超高压直流电缆用交联聚乙烯在允许电压下不导电的材料的研究及应用

  古河公司开发了可用于超高压直流（DC）电缆的在允许电压下不导电的材料，其主要成分为交联聚乙烯（XLPE）。实际的DC电缆是通过优选稳定供应的材料和加工后建立的供应链而得到的材料来制造的。通过对该电缆进行不同公司内外的评估，已确认满足所有要求的性能。该公司已完成了DC525kV级电缆系统的长期通电试验，相信能够为未来可再次生产的能源的普及作很大贡献。

  DC输电在电路中具有较小的功率损耗和较高的系统稳定性，因此DC输电比交流（AC）输电更适用于长距离和大容量的输电。然而，由于AC到DC和DC到AC间的变频器比AC之间的变压器设备需要占用较多的空间，因此DC输电主要使用在于有足够远的传输距离和较大传输容量的项目。

  预计太阳能和风力等可再次生产的能源在未来将更加普及，这样一来，常常要大范围场地来安装设备。在大规模发电的情况下，人们认为将在人口密度相对低的地区和近海地区进行部署。因此，预计可再次生产的能源电源的位置与需求地区之间的距离将变得较远。同时，人们认为，未来电力公司之间和区域电网之间的互联互通会慢慢的密集。为实现以上描述的目标，正在考虑引入大容量电网连接线。因此，擅长于远距离输电的DC输电技术的实用性在未来将继续受到大家的关注。

  一段时间以来，古河公司一直在为DC提供油浸纸绝缘（OF）电缆，但从对环境特性和技术转让等事业持续性的观点来看，这项事业慢慢的变困难。几年前，OF电缆的生产就已经停止了。另一方面，作为DC电缆，使用XLPE等固体在允许电压下不导电的材料的类型已成为当前的主流，该公司一直在努力开发用于DC的XLPE绝缘电缆。这次，古河公司确定了可应用于DC固体在允许电压下不导电的材料的最终成分，优化并确定了供应链、制造设备和条件等，最终DC电缆的工艺细节和性能报道如下。

  ·材料将由电缆制造设备做加工，该设备能从传统制造AC电缆的设备中进行调整。

  ·为了避免诸如在基材中分散性差之类的问题，DC转换的改性不使用填充料或低分子量成分，而是对XLPE本身进行改性和变性。

  针对XLPE的改性和变性方法，该企业决定研究聚乙烯的极性基团改性技术。在使用最新的量子化学计算方式预测改性材料的电气性能时，对多化学成分的化合物做试验，并再次进行第3章以后阐述DC在允许电压下不导电的材料所需性能的评估试验。因此，古河公司能轻松的获得用于DC电缆的良好在允许电压下不导电的材料。评估结果如下。

  DC电缆所用的在允许电压下不导电的材料需要具有与AC电缆不同的性能。尤其，提到的空间电荷性能可作为直流系统特有的所需性能之一。本文重点介绍了这种空间电荷性能和两种评估方法，并报道了每种方法中所开发材料的性能。

  当绝缘体夹在电极之间并保持在直流电场中时，电荷（电子、空穴）从电极三维地注入绝缘体中。这些注入的电荷称为空间电荷。如果这些空间电荷随着充电时间在绝缘体内移动或积累，其分布和密度就会发生明显的变化，导致绝缘体内部电场强度发生局部变化，在最坏的情况下，有时会因异常放大的电场而导致绝缘击穿。因此，重要的是直流绝缘材料不积累空间电荷，不随时间变化，不进行局部电场的放大。

  Q（t）测量的基础原理如图1所示。这是一种简单的测量方法，在夹着样品的电极之间施加图2所示的阶跃型DC电压，并测量随时间注入试样的电荷量。

  古河公司用于普通AC电缆和开发的DCXLPE的片状电缆试样在最高工作时候的温度90℃下的积分电荷Q（t）的测量结果如图3和图4所示。能够准确的看出，纵轴上的积分电荷随着充电时间的增加和充电电场强度的增加而增加。此外，在AC-XLPE的情况下，从大约20kV/mm的电场中可观察到积分电荷有显著的积累。

  另一方面，所开发的DC-XLPE即使在30kV/mm的电场中的积分电荷也没有显示出明显的积累，并且具备比较好的性能。

  为了表示电荷累积的容易程度，取立即充电和充电后300秒的电荷之比作为电荷比率。可以说，电荷比率越小，DC性能越好。

  电荷比率和DC电场之间的关系如图5所示。能够准确的看出，在电场区域，所开发的DC-XLPE试样比AC-XLPE试样具有较少的空间电荷积累，即所开发产品的DC性能有所改善。

  空间电荷特性第二种评估方法是PEA方法。这也与将DC电场施加到夹在电极之间试样的Q（t）方法相同，但不同的是，在电极之间施加脉冲电压并且此时检测试样内部产生的压力波。当空间电荷在试样中积累时，该位置受到脉冲电场力并振动，产生压力波。经过测量该压力波并测量其延迟和大小，可以捕获空间电荷在厚度方向上的位置和空间电荷的累积量。与Q（t）方法相比，该方法更胜一筹，因为它能够给大家提供关于试样厚度方向上的空间电荷的位置和量以及试样中电荷分布的信息。

  作为结果的一部分，本文介绍了开发产品在最高工作时候的温度（90℃）下的测量结果。此外，接地电极放置在试样厚度为0mm%的位置，而高压电极放置于样品厚度为100mm%的地方。

  AC-XLPE片材的PEA测量结果如图7和图8所示。尽管只有7小时的短时间，但观察到的是跟着时间的推移，正电荷在电极附近逐渐积累。这种注入的电荷是一种空间电荷，如果持续测量很久，预计它会在局部电场分布中积累并发展为紊乱状态（图8显示测量时间太短，电场分布尚未受到显著影响）。

  因此，进一步延长测量时间，并在较长的时间内观察DC-XLPE片材中积累的空间电荷量。

  结果如图10和图11所示。即使连续给DC充电7天后，所开发产品的电荷密度分布也没有显示出任何显著变化，因此，能够确认其DC性能是良好的。

  下一步，该企业决定使用开发的DC-XLPE作绝缘层制造一种微型电缆，并进行PEA测量（图12）。

  从图13和图14可以观察到，在早期阶段，接地电极附近积累了小的负电荷，但跟着时间的推移而消失，730小时后（大约一个月），得到了一条非常清晰的曲线。

  如下所示的图15绘制了每次测量时间在整个厚度中的最大局部电场强度除以初始电场强度的最大值称为电场增强因子。如果该值超过1并且逐渐变大，这在某种程度上预示着随着使用，在电缆内部形成比初期更大电场应力的位置，因此，电缆即使在施工后的初期试验中能耐久也不能让人放心。

  从图15中能够准确的看出，使用开发的DC-XLPE电缆的电场增强因子在极短的时间内稳定下来，500小时后几乎平稳地推移。由这些结果可以确认：本次开发的DC-XLPE绝缘拥有非常良好的耐长时间使用的直流性能。

  作为DC-XLPE，市场上有几种来自电力电缆绝缘和半导电材料制造厂的现有产品。为了作比较研究，得到其中的3个品种进行比较（市售品1、2、3）。

  其结果是，在整个测量电场范围内，该公司开发的DC-XLPE绝缘料优于AC-XLPE绝缘料和市售DC-XLPE绝缘料，并且在电力电缆的实际电场设计范围内具备优秀能力的体积电阻率（图16）。

  关于绝缘介质击穿性能，在DC和脉冲两种条件下，将所开发的产品与其他公司的市售DC-XLPE绝缘性能进行了比较。其试验条件如下。

  由于测量值存在变化，很难确定优缺点，但可以确认古河公司开发的产品性能至少不亚于市售品。因此，该公司开发的产品有充足的可靠性能（图17）。

  电缆过硬将对安装和连接的可操作性产生不利影响。因此，作为对机械性能的代表性评估，古河公司还在抗拉强度试验中比较所开发的DC-XLPE在允许电压下不导电的材料和传统的AC-XLPE在允许电压下不导电的材料。试验条件如下。

  如下所示，传统的AC-XLPE在允许电压下不导电的材料和开发的DC-XLPE在允许电压下不导电的材料的机械性能几乎相同，并能获得与传统AC电缆相同的可操作性（图18）。

  此外，经过客户真正的需求的各种试验、企业内部试验和参考试验，古河公司能制造满足所有这些要求的高性能DC在允许电压下不导电的材料。

  使用本文中开发的DC绝缘材料制造了一根实际的电缆，构建包括由诸如连接部件的各种部件组成的电缆系统的试验线，并进行以下长期通电试验。

  根据CIGRE第496号技术手册中的试验建议，该公司对直流525kV电缆系统来进行了资格预审。作为一种特高压海底电缆，该试验于2015年至2019年在新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）的“下一代海上DC输电系统开发项目”中进行，而陆地电缆则由第三方进行。试验顺利完成。这些结果已经证明：古河公司制造的DC电缆具有较高的可靠性（图19）。

  ・开发品与市售的DC-XLPE相比，无论哪个性能都在同等以上，特别是体积电阻率占有优势

  ・使用开发的在允许电压下不导电的材料制造了电力电缆，并成功完成了在DC525kV级电缆系统上进行的长期通电试验。

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