我国发展直流海底电力电缆的前景.pdf

2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 我国发展直流海底电力电缆的前景 应启良 ( 上海电缆研究所，上海 200093) 摘要: 例举世界重要的海底电缆工程， 表明其中大部分为直流海底电缆工程。叙述直流输电特点， 着重以不同 类型的直流和交流海缆载流量计算， 证明直流海底电缆在输电容量、 输电损耗和电缆线路长度限制方面显著 优于交流海底电缆。肯定了我国发展直流海底电缆的必要性。有些运行条件下直流海底电缆会是优先的方 案， 甚至是唯一的选择。提出以发展直流交联聚乙烯( XLPE) 海底电缆作为主要目标， 并在比较不同类型海 缆绝缘中的空间电荷对电场分布和电气绝缘性能影响和深入研究空间电荷积聚、 抑制和移去机理基础上， 积 极研发抑制空间电荷积聚的 XLPE 绝缘料， 作为关键技术突破， 用于开发直流 XLPE 绝缘海底电缆， 推进我国 直流海底电力电缆的技术发展。 关键词: 直流海底电缆输电;直流 XLPE 海缆;Bahder 系数;空间电荷;抑制空间电荷绝缘料 中图分类号: TM247. 9文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 03- 0001- 08 The Prospect of Development of DC Submarine Cables in China YING Qi- liang ( Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai 200093，China) Abstract:A list of world prominent submarine power cable engineering is presented， revealing that most of them are HVDC submarine cable links． The paper describes the features of HVDC transmission system and emphasis is focused on the superiority of the DC power cables over AC power cables in respect of transmission capacity， operating losses and maximum cable route length based on the detailed DC and AC current rating calculation． The prospect of develop- ment of HVDC submarine cables is confirmed and they would be the optimized selection and even the only option for extra long submarine cable route． Owing to unbalanced development of different kinds of power cables in China，it is proposed that XLPE HVDC cable would be the first priority for development and the concerned basic research and R＆D of XLPE compound for DC cables should be taken as the key techniques for promotion of development of HVDC XLPE cables and DC submarine cable engineering application in China． Key words: DC submarine cable transmission; DC XLPE submarine cable; Bahder coefficient; space change; XLPE compound with property of suppression of space charge accumulation under DC voltage 收稿日期: 2011- 11- 22 作者简介: 应启良( 1936 － ) ， 男， 教授级高工． 作者地址: 上海市军工路 1000 号［ 200093］ ． 0引言 海底电力电缆是海底输电工程中最重要的设备 之一。海底电力电缆跨越海峡、 江河， 连接国际、 国 内区域电网， 以平衡电力供需， 进行电力贸易， 或用 以连接近海岛屿与大陆电网， 提高独立岛屿电网运 行的可靠性和稳定性。迅速发展的近海风电场输出 电力与大陆电网并网亦需要采用海底电缆。国际、 国内对海底电缆的需求日益增长。 海底电缆是电力电缆中综合电气和机械性能要 求最高的产品。海底电力电缆工程亦是最困难和技 术要求最高的输电工程。世界各国已经建成数量很 大的海底电力电缆工程。其中重要的海底电力电缆 工程概要见表 1 所示。 从表 1 可见， 世界上海底电力电缆线路最长、 电 压等级最高、 输电容量( 或功率) 最大的海底电力电 缆工程均是直流海底电力电缆。 直流海底电力电缆最主要的电缆类型为粘性浸 渍纸绝缘电缆、 充油电缆和交联聚乙烯( XLPE) 绝 缘电缆。 1直流海底电缆输电工程特点 直流海底电缆输电相比于交流海底电缆输电具 有直流输电所有的优点， 包括线路电流和功率调节 比较容易， 可实现不同频率或相同频率交流系统间 非同步联线， 没有系统稳定问题; 交流输电有要求沿 线安装并联电抗器以补偿电缆线路无功消耗及避免 末端或电缆线的中间电压升高的问题， 采用直流海 底电缆就无此困难。上世纪 90 年代发展并开始工 业性试验和工程应用的柔性直流输电系统具有在潮 流反转时， 直流电流方向反转而直流电压极性不变 的特点 ［1 ］。柔性直流系统用 XLPE 电缆由于运行时 不经受直流电压极性反转， 绝缘中空间电荷积聚影 响减轻， 耐受直流电压和雷电冲击性能提高。电缆 可以采用较高设计电场强度， 从而减薄绝缘厚度， 减 小电缆结构尺寸和重量。 表 1各国重要的海底电缆工程概要 序号 海底电缆工程 ( 完成时间) 名称电缆绝缘电压输电容量线路长度 1 NorNed HVDC ( 2008) 挪威- 荷兰高压 直流海底电缆 粘性浸渍纸绝缘 450 kV ( 两极) 700 MW 580 km 电缆: 两芯平形 2 270 km 单芯 2 150 km 2 Estlink HVDC Light ( 2006) 爱沙尼亚- 芬兰 高压直流海底电缆 ( 柔性直流) XLPE 150 kV ( 两极) 350 MW 2 74 km 海缆 2 31 km 陆缆 3 Skagerrak HVDC Link ( 第 1， 2 极 1976 －1977 年; 第 3 极 1993 年; 第 4 极将于 2014 年完成) 挪威- 丹麦 跨 Skagerrak 海峡高压直流工程 粘性浸渍 纸绝缘 直流电压 第 1， 2 极 250 kV ( 常规直流) ; 第 3 极 350 kV ( 常规直流) 第 4 极 500 kV ( 柔性直流) 第 1 极 + 第 2 极: 500 MW 第 3 极: 440 MW 第 4 极: 700 MW 直流海缆线路长度: 1 －3 极: 127 km 第 4 极: 140 km ( 选用高压直流输电 理由: 跨海峡长度 以及非同步联网) 4 Baltic Dable HVDC ( 1994) 瑞典- 德国 波罗的海 高压直流 海底电缆 粘性浸渍 纸绝缘 直流 450 kV ( 一极， 海水回路) 600 MW海缆 450 km 5 Kontek HVDC ( 1995) 丹麦- 德国 高压直流 海底电缆 扁型充油电缆 ( 2010 年由粘性 浸渍纸绝缘 电缆取代) 400 kV ( 一极) 600 MW海缆: 52 km 6 SAPEI HVDC ( 2010) 意大利- 撒丁岛 高压直流 海底电缆 粘性浸渍 纸绝缘 500 kV ( 两极) 1 000 MW海缆: 2 420 km 7 NordE． ON1 HVDC Light ( 2009) 德国近海风电场- 德国电网高压直流 电缆( 柔性直流) XLPE 150 kV ( 两极) 400 MW海缆: 2 128 km 8 日本跨纪伊海峡 海底电缆工程 ( 2005) PPLP( 聚丙烯- 木纤维纸复合纸) 充油电缆 500 kV 直流 ( 两极 2 根回线) 2 800 MW 4 48. 9 km ( 海底部分 46. 5 km) ( 目前世界最高电压及 输电功率的直流电缆) 9 VanCouver Island Submarine Cable Link ( 1984) 加拿大大陆- 温哥华 海底电缆 充油电缆525 kV 交流 1 200 MVA ( 每回) 两回( 30 +9)km 共 7 根电缆， 1 根备用 10 中国海南联网 海底电缆工程 ( Nexans 公司制造) 充油电缆500 kV 交流700 MVA 4 31 km ( 4 根电缆， 1 根备用) 除上述直流系统的特点以外， 直流电缆本身相 比交流电缆具有明显的优势。在相同的电缆类型、 导体截面和敷设安装条件下， 直流电缆比交流电缆 具有大得多的载流量和输电容量; 低得多的运行损 2 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 耗以及允许的线路长度远超过交流电缆。以下以具 体设计的电缆进行分析比较。 2直流电缆和交流电缆的载流量计算和输 电容量比较 2. 1直流电缆的载流量计算方法和条件 2. 1. 1按热性能计算允许载流量 按导体允许最大温度计算直流电缆载流量是其 安全运行必须满足的界限值。采用 IEC 60287 第 1 部分 1. 4. 1. 2 计算。 2. 1. 2直流电缆负载运行时， 绝缘电场强度按绝缘 稳态电流场分布 考虑绝缘电阻系数随温度和电场强度改变因 素， 在首先满足热性能限制载流量条件下， 由允许电 场强度限值， 确定实际允许载流量。 ( 1) 充油电缆和粘性浸渍纸绝缘直流电缆允许 载流量计算 这两种绝缘油浸渍纸绝缘电缆在直流电压下亦 产生空间电荷积聚， 但并不明显影响绝缘在直流电 压下的运行性能( 以后讨论) ， 因此仅考虑绝缘的电 阻系数随温度和电场强度影响因素， 按稳态电流场 的电场强度分布确定载流量如下。 充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆的绝缘电阻系 数随温度和电场强度变化按式( 1) 表示: ρ = ρoe －αθ－bE ( 1) 式中， ρ 为绝缘电阻系数; α 为其温度影响系数 ( ℃ －1) ; θ 为绝缘温度( ℃) ; b 为其电场强度影响系 数( mm/kV) ; E 为绝缘电场强度( kV/mm) ; ρo为参 考温度和电场强度下的电阻系数。 对此两种电缆， 取 α = 0. 1℃ －1; b = 0. 03 mm/ kV。绝缘半径为 r 处按稳态电流场确定的电场强度 按式( 2) 计算。此计算式导出见参考文献［ 2］ 。 E( r)= δUrδ－1 Rδ－ rcδ kV/mm( 2) 式中， U 为绝缘施加电压( kV) ; δ 由式( 5) 计算。 绝缘温度分布系数为: β = αΔθ ln R rc ( 无量纲)( 3) 式中， Δθ 为导体与绝缘表面温差。 按参考文献［ 2］ ， 中间参数为: γ = bU R － rc ( 无量纲)( 4) δ = β + γ γ + 1 ( 无量纲)( 5) 式中， R 为绝缘半径; rc为导体屏蔽半径。 计算程序为: 按 3. 1. 1 求得的直流电缆热性限 定载流量， 按此计算绝缘温差， 从而确定绝缘表面电 场强度( 稳态电流场下电场强度最大值) 和导体屏 蔽电场强度。如绝缘表面电场强度大于绝缘电场强 度限值( 见 3. 1. 3) ， 则逐步降低载流量， 由计算机程 序按精度要求反复计算， 直至不超过电场强度限值， 以确定直流电缆有负载时允许载流量。 ( 2) XLPE 绝缘直流电缆允许载流量计算 挤包绝缘电缆如 XLPE 直流电缆， 在直流电压 下表现出明显的空间电荷积聚现象。呈现空间电荷 积聚的 XLPE 绝缘引起电场强度升高， 不适用直流 电压下运行。由此设定抑制空间电荷积聚的 XLPE 电缆的载流量计算可参照直流油浸纸绝缘电缆在负 荷运行条件下绝缘电场分布和载流量计算方法确定 其载流量。 XLPE 电缆绝缘的直流电阻系数的温度与电场 强度影 响 系 数 采 取 聚 乙 烯 绝 缘 相 应 值:α = 0. 15℃ －1; b =0. 15mm/kV。 按此计算直流 XLPE 电缆载流量。 2. 1. 3直流海底电缆载流量计算条件 ( 1) 电缆于海底下埋深 2 m; 海底土壤温度 25℃; 土层热阻系数 1. 0 K m/W。 ( 2) 电缆导体运行最高温度: XLPE 电缆 90℃; 充油电缆 90℃; 粘性浸渍纸绝缘电缆( 木纤维纸) 50℃。 ( 3) 直流海底电缆绝缘稳态电流场的电场强度 限值: XLPE 电缆为 30 kV/mm; 充油电缆为 30 kV/ mm; 粘性浸渍纸绝缘电缆( 木纤维纸) 为28 kV/mm。 2. 2交流海底电缆载流量计算方法和条件 交流电缆载流量计算采用 IEC 60287 标准。交 流海底电缆载流量计算条件与 3. 1. 3 直流海底电缆 载流量计算条件相同。 交流海底电缆导体最高运行温度: XLPE 电缆 90℃; 充油电缆 90℃。 2. 3载流量计算所取电缆的设计参数 ( 1) 电缆绝缘厚度。交流海底电缆绝缘厚度采 用相应国家标准规定数值; 对直流海底电缆， 参照各 国研发和生产的直流电缆的绝缘厚度， 取较厚值， 对 载流量计算影响不大。 ( 2) 海底电缆铠装结构。交流电缆铠装结构分 钢丝铠装和扁铜线铠装; 直流电缆均为钢丝铠装。 2. 4直流海底电缆和交流海底电缆载流量比较 按以上载流量计算， 得出 500 kV、 200 kV、 110 kV直流海底电缆和交流海底电缆载流量。以 500 kV 直流海底电缆和交流海底电缆载流量为例， 3 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 如图 1、 图 2 所示。 图1 为500 kV 直流充油电缆和交流充油电缆载 流量比较。图例中，DC 表示直流电缆; AC- 1 表示交 流电缆， 钢丝铠装; AC- 2 表示交流电缆， 扁铜线铠装。 图 1500 kV 直流充油电缆和交流充油电缆载流量比较 图2 为500 kV 直流 XLPE 电缆和交流 XLPE 电缆 载流量比较。图例中， DC 表示直流电缆; A- 1 表示交流 电缆， 钢丝铠装; A- 2 表示交流电缆， 扁铜线铠装。 2. 5直流海底电缆输电容量( 功率) 和交流海底电 缆输电容量比较 从直流海缆和交流海缆载流量计算， 表明直流 海底电缆的载流量明显大于交流海底电缆。结合海 缆工程， 直流海底电缆输电容量( 功率) 远大于交流 海底电缆输电容量， 比较如表 2 所示。例如 500 kV 充油电缆， 按相同系统标称电压， 导体截面 1 000 ～ 3 000 mm2三根直流充油海底电缆组成系统( 如为 两根两极， 一根单极运行) 的传输容量( 功率) 约为 三根交流充油海缆输电容量( 按输电容量较大的扁 铜线 铠 装 电 缆 比 较)的 2. 48 倍 ( 导 体 截 面 1000 mm2)～3. 67 倍( 导体截面 3 000 m2) 。 图 2500 kV 直流 XLPE 电缆和交流 XLPE 电缆载流量比较 表 2500 kV 直流海缆输电功率与交流海缆输电容量比较 标称 电压 /kV 电缆 型式 电力 系统 电缆 铠装 导体 截面 /mm2 载流量 /A 直流电缆 每极功率/ MW/交流电 缆三相容量 /MVA 相同系统标称电压情况， 直 流电缆输电功率与交流电 缆输电容量比 直流二根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 直流三根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 实际运行电压下， 直流电缆 输电功率与交流电缆输电 容量比 直流二根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 直流三根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 500 500 XLPE 充油 电缆 直流 交流 直流 交流 钢丝 铠装 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 钢丝 铠装 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 512 2 265 2 872 907 1 045 1 129 1 130 1 393 1 554 1 395 2 077 2 642 774 876 928 953 1 143 1 249 756 1 133 1 436 785 904 977 977 1 205 1 344 680 1 039 1 321 670 758 803 824 989 1 080 － 1. 92 2. 51 2. 94 1. 55 1. 88 2. 14 － 2. 03 2. 74 3. 29 1. 65 2. 10 2. 45 － 2. 89 3. 76 4. 41 2. 32 2. 82 3. 21 － 3. 04 4. 11 4. 93 2. 48 3. 15 3. 67 － 1. 11 1. 45 1. 70 0. 89 1. 09 1. 24 － 1. 20 1. 58 1. 90 0. 95 1. 21 1. 42 － 1. 67 2. 17 2. 55 1. 34 1. 63 1. 86 － 1. 76 2. 38 2. 85 1. 43 1. 82 2. 12 我国 500 kV 海南联网交流充油海底电缆( Nex- ans 公 司 设 计 制 造) ，扁 铜 线 铠 装，导 体 截 面 800 mm2， 三相传输容量为 700 MVA。改为直流输 电的输电容量的设计评估， 三根电缆改为直流运行 ( 如两根电缆双极， 1 根电缆单极运行) 的输电功率 为 1 719 MW， 相应直流电缆输电功率与交流电缆输 电容量比为 2. 46 倍， 与表 2 评估值相一致。表明直 流海底电缆的输电能力远超交流海底电缆。 4 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 3直流海缆与交流海缆输电损耗比较 直流海底电缆无任何交变电磁场引起导体、 金 属套和铠装损耗， 亦不存在绝缘的介质损耗， 因而运 行损耗远低于交流海底电缆损耗。现以 500 kV 海 底电缆为例比较直流电缆和交流电缆运行时的输电 损耗( 见表 3) 。 表 3直流海缆与交流海缆输电损耗比较 标称 电压 /kV 电力 系统 电缆 型式 电缆 铠装 导体 /mm2 载流量 /A 输电 损耗 W/m 换算到交流电缆 相同电流的输电损耗 /( W/m) 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 直流海缆与交流海缆 输电损耗比 /% 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 500 交流 直流 交流 直流 XLPE XLPE 充油 电缆 充油 电缆 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 钢丝 铠装 钢丝 铠装 钢丝 铠装 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 907 1 045 1 129 1 130 1 393 1 554 1 512 2 265 2 872 774 876 928 1 395 2 077 2 642 69. 9 78. 2 82. 6 59. 0 67. 4 73. 3 50. 3 56. 4 60. 5 69. 1 75. 7 79. 4 41. 64 46. 3 50. 1 － － 18. 1 12. 0 9. 3 － 12. 8 8. 2 6. 2 － － 24. 0 21. 3 17. 7 － 20. 7 14. 0 11. 2 － － 26 15 11 － 19 11 7. 8 － － 41 32 24 － 35 21 15 由表 3 可见， 相同传输电流条件下， 500 kV 直 流充油电缆的输电损耗约为交流钢丝铠装充油电缆 的 7. 8% ～ 19%， 为交流扁铜线铠装充油电缆的 15% ～35%; 500 kV 直流 XLPE 电缆的输电损耗约 为钢丝铠装 XLPE 电缆的 11% ～ 26%， 直流 XLPE 电缆的输电损耗为交流扁铜线铠装 XLPE 电缆的 24% ～41%。由于海底电缆一般为大长度电缆， 电 缆输电损耗与长度成正比。采用直流海底电缆对于 减少输电损耗， 降低 CO2排放， 具有实际技术经济 意义。 4直流海底电缆和交流海底电缆线路长度 交流海底电缆由于电容电流按电缆长度正比增 大， 在电缆允许载流量限制下电缆线路长度受限。 实际交流海缆系统为提高传输电流和减少线路的无 功功率， 抑制线路中间和末端电压过分升高， 在线路 末端和中间( 如有可能， 如两段海缆的中间岛屿) 需 装置并联电抗器补偿。海底电缆线路长度还受电缆 制造长度和工厂软接头是否开发应用的限制。对充 油海底电缆线路长度还受到供油距离的限制。对于 必须采取线路中间无功补偿， 而无法安装并联补偿 的海底电缆线路就只有采用直流海底电缆输电。 从表 1 可见， 目前世界各国 500 kV 交流海底电 缆线路长度最长为 30 km 左右。交流充油海底电缆 最高电压等级为500 kV。交流 XLPE 海底电缆目前 已经运行的最高电压等级为 420 kV， 敷设用于挪威 西海岸的天然气生产平台与大陆电网的连接海缆， 线路长度2. 4 km， 但无工厂软接头。日本已研制 275 kV 交流 XLPE 电缆软接头。大长度超高压交流海底 电缆发展的关键是工厂软接头的开发和实际应用。 一般 110 ～ 220 kV 交流海底电缆最大长度为 70 km。直流海底电缆没有如交流海缆因电容电流 限制线路长度和由于无功功率过大引起线路末端和 中间电压过分升高因而必须采用无功补偿的限制的 问题。如表 1 所示， 直流粘性浸渍纸绝缘海底电缆 线路长度已达 580 km。500 ～600 kV 粘性浸渍纸绝 缘海缆和充油电缆软接头已不是技术障碍。目前柔 性直流输电适用的直流 XLPE 电缆电压已达350 kV 等级， 其相应电缆线路长度可以达到与粘性纸绝缘 海底电缆相当的长度， 没有长度限制。直流充油电 线的长度仍受供油区段长度限制， 与交流充油电缆 线路允许长度相近。 5我国发展直流海底电力电缆的前景 5. 1发展前景 我国海域辽阔， 海岸线长， 沿海岛屿需要采用海 底电力电缆与大陆主网连网， 以保证电力供应， 提高 电网运行稳定性。我国近海大陆架油田和天然气开 5 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 发以及近海风电场建设对采用海底电缆与大陆电网 并网需求趋势强劲。从以上分析可见， 采用直流海 底电缆相比交流海底电缆输电优势显著。随着电力 电子技术和直流输电技术的发展， 直流输电所需换 流器成本高、 损耗大等主要发展障碍将会逐步克服， 并取得实质性进展。我国发展直流电缆输电的必要 性是肯定的。在有些运行条件下， 如超大长度海底 输电线路， 直流电缆输电会是优先方案， 甚至成为唯 一的选择。 但是我国电力电缆技术的发展很不平衡。上世 纪 80 年代起， 由于城市电网改造需要 110 kV 和 220 kV XLPE 电缆和附件， 我国开始不断引进国外 先进的 XLPE 电缆生产线， 大批量生产 110 kV、 220 kV XLPE 电缆。随之， 我国国产充油电缆和粘 性浸渍纸绝缘电缆的生产和发展因为市场需求减少 而不断萎缩。至今我国 110 ～220 kV XLPE 电缆生 产能力已达 3 万 km 以上， 远超过市场需求。直流 XLPE 电缆研发生产所需工艺和制造装备基本同交 流 XLPE 电缆。我国应充分发挥引进先进的 XLPE 电缆生产线的优势技术和充裕的生产能力以及研发 生产交流 XLPE 海底电缆的经验积累和成果， 以直 流 XLPE 电缆作为直流海底电缆发展的主要产品， 暂时不考虑发展直流充油电缆和直流粘性浸渍纸绝 缘电缆。 5. 2直流 XLPE 电缆的关键技术 5. 2. 1XLPE 绝缘空间电荷积聚、 移去和抑制机理 的研究 直流电缆在直流电压系统下运行引起空间电荷 积聚致使绝缘耐受电压下降并非 XLPE 电缆特有性 状。直流充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆亦产生空 间电荷积聚。1972 年 Bahder 等研究高压直流电缆 绝缘配合特性。研究结果表明， 充油电缆和粘性浸 渍电缆试样， 在经直流电压预压后， 反极性雷电冲击 击穿电压下降， 并明确指出这是因空间电荷积聚而 引起电场升高， 导致绝缘的反极性的雷电冲击时耐 受电压( 相比未经直流预压试样) 下降。Bahder 定 义因直流预压引起雷电冲击击穿电压下降值与预压 直流电压之比为直流预压贡献系数［3 ］， 以后为各国 普遍认同， 并将此系数称为 Bahder 系数。Bahder 等 人发布的充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆在直流电 压预压后施加反极性雷电冲击击穿试验结果及相应 的 Bahder 系数如表 4 所示。 从表 4 试验结果可见， 粘性浸渍纸绝缘电缆和 充油电缆经直流预压处理后， 反极性雷电冲击击穿 电压均有不同程度下降( 以 Bahder 系数表征) 。 Bahder 系数越小， 表明空间电荷影响越少; 反之越 明显。以上结果表明， 油纸绝缘电缆同样存在因直 流电压预压后引起空间电荷积聚， 而使绝缘耐受雷 电冲击击穿电压下降。 表 4粘性浸渍纸电缆和充油电缆经直流预压后 施加反极性雷电冲击击穿电压试验 试样 型式 绝缘温差/℃ T1T2 直流预压 电压 Vd /kV 反极性雷电冲 击击穿电压 Vr /kV 未经直流预压 雷电冲击击穿 电压/kV Bahder 系数 电缆 40 90 85 40 90 60 +450 +300 [phone] －548 －515 ( 另试样) 0. 41 0. 69 0. 99 电缆 4141－120+262342， 310 ( 另试样) 0. 43 电缆 8665－180+342508 ( 另试样) 0. 74 电缆 8044－600+10901 600 ( 另试样) 0. 85 粘性浸渍纸绝缘电缆( 包括聚丙烯复合木纤维 纸 PPLP 绝缘粘性浸渍电缆) 和充油电缆均是公认 可以在交流和直流输电系统运行的电力电缆。如表 1 所示， 其适用的系统输电电压和线路长度均达到 直流电缆的最高值。油纸电缆绝缘在直流预压后产 生空间电荷积聚， 使反极性雷电冲击击穿电压下降， 影响其直流电压下可靠运行性能。对此进行研究分 析， 不仅具有理论价值， 而且对借鉴研发直流 XLPE 电缆具有积极意义。 各国已经对 XLPE 绝缘直流电缆和抑制空间电 荷 XLPE 绝缘料的研究开发进行了大量试验研究。 文献［ 4］ 引用直流 XLPE 等挤包绝缘电缆经直流预 压后雷电冲击击穿电压改变， 得出的 Bahder 系数如 表 5 所示。 表 5文献［ 4］ 引用直流 XLPE 等挤包绝缘电缆的 Bahder 系数 绝缘厚度 /mm 绝缘温差 /℃ 直流预压 /kV 平均电场强度 /( kV/mm) Bahder 系数 ( 直流 XLPE) 直流预压 3 h 导体 90℃ 2. 5 9 13 10 20 － 100 500 600 40. 0 55. 6 46. 2 0. 63 0. 33 0. 88 ( 直流挤包绝缘) 直流预压 1 h， 90℃ 6 6 3. 5 0 0 0 100 200 100 16. 7 33. 3 28. 6 0. 85 1 0. 6 ( 直流挤包绝缘) 直流预压 1 h 4. 4 4. 4 － － 80 145 18. 2 33. 0 0. 23 0. 21 比较表 4 和表 5， 可见粘性浸渍纸绝缘电缆和 充油电缆的 Bahder 系数并不显著大于当时 XLPE 挤包绝缘直流电缆， 表明直流预压对粘性浸渍纸绝 缘电缆和充油电缆的反极性雷电冲击击穿电压下降 影响程度与当时 XLPE 挤包绝缘直流电缆相当。 6 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 5. 2. 2直流 XLPE 电缆用 XLPE 料的研发 日本开发 500 kV 直流 XLPE 电缆所采用抑制 空间电荷积聚的 XLPE 料的主要技术方案有导电无 机填料 XLPE 料、 极化无机填料 XLPE 料、 具极性基 团的 XLPE 料以及极性基团聚乙烯料［5 ］。这些材料 均要求具有高的体积电阻系数和直流电压下低的空 间电荷积聚性能。模型电缆试验表明其 Bahder 系 数不大于 0. 5。已按此研究开发 500 kV 直流 XLPE 电缆以及相应的工厂软接头。500 kV 直流 XLPE 电 缆和工厂软接头已经通过国际大电网会议推荐试验 规范， 海底电缆机械试验( Electra 171) 和电气试验 规范( Electra 189) 。 近期日本试验在低密度聚乙烯( LDPE) 中加入 纳米 MgO， 此 LDPE/纳米 MgO 复合材料呈现优良的 抑制空间电荷特性 ［6 ］。电场作用下绝缘中形成的 电离电荷或注入电荷能被吸引进入浅陷阱， 但浅陷 阱中电荷在电场和温度作用下容易脱离陷阱。而绝 缘含有强极化的纳米 MgO 形成深陷阱， 会牢固吸引 电荷使其无法脱陷。此为另一可能开发直流 XLPE 电缆适用的抑制空间电荷积聚的 XLPE 绝缘料的技 术路线。 我国相关单位已经开展上述直流 XLPE 材料的 研究开发工作。正确选择技术路线， 加快直流 XLPE 料的研究开发， 是我国发展直流挤包绝缘电 缆包括 XLPE 电缆的首要工作。应加强基础研究， 充分考虑油纸绝缘电缆直流运行下的空间电荷积聚 以及消除其影响的机理， 深入研究挤包绝缘如 XLPE 绝缘空间电荷积聚和抑制空间电荷有效措 施， 加快抑制空间电荷的直流 XLPE 绝缘料的研究 开发和相应的高压直流 XLPE 电缆研制和工程应用 的步伐。 5. 2. 3直流 XLPE 海底电力电缆附件的研发 ( 1) 工厂软接头。大长度海底直流电缆关键附 件是工厂软接头。目前 ABB 公司已开发 320 kV 三 元乙丙 EPDM 橡胶预制绝缘工厂软接头， 以具非线 性介电性能电场控制层和应力锥作电场控制元件， 连同电缆， 参照国际大电网会议推荐试验规范( 技 术手册 TB219) ， 通过相应的型式试验和负荷循环试 验。我国已经自主开发挤塑模塑型交流 110 kV 交 流 XLPE 绝缘海底电缆工厂软接头。在具备抑制空 间电荷 XLPE 料研制直流 XLPE 电缆的同时， 应研 究开发直流 XLPE 海底电缆工厂软接头。抑制空间 电荷积聚、 改善电场分布， 是研制直流挤包绝缘电缆 工厂软接头的关键技术问题。 ( 2) 户外终端。对直流 XLPE 海底电缆户外终 端， 提高外绝缘耐受雷电冲击电压水平和污秽环境 下直流放电性能将是突出的问题。500 kV 直流高 压设备外绝缘的爬电距离将高达 22 000 mm( 瓷套 高度6 300 mm) ， 爬电比距达 44 mm/kV。远超过交 流输变电设备外绝缘污秽最高等级的爬电比距， 31 mm/kV。采用类似交流系统使用的电容锥结构， 但 以电导均压的内绝缘， 控制外绝缘表面电场均匀分 布设计， 以提高直流海底电缆户外终端的外绝缘耐 受雷电冲击电压和耐受直流电压污秽闪络放电性 能。 5. 2. 4直流 XLPE 电缆制造关键工艺和制造装备 的改进 研究表明， XLPE 电缆交联后经长时间高温和 真空处理， 可清除交联工艺过程产生的不耐热的残 留物， 同时 XLPE 绝缘的结晶相和无定形相界面会 减少， 绝缘中空间电荷会减少或消失 ［7 ］。直流 XLPE 电缆的制造工艺研究和现有交联电缆制造装 备( CCV 和 VCV 生产线) 的相应改进和交联后处理 工艺和设备改进同样至关重要。 6结论 海底电缆是海底输电工程最重要的装备之一。 由于海底电缆线路长， 价格昂贵， 提高运行性能， 特 别是其输电容量， 是海底电缆研究开发重要的目标 之一。直流海底电缆在相同导体截面、 相同电缆型 式和相近敷设环境条件下， 其输电容量( 功率) 远超 过交流海底电缆， 并且运行损耗低和允许线路长度 较长。直流输电技术运行调节比较灵活， 柔性直流 输电系统适用于连接分散的小型发电系统且具有运 行时不发生直流电压极性反转的特点， 我国发展直 流海底电缆和直流海底电缆输电工程的必要性是肯 定的。在有些运行条件下， 例如超大长度海底电缆 线路， 采用直流海底电缆会是优先方案， 甚至是唯一 的选择。直流海底电缆输电工程的换流站和无功补 偿装置价格昂贵和功率消耗较大的问题， 将随着电 力电子技术发展和新技术应用逐步改进， 直流海底 电缆工程的技术经济性会不断提高。 根据我国电力电缆技术开发和制造能力不平衡 的实际情况， 首先发展直流 XLPE 电缆， 推进直流电 缆输电工程应用是合理的选择。应集中开发研究的 优势力量， 通过对不同绝缘电缆空间电荷积聚、 抑制 和消除的机理的深入研究和对比分析， 加快直流 XLPE 绝缘料和相应技术的研究开发， 推进直流 XLPE 电缆技术发展和工程应用。 ( 下转第 10 页) 7 2012 年第 3 期 No． 32012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 6 月 Jun． ， 2012 图 2电缆结构示意图 3综合护套生产工艺 综合护套电缆的屏蔽性能与缆芯内部结构( 包 括芯数、 排列、 结构等) 无关， 故主要对综合护层工 序生产工艺进行研究。综合护层的生产是集铝塑复 合带的包覆与 PE 垫层挤包为一体的生产工艺， 在 一台生产设备上同时完成。该设备主要由放线装 置、 纵包装置、 挤塑机、 冷却水槽、 牵引装置、 收线装 置等六部分组成。综合护套生产线示意图见图 3。 图 3综合护层生产线示意图 3． 1工艺参数的合理配置 在护层结构的设计中， 为了满足屏蔽性能的要 求， 我们对铝塑复合带的厚度进行了调整， 相应的工 艺参数也要进行调整。 ( 1) 铝塑复合带宽度的选择 W = π( D1+ 2t)+ 6 式中， W 为铝塑复合带宽度; D1为缆芯直径; t 为复 合带厚度。 ( 2) 综合护层后电缆直径 D2的计算 D2= D1+ 3t + 3δ 式中， δ 为挤包 PE 垫层厚度。 ( 3) 纵包模具的选配 承径区长度 L 取 12 ～15 mm; 纵包模具与纵包 平台的夹角 α≤20。 ( 4) 定径模尺寸 D3