高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜的研究現(xiàn)狀與展望

閆大慶

（北京兆維電子（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，北京 100015）

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流輸電技術(shù)日趨完善，在輸送能力和送電距離上可與高壓交流輸電競爭，而且相比于高壓交流輸電（HVAC），高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)更適合大容量、長距離輸電。傳統(tǒng)的高壓直流輸電電纜一般為油浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜等，但是由于油浸式紙絕緣電纜很難承載很大的容量、充油式電纜基本上不適合長距離輸電等原因，人們一直在尋求更加合適的絕緣材料來制造高壓直流輸電電力電纜。上世紀(jì)90年代，擠出型聚合絕緣電纜在高壓交流輸電的應(yīng)用中，幾乎完全替代了充油式-紙絕緣電纜。由于擠出型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料具有消耗材料少、加工成本低、可靠性高、出色的電氣和機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，人們開始研究開發(fā)適用于高壓直流輸電的擠出型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及相關(guān)產(chǎn)品?？傮w來說，一方面近年來擠出型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在高壓直流輸電領(lǐng)域有了一些商業(yè)上的應(yīng)用，并且開發(fā)出了許多具有突出優(yōu)勢的新產(chǎn)品，但是由于一些技術(shù)難題和成本上的劣勢，所以在高壓直流輸電電纜的市場中還是處于弱勢；而在更高電壓等級（500kV以上）的高壓直流輸電電纜的市場中，紙絕緣-充油式電纜仍然處于壟斷地位。另一方面，鑒于擠出型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著一些限制其發(fā)展技術(shù)難題的解決，更多的有競爭力的產(chǎn)品會開發(fā)出來，將會有更廣闊的市場空間和更豐厚的利潤。

1 高壓直流交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

擠出型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜從上世紀(jì)90年代末開始至今開發(fā)出了很多優(yōu)秀的產(chǎn)品。ABB公司和日本古河電工集團(tuán)等公司都在XLPE絕緣電纜應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)上作出了很多貢獻(xiàn)，例如ABB公司開發(fā)研制的輕型高壓直流輸電電纜系統(tǒng)有3個(gè)電壓等級80kV、150kV和320kV已經(jīng)通過商業(yè)認(rèn)證，其中80kV到150kV已經(jīng)投入商業(yè)項(xiàng)目并開始運(yùn)行，這些系統(tǒng)的容量可達(dá)50～350MW。1999年輕型高壓直流輸電電纜系統(tǒng)在瑞典運(yùn)行以來，已經(jīng)有若干個(gè)項(xiàng)目安裝運(yùn)行。目前，ABB公司的輕型高壓直流輸電電纜的最高電壓等級已達(dá)到320kV，容量可達(dá)1000～1200MW。2004年，日本古河電工集團(tuán)開發(fā)的500kV高壓直流XLPE電纜已經(jīng)通過前期試驗(yàn)認(rèn)證，但是目前看來，該系統(tǒng)仍然是最高電壓等級的試驗(yàn)認(rèn)證，沒有商業(yè)認(rèn)證。目前，高壓直流輸電聚合物絕緣電纜已經(jīng)有若干個(gè)工程項(xiàng)目應(yīng)用，最高電壓等級為300kV。而大于500kV的高壓直流聚合物絕緣電纜，仍然處于試驗(yàn)階段。

在目前的聚乙烯絕緣材料中，由于XLPE和乙丙橡皮絕緣材料（EPR）有著電氣絕緣特性優(yōu)良、制造過程簡單和價(jià)格為市場所接受等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用。EPR在某些方面甚至優(yōu)于XLPE，但是通常價(jià)格上EPR也更加昂貴。低密度聚乙烯（LDPE）、線型低密度聚乙烯（LLDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）只是偶爾應(yīng)用，間列聚乙烯也有著非常出色的絕緣特性，但是價(jià)格太高，為市場所不能接受。也注意到，近兩年出現(xiàn)了一些針對LDPE、LLDPE、HDPE等進(jìn)行摻雜來改變其電氣絕緣特性的研究。

另外，世界最大的兩家電纜生產(chǎn)商意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法國的耐克森公司（Nexans）也生產(chǎn)高壓直流輸電電纜。不過從產(chǎn)品來看，兩家公司更傾向于生產(chǎn)較為傳統(tǒng)的油浸式絕緣電纜等，目前應(yīng)用較多的高壓直流輸電電纜，而提供的用于高壓直流輸電的XLPE絕緣電纜相對較少，電壓等級也較低。目前意大利的普瑞司曼公司提供油浸式絕緣電纜500kV DC和SCFF（self-contained fluid filled cables）600kV，同時(shí)Prysmian公司致力于開發(fā)PPL（paper polypropylene laminated cables）技術(shù)和前面兩種電纜材料的結(jié)合，形成具有更好電氣特性的絕緣新材料。

國內(nèi)的高壓直流XLPE絕緣電纜的產(chǎn)品相對很少，國內(nèi)公司和研究所主要包括：遠(yuǎn)東電纜有限公司、特變電工、上海電纜研究所、武高院電纜所、青島漢纜、杭州華新麗華股份有限公司等。國內(nèi)的高校和科研院所從事相關(guān)研究的有：上海交通大學(xué)等高校。

總體來說，ABB公司和日本古河電工集團(tuán)對高壓直流XLPE絕緣電纜的研究較為深入，并開發(fā)出了各自的核心產(chǎn)品。意大利的普瑞司曼公司（Prysmian）和法國的耐克森公司（Nexans）主要在傳統(tǒng)的油浸式絕緣電纜等以往應(yīng)用較多的產(chǎn)品上進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)完善和創(chuàng)新，對XLPE DC電纜這方面的開發(fā)沒有ABB公司和日本古河電工集團(tuán)深入。

2 高壓直流交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜研制的特點(diǎn)及先進(jìn)性

擠出型XLPE絕緣材料被人們廣泛使用的原因在于，它具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：材料消耗少、加工成本低、可靠性高、電氣性能和機(jī)械性能優(yōu)良。而且相對于油浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜，擠出型XLPE絕緣具有運(yùn)行時(shí)允許的溫度高——這也使得傳輸更大容量成為可能。具有維護(hù)率低、免除漏油等麻煩、對周邊環(huán)境的影響?。▽儆诃h(huán)境友好型電纜）等優(yōu)勢。

ABB公司研制開發(fā)的輕型高壓直流輸電電纜具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還有一些自身的特殊優(yōu)點(diǎn)。它是一種高密度電纜，質(zhì)量輕、尺寸小，而且連接更加方便。另外與HVAC XLPE絕緣電纜相比，有著更小的尺寸損耗和更高的能量承載密度，輕型高壓直流輸電電纜的傳輸能力在20～50MW/kg，而HVAC電纜的傳輸能力在10～20MW/kg之間。

綜上所述，高壓直流XLPE絕緣電纜不但具備高壓直流輸電電纜對一般交流電纜的一些優(yōu)勢，而且由XLPE絕緣材料做成的高壓直流電纜對于傳統(tǒng)的高壓直流浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜來看，也有著突出的優(yōu)點(diǎn)。

3 研制高壓直流交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜在未來需解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題

盡管交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為絕緣材料有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的努力也開發(fā)出了一些優(yōu)秀的產(chǎn)品，但是仍然有一些重要的問題需要解決。從目前高壓直流輸電電纜的市場來看，傳統(tǒng)的高壓直流輸電電纜如浸式紙絕緣電纜或者充油式電纜仍然是主流產(chǎn)品，而且在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的工作仍然在不斷進(jìn)行，這一點(diǎn)由世界上最大的兩家電纜公司意大利的普瑞司曼公司和法國的耐克森公司生產(chǎn)的產(chǎn)品中可以看出來。在500kV及500kV以上的高壓直流輸電電纜的產(chǎn)品來看，充油式-紙絕緣電纜仍然是絕對的主流產(chǎn)品，相比之下，500kV的高壓直流XLPE絕緣電纜在日本只是處于試驗(yàn)認(rèn)證階段而沒有得到商業(yè)認(rèn)證，ABB公司的輕型高壓直流輸電電纜雖然有80kV、150kV和320kV已經(jīng)通過商業(yè)認(rèn)證，但是應(yīng)用到工程項(xiàng)目上的還只是80kV、150kV兩個(gè)電壓等級的系統(tǒng)。從此可見，提高電壓等級和容量是目前高壓直流XLPE絕緣電纜產(chǎn)品的發(fā)展方向，這也對技術(shù)上提出了相應(yīng)的要求。

從技術(shù)層面上來看，XLPE絕緣電纜在高壓直流輸電過程中，產(chǎn)生和積累的空間電荷是目前聚合物絕緣材料需要面對的最重要的問題，它始終限制著聚合物絕緣材料在高壓直流輸電電纜中的應(yīng)用。所以，空間電荷積累的機(jī)理和抑制空間電荷積累都是研究的重點(diǎn)，包括相應(yīng)的聚合物絕緣材料電纜中半導(dǎo)體-絕緣體交界面性質(zhì)和半導(dǎo)體材料-絕緣體材料的研究、絕緣體交界面性質(zhì)的研究、溫度梯度對空間電荷產(chǎn)生的影響、空間電荷積累的過程等。

當(dāng)然也包括其他的一些問題：絕緣材料老化的機(jī)理、新材料長期的穩(wěn)定性、局部放電的影響。目前還不清楚運(yùn)行電壓的上限應(yīng)該由空間電荷的量度決定，還是由電氣老化的闕值電壓來決定。