高压直流XLPE绝缘材料及电缆关键技术展望 吕品 .pdfVIP

高压直流XLPE绝缘材料及电缆关键技术展望吕品

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，交联聚乙烯（cross-linkedpolyethylene，

XLPE）是晶相和非晶相共存的高分子聚合物，由于其优异的电、热和机械性能，

被广泛用作电缆绝缘材料。本文将从XLPE电缆材料的改进、电缆本体的设计等

方面，针对目前国内高压直流电缆发展存在的一些技术难点进行分析和展望。

关键词：高压直流；交联聚乙烯；电缆；附件；工厂接头

引言1

为推动高压直流电缆技术发展，高压直流电缆本体及工厂接头的电场、老化

寿命设计理论要在传统经验设计参数的基础上，同时要基于材料的基本性能、空

间电荷以及尺寸和形状效应等进行优化发展。高压直流电缆附件要在附件与电缆

本体的匹配技术、关键部件设计及安装工艺方面开展深入研究。

2XLPE直流电缆材料技术难点

高压电缆2.1中的材料问题

在高压直流电缆应用中，电缆的绝缘材料是直流电缆传输中最重要的保障。

在目前的技术发展中，交联聚乙烯和硅橡胶作为应用在电缆绝缘材料中两种比较

常用的物质，也得到了业界的认可和广泛的应用。在西方热点的研究领域中，会

将一些纳米材料应用到聚合物中，以解决空间电荷的问题。纳米材料在应用于聚

合物上主要有以下几个影响：（1）使得聚合物中杂质离子的含量升高；（2）由

于纳米材料的特殊性，会带来表面效应和小尺寸影响；（3）由于小尺寸的影响，

会使得高压电缆中聚合物的陷阱发生变化，变为浅陷阱。随着对于纳米材料的研

究更加的深入和广泛，在高压电缆中应用纳米材料进行填充以及纳米电介质的合

成，能够为高压电缆技术的发展带来新的机遇。

2.2XLPE材料的纯净化研究

直流场下XLPE绝缘中的空间电荷积聚和非线性电导问题是目前绝缘材料开发

面临的最大难题。空间电荷的存在不仅会引起绝缘料中电场畸变，诱发微区局部

击穿，还会诱发电致发光效应加速电树发展加剧绝缘老化，而非线性电导则会引

起电缆绝缘中电场极性翻转和绝缘损耗增加。相关研究表明，在直流场作用下，

交联聚乙烯的纯净度对空间电荷和电导率及击穿性能影响较大。目前已知材料的

纯净化有助于抑制材料中空间电荷聚集，降低电导率非线性效应，提升材料的耐

压水平，但杂质含量对电气性能（载流子迁移等）的影响机制仍不清楚。交联聚

乙烯的制备流程包含基料的生产、助剂添加、水下冷却造粒、后吸收、成品包装

等。生产过程链很长，材料的纯净化涉及整个交联聚乙烯绝缘材料的生产过程，

目前尚不能确定杂质主要是哪个环节引入，每个环节引入的杂质数量以及各环节

杂质引入影响的主次也都不清楚。对材料纯净化的研究无论从配方还是从工艺上

都比较缺乏，因此，掌握杂质对绝缘材料电导、空间电荷等电气性能的影响机制，

理清绝缘材料中杂质引入过程，研究杂质分析、表征手段，研究通过配方和工艺

降低杂质的方法，是开展直流XLPE材料纯净化研究的关键，是实现绝缘材料性

能提升必须解决的关键问题。

直流高压电缆的绝缘材料3选用

在实际使用过程中，高压电缆需经受长时间超高电压的严酷考验，因此电缆

绝缘材料需具备优异的性能方能满足较为严苛的实际使用要求，包括优良的电气

性能、优异的物理机械性能等。直流高压电缆绝缘材料选择的关键因素在于材料

的介电性能、热学性能、物理机械性能以及空间电荷特性等。不同于交流高压电

缆，直流高压电缆绝缘材料设计和选材的特别之处在于需考虑绝缘介质的空间电

荷特性和温度梯度效应。聚乙烯（PE）作为电线电缆行业中常用的绝缘材料，因

其自身简单的线性或支链结构而具备众多优异的介电性能和物理机械性能等。结

构决定材料的性能，PE本身的线性分子链间易在受到外界影响（应力或热作用等）

时发生相对运动，从而导致其耐热变形能力较差和使用温度较低等。通常采用交

联的方式，将PE的线性结构改造成立体网状结构，因而提高了PE的耐温等级和

物理机械性能等。交联聚乙烯（XLPE）在电气性能和物理机械性能方面得以提升

的关键正是在于交联工艺对其分子结构的网状化改造。可见：ａ．XLPE在电气性

能方面均优于PE和聚氯乙烯（PVC），其体积电阻率比PE、PVC约高出１～３个

数量级，电绝缘性能优异，且介电性能优良，更适合应用于中、高压电缆绝缘中。

ｂ．XLPE在物理机械性能方面同样优于PE，XLPE的长期耐受环境温度提高到９

０℃，且抗拉强度提高到大于２０ＭＰａ，环境适应性（包括耐候性、耐老化性

和耐油性等）和低温