| 摘要：古河公司開發了可用于超高壓直流（DC）電纜的絕緣材料，其主要成分為交聯聚乙烯（XLPE）。實際的DC電纜是通過優選穩定供應的材料和加工后建立的供應鏈而得到的材料來制造的。通過對該電纜進行不同公司內外的評估，已確認滿足所有要求的性能。該公司已經完成了DC525kV級電纜系統的長期通電試驗，相信能夠為未來可再生能源的普及作很大貢獻。
DC輸電在電路中具有較小的功率損耗和較高的系統穩定性，因此DC輸電比交流（AC）輸電更適用于長距離和大容量的輸電。然而，由于AC到DC和DC到AC間的變頻器比AC之間的變壓器設備需要占用較多的空間，因此DC輸電主要應用于有足夠遠的傳輸距離和較大傳輸容量的項目。
預計太陽能和風力等可再生能源在未來將更加普及，這樣一來，通常需要大范圍場地來安裝設備。在大規模發電的情況下，人們認為將在人口密度相對低的地區和近海地區進行部署。因此，預計可再生能源電源的位置與需求地區之間的距離將變得較遠。同時，人們認為，未來電力公司之間和區域電網之間的互聯互通會越來越密集。為了實現上述目標，正在考慮引入大容量電網連接線。因此，擅長于遠距離輸電的DC輸電技術的實用性在未來將繼續受到人們的關注。一段時間以來，古河公司一直在為DC提供油浸紙絕緣（OF）電纜，但從對環境特性和技術轉讓等事業持續性的觀點來看，這項事業變得越來越困難。幾年前，OF電纜的生產就已經停止了。另一方面，作為DC電纜，使用XLPE等固體絕緣材料的類型已成為當前的主流，該公司一直在努力開發用于DC的XLPE絕緣電纜。這次，古河公司確定了可應用于DC固體絕緣材料的最終成分，優化并確定了供應鏈、制造設備和條件等，最終DC電纜的工藝細節和性能報道如下。
DC電纜的絕緣材料是根據以下原則開發的：
·基本材料是XLPE，它在傳統的AC電纜中有許多優點。·材料將由電纜制造設備進行加工，該設備可以從傳統制造AC電纜的設備中進行調整。·為了避免諸如在基材中分散性差之類的問題，DC轉換的改性不使用填充料或低分子量成分，而是對XLPE本身進行改性和變性。·具體而言，引入極性基團以起到捕獲電荷位置的作用。·古河公司意識到供應鏈的穩定性，并強調原材料的可用性和處理。針對XLPE的改性和變性方法，該公司決定研究聚乙烯的極性基團改性技術。在使用最新的量子化學計算方法預測改性材料的電氣性能時，對多化學成分的化合物進行試驗，并再次進行第3章以后闡述DC絕緣材料所需性能的評估試驗。因此，古河公司能夠獲得用于DC電纜的良好絕緣材料。評估結果如下。
DC電纜所用的絕緣材料需要具有與AC電纜不同的性能。尤其，提到的空間電荷性能可作為直流系統特有的所需性能之一。本文重點介紹了這種空間電荷性能和兩種評估方法，并報道了每種方法中所開發材料的性能。
當絕緣體夾在電極之間并保持在直流電場中時，電荷（電子、空穴）從電極三維地注入絕緣體中。這些注入的電荷稱為空間電荷。如果這些空間電荷隨著充電時間在絕緣體內移動或積累，其分布和密度就會發生變化，導致絕緣體內部電場強度發生局部變化，在最壞的情況下，有時會因異常放大的電場而導致絕緣擊穿。因此，重要的是直流絕緣材料不積累空間電荷，不隨時間變化，不進行局部電場的放大。Q（t）測量的基本原理如圖1所示。這是一種簡單的測量方法，在夾著樣品的電極之間施加圖2所示的階躍型DC電壓，并測量隨時間注入試樣的電荷量。
古河公司用于普通AC電纜和開發的DCXLPE的片狀電纜試樣在最高工作溫度90℃下的積分電荷Q（t）的測量結果如圖3和圖4所示。可以看出，縱軸上的積分電荷隨著充電時間的增加和充電電場強度的增加而增加。此外，在AC-XLPE的情況下，從大約20kV/mm的電場中可觀察到積分電荷有顯著的積累。另一方面，所開發的DC-XLPE即使在30kV/mm的電場中的積分電荷也沒有顯示出明顯的積累，并且具有較好的性能。為了表示電荷累積的容易程度，取立即充電和充電后300秒的電荷之比作為電荷比率。可以說，電荷比率越小，DC性能越好。電荷比率和DC電場之間的關系如圖5所示。可以看出，在電場區域，所開發的DC-XLPE試樣比AC-XLPE試樣具有較少的空間電荷積累，即所開發產品的DC性能有所改善。
空間電荷特性第二種評估方法是PEA方法。這也與將DC電場施加到夾在電極之間試樣的Q（t）方法相同，但不同的是，在電極之間施加脈沖電壓并且此時檢測試樣內部產生的壓力波。當空間電荷在試樣中積累時，該位置受到脈沖電場力并振動，產生壓力波。通過測量該壓力波并測量其延遲和大小，可以捕獲空間電荷在厚度方向上的位置和空間電荷的累積量。與Q（t）方法相比，該方法更勝一籌，因為它可以提供關于試樣厚度方向上的空間電荷的位置和量以及試樣中電荷分布的信息。
作為結果的一部分，本文介紹了開發產品在最高工作溫度（90℃）下的測量結果。此外，接地電極放置在試樣厚度為0mm%的位置，而高壓電極放置于樣品厚度為100mm%的地方。AC-XLPE片材的PEA測量結果如圖7和圖8所示。盡管只有7小時的短時間，但觀察到的是隨著時間的推移，正電荷在電極附近逐漸積累。這種注入的電荷是一種空間電荷，如果持續測量很長時間，預計它會在局部電場分布中積累并發展為紊亂狀態（圖8顯示測量時間太短，電場分布尚未受到顯著影響）。
另一方面，圖9中的DC-XLPE片材在1小時到5小時之間似乎沒有變化。
因此，進一步延長測量時間，并在較長的時間內觀察DC-XLPE片材中積累的空間電荷量。結果如圖10和圖11所示。即使連續給DC充電7天后，所開發產品的電荷密度分布也沒有顯示出任何顯著變化，因此，能夠確認其DC性能是良好的。下一步，該公司決定使用開發的DC-XLPE作絕緣層制造一種微型電纜，并進行PEA測量（圖12）。
·施加電壓：-27kV（高壓側：導體屏蔽，接地側：絕緣屏蔽）從圖13和圖14可以觀察到，在早期階段，接地電極附近積累了小的負電荷，但隨著時間的推移而消失，730小時后（大約一個月），得到了一條非常清晰的曲線。
如下所示的圖15繪制了每次測量時間在整個厚度中的最大局部電場強度除以初始電場強度的最大值稱為電場增強因子。如果該值超過1并且逐漸變大，這意味著隨著使用，在電纜內部形成比初期更大電場應力的位置，因此，電纜即使在施工后的初期試驗中能耐久也不能讓人放心。
從圖15中可以看出，使用開發的DC-XLPE電纜的電場增強因子在短時間內穩定下來，500小時后幾乎平穩地推移。由這些結果可以確認：本次開發的DC-XLPE絕緣具有良好的耐長時間使用的直流性能。
此外，本文還介紹一些評估DC電纜需要特別說明材料的試驗結果。
作為DC-XLPE，市場上有幾種來自電力電纜絕緣和半導電材料制造廠的現有產品。為了進行比較研究，得到其中的3個品種進行比較（市售品1、2、3）。其結果是，在整個測量電場范圍內，該公司開發的DC-XLPE絕緣料優于AC-XLPE絕緣料和市售DC-XLPE絕緣料，并且在電力電纜的實際電場設計范圍內具有優異的體積電阻率（圖16）。
關于絕緣介質擊穿性能，在DC和脈沖兩種條件下，將所開發的產品與其他公司的市售DC-XLPE絕緣性能進行了比較。其試驗條件如下。・升壓方法：-70kV/min→-5kV/min階躍升壓・升壓方法：-100kV×3次→-5kV/min×升壓三次由于測量值存在變化，很難確定優缺點，但可以確認古河公司開發的產品性能至少不亞于市售品。因此，該公司開發的產品具有足夠的可靠性能（圖17）。
電纜過硬將對安裝和連接的可操作性產生不利影響。因此，作為對機械性能的代表性評估，古河公司還在抗拉強度試驗中比較所開發的DC-XLPE絕緣材料和傳統的AC-XLPE絕緣材料。試驗條件如下。・試樣結構：沖壓成1mm厚的片材，并根據JIS沖成3號啞鈴形的孔。如下所示，傳統的AC-XLPE絕緣材料和開發的DC-XLPE絕緣材料的機械性能幾乎相同，并且可以獲得與傳統AC電纜相同的可操作性（圖18）。
此外，經過客戶要求的各種試驗、公司內部試驗和參考試驗，古河公司能夠制造滿足所有這些要求的高性能DC絕緣材料。
使用本文中開發的DC絕緣材料制造了一根實際的電纜，構建包括由諸如連接部件的各種部件組成的電纜系統的試驗線，并進行以下長期通電試驗。
根據CIGRE第496號技術手冊中的試驗建議，該公司對直流525kV電纜系統進行了資格預審。作為一種特高壓海底電纜，該試驗于2015年至2019年在新能源和產業技術綜合開發機構（NEDO）的“下一代海上DC輸電系統開發項目”中進行，而陸地電纜則由第三方進行。試驗順利完成。這些結果已經證明：古河公司制造的DC電纜具有較高的可靠性（圖19）。
古河公司開發的可用于超高壓DC電纜的絕緣材料具有如下特點：
・通過兩種評估方法（Q（t）法和PEA法）確認了DC性能是優異的。・開發品與市售的DC-XLPE相比，無論哪個性能都在同等以上，特別是體積電阻率占有優勢・還考慮到了原材料的供應，已經建立了穩定的供應鏈。・使用開發的絕緣材料制造了電力電纜，并成功完成了在DC525kV級電纜系統上進行的長期通電試驗。（來源：中國線纜網） |
皖公網安備 34011102002471號
