王錦明，劉延卓，蘇禹，賈超，方菊，李智文

（1.長園電力技術(shù)有限公司；2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000）

高壓柔性直流輸電系統(tǒng)具有長距離、大容量、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，在目前的長距離大容量輸電線路和新能源規(guī)?；玫拇箅娋W(wǎng)互聯(lián)技術(shù)中起著重要的作用，對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，保障電力安全及能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。高壓柔性直流輸電系統(tǒng)在大容量輸電線路、海上長距離輸電、城市電網(wǎng)、新能源接入方面有著顯著的優(yōu)越性，有望成為高壓輸電的主流技術(shù)。隨著高壓柔性直流電纜制造技術(shù)的不斷發(fā)展，與之相配套的直流電纜附件的研究工作也陸續(xù)地在國內(nèi)外開展。高壓超高壓直流電纜附件的研制是一項(xiàng)涉及多門學(xué)科的復(fù)雜過程，一直制約著直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展。

雖然在高壓交流電纜及附件的研制方面我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某煽?，但是在直流和交流電場下附件的特性差異性很大。因此對高壓直流電纜附件絕緣材料關(guān)鍵技術(shù)研究是非常有必要的，也是推動(dòng)高壓超高壓直流電纜附件發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文主要從表層分子結(jié)構(gòu)改性調(diào)控技術(shù)和納米改性非調(diào)控技術(shù)2方面進(jìn)行研究，提出適用于高壓直流電纜附件的材料配方，并對±320kV和±500kV高壓直流電纜附件樣品進(jìn)行了型式試驗(yàn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓直流輸電因其特有的優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用。國外主要的電纜及附件制造商ABB、普睿司曼均已成功研制出高壓直流電纜附件。

ABB研發(fā)的直流電纜接頭是在電纜絕緣與附件增強(qiáng)絕緣之間增加了一層具有非線性控制性電應(yīng)力材料，該材料在不同溫度、電場下使得附件增強(qiáng)絕緣、電纜絕緣接觸的兩側(cè)電導(dǎo)率、介電常數(shù)相匹配，有效避免了空間電荷在界面的積聚。但這種新型電應(yīng)力材料研發(fā)難度大、價(jià)格高，而其他關(guān)于新型高壓直流電纜附件的研究鮮有報(bào)道。

國內(nèi)廠商對高壓直流電纜及附件的研究起步較晚，目前高壓直流電纜附件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)還有待完善，已成功研發(fā)出高壓直流電纜附件的廠家只有兩三家，上海三元電纜附件有限公司已研發(fā)出±160kV、±200kV電壓等級的直流電纜附件，長園電力和長纜電工這兩家公司均已研發(fā)出±500kV及以下電壓等級的電纜附件。雖然這些廠家研發(fā)的直流電纜附件產(chǎn)品已有部分應(yīng)用于實(shí)際工程中，但投運(yùn)時(shí)間不長，安全可靠性還有待驗(yàn)證。這三家公司在絕緣材料上的選擇也有所不同，長纜電工科技股份有限公司是采用三元乙丙橡膠作為高壓直流電纜接頭和終端的絕緣材料進(jìn)行研究，而長園電力技術(shù)有限公司則是采用改性硅橡膠作為絕緣材料進(jìn)行研究。一些專家學(xué)者也對直流電纜附件用絕緣材料進(jìn)行了一些研究，如韓寶忠等人分析了硅橡膠電導(dǎo)率的特性對XLPE絕緣高壓直流電纜終端電場分布的影響，卻未提及空間電荷對電場分布的影響。

2 主要研究的內(nèi)容

高壓直流電力電纜是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，作為重要的電氣、機(jī)械連接部件的直流電纜附件是由不同介質(zhì)組成的復(fù)合絕緣體系，界面上容易產(chǎn)生空間電荷，電荷積聚到一定程度則會引起局部電場畸變，使得絕緣老化加速，甚至威脅輸電系統(tǒng)的安全。本項(xiàng)目首先是對硅橡膠和和EPDM兩種納米改性復(fù)合絕緣材料進(jìn)行了對比研究，鑒于我公司實(shí)際情況及之前交直流電纜附件的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，最后將硅橡膠納米改性復(fù)合絕緣材料作為項(xiàng)目主要研究核心，從實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬兩方面對直流電纜附件增強(qiáng)絕緣和XLPE絕緣組成的雙層介質(zhì)界面的電荷調(diào)控方法與抑制機(jī)理進(jìn)行研究，解決直流電纜附件絕緣材料關(guān)鍵技術(shù)問題。

選用雙組份加成型液體硅橡膠為基料，以納米材料為改性填料，通過研究不同的納米材料和不同添加比例的納米材料和液體硅橡膠復(fù)合材料的電導(dǎo)介電性能，并與純硅橡膠的性能作對比，再采用有限元仿真軟件對高壓直流電纜附件的電場、溫度場分布進(jìn)行仿真計(jì)算，從而對配方的合理性進(jìn)行初步驗(yàn)證。

3 解決的關(guān)鍵問題

本次材料改性主要解決絕緣材料的電導(dǎo)特性和空間電荷特性。本項(xiàng)目解決的關(guān)鍵問題如下。

（1）納米/LSR復(fù)合材料電導(dǎo)率-溫度特性研究與分析。

（2）納米/LSR復(fù)合材料電導(dǎo)率-電場特性研究與分析。

（3）納米/LSR復(fù)合材料電導(dǎo)率-溫度、電場特性研究與分析。

（4）納米復(fù)合液體硅橡膠的介電特性研究與分析。

（5）多物理場下空間電荷特性影響機(jī)理研究與試驗(yàn)。

4 研究方法與技術(shù)路線

本項(xiàng)目主要研究方法是通過對硅橡膠材料進(jìn)行進(jìn)行納米摻雜改性，調(diào)整硅橡膠材料的電導(dǎo)率性能和非線性度使之與直流XLPE電纜絕緣電導(dǎo)率參數(shù)進(jìn)行匹配，同時(shí)通過納米和硅橡膠接枝工藝，改善硅橡膠內(nèi)部空間電荷水平，從而抑制硅橡膠和XLPE絕緣界面的空間電荷生成，消除電纜附件界面擊穿問題。具體技術(shù)路線為：

（1）表層分子結(jié)構(gòu)改性調(diào)控技術(shù)。表層分子結(jié)構(gòu)改性調(diào)控技術(shù)主要是通過改變聚合物表面化學(xué)組份和物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其電氣性能的改善，相關(guān)研究表明表層分子結(jié)構(gòu)改性的溫度、時(shí)間、壓力等條件能夠在一定程度上抑制絕緣材料的空間電荷，同時(shí)利用強(qiáng)電負(fù)性材料對絕緣材料進(jìn)行特殊化處理，并對其表面電荷電離能、電子親和能等特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)新生成的化合鍵層在抑制絕緣材料表面電荷積累方面有一定的效果。利用強(qiáng)電負(fù)性混合氣體對絕緣材料分別進(jìn)行20、40和60min的處理，發(fā)現(xiàn)試樣的靜態(tài)接觸角降低，改變材料的表面能、表面電導(dǎo)等特性能促進(jìn)絕緣材料表面電荷的消散。表層分子結(jié)構(gòu)調(diào)控對復(fù)合絕緣介電常數(shù)、空間電荷與陷阱能級分布的影響進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)調(diào)控時(shí)間在20min以上可降低深陷阱密度，并有效抑制材料空間電荷的注入與積聚。通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)表層分子結(jié)構(gòu)改性可以彌補(bǔ)試樣本身的一些缺陷，降低了試樣的陷阱深度，并提高了電荷消散速度，有效抑制電荷在絕緣材料中的耐電暈性能。

（2）納米改性非調(diào)控技術(shù)。場梯度或應(yīng)力控制通常是指降低電力設(shè)備中的電場集中程度。有些材料的電導(dǎo)率或極化會隨著外界電場的變化而呈現(xiàn)非線性變化，這類材料被統(tǒng)稱為非線性材料。非線性材料應(yīng)用在大容量、高電壓等級的電力設(shè)備上有明顯的優(yōu)勢，能夠提高產(chǎn)品競爭力，也在一定程度上解決了設(shè)備成本、尺寸、溫度和損耗之間的矛盾。

對納米材料調(diào)控直流電場分布進(jìn)行大量試驗(yàn)，將硅橡膠與納米材料混合，通過填充納米材料得到非線性電導(dǎo)復(fù)合材料，當(dāng)納米材料填充到一定比例后，復(fù)合材料就可表現(xiàn)出非線性電導(dǎo)特性。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)納米材料的表面處理工藝對納米材料在硅橡膠中的分散有很大的影響，從而會影響材料的電導(dǎo)率均壓程度。而且納米料的不同對復(fù)合材料的非線性系數(shù)影響很大。通過添加納米材料，可對納米改性硅橡膠材料的高低場電導(dǎo)、電場閾值和非線性系數(shù)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。與相同充量的微米硅橡膠復(fù)合材料相比，納米硅橡膠復(fù)合材料的電導(dǎo)率要高，而且在較低電場作用下就能表現(xiàn)出隧道效應(yīng)，同時(shí)納米硅橡膠復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)能均勻幾何尖端處的電場分布，抑制電暈放電。綜上所述，除了具有優(yōu)異的電場調(diào)控能力外，納米材料的添加可使材料獲得非線性電導(dǎo)特性，有效促進(jìn)材料表面電荷消散，降低表面電荷水平，進(jìn)一步改善了空間電荷積聚問題。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）調(diào)控電導(dǎo)率技術(shù)，通過硅橡膠絕緣材料納米改性來調(diào)控電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)電場分布的均化。同時(shí)，將電纜絕緣材料和附件增強(qiáng)絕緣材料改性，使得在不同溫度、電場下兩種材料的電導(dǎo)率比值與介電常數(shù)比值接近，從而達(dá)到減小界面空間電荷的目的。

（2）利用納米改性非調(diào)控技術(shù)，將硅橡膠與納米材料混合，通過填充納米材料得到非線性電導(dǎo)復(fù)合材料，通過添加納米材料，可對納米改性硅橡膠材料的高低場電導(dǎo)、電場閾值和非線性系數(shù)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。

（3）通過對硅橡膠絕緣材料進(jìn)行改性研究及對直流電纜附件進(jìn)行熱場、電場仿真計(jì)算與分析，研制出直流液體硅橡膠材料，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首例±500kV電纜附件系統(tǒng)型式試驗(yàn)。

（4）通過本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)改性后的材料適應(yīng)性廣，可以與超純電纜料和納米改性電纜料良好配合，并且可以與交流加工設(shè)備通用，加工方便降低研發(fā)成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目通過對高壓柔性直流電纜附件絕緣材料關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，突破了直流電纜附件發(fā)展的瓶頸。項(xiàng)目研究成果將可以很好地應(yīng)用于高壓直流電纜附件產(chǎn)品中，同時(shí)能為直流電纜附件空間電荷積聚問題提供一定的技術(shù)支撐，能夠推動(dòng)高壓直流輸電系統(tǒng)的更快發(fā)展。同時(shí)可以替代國外同類產(chǎn)品，打破了國內(nèi)市場直流電纜附件基本由發(fā)達(dá)國家壟斷的局面，增強(qiáng)民族工業(yè)競爭力，大幅減少了電力系統(tǒng)建設(shè)投資成本。直流電纜附件其優(yōu)越的安全性能可大大降低用電的安全隱患，減少維修所耗的人力、物力，同時(shí)在一定程度上減少事故發(fā)生。