核心提示：　　高壓直流輸電有許多優點，線路成本紙、線路損耗小、沒有無功功率、電力連接方便、容易控制和調節，尤其是在長距離輸電中直流電力系統已經廣泛采用。我國在80年代已建成葛州壩到上海的500kV直流輸電線路，

　　高壓直流輸電有許多優點，線路成本紙、線路損耗小、沒有無功功率、電力連接方便、容易控制和調節，尤其是在長距離輸電中直流電力系統已經廣泛采用。我國在80年代已建成葛州壩到上海的500kV直流輸電線路，最近又在建設三峽剄常州的500kV直流輸4線路。直流電力電纜具有下列優點：絕緣的工作電場強度篼，絕緣厚度薄，電纜外徑小、重量輕、柔軟性好和制造安裝容易；介質損耗和導體損耗低，載流量大；沒有交流磁場，有環保方面的優勢。相對于交流電力系統而言，直流篼壓電力電纜的發展是滯后的，例如，在日本發展1000kV電力設備的同時，也研制成功了500kVXLPE電力電纜，并很快投入了運行，可是，500kV的直流電力電纜至今尚未研究成功w.研制篼壓直流電纜還有一些困難要克服，困難之Hi空間電荷問題，只有懂得空間電荷才能成功設計高壓直流電力電纜。

　　1直流輸電容量直流高壓輸電起始于50年代，隨著篼壓晶閘管技術的進步，篼壓大電流的換流技術變得較為簡單，篼壓直流輸電在先進國家中已成為交流輸電的競爭對手，在世界范圍內，篼壓直流輸電容量隨年份的增加情況如所示。

　　2影響直流絕緣介電強度的因素眾所皆知在交流電場中復合絕緣中的電場分布決定于介電常數，在直流電場中，電場按電阻率大小一交壓器油層壓板與油復合絕緣在電場中的電場分布分布，工頻電場變化如此快，材料中的正負電荷的遷移無法跟上電場的變化，因而絕緣中也不會產生空間電荷，可是在直流電場中則相反，將形成空間電荷，影響電場分布。如（a）示出層壓板與油復合絕緣在直流和交流電場中的電場分布。由（b），在交流情況下等位線平行層壓板，電力線垂直于層壓板，復合絕緣的介電強度很篼，但由（a）也可見，在直流電場中，在兩層板相搭蓋的油隙中，等位線幾乎與層壓板相垂直，電場強度沿層壓板表面分布，介電強度很低。如再考慮空間電荷對直流電場的影響，電場分布更不均，復合絕緣的介電強度更低。

　　3空間電荷效應當聚乙烯為絕緣時，聚合物具有大量的局部態，空間電荷效應特別嚴重，以聚乙烯為試樣，在進行脈沖擊穿試驗時，先對試樣進行直流預壓，所示直流預壓對脈沖擊穿電場強度的影響。

　　由可見，當直流電壓與脈沖擊穿電場強度相同時，隨著直流電壓幅值的增加，脈沖擊穿電場強度也略有增加。當兩者極性相反時，隨著直流電壓的增加，脈沖擊穿電壓線性下降，當去掉直流預壓電壓后再加脈沖電壓，其間隙時間對脈沖擊穿電場強度影響很大，間隙時間越長，脈沖擊穿電場強度越高。

　　以上。

　　E/E.與加壓時間的關系由可見，不論是電纜的內屏蔽還是外屏蔽層附近的介質中，空間電荷使電場強度提高的倍數隨著加壓時間的延長而增加。為了表達清楚，把中加壓48小時后絕緣中電場強度的理論值和測量值如下：電纜絕緣在加壓48小時后內屏蔽層附近的電場強度幾乎為理論值的8倍多，外屏蔽層附近也提高了6倍。電纜絕緣在加壓60小時后發生擊穿，充分說明了空間電荷在直流塑料絕緣中的危害性。

　　5直流塑料電纜絕緣材料的研究研制直流塑料電纜的關鍵是消除絕緣材料中的空間電荷，日本在XLPE中添加兩種填料是+極化的無機填料（XQ）；2.XLPE+導電無機填料（XLA）。通過偶極子定向極化的無機填料抑制空間電荷，或導電無機填料吸附載流子，降低空間電荷。上述兩種絕緣料制造模型電纜，測得的電纜絕緣擊穿電壓與絕緣厚度的關系見。從圖可知，普通的XLPE直流擊穿電壓最低，隨著絕緣厚度的增加會趨向飽和趨勢，在其中添加極化和導電的無機填料，兩者的效應幾乎相等，在相當大的范圍內擊穿電壓與厚度呈線性關系，在相等厚度下，XQ和XL*A的擊穿電壓比普通XLPE提高80%.不同直流電纜絕緣的擊穿電壓與厚度的關系在模型電纜絕緣上施加不同的電壓，測得絕緣電阻率與電場強度的關系如所示。從圖可知，普通XLPE的電阻率最低，其次是XLPE中添加導電無機填料的，最高的是XLPE中添加極化的無機填料。添加少量無機填料（1 %），不僅降低XLPE的電P且率，還有提高電阻率的作用。這一現象正好說明無機填料有吸附載流子的作用。

　　模型電纜絕緣的電阻率與電場強度的關系1976年日本日立公司首次報道研制DC電纜的情況時，絕緣中空間電荷分布測量技術還不過關，電纜絕緣中的空間電荷分布只能采用粉沫圖像法作定性分析，把紅鉛和硫的混合粉沫散在交聯聚乙烯電纜的截面上，根據紅、黃色環的分布區分正負電荷的存在。或用TSC曲線推算電荷在絕緣中的分布。

　　示出普通交聯聚乙烯和含有無機填料交聯聚乙烯電纜絕緣（絕緣厚度6mm）的擊穿電場強度與電纜溫度的關系。

　　從可見，普通交聯聚乙烯絕緣的直流擊穿電場強度隨著溫度的升高而線性下降，在9（TC下，普通交聯聚乙烯和含有無機填料交聯聚乙稀電纜絕緣的直流和反極性擊穿試驗的結果反極性擊穿電場強度最低，當交聯聚乙烯中含有無機填料時，直流擊穿電場強度幾乎與溫度無關，在9CTC下，反極性擊穿電場強度較高。

　　6日本250kVXLPE電纜的結構日本以XQ和XL*A兩種絕緣材料研制了250kVXLPE海底電纜，電纜的截面結構示于中。中電纜導線截面積為800mm2，絕緣厚度20mm，工作溫度下，設計的場強為50kV/mm，脈沖設計場強55kV/mm.為了制造長電纜，必須在工廠中把分段電纜連接起來，在工廠中使用的電纜連接頭的結構如0所示。由圖可見，連接頭的絕緣材料與電纜本體的絕緣材料是相同的。連接頭的外徑與電纜直徑相等，連接頭制造好之后，整個電纜外繞包鎧甲線，完成海底電纜。

　　導體（咖mm\鋼）內半導體層絕緣外半導體層防溻護套聚乙烯抗腐襯墊層鉬絲鎧裝（批mmx39根）聚丙烯股繩外徑最大！24mm重XLPE電纜絕緣中的空間電荷導體內半導體屏fis外半羚體屏沖層（壓屯S件測量條件為：（1）導線和空氣溫度均為5C，加*500kV3小時，然后再加+500kV3小時；（2）導線溫度85.和空氣溫度7*C加一500kV3小時，然后再加+500kV3小時。在不同溫度下，測得DCXLPE電纜絕緣中的空間電荷分布如2所示。

　　2中電纜的外電極位于0處，內電極位于20mm處，在室溫下，當電纜上外施電壓500kV后立即或加壓3小時后測量，在絕緣靠近電極處出現小量的異極性電荷（2（A）中（a）（b）），靠近外電極的負電荷分布在l2mm的狹窄范圍內，接著負電荷之后出現一個小的正電荷峰，分布在較寬廣的范圍內，加壓時間延長，這些峰略有增加，短路后（2（A）中（c）），在外電極處留下很小的正電荷峰。

　　電壓下，空間電荷的峰值略有增加，分布范圍更寬廣，短路后留下更多一些，可見，從2中（d）（e）也可見，在+500kV電壓下，與室溫下相比，在外電極處正電荷的峰值并不增加，短路不能完全釋放空間2DCXLPE電纜絕緣中的空間電荷電荷。

　　8250kVDCXLPE電纜絕緣中的電場分布根據電纜絕緣中的空間電荷分布，由泊松方程可以解得絕緣中的電場強度的分布，3示出不同溫度下，內外電極附近，絕緣和半導界面處，電場強度隨加壓時間的情況。

　　如在絕緣中無空間電荷，可以計算出在電纜內外半導體處的電場強度分別為36kV/mm和18kV/mm，從3（a）低溫下的曲線可見，當導體為負極性時，外電極處電場強度幾乎與加壓時間無關，而在內電極處的電場強度隨著加壓時間的增加緩慢上升。當導線為正極性時加壓到240分鐘時，因空間電荷的積累，內外電極處電場強度達到最低值。

　　由3（b）高溫下曲線可見，當導線為負極性時，外電極處電場強度隨著加壓間的增加緩慢上升，而內電極處的電場強度一直在小范圍內波動，當導線為正極性時，內電極處電場強度隨著加壓時間的增加而緩慢下降，而外電極處相反，緩慢上升。

　　空間電荷的存在只使內電極處電場強度增加10%40%，比第三節中講到的純XLPE中，空間電荷可使電場強度的增加小得多，添加無機填料幾乎完全消除了空間電荷的影響。

　　9直流塑料電纜絕緣材料的研究動態發展高壓直流電纜，關鍵是材料，雖然日本已經時間（分）⑷低溫時間（分）（h）尚溫3內外半導電極附近絕緣中最大電場強度隨加壓時間的關系研制成功了世界第一條250kV直流XLPE電纜，但是人們在為尋找更好的直流電纜絕緣而不斷努力。Khalil等熱激勵電流的測量，研究了BaTi03和電極材料對聚乙烯中空間電荷形成的影響。為了實測這種試樣中的空間電荷分布，我們去年也曾以100目BaTi03在11（TC的熱煉機上混入聚乙烯中，壓成0.5mm板，用電聲脈沖法測量了試樣中的空間電荷分布M.眾所皆知，采用無機填料可以消除聚乙稀中的空間電荷效應，無機填料比重大，增加電纜重量，必須用偶聯劑增加界面強度，工藝復雜。

　　日本研究發現在聚乙烯中添加1 %的極性基團可以大大降低空間電荷；韓國用極性基團對聚乙烯接枝和共混，降低了聚乙烯的空間電荷；聚乙烯的空間電荷效應與本身的形態結構密切相關，把高密度聚乙烯和低密度聚乙烯共混可降低空間電荷，有望在直流電纜上得到使用；我們最近的研究表明，在聚乙烯中添加一點氯化聚乙烯，也可以大大降低空間電荷效應，氯化聚乙烯與聚乙烯相溶性好，具有工業應用的前景；以有效成核劑分散在聚乙烯中，改善形態也能降低空間電荷。

　　10結束語近十年來，固體介質中空間電荷分布的測量和空間電荷的形成、抑制機理的研究，是絕緣領域中研究最活躍的課題，研究此課題不僅具有巨大的工業應用前景，而且改變電介質介電強度的基本理論，現代研究表明，空間電荷的陷阱、復合產生的高能粒子是導致聚合物分子鏈斷裂的根本原因，空間電荷效應也是開發新型傳感器的一種途徑。