高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展摘要：直流电缆主绝缘及附件绝缘长期承受直流电场作用而产生空间电荷积聚。空间电荷的积聚会引起局部电场畸变，加速绝缘老化与破坏过程。空间及界面电荷积聚问题是高压直流XLPE电缆绝缘与相应附件绝缘面临的关键问题。高压直流电缆输电是解决电力能源大规模远距离传输、消纳可再生能源、解决海上平台与孤岛送电的重要途径，是智能电网以及未来全球能源互联网中重要的组成部分。关键词：高压直流；交联聚乙烯电缆；电缆附件；空间及界面电荷1.高压直流XLPE电缆简介世界上首条商业化运行的XLPE挤出式直流电缆应用在1999年瑞典哥特兰岛2期工程，电缆电压等级为80kV，输送功率为50MW。比较充油式电缆、粘性浸渍纸式电缆和挤出绝缘式电缆三种高压直流电缆的优缺点。相比于前两种电缆，XLPE直流电缆起步较晚，但是其具有耐高温、传输功率密度大、强度高、质量轻、环保、安装简便等优点，因此在其面世后得到了迅速的普及。随着XLPE绝缘的发展，XLPE直流电缆的电压等级逐渐提高，输送功率显著增大。XLPE电缆已经成为直流电缆的主流方向，XLPE直流电缆的使用量已经超过OF和MI直流电缆，并保持持续的增长势头。2.XLPE高压直流电缆运行中存在的问题2.1空间电荷的产生及影响交联聚乙烯（XLPE）结构简单、介电性能好、物理化学结构稳定，作为电缆中的绝缘材料得到广泛的应用。但在直流电场作用下，XLPE材料内部会形成空间电荷。一般来讲，聚合物中空间电荷主要由两部分组成：一部分是在低场强下，因为杂质在电场作用下电离发生迁移造成，称为异极性电荷，即靠近阴极处为正电荷，靠近阳极处为负电荷；另一部分是在高场强下，由电极注入的可迁移和入陷的载流子，称为同极性空间电荷，即靠近阳极处为正电荷，靠近阴极处为负电荷。这些空间电荷的存在对聚合物局部电场分布造成畸变，从而使聚合物的导电性能和击穿性能发生改变，尤其是在目前应用广泛的XLPE电缆上。根据现场运行经验，对XLPE电缆安装后进行直流耐压测试后，发生XLPE电缆击穿，而直流下空间电荷的产生被认为是其击穿的主要原因。IEEE成立了两个专门委员会研究空间电荷的存贮、绝缘材料的老化和击穿间的宏观特性、相应的微观或纳米机理，目的是解释聚合物电老化和空间电荷作用间的关系。对于XLPE电缆的老化机理研究大致分为水树枝老化、电树枝老化和热电老化机理研究，无论哪种老化方式都可能导致空间电荷的积聚，加速电缆的老化。一方面XLPE电缆中含有水树枝时，其绝缘层中会出现空间电荷，这类空间电荷在电场撤去后会逐渐消失；另一方面在电场作用下由树枝尖端注入到XLPE电缆绝缘缺陷中的空间电荷，即使在去掉外电场时空间电荷也不会消失，此类空间电荷所产生的静电力与电缆工频运行电压叠加作用即可能在水树枝的尖端引发电树枝，对电缆的安全运行有较大威胁。2.2XLPE高压直流电缆运行中温度梯度效应由于直流电缆绝缘材料的电阻随温度变化，以及绝缘中空间电荷等问题的存在，有学者研究不同温度条件下电缆绝缘内的空间电荷分布，搭建了温度可控的空间电荷测量系统，以及初步解决在不同的温度条件下，由于声速不同对测量结果的影响。虽然这些研究对直流电缆的研发有一定的作用，但这些都是在均一温度条件下的测量结果。面对实际工程中的问题，已有学者初步的研究。例如，Mon-tanari教授认为对于Mini级电缆，温度梯度效应对空间电荷聚集的影响仅存在于绝缘材料阈值之下；但对于MV级电缆，温度梯度效应则可造成绝缘中的电场发生反转，即最大场强出现在电缆绝缘的外侧，实验中电缆外施场强为30kV/mm，温度差为20℃，结果表明电荷的迁移量和注入量都有所升高，且在电缆绝缘层表面处有大量空间电荷积聚；Chen．G教授和Dissado教授同样指出温度梯度效应对电缆试样绝缘内空间电荷的影响。然而，电缆满负荷运行时的导体温度可达到90℃，绝缘内外温度差可能超过70℃。随着输电电压等级的提高，高场强高温度梯度下的聚合物绝缘中空间电荷积聚及电场分布有待研究。2.3界面电荷研究现状在电缆附件内部存在由电缆主绝缘XLPE与电缆附件绝缘SiR或EPDM所构成的界面结构，根据极性反转情况下空间电荷积聚与电场分布...