高压直流XLPE绝缘材料及电缆关键技术展望吕品--中国期刊网

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高压直流XLPE绝缘材料及电缆关键技术展望吕品

发表时间：2020/9/8 来源：《基层建设》2020年第14期作者：吕品

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，交联聚乙烯（cross-linkedpolyethylene，XLPE）是晶相和非晶相共存的高分子聚合物，由于其优异的电、热和机械性能，被广泛用作电缆绝缘材料。

        浙江省杭州市浙江省送变电工程有限公司浙江杭州 310016
        摘要：随着经济和科技水平的快速发展，交联聚乙烯（cross-linkedpolyethylene，XLPE）是晶相和非晶相共存的高分子聚合物，由于其优异的电、热和机械性能，被广泛用作电缆绝缘材料。本文将从XLPE电缆材料的改进、电缆本体的设计等方面，针对目前国内高压直流电缆发展存在的一些技术难点进行分析和展望。
        关键词：高压直流；交联聚乙烯；电缆；附件；工厂接头
        1 引言
        为推动高压直流电缆技术发展，高压直流电缆本体及工厂接头的电场、老化寿命设计理论要在传统经验设计参数的基础上，同时要基于材料的基本性能、空间电荷以及尺寸和形状效应等进行优化发展。高压直流电缆附件要在附件与电缆本体的匹配技术、关键部件设计及安装工艺方面开展深入研究。
        2 XLPE直流电缆材料技术难点
        2.1 高压电缆中的材料问题
        在高压直流电缆应用中，电缆的绝缘材料是直流电缆传输中最重要的保障。在目前的技术发展中，交联聚乙烯和硅橡胶作为应用在电缆绝缘材料中两种比较常用的物质，也得到了业界的认可和广泛的应用。在西方热点的研究领域中，会将一些纳米材料应用到聚合物中，以解决空间电荷的问题。纳米材料在应用于聚合物上主要有以下几个影响：（1）使得聚合物中杂质离子的含量升高；（2）由于纳米材料的特殊性，会带来表面效应和小尺寸影响；（3）由于小尺寸的影响，会使得高压电缆中聚合物的陷阱发生变化，变为浅陷阱。随着对于纳米材料的研究更加的深入和广泛，在高压电缆中应用纳米材料进行填充以及纳米电介质的合成，能够为高压电缆技术的发展带来新的机遇。
        2.2 XLPE材料的纯净化研究
        直流场下XLPE绝缘中的空间电荷积聚和非线性电导问题是目前绝缘材料开发面临的最大难题。空间电荷的存在不仅会引起绝缘料中电场畸变，诱发微区局部击穿，还会诱发电致发光效应加速电树发展加剧绝缘老化，而非线性电导则会引起电缆绝缘中电场极性翻转和绝缘损耗增加。相关研究表明，在直流场作用下，交联聚乙烯的纯净度对空间电荷和电导率及击穿性能影响较大。目前已知材料的纯净化有助于抑制材料中空间电荷聚集，降低电导率非线性效应，提升材料的耐压水平，但杂质含量对电气性能（载流子迁移等）的影响机制仍不清楚。交联聚乙烯的制备流程包含基料的生产、助剂添加、水下冷却造粒、后吸收、成品包装等。生产过程链很长，材料的纯净化涉及整个交联聚乙烯绝缘材料的生产过程，目前尚不能确定杂质主要是哪个环节引入，每个环节引入的杂质数量以及各环节杂质引入影响的主次也都不清楚。对材料纯净化的研究无论从配方还是从工艺上都比较缺乏，因此，掌握杂质对绝缘材料电导、空间电荷等电气性能的影响机制，理清绝缘材料中杂质引入过程，研究杂质分析、表征手段，研究通过配方和工艺降低杂质的方法，是开展直流XLPE材料纯净化研究的关键，是实现绝缘材料性能提升必须解决的关键问题。
        3 直流高压电缆的绝缘材料选用
        在实际使用过程中，高压电缆需经受长时间超高电压的严酷考验，因此电缆绝缘材料需具备优异的性能方能满足较为严苛的实际使用要求，包括优良的电气性能、优异的物理机械性能等。直流高压电缆绝缘材料选择的关键因素在于材料的介电性能、热学性能、物理机械性能以及空间电荷特性等。不同于交流高压电缆，直流高压电缆绝缘材料设计和选材的特别之处在于需考虑绝缘介质的空间电荷特性和温度梯度效应。聚乙烯（PE）作为电线电缆行业中常用的绝缘材料，因其自身简单的线性或支链结构而具备众多优异的介电性能和物理机械性能等。

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结构决定材料的性能，PE本身的线性分子链间易在受到外界影响（应力或热作用等）时发生相对运动，从而导致其耐热变形能力较差和使用温度较低等。通常采用交联的方式，将PE的线性结构改造成立体网状结构，因而提高了PE的耐温等级和物理机械性能等。交联聚乙烯（XLPE）在电气性能和物理机械性能方面得以提升的关键正是在于交联工艺对其分子结构的网状化改造。可见：ａ．XLPE在电气性能方面均优于PE和聚氯乙烯（PVC），其体积电阻率比PE、PVC约高出１～３个数量级，电绝缘性能优异，且介电性能优良，更适合应用于中、高压电缆绝缘中。ｂ．XLPE在物理机械性能方面同样优于PE，XLPE的长期耐受环境温度提高到９０℃，且抗拉强度提高到大于２０ＭＰａ，环境适应性（包括耐候性、耐老化性和耐油性等）和低温脆化性等性能均得到极大的改善。综上所述，XLPE在电气性能和物理机械性能方面均具有一定的优越性，是目前直流高压电缆所选用的最常规绝缘材料，占有非常重要的实际应用地位。
        4 电缆本体技术
        4.1 绝缘材料场强设计
        绝缘材料的电气特性参数是电缆绝缘设计的基础，其中最为关注的是绝缘材料的直流击穿和冲击强度。目前针对此方面的研究很多，但大部分对击穿的研究仅局限于平板试样，测试厚度从几十微米到几百微米不等，很少达到毫米尺度。在进行直流绝缘设计时，所需的绝缘击穿和冲击场强通常采用外推法确定。为保证电缆设计的可靠性，需要对与电缆绝缘厚度尺度相当的样品的击穿参数开展研究：1）研究绝缘击穿特性与厚度指数关系有效性；研究电缆绝缘击穿场强与电缆厚度间关系，研究环境因素对绝缘击穿影响；研究厚度尺寸形状对击穿场强的影响；分析击穿概率分布，以此为基础研究不同厚度下电缆的击穿概率。2）研究大厚度绝缘样品测量方法，直流场下大厚度试样击穿需要电源电压很高，同时要确保测试样品不发生沿面放电。针对大厚度绝缘试样的击穿场强，需要开展试验测试系统和专用电极的系统研究。
        4.2 直流绝缘中实际电场确定
        1）研究真型电缆空间电荷测量系统及测试方法，建立同轴真型电缆中空间电荷PEA测量系统，提出适用于同轴结构的绝缘中空间电荷测量的高压脉冲耦合，信号波形检出与校正、色散及恢复的方法。2）开展温度和电场梯度下真型电缆绝缘中空间电荷的产生、积聚、消散等特性研究，揭示真型电缆绝缘中空间电荷特性，建立空间电荷对电场畸变影响定量关系模型，为XLPE直流电缆绝缘中电场设计提供理论依据和数据支撑。3）开展平板和同轴试样下空间电荷关联特性研究，研究两者间的等效性和差异性，建立空间电荷演变模型，全面系统了解直流场下绝缘中空间电荷的产生和演变规律。
        5 直流高压电缆的发展展望
        直流高压电缆作为新型的传输纽带在后期的工业化应用中具有举足轻重的地位，制约其发展的关键问题也将逐步得到改善和解决：首先，直流高压电缆现存难题的解决主要是通过选用适当的绝缘材料和高质量的电缆制造技术，以提高绝缘材料的电气绝缘能力；其次，纳米复合技术在直流高压电缆绝缘材料中的有效应用将是促进其发展的关键着力点；最后，综合考虑电缆的电气绝缘性能和环境友好性能，可回收直流高压电缆技术等绿色环保技术将得到显著发展。
        6 结语
        随着对高压直流电缆XLPE绝缘料研究的不断深入，从材料的宏观电、机、热性能到其微观结构，建立起分子链结构、结晶形态微结构和宏观电气性能的关系，从而实现对XLPE直流绝缘材料的性能调控，满足不同电压等级直流电缆的绝缘要求。
        参考文献：
        [1]王思蛟.高压直流电缆绝缘材料的发展与展望[J].绝缘材料，2016（2）：1-9.
        [2]张云霄.高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J].电工文摘，2014（6）：1-14.