核心提示：　　高壓直流輸電有許多優(yōu)點(diǎn)，線路成本紙、線路損耗小、沒有無功功率、電力連接方便、容易控制和調(diào)節(jié)，尤其是在長距離輸電中直流電力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用。我國在80年代已建成葛州壩到上海的500kV直流輸電線路，

　　高壓直流輸電有許多優(yōu)點(diǎn)，線路成本紙、線路損耗小、沒有無功功率、電力連接方便、容易控制和調(diào)節(jié)，尤其是在長距離輸電中直流電力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用。我國在80年代已建成葛州壩到上海的500kV直流輸電線路，最近又在建設(shè)三峽剄常州的500kV直流輸4線路。直流電力電纜具有下列優(yōu)點(diǎn)：絕緣的工作電場強(qiáng)度篼，絕緣厚度薄，電纜外徑小、重量輕、柔軟性好和制造安裝容易；介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗低，載流量大；沒有交流磁場，有環(huán)保方面的優(yōu)勢。相對于交流電力系統(tǒng)而言，直流篼壓電力電纜的發(fā)展是滯后的，例如，在日本發(fā)展1000kV電力設(shè)備的同時，也研制成功了500kVXLPE電力電纜，并很快投入了運(yùn)行，可是，500kV的直流電力電纜至今尚未研究成功w.研制篼壓直流電纜還有一些困難要克服，困難之Hi空間電荷問題，只有懂得空間電荷才能成功設(shè)計(jì)高壓直流電力電纜。

　　1直流輸電容量直流高壓輸電起始于50年代，隨著篼壓晶閘管技術(shù)的進(jìn)步，篼壓大電流的換流技術(shù)變得較為簡單，篼壓直流輸電在先進(jìn)國家中已成為交流輸電的競爭對手，在世界范圍內(nèi)，篼壓直流輸電容量隨年份的增加情況如所示。

　　2影響直流絕緣介電強(qiáng)度的因素眾所皆知在交流電場中復(fù)合絕緣中的電場分布決定于介電常數(shù)，在直流電場中，電場按電阻率大小一交壓器油層壓板與油復(fù)合絕緣在電場中的電場分布分布，工頻電場變化如此快，材料中的正負(fù)電荷的遷移無法跟上電場的變化，因而絕緣中也不會產(chǎn)生空間電荷，可是在直流電場中則相反，將形成空間電荷，影響電場分布。如（a）示出層壓板與油復(fù)合絕緣在直流和交流電場中的電場分布。由（b），在交流情況下等位線平行層壓板，電力線垂直于層壓板，復(fù)合絕緣的介電強(qiáng)度很篼，但由（a）也可見，在直流電場中，在兩層板相搭蓋的油隙中，等位線幾乎與層壓板相垂直，電場強(qiáng)度沿層壓板表面分布，介電強(qiáng)度很低。如再考慮空間電荷對直流電場的影響，電場分布更不均，復(fù)合絕緣的介電強(qiáng)度更低。

　　3空間電荷效應(yīng)當(dāng)聚乙烯為絕緣時，聚合物具有大量的局部態(tài)，空間電荷效應(yīng)特別嚴(yán)重，以聚乙烯為試樣，在進(jìn)行脈沖擊穿試驗(yàn)時，先對試樣進(jìn)行直流預(yù)壓，所示直流預(yù)壓對脈沖擊穿電場強(qiáng)度的影響。

　　由可見，當(dāng)直流電壓與脈沖擊穿電場強(qiáng)度相同時，隨著直流電壓幅值的增加，脈沖擊穿電場強(qiáng)度也略有增加。當(dāng)兩者極性相反時，隨著直流電壓的增加，脈沖擊穿電壓線性下降，當(dāng)去掉直流預(yù)壓電壓后再加脈沖電壓，其間隙時間對脈沖擊穿電場強(qiáng)度影響很大，間隙時間越長，脈沖擊穿電場強(qiáng)度越高。

　　以上。

　　E/E.與加壓時間的關(guān)系由可見，不論是電纜的內(nèi)屏蔽還是外屏蔽層附近的介質(zhì)中，空間電荷使電場強(qiáng)度提高的倍數(shù)隨著加壓時間的延長而增加。為了表達(dá)清楚，把中加壓48小時后絕緣中電場強(qiáng)度的理論值和測量值如下：電纜絕緣在加壓48小時后內(nèi)屏蔽層附近的電場強(qiáng)度幾乎為理論值的8倍多，外屏蔽層附近也提高了6倍。電纜絕緣在加壓60小時后發(fā)生擊穿，充分說明了空間電荷在直流塑料絕緣中的危害性。

　　5直流塑料電纜絕緣材料的研究研制直流塑料電纜的關(guān)鍵是消除絕緣材料中的空間電荷，日本在XLPE中添加兩種填料是+極化的無機(jī)填料（XQ）；2.XLPE+導(dǎo)電無機(jī)填料（XLA）。通過偶極子定向極化的無機(jī)填料抑制空間電荷，或?qū)щ姛o機(jī)填料吸附載流子，降低空間電荷。上述兩種絕緣料制造模型電纜，測得的電纜絕緣擊穿電壓與絕緣厚度的關(guān)系見。從圖可知，普通的XLPE直流擊穿電壓最低，隨著絕緣厚度的增加會趨向飽和趨勢，在其中添加極化和導(dǎo)電的無機(jī)填料，兩者的效應(yīng)幾乎相等，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)擊穿電壓與厚度呈線性關(guān)系，在相等厚度下，XQ和XL*A的擊穿電壓比普通XLPE提高80%.不同直流電纜絕緣的擊穿電壓與厚度的關(guān)系在模型電纜絕緣上施加不同的電壓，測得絕緣電阻率與電場強(qiáng)度的關(guān)系如所示。從圖可知，普通XLPE的電阻率最低，其次是XLPE中添加導(dǎo)電無機(jī)填料的，最高的是XLPE中添加極化的無機(jī)填料。添加少量無機(jī)填料（1 %），不僅降低XLPE的電P且率，還有提高電阻率的作用。這一現(xiàn)象正好說明無機(jī)填料有吸附載流子的作用。

　　模型電纜絕緣的電阻率與電場強(qiáng)度的關(guān)系1976年日本日立公司首次報道研制DC電纜的情況時，絕緣中空間電荷分布測量技術(shù)還不過關(guān)，電纜絕緣中的空間電荷分布只能采用粉沫圖像法作定性分析，把紅鉛和硫的混合粉沫散在交聯(lián)聚乙烯電纜的截面上，根據(jù)紅、黃色環(huán)的分布區(qū)分正負(fù)電荷的存在。或用TSC曲線推算電荷在絕緣中的分布。

　　示出普通交聯(lián)聚乙烯和含有無機(jī)填料交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣（絕緣厚度6mm）的擊穿電場強(qiáng)度與電纜溫度的關(guān)系。

　　從可見，普通交聯(lián)聚乙烯絕緣的直流擊穿電場強(qiáng)度隨著溫度的升高而線性下降，在9（TC下，普通交聯(lián)聚乙烯和含有無機(jī)填料交聯(lián)聚乙稀電纜絕緣的直流和反極性擊穿試驗(yàn)的結(jié)果反極性擊穿電場強(qiáng)度最低，當(dāng)交聯(lián)聚乙烯中含有無機(jī)填料時，直流擊穿電場強(qiáng)度幾乎與溫度無關(guān)，在9CTC下，反極性擊穿電場強(qiáng)度較高。

　　6日本250kVXLPE電纜的結(jié)構(gòu)日本以XQ和XL*A兩種絕緣材料研制了250kVXLPE海底電纜，電纜的截面結(jié)構(gòu)示于中。中電纜導(dǎo)線截面積為800mm2，絕緣厚度20mm，工作溫度下，設(shè)計(jì)的場強(qiáng)為50kV/mm，脈沖設(shè)計(jì)場強(qiáng)55kV/mm.為了制造長電纜，必須在工廠中把分段電纜連接起來，在工廠中使用的電纜連接頭的結(jié)構(gòu)如0所示。由圖可見，連接頭的絕緣材料與電纜本體的絕緣材料是相同的。連接頭的外徑與電纜直徑相等，連接頭制造好之后，整個電纜外繞包鎧甲線，完成海底電纜。

　　導(dǎo)體（咖mm\鋼）內(nèi)半導(dǎo)體層絕緣外半導(dǎo)體層防溻護(hù)套聚乙烯抗腐襯墊層鉬絲鎧裝（批mmx39根）聚丙烯股繩外徑最大！24mm重XLPE電纜絕緣中的空間電荷導(dǎo)體內(nèi)半導(dǎo)體屏fis外半羚體屏沖層（壓屯S件測量條件為：（1）導(dǎo)線和空氣溫度均為5C，加*500kV3小時，然后再加+500kV3小時；（2）導(dǎo)線溫度85.和空氣溫度7*C加一500kV3小時，然后再加+500kV3小時。在不同溫度下，測得DCXLPE電纜絕緣中的空間電荷分布如2所示。

　　2中電纜的外電極位于0處，內(nèi)電極位于20mm處，在室溫下，當(dāng)電纜上外施電壓500kV后立即或加壓3小時后測量，在絕緣靠近電極處出現(xiàn)小量的異極性電荷（2（A）中（a）（b）），靠近外電極的負(fù)電荷分布在l2mm的狹窄范圍內(nèi)，接著負(fù)電荷之后出現(xiàn)一個小的正電荷峰，分布在較寬廣的范圍內(nèi)，加壓時間延長，這些峰略有增加，短路后（2（A）中（c）），在外電極處留下很小的正電荷峰。

　　電壓下，空間電荷的峰值略有增加，分布范圍更寬廣，短路后留下更多一些，可見，從2中（d）（e）也可見，在+500kV電壓下，與室溫下相比，在外電極處正電荷的峰值并不增加，短路不能完全釋放空間2DCXLPE電纜絕緣中的空間電荷電荷。

　　8250kVDCXLPE電纜絕緣中的電場分布根據(jù)電纜絕緣中的空間電荷分布，由泊松方程可以解得絕緣中的電場強(qiáng)度的分布，3示出不同溫度下，內(nèi)外電極附近，絕緣和半導(dǎo)界面處，電場強(qiáng)度隨加壓時間的情況。

　　如在絕緣中無空間電荷，可以計(jì)算出在電纜內(nèi)外半導(dǎo)體處的電場強(qiáng)度分別為36kV/mm和18kV/mm，從3（a）低溫下的曲線可見，當(dāng)導(dǎo)體為負(fù)極性時，外電極處電場強(qiáng)度幾乎與加壓時間無關(guān)，而在內(nèi)電極處的電場強(qiáng)度隨著加壓時間的增加緩慢上升。當(dāng)導(dǎo)線為正極性時加壓到240分鐘時，因空間電荷的積累，內(nèi)外電極處電場強(qiáng)度達(dá)到最低值。

　　由3（b）高溫下曲線可見，當(dāng)導(dǎo)線為負(fù)極性時，外電極處電場強(qiáng)度隨著加壓間的增加緩慢上升，而內(nèi)電極處的電場強(qiáng)度一直在小范圍內(nèi)波動，當(dāng)導(dǎo)線為正極性時，內(nèi)電極處電場強(qiáng)度隨著加壓時間的增加而緩慢下降，而外電極處相反，緩慢上升。

　　空間電荷的存在只使內(nèi)電極處電場強(qiáng)度增加10%40%，比第三節(jié)中講到的純XLPE中，空間電荷可使電場強(qiáng)度的增加小得多，添加無機(jī)填料幾乎完全消除了空間電荷的影響。

　　9直流塑料電纜絕緣材料的研究動態(tài)發(fā)展高壓直流電纜，關(guān)鍵是材料，雖然日本已經(jīng)時間（分）⑷低溫時間（分）（h）尚溫3內(nèi)外半導(dǎo)電極附近絕緣中最大電場強(qiáng)度隨加壓時間的關(guān)系研制成功了世界第一條250kV直流XLPE電纜，但是人們在為尋找更好的直流電纜絕緣而不斷努力。Khalil等熱激勵電流的測量，研究了BaTi03和電極材料對聚乙烯中空間電荷形成的影響。為了實(shí)測這種試樣中的空間電荷分布，我們?nèi)ツ暌苍?00目BaTi03在11（TC的熱煉機(jī)上混入聚乙烯中，壓成0.5mm板，用電聲脈沖法測量了試樣中的空間電荷分布M.眾所皆知，采用無機(jī)填料可以消除聚乙稀中的空間電荷效應(yīng)，無機(jī)填料比重大，增加電纜重量，必須用偶聯(lián)劑增加界面強(qiáng)度，工藝復(fù)雜。

　　日本研究發(fā)現(xiàn)在聚乙烯中添加1 %的極性基團(tuán)可以大大降低空間電荷；韓國用極性基團(tuán)對聚乙烯接枝和共混，降低了聚乙烯的空間電荷；聚乙烯的空間電荷效應(yīng)與本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，把高密度聚乙烯和低密度聚乙烯共混可降低空間電荷，有望在直流電纜上得到使用；我們最近的研究表明，在聚乙烯中添加一點(diǎn)氯化聚乙烯，也可以大大降低空間電荷效應(yīng)，氯化聚乙烯與聚乙烯相溶性好，具有工業(yè)應(yīng)用的前景；以有效成核劑分散在聚乙烯中，改善形態(tài)也能降低空間電荷。

　　10結(jié)束語近十年來，固體介質(zhì)中空間電荷分布的測量和空間電荷的形成、抑制機(jī)理的研究，是絕緣領(lǐng)域中研究最活躍的課題，研究此課題不僅具有巨大的工業(yè)應(yīng)用前景，而且改變電介質(zhì)介電強(qiáng)度的基本理論，現(xiàn)代研究表明，空間電荷的陷阱、復(fù)合產(chǎn)生的高能粒子是導(dǎo)致聚合物分子鏈斷裂的根本原因，空間電荷效應(yīng)也是開發(fā)新型傳感器的一種途徑。