2 直流輸電的優(yōu)勢及問題

2.1 優(yōu)勢

（1）直流線路造價和運行費用不高。直流輸電一般只需要2根線，節(jié)省金屬及絕緣材料，并且輸電走廊窄。直流線路要求的絕緣水平相對較低。直流電阻沒有集膚效應，電暈損耗及其對無線電的干擾小。

（2）直流輸電沒有穩(wěn)定性問題，輸送容量和距離不受同步運行穩(wěn)定性的限制，也不會產生低頻振蕩。

（3）可以隔離故障，不會傳遞和波及系統(tǒng)的其他部分。

（4）容易進行潮流控制，改善電網的潮流分布。

（5）易于實現地下或海底電纜輸電。交流高壓電纜有很大的分布電容，充電功率很大，海底加裝補償器不現實，而直流線路基本沒有電容電流，是實現長距離海底電纜輸電的途徑。

2.2 問題

（1）換流裝置費用高。

（2）直流斷路器昂貴。

（3）換流裝置運行中會產生諧波。

（4）換流站運行時消耗大量無功功率。

3 常用的直流電纜及應用領域

3.1 浸漬紙絕緣直流電纜（MI Cable），最常用的高壓直流電力電纜，使用的歷史已經超過40年，并被證實具有很高的可靠性，目前其使用的電壓可達 500kV，導體的截面可達2500mm2。

3.2 充油直流電纜（OF Cable），常用于短程連接，目前的使用電壓 500kV，導體截面達到3000mm2。

3.3 塑料絕緣直流電纜（Extruded Cable），目前還在發(fā)展中，如交聯(lián)聚乙烯（XLPE）直流電纜。（直到目前，直流電纜的需求仍然不大。只有當大量的直流輸電工程實際投運并處于盈利狀態(tài)，塑料直流電纜才會對電纜生產商更有吸引力。直流電纜的制作工藝與交流電纜并不完全一致。普通的塑料直流電力電纜本身存在很多特殊問題，例如極性頻繁翻轉時的電纜擊穿問題，空間電荷積累問題等。）

3.4 應用領域

軌道交通——地鐵牽引供電系統(tǒng)一般采用1500V直流電壓。地鐵用直流電纜要求防水、阻燃性能好。但是北京地鐵已在2012年全部改用交流機車。

電力系統(tǒng)——直流電力電纜可用于城市地下電網、工礦企業(yè)的內部供電，尤其是過江、過海的水下線路使用直流電力電纜是最佳選擇。

4 直流電纜的空間電荷特性及抑制方法

4.1 空間電荷特性

電極注入形成空間電荷。常溫時，通常在電場強度超過10kv/mm的情況下會在導體/絕緣表面產生電荷注入，而且到目前為止還不能很好的被抑制。電極注入的是同極性空間電荷，也就是說注入的電荷與電極極性同號。同極性空間電荷可以降低電極附近的局部場強。在對LDPE的研究中發(fā)現，空間電荷密度與溫度有關。如果在低溫下空間電荷密度很大，則這些電荷主要是由電極注入的。溫度高于55°C時，空間電荷密度很小，這主要是由于載流子遷移率提高的緣故。

雜質的場助熱解離形成空間電荷。在外界電場的作用下，雜質分子由于熱作用而解離為正離子和電子或負離子，它們中的大多數會在很短的時間內重新復合。那些沒有重新結合的電子會由于其很高的遷移率而遷移到陽極，或在遷移的過程中被陷阱捕獲。這些電子的遷移會產生一個漸降的電流，假如從電極再沒有電子的注入，那么這個電流最終也就將消失。而那些遷移率比較低的正離子或少數負離子會在絕緣層中形成穩(wěn)定的空間電荷分布。絕大多數聚合物絕緣材料存在雜質熱解離現象，但這并不是唯一或主要的空間電荷產生機制。

偶極子極化引起空間電荷。這種極化源于電介質內永久偶極子在部分范圍內的不均勻排列。永久偶極子的偶極矩一般比較大，如在交聯(lián)過程中產生交聯(lián)副產物，其趨于分散在試樣的表面并形成束縛電荷，束縛電荷在電極表面上感應出等量的電荷，并改變試樣與電極界面的局部電場，因此它們的作用等同于空間電荷。這種空間電荷產生機理也能看到“鏡像”效應。

穩(wěn)態(tài)直流電流外加介電常數/電導率的空間變化率引起界面極化空間電荷。由電磁學理論可知，介電常數/電導率隨位置的變化而變化的電介質材料，當直流電流密度j達到穩(wěn)態(tài)時，將產生一個密度為ρ的空間電荷分布。這種空間電荷與其他形成機理不同，且沒有直接關系。

4.2 抑制空間電荷的方法

很多研究表明，向聚乙烯中添加適量的無機納米氧化物以及特殊的有機填料，可以有效的抑制聚乙烯內部的空間電荷。無機納米填料可以分為兩類：（1）無機極性材料，通過強極性的無機材料抑制復合介質內陰陽離子的移動，從而達到防止電荷積聚形成空間電荷的作用。（2）無機導電材料，通過吸附載流子，達到抑制空間電荷的作用。

5 直流電纜的附件問題

直流塑料電纜附件的發(fā)展比塑料電纜滯后得多，主要是因為難以分析和研究電纜主絕緣與附件增強絕緣交界面上的界面空間電荷的積累情況，以及開發(fā)研究合適的附件增強絕緣材料。在附件結構方面，已有報道的有ABB公司的電纜接頭在電纜主絕緣與附件增強絕緣間應用一層非線性控制層，滿足不同溫度不同電場下非線性材料與電纜主絕緣、非線性材料與附件增強絕緣的電導率比值與介電常數比值接近1，從而抑制界面空間電荷，對此種非線性材料的研究難度比較大；日本很早就250kv甚至500kv的高壓直流塑料電纜及其附件的研究報道，但至今仍未能應用到商業(yè)領域。在附件絕緣材料方面，目前多數學者采用EPR（乙丙橡膠）作為直流塑料電纜附件的絕緣材料。

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