直流电缆纳米复合材料及测试方向

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一、柔性直流电缆系统

1 柔性直流输电技术

按照采用的换流器件不同，直流有两种。1）基于晶闸管的电流源型换流器（Line Commutated Converter, LCC)。传统。2）采用IGBT、IGCT等元件构成电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）。新型。

ABB称为轻型高压直流（HVDC Light），西门子称为新型高压直流（HVDC Plus），我国称为高压柔性直流（HVDC Flexible）。

2 柔直输电技术应用范围

3 柔性直流电缆系统组成

柔性直流输电系统包括换流变压器、VSC换流站、柔性直流挤出绝缘电缆线路三部分，构成参见下图：

图中C部分代表了柔性直流电缆系统，包括电缆本体、电缆附件（接头和终端）。此技术落后于其它技术的发展，成为决定柔直输电技术整体发展的关键。

4 柔性直流电缆绝缘材料

绝缘电缆材料是整个柔直电缆系统的核心，决定了能够达到的电压等级高度。其常用的PE通过物理方法（例如紫外辐照）或者化学方法（如DCP）进行交联，材料由线型结构变为网状结构XLPE（交联聚乙烯），机械性能、耐温性能显著提高。

PE是由晶体和非晶部分组成，存在较多的界面；在电缆绝缘的试制过程中，会添加抗氧剂、交联剂等物质；另外，在电缆交联后，由于脱气不完全，可能形成孔洞等。这些物理缺陷、杂质等均是空间电荷积聚的成因。

与交流电缆交变电场不同，直流电缆绝缘在直流电场长期作用下，绝缘内部容易积累空间电荷，并引起绝缘电场发生畸变。因此，必须使用能够抑制空间电荷积累的电缆绝缘材料。

据相关文献报道，空间电荷使得电缆绝缘电场畸变最高达8倍，这将加速材料的电老化，甚至击穿破坏，缩短材料的使用寿命。

二、直流电缆用纳米复合材料超净

纳米复合材料

国内关于柔直电缆绝缘料研究较为热门的是无机纳米掺混，主要有MgO、SiO2、ZnO等几种无机纳米粒子作为空间电荷抑制剂用于柔直电缆绝缘料中。它的空间电荷抑制效果、在PE中的分散性能是研究需要关注的重点。

国网电科院对柔直电缆绝缘料的空间电荷性能进行了充分的柔直料配方A2试样在不同电场、不同温度和不同加压时间条件下，均具有良好的空间电荷抑制能力。

由于纳米粒子添加含量较小，在保证其优良空间电荷性能的同时，其常规电气性能、机械性能也能满足相关要求。

纳米复合材料存在问题及解决方案

存在以下问题：①整体制备环境不洁净，空气中含有成分复杂的各种污染物和水份，影响材料性能；②制备工序复杂，易引入杂质，如金属颗粒等；③采用电子计量称，原料计量精度低；④纳米材料易逸出，成分不稳定。

纳米复合材料超净试制系统

为了解决柔直电缆绝缘料制备过程中存在的问题，国网电科院新建了国内首个超净、恒温、低湿柔直电缆绝缘料试制成套装置。实验室最高洁净等级达100级，计量称、挤出机、水下切粒机均采用国际领先的供应商设备。

纳米复合材料分散性能测试

通过SEM可以看出，纳米粒子在PE中分布均匀，聚集态纳米粒子粒径在100-200nm之间，分散良好。熔体流动速率试验结果表明，材料在加速老化的过程中，纳米粒子没有发生二次团聚。TGA试验结果表明，制备系统稳定运行后，PE中纳米粉末实测浓度与添加值相等，浓度相对稳定。

三、纳米复合材料性能表征

1.空间电荷性能

为研究高压、高温、长期电压下的空间电荷性能，进一步测试了复合材料试样在90℃下并加压24h后的空间电荷分布情况。由图可知，随着加压时间的增加，S1试样中的空间电荷分布几乎没有发生明显变化。

分析表明，纳米复合材料在较严苛情况下的电场畸变率不超过5%，其具备良好的空间电荷抑制性能。

2.电阻性能

测试了纳米复合试样S1在温度30℃、50℃、70℃和90℃下的电阻率与温度的关系，电场为20kV/mm。并与其它两个试样（S2和S3）进行了对比。

S1试样中添加的纳米粒子形成了更深的陷阱，降低了载流子迁移率，引起电导率下降或电阻率升高，即能够降低绝缘热损耗。

3.直流击穿性能

测试了纳米复合试样S1在温度30℃、50℃、70℃和90℃下的直流击穿场强与温度的关系。并与其它两个试样（S2和S3）进行了对比。

纳米复合材料S1具有最高的直流击穿电场强度，这说明通过添加纳米粒子抑制了空间电荷积累，降低了局部电场畸变，间接地提高了击穿电场。

4.机械性能

上述的电气性能测试研究表明，柔直电缆纳米复合绝缘材料的空间电荷、电阻率、直流击穿等方面性能优异，这可能与纳米粒子在XLPE中引入了较深的陷阱能级有较大的关联。

另外，也测试了研发纳米复合绝缘料的拉伸、热延伸、老化等方面的性能，并与现有商用直流料进行了对比。

四、直流电缆空间电荷测试技术

1.空间电荷产生原因及危害

空间电荷的产生既可以是由于自由电荷被材料内部的陷阱能级捕获，也可以是由于外加电场导致的偶极极化等，主要指陷阱电荷或束缚电荷。空间电荷可以来源于外加高场后的电极注入，也可来自于高场引发的杂质解离，但前者被认为是空间电荷形成的主要原因。

对于XLPE绝缘直流电缆而言，聚乙烯的结构特点是结晶相和非晶相共存，这种结构可以看作是含有大量局域态的晶体能带结构，在XLPE直流电缆生产过程中，通常添加抗氧剂、交联剂等，这些都可认为是杂质。

2.空间电荷测试方法

电声脉冲法(pulsed-electro acoustic, PEA)和压力波法(pressure wave propagation, PWP) 是最常用的空间电荷测试方法，起源于上个世纪七八十年代，其方法原理针对平板试样，且已在多篇文献中提及。

PEA法和PWP法是空间电荷测试的两种最基本的方法，分辨率在同一数量级。在实际的测试中，这两种方法具有互补性，可根据需要进行选择。

►PEA法测试系统价格便宜，设备灵巧，使用方便。但受制于高压脉冲发生器，其信号较小，需反复测试并取平均值。同时，受限于压电转换薄膜的工作温度，其工作温度一般不高于70℃

►PWP法测试系统价格较贵，设备笨重。但其使用脉冲激光，信号强度大，一般仅需一次即可获得可靠数据。同时，样品的测试温度可达90℃以上。

根据试验条件和测试样品种类，可分为平板试样空间电荷测试、模型电缆空间电荷测试、电缆空间电荷测试。

►平板试样测试是最为快速的空间电荷测试方法，能根据试验需要迅速改变试样的温度、电压，但试片的平行结构与电缆轴形存在一定差异。

►模型电缆测试也是相对较为简单的空间电荷测试方法，同时其保存了电缆的轴形结构，因此所测数据也有一定的可靠性。

►电缆空间电荷测试能真实地反映电缆绝缘的空间电荷分布情况，但其在试样处理和操作上存在较大的复杂性。

3.模型电缆空间电荷测试方法

在国内，同济大学、国网电科院等单位开展了PWP法电缆空间电荷测试系统的研究。

►由电缆试样的空间电荷信号可以看到，随着外加电场升高，电缆绝缘界面及内部空间电荷明显增长。

►可以看出，电缆绝缘的同极性空间电荷主要来自于内半导电电极注入。

►在直流电缆开发过程中，通过绝缘中空间电荷的测试，能较快地判断直流电缆的空间电荷性能，并对直流电缆料的配方、工艺研究，甚至直流电缆的结构设计具有指导意义。

4.电缆空间电荷测试方法

通过国网公司科技项目支持，国网电科院目前已开发用于±320kV柔直电缆的空间电荷测试系统。该系统基于激光压力波法，已能完成二十几毫米厚度电缆绝缘层的空间电荷测试。此系统不但测试信号强、信噪比高，还能测试较高温度下的空间电荷分布。

最后，其对国网电科院实验验证中心电缆检测进行了介绍。