1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术50|基于纳米/LSR复合材料的高压柔性直流输电 电缆附件绝缘材料研究与分析刘延卓1，王锦明1，鄢希锋1，苏禹2，贾超1，方菊1，李智文11.长园电力技术有限公司，广东珠海，519000；2.北京理工大学珠海学院，广东珠海，519000摘要：高压柔性直流电缆输电系统对于新能源的接入和传输具有先天优势，随着国家大力发展新能源，直流电缆系统的研发速度明显加快，因为直流系统与交流系统的电场分布的区别，直流输电需要从材料方面进行全新开发。文章首先介绍了高压柔性直流电缆附件绝缘材料的发展与应用情况，然后
2、结合实测的已完成改性的直流电缆用交联聚乙烯和纳米复合液体硅橡胶材料的电导率测量数据计算得到这两种材料电导率相关参数，并在不同温度和场强下对电导率进行测量，同时采用普通电声脉冲法测试纳米复合液体硅橡胶空间电荷，最后根据测量结果进行分析总结得到了本次纳米复合液体硅橡胶配方重要结论。实践表明本次研发的直流专用纳米复合液体硅橡胶满足应用要求，对保障电力安全具有重要意义。关键词：高压直流电缆附件；纳米复合液体硅橡胶；电导特性；空间电荷中图分类号:TM131.3文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.012 0引言相较于高压交流输电系统，高压柔性直流输电系统具有许多
3、突出优点，如输送容量大、可长距离送电、电网互联便捷、功率调节简单等等。随着新能源的发展，特别是远海风电的发展，柔性直流电缆输电的需求日益明显，因此国内均在加大直流电缆系统的研发。而对于直流电力电缆系统，电缆附件的研发是其中难度最大、影响面最广的环节，因此直流电缆附件的可靠性，会对高压直流输电系统的可靠运行产生直接影响。目前，国外知名电缆及附件制造商ABB、普睿司曼等公司均已生产出高压直流电缆附件。国内对于高压直流电缆及其附件的研究起步较晚，直流电缆附件绝缘材料的生产和设计有待进一步提高，已研制出高压直流电缆附件的厂家有长园电力技术有限公司、长缆电工科技股份有限公司和上海三元电缆附件有限公司，其
4、中长园电力和长缆电工已研发出500kV及以下电压等级的直流电缆附件，上海三元已研发出160kV、200kV电压等级的直流电缆附件。虽然这些厂家研发出的直流附件产品已经应用于实际工程，但使用时间并不长，其安全可靠性还有待进一步验证。一些专家学者也对直流电缆附件用绝缘材料进行了一些研究，如陈新等对目前交联聚乙烯高压直流电缆系统发展的关键技术进行了分析，指出了聚乙烯主绝缘材料、电缆工厂接头及附件是制约高压直流电缆发展的主要瓶颈1。1主要研究内容HVDC电缆附件与HVAC电缆附件内部绝缘电场分布存在明显区别，HVAC电缆附件内部绝缘的电场分布取决于电缆几何形状变化而引起的电容电场的变化。而在直流电压下
5、电场是由温基金项目：本文系珠海市产业核心和关键技术攻关方向项目高压超高压柔性直流输电电缆附件纳米改性绝缘材料关键技术研究与产业化（项目编号：ZH22044702190022HJL）作者简介：刘延卓，男，汉族，山东青岛，本科，工程师，研究方向：高压、超高压交直流电力电缆附件、智能型电缆附件等。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|51电子元器件与材料度和时间决定的，因为绝缘材料的电阻率受温度和场强的影响，因此HVDC电缆附件是电场和热场的耦合电场，直流电缆附件内部相对于交流附件要复杂得多。绝缘材料的介电常数是与温度无关的常量，同时在低频段，频率对介电常数的影响很小，因此在工频下，HVAC电缆附
6、件的电场分布基本为稳态场；但是在HVDC电缆附件中，在空载运行时，HVDC电缆附件绝缘中场强的分布与HVAC电缆附件中场强分布基本相同。接入负载后随着导体焦耳热的增加，HVDC附件内部的温度分布发生变化，绝缘材料体积电导率随之变化，线芯与绝缘外侧产生的温差导致附件内部绝缘层的温度呈梯度分布，绝缘材料的电导率受温度影响，而各种绝缘材料的热导率又各不相同，因此电导率的温度特性将使得高压直流附件内部电场分布极为复杂。根据Maxwell-Wagner模型得到，不同绝缘材料间存在绝缘界面，因为两种材料的电气性能参数（如电导率、介电常数等）的不同，使得界面处的电场发生折射，容易在两种材料的界面积聚空间电荷
7、。因此在HVDC电压作用下，通过对绝缘材料进行改性，降低绝缘界面电场的不连续性，降低界面处的空间电荷积累，降低空间电荷的积聚对电场分布产生的严重影响，避免场强集中导致绝缘材料击穿场强2-3。1.1理论计算直流电压下的电场是由温度和时间决定的，这是因为电介质的电阻率取决于温度以及电场。在稳态运行的情况下，高压直流电缆的电场分布取决于绝缘电阻率的分布，场强主要受绝缘材料电导率的影响。高压直流电缆带电后在零负载时，在电缆中并没有温度梯度变化，直流绝缘电阻是与温度和电场相关的常数，此时电缆中的电场分布是与高压交流电缆相同的，随着电缆接入负载，导体的焦耳热开始增加，时间的影响变得较为明显。当只施加电压时
8、，直流电场开始由纯电阻分布向标准容性分布转变，并且在之后变得稳定。通过以下方程进行描述。静电电场：（1）欧姆定律的电流密度：（2）空间电荷的高斯法则：（3）电流连续性方程：（4）式中，E为电场、V为电压、J为电流密度、为电导率、为真空介电常数、为介质相对介电常数、为电荷密度。通过以上公式可以得到稳态情况下HVDC电缆中电导和空间电荷之间形成的确定关系，当刚施加直流电压时样品的最初空间电荷为零：（5）最初的电场变化是由材料的介电常数决定，长时间施加直流电压后，电流密度达到稳定值：（6）因此在稳态下电流密度、介电常数、电导率和空间电荷密度存在如下关系：（7）电导率受温度的影响，所以介电常数和电导率
9、比值是随空间变换的，因此在材料配方设计时应重点关注。固体电介质的电导率受温度影响较大，受场强影响小，因此基于经验公式模型，当温度和场强发生变化时采用如下公式表达材料电导率和温度场强的关系：（8）式中：A为与材料有关的常数V/（m2），为活化能，q=1.60217663410-19C，kB=1.380650510-23（J/K），T为材料温度（K），B为电场系数，E为场强（V/m）。通过直流电缆用交联聚乙烯（XLPE）和直流改性液体硅橡胶（纳米/LSR）材料的电阻率测量数据计算材料的电导率，根据公式（8）进行数据拟合，不同材料相关参数如表1所示。dianzi yuanqijian yu xinx
10、ijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术52|表 1材料电导率相关参数材料A/（V/（.m2）/（eV）B/（10-7m/V）XLPE64.670.57411.508纳米/LSR96.560.57122.21.2不同温度和场强下电导率的测量本文参照GB/T1410-2006固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法设计了相应的测试工装，采用标准中规定的三电极测试系统来进行绝缘材料电阻率的测量，高压电极的直径为25mm，保护电极与高压电极间隙为20mm（防止在高压时高压电极对保护电极放电），将测量装置放入高精度温控箱中，分别在不同温度（30、40、50、60、70、80、90）下对直
11、流专用纳米复合液体硅橡胶和交联聚乙烯材料进行体积电阻率的测量，测试系统如图1所示。为消除水分以及试样内部电荷的影响，需将试样放入电热真空干燥箱充分放电，将干燥箱温度升高至测试温度并保持2h后方可进行测量，以保证试样整体温度均匀，与设定值相同，减少试验误差。由于试验在加压时会存在极化电流和电导，通过实验确定加压10min左右电流基本能达到稳定。测量时，取四个相同种类试样，记录试样的厚度，试验电压根据试样厚度调整，保证测试电场强度满足试验设定要求。从图2和图3可以看出，改性后的LSR材料与XLPE随温度和场强变化趋势基本相同，从而保证在不同工况下，两种材料的分压变化不大，从而避免产品的击穿和电荷的
12、积聚。图 1电导率测试系统示意图图 2纳米/LSR 不同温度、场强下电导率测试数据图 3XLPE 不同温度、场强下电导率测试数据1.3空间电荷测量随着HVDC电缆系统的研究进展，空间电荷问题成为HVDC电缆系统必须解决的问题。国内外对空间电荷在聚合物中生成与捕获机理进行了一系列的研究，同时也开发了应用于不同聚合物空间电荷测量的技术。目前国际上较为流行的空间电荷测量技术是PEA法，其测量关键是选择合适的压电材料制造压电传感器，通过压电传感器将机械能和电能相互转换4-5。普通电声脉冲法测试空间电荷的基本原理如图4（a）所示，U为直流极化电压，R为限流电阻，C为隔离电容，e（t）为陡脉冲电场。如图4
13、（b）所示，假设在电极附近存在电荷，当对样本施加陡脉冲电压（近似为冲激函数）后，电荷在电场作用下运动产生碰撞会形成如图4（c）所示的压力波信号。由于地电极接近传感器，所以在时间轴上负极性信号出现在正极性信号之前（即应先出现负电荷峰），当压力波信号P（t）传递到压电传感器后，产生相应的如图4（d）所示的电信号，通过放大后即可测量样本中的电荷分布。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|53电子元器件与材料图 4普通电声脉冲法测试空间电荷的基本原理示意图本次测量在两片纳米复合液体硅橡胶试片上进行，10kV/mm和15kV/mm下的空间电荷测试采用同一试片，记为样品A，20kV/mm和30kV/mm
14、下测试采用同一试片，记为样品B。测量数据经反卷积和数据恢复处理后，进行电荷量标定，最后获得试样内部的空间电荷分布，测试结果如下。1.3.1场强10kV/mm下材料内部空间电荷分布具体如图5所示。图 5（a）10kV/mm 信号恢复加压数据图 5（b）10kV/mm 信号恢复短路数据图 5（c）10kV/mm 下不同时间试样内部的电场分布1.3.2场强15kV/mm下材料内部空间电荷分布具体如图6所示。图 6（a）15kV/mm 信号恢复加压数据图 6（b）15kV/mm 信号恢复短路数据图 6（c）15kV/mm 下不同时间试样内部的电场分布dianzi yuanqijian yu xinxi
15、jishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术54|1.3.3场强20kV/mm下材料内部空间电荷分布 具体如图7所示。图 7（a）20kV/mm 信号恢复加压数据图 7（b）20kV/mm 信号恢复短路数据图 7（c）20kV/mm 下不同时间试样内部的电场分布1.3.4场强30kV/mm下材料内部空间电荷分布具体如图8所示。图 8（a）30kV/mm 信号恢复加压数据图 8（b）30kV/mm 信号恢复短路数据 图 8（c）30kV/mm 下不同时间试样内部的电场分布从上述测试结果可知：常温（25）下，样品在各测试电场作用下，测试时间内样品内部均仅有极少量空间电荷积累，最大场强畸变约1
16、3%。两个被测样品的空间电荷极性和分布有一定差异，样品A在上电极与样品界面处有少量负电荷积累，样品内部有微量负电荷积累。样品B在上电极与样品界面处有少量正电荷积累，样品内部未观测到明显的电荷产生。常温下，测试场强从10kV/mm提升到30kV/mm，不会对样品空间电荷分布造成明显影响。因此本次研发的直流专用纳米复合液体硅橡胶在空间电荷抑制方面满足要求。2配方设计总结本次硅橡胶配方设计，通过研究与分析总结以下几点结论。（1）纳米/LSR复合材料常温下空间电荷研究与分析。常温（25）下，样品在各测试电场作用下，测试时间内样品内部均仅有极少量空间电荷积累，样品A的最大场强畸变约为17%，样 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|55电子元器件与材料品B的最大场强畸变约为13%。而样品A与B在纳米材料填充量上存在区别，因此说明纳米材料的填充量会影响材料空间电荷分布。（2）纳米/LSR复合材料空间电荷分布研究与分析。两个被测样品的空间电荷极性和分布有一定差异，样品A在上电极与样品界面处有少量负电荷积累，样品内部有微量负电荷积累。样品B在上电极与样品界面处有少量正电荷积累，样品内部未观测到明显的
