高載流量柔性直流電纜絕緣料關(guān)鍵性能研究

朱智恩， 曾浩， 楊黎明， 高凱， 李棟， 陳龍嘯， 王傳博

(南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，柔性直流電纜系統(tǒng)技術(shù)，尤其是高載流量柔性直流電纜技術(shù)成為整個電纜行業(yè)的熱點研究方向，可解決遠海風(fēng)電進網(wǎng)、海島供電、城市增容等柔直輸電領(lǐng)域的輸電線路問題[1—3]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)了多個柔直輸電工程，工程所用柔性直流電纜的絕緣材料全部來自進口。電纜的通常工作溫度為70 ℃[4]，因此開發(fā)工作溫度為90 ℃的高載流量柔性直流電纜絕緣料能提高柔直電纜系統(tǒng)輸送容量，進而滿足電網(wǎng)建設(shè)中大容量輸送的需求。例如，對于±320 kV柔直電纜，工作溫度由70 ℃提高至90 ℃，其輸送容量能夠提高10%～20%。

在國外，美國陶氏化學(xué)公司、日本和韓國等電纜材料公司正致力于研發(fā)工作溫度為90 ℃的柔直電纜絕緣材料，而北歐化工也有開發(fā)90 ℃材料的計劃。在國內(nèi)，南瑞集團一直從事工作溫度90 ℃的柔直電纜絕緣料及其電纜系統(tǒng)的核心技術(shù)研究。目前，交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)直流電纜絕緣料的研究主要集中于通過物理或者化學(xué)改性的方法以實現(xiàn)絕緣中的空間電荷抑制。具體來說，主要包括納米材料添加技術(shù)和分子接枝技術(shù)[5]。這2種方法均是通過在電纜樹脂基料中引入極性原子/基團，通過調(diào)控材料中的深/淺陷阱濃度及載流子遷移率，以實現(xiàn)空間電荷的抑制[6]。

柔直電纜絕緣材料主要電氣性能指標(biāo)包括空間電荷、電阻率、直流擊穿電場等。空間電荷性能研究起于上個世紀(jì)80年代，主要測試方法包括壓力波法和電聲脈沖法[7—8]?？蒲泄ぷ髡哚槍θ嶂彪娎|絕緣材料從不同方面開展了大量的研究，包括電極材料對空間電荷注入影響[9]、絕緣界面對空間電荷的影響[6,10]、溫度梯度對空間電荷的影響[11]等。電阻率也是其關(guān)鍵指標(biāo)之一，其絕對值決定了電纜絕緣泄漏電流，即絕緣熱損耗。溫度對電阻率的作用將直接影響電纜絕緣的電場分布[12]。直流擊穿電場強度直接決定了柔直電纜絕緣厚度設(shè)計及絕緣可靠性。許多科研工作者針對柔直電纜絕緣材料性能進行了大量的研究，但大部分研究僅關(guān)注材料的部分性能，未從產(chǎn)品的角度全面考慮其電氣綜合性能。

文中研究了柔直電纜絕緣料的空間電荷、電阻率、直流擊穿電場強度等關(guān)鍵性能，并與高壓交流電纜絕緣料和國外柔直電纜絕緣料的相應(yīng)性能進行比較分析。

1 電氣性能試驗

1.1 試樣制備

絕緣基料選用國產(chǎn)高壓電纜絕緣用低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)，密度約0.92 g/cm3；添加劑選用空間電荷抑制劑和微量抗氧劑(質(zhì)量百分比約為0.2%)。其中，空間電荷抑制劑為通過氣相法制備的金屬氧化物納米粒子，粒徑為20～50 nm，比表面積約100 m2/g；為保證與LDPE良好的相容性，納米粒子表面已經(jīng)過偶聯(lián)處理。將LDPE與添加劑在130 ℃的密式混煉機上熔融共混15 min，制備成分均勻的LDPE納米復(fù)合絕緣料。在復(fù)合材料中添加質(zhì)量百分比約2%的過氧化二異丙苯(dicumyl peroxide，DCP)，將材料裝入廣口瓶并放置烘箱內(nèi)20 h，溫度80 ℃。為保證DCP充分被LDPE吸收，每隔一段時間需要搖晃廣口瓶。通過上述步驟，完成了柔直電纜絕緣料試樣制作。

此外文中還選用了其他2種絕緣材料：國內(nèi)高壓交流電纜絕緣料和國外高壓柔直電纜絕緣料。為便于簡化，文中將新柔直電纜絕緣料命名為S1，國內(nèi)交流絕緣料命名為S2，國外柔直電纜絕緣料命名為S3。

利用平板硫化機將上述3種含交聯(lián)劑的絕緣料熱壓交聯(lián)成型，交聯(lián)工藝溫度為175 ℃，壓力約為15 MPa，時間15 min。用于空間電荷實驗和電阻率實驗的圓形試樣尺寸為直徑200 mm、厚度1 mm，用于直流擊穿電場強度實驗的圓形試樣尺寸為直徑10 mm，厚度約0.3 mm。

1.2 測試設(shè)備及方法

空間電荷實驗利用壓力波法測試系統(tǒng)，關(guān)于此方法的詳細介紹可見文獻[7—8]。文中系統(tǒng)的脈沖激光器波長1 064 nm，能量650 mJ；直流發(fā)生器最大輸出電壓60 kV，紋波系數(shù)0.5%；示波器帶寬為350 MHz，采樣頻率為2.5 GHz。利用此設(shè)備在外加電場40 kV/mm下，分別測試20 ℃和90 ℃下試樣空間的電荷分布。

電阻率測試設(shè)備示意如圖1所示，測試裝置由ZC36型高阻計、40 kV直流高壓源和烘箱3部分組成。

圖1 絕緣試樣電阻率測試設(shè)備示意Fig.1 Schematic diagram of resistivity test for insulation sample

試驗分別測試了30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃時試樣的電阻率，其中電場固定為20 kV/mm。為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個試驗條件下進行5組平行試驗，最終試驗結(jié)果取中值。

直流擊穿測試設(shè)備由直流電壓發(fā)生器、恒溫油槽、擊穿電極等組成。直流電壓發(fā)生器的額定電壓為200 kV，最大電流為5 mA，紋波系數(shù)為0.5%；恒溫油槽溫度范圍為20～100 ℃，溫度誤差為±2 ℃；擊穿電極由直徑均為20 mm的球-球電極組成。此實驗包括2種方法：方法一為連續(xù)升壓法，直流電壓以1～3 kV/s速度升壓至試樣擊穿，為保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，每組實驗取10個試樣，并取中間2個值的平均值作為實驗值；方法二為階梯升壓法，以ΔE=10 kV/mm的階梯電場增加，在每個電場下維持時間Δt=30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 空間電荷性能

根據(jù)研究，工程運行的高壓超高壓柔直電纜絕緣中最大電場約為20 kV/mm。文中將外加電場提高1倍，開展外加電場40 kV/mm下的空間電荷性能研究。利用壓力波法空間電荷測試系統(tǒng)測試了自主研發(fā)柔直電纜絕緣料S1在20 ℃及90 ℃下的空間電荷分布，如圖2和圖3所示。

圖2 20 ℃下S1試樣的空間電荷分布(1 h時刻)Fig.2 The distribution of space charge of S1 sample at 20 ℃ (at 1 h)

圖3 90 ℃下S1試樣的空間電荷分布(1 h時刻)Fig.3 The distribution of space charge of S1 sample at 90 ℃ (at 1 h)

圖2和圖3顯示的是S1試樣在1 h時刻的空間電荷分布，圖2(a)和圖3(a)為壓力波法測試系統(tǒng)產(chǎn)生的原始信號(以電壓形式表示)，圖2(b)和圖3(b)為根據(jù)處理軟件轉(zhuǎn)換的試樣中電場分布。由圖2和圖3可知，在不同的溫度下，S1試樣均顯示了良好的空間電荷抑制性能，試樣內(nèi)部電場均勻，電場畸變率(最大電場與外加電場差值除以外加電場)不超過5%。

為研究空間電荷與加壓時間的關(guān)系，進一步研究了S1試樣在90 ℃下并加壓24 h后的空間電荷分布情況，如圖4所示。

圖4 90 ℃下S1試樣的空間電荷分布(24 h時刻)Fig.4 The distribution of space charge of S1 sample at 90 ℃ (at 24 h)

由圖4可知，隨著加壓時間的增加，S1試樣中的空間電荷分布幾乎沒有發(fā)生明顯變化，電場畸變率也不超過5%。

為了與柔直電纜絕緣試樣S1進行對比，同時研究了未添加納米粉末的交流電纜絕緣料S2試樣以及國外柔直料S3的空間電荷性能，這2種試樣的空間電荷分布如圖5所示。

圖5 20 ℃下S2和S3試樣的空間電荷分布(1 h時刻)Fig.5 The distribution of space charge of S2 and S3 samples at 20 ℃ (at 1 h)

由圖5可知，S2試樣在靠近負極位置積累了較多的異極性電荷——正電荷，并引起了負極峰明顯增高；S3試樣在正極和負極附近均出現(xiàn)了異極性電荷。由其電場分布可知，S2試樣在靠近負極位置存在明顯的電場畸變，最大電場畸變率約25%；S3試樣在靠近正極和負極位置也出現(xiàn)了明顯的電場畸變，最大電場出現(xiàn)在正極附近，電場畸變率約30%。

研究表明[13]，通過在LDPE中添加納米粒子，由于兩者介電常數(shù)差異引起了電場的變化，可進而形成1.5～5 eV的較深陷阱。在S1試樣加壓的初期，電極附近的深陷阱能夠迅速捕獲少量的同極性電荷，同極性電荷形成的電場降低了界面電場，并顯著降低了電極電荷的注入[14]。故在S1試樣中幾乎不存在空間電荷注入，且空間電荷分布較為穩(wěn)定，幾乎不隨時間變化。在S2試樣中，由于LDPE結(jié)晶形態(tài)的不完整性[15]，容易引起空間電荷注入，且存在抗氧劑、交聯(lián)分解殘留物，易形成較淺的陷阱，進一步引起空間電荷積累。國外直流料通過在材料中引入淺陷阱，提高載流子遷移率并防止空間電荷積累，這樣僅在較低電場(例如20 kV/mm)下就具有較好的空間電荷抑制性能。因此，文中新絕緣材料在較高電場下具有更優(yōu)異的空間電荷抑制性能。

2.2 電阻性能

在溫度30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃下，測試了S1，S2和S3試樣電阻率與溫度的關(guān)系，電場為20 kV/mm，實驗結(jié)果如圖6所示?？v坐標(biāo)規(guī)定電阻率最小值(即S2試樣90 ℃下電阻率)為1，并以此最小值為基值進行倍數(shù)關(guān)系標(biāo)示。

圖6 S1和S2及S3試樣在不同溫度下的電阻率(測試電場20 kV/mm)Fig.6 The resistivity of S1,S2 and S3 samples at different temperatures (testing field 20 kV/mm)

由圖6可知，交流電纜絕緣料S2試樣電阻率最低，柔直電纜絕緣料S1試樣電阻率最高，其在較高溫度下的電阻率超過了國外柔直料S3試樣的電阻率。這是由于S1試樣中添加的納米粒子形成了更深的陷阱，降低了載流子遷移率，引起電導(dǎo)率下降或電阻率升高。這意味著文中的柔直電纜絕緣料在高溫下具有較低的電導(dǎo)電流，能夠降低絕緣熱損耗。

對縱坐標(biāo)(電阻率)取自然對數(shù)坐標(biāo)并進行線性擬合，可發(fā)現(xiàn)電阻率對數(shù)與溫度存在良好的線性關(guān)系，即可近似地認為電阻率與溫度存在指數(shù)關(guān)系，可表示為：

ρ=k1e-aT

(1)

式中：ρ為電阻率；k1為系數(shù)；a為電阻率溫度系數(shù)；T為溫度。通過線性擬合，可得出S1，S2和S3試樣的電阻率溫度系數(shù)a分別為0.06，0.08，0.09(1/℃)。

研究表明[12,16—17]，電阻率溫度系數(shù)與柔直電纜絕緣電場分布存在較大的關(guān)系。在柔直電纜工作溫度下，較大的溫度系數(shù)不但會增加絕緣電場畸變程度，還會引起柔直電纜絕緣電場發(fā)生反轉(zhuǎn)，即最大電場由絕緣內(nèi)層位置轉(zhuǎn)移至絕緣外層位置。這將加速電纜絕緣老化，從而導(dǎo)致?lián)舸┢茐?。更重要的是，絕緣外部位置的較大電場給柔直電纜連接件(接頭和終端)的設(shè)計帶來較大的困難。電纜絕緣外部靠近電纜絕緣/連接件應(yīng)力錐絕緣的界面是整個柔直電纜系統(tǒng)的薄弱位置，易發(fā)生電擊穿。進一步的研究表明[12]，在絕緣電阻率溫度系數(shù)一致的情況下，隨著柔直電纜工作溫度提高(例如從70 ℃到90 ℃)，電場反轉(zhuǎn)現(xiàn)象更明顯，絕緣外層電場越高。因此，從工作溫度90 ℃的柔直電纜系統(tǒng)設(shè)計角度考慮，應(yīng)盡量減小電纜絕緣電阻率溫度系數(shù)。綜合以上可知，文中開發(fā)的柔直電纜絕緣料在高溫下具有較高的電阻率，即較低的熱損耗；還有較低的電阻率溫度系數(shù)，不但能降低電場畸變承擔(dān)，還有利于整個柔直電纜系統(tǒng)的絕緣設(shè)計。

2.3 直流擊穿性能

利用1.2節(jié)描述的連續(xù)升壓法測試了S1，S2和S3試樣在溫度30 ℃，50 ℃，70 ℃，90 ℃下的直流擊穿電場強度，如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)規(guī)定最小值(即S2試樣在90 ℃下?lián)舸╇妶?為100，并以此最小值為基值進行倍數(shù)關(guān)系標(biāo)示。

圖7 S1和S2及S3試樣在不同溫度下的直流擊穿電場強度(連續(xù)升壓法)Fig.7 The DC breakdown strength of S1,S2 and S3 samples at different temperatures (continuous increasing voltage method)

由圖7可知，柔直電纜絕緣料S1具有更高的直流擊穿電場強度，而在較低溫度下高壓交流電纜絕緣料S2的直流擊穿電場稍高于國外柔直電纜絕緣料S3，但在較高溫度下則相反。相比于S2試樣，S1試樣的直流擊穿電場明顯提高，尤其是在較高溫度下，90 ℃下后者約為前者的1.6倍。這說明通過添加納米粒子抑制了空間電荷積累，降低了局部電場畸變，間接地提高了擊穿電場。為進一步研究絕緣材料在相對較長時間、高溫下的直流擊穿性能，利用階梯升壓法(階梯電壓ΔE=10 kV/mm，維持時間Δt=30 min)開展了3種試樣在90 ℃的直流擊穿電場實驗。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，共開展了5組實驗，結(jié)果如圖8所示。

圖8 S1和S2及S3在90 ℃下的直流擊穿電場強度(階梯升壓法)Fig.8 The DC breakdown strength of S1,S2 and S3 samples at 90 ℃ (step increasing voltage method)

由圖8可知，在90 ℃下，S1試樣直流擊穿電場強度最高，約為S2試樣的1.27倍；S3試樣直流擊穿電場次之，約為S2試樣的1.09倍；S2試樣直流擊穿電場最低。圖8結(jié)果也表明柔直電纜絕緣料在較高溫度下具有良好的長時間空間電荷抑制性能，故在較長時間的直流電場下具有較高的擊穿性能。

3 結(jié)論

文中基于空間電荷、電阻率、直流擊穿電場強度3個關(guān)鍵性能指標(biāo)對研發(fā)的高載流量柔性直流電纜絕緣料進行了大量的研究，結(jié)論如下：

(1) 該柔直電纜絕緣料在20 ℃和高溫(90 ℃)下具有良好的長期空間電荷抑制性能，明顯優(yōu)于高壓交流電纜絕緣料和國外柔直電纜絕緣料；

(2) 與交流電纜絕緣料和國外柔直電纜絕緣料相比，該柔直電纜絕緣料(尤其在高溫下)具有較高的電阻率及較低的電阻率溫度系數(shù)。

(3) 相比于其他2種絕緣材料，該柔直電纜絕緣料(尤其在高溫下)具有較高的直流擊穿電場強度。