交聯聚乙烯(Cross-Linked Polyethylene, XLPE)以其優越的電氣、熱與力學性能而廣泛應用于電力電纜絕緣。近20多年來,隨著XLPE電纜絕緣材料技術的不斷突破和柔性直流輸電技術的持續進步,XLPE直流電纜的電壓等級不斷提高。
其中,ABB與Nexans公司先后完成了525kV XLPE直流電纜的研發;2017年,NKT公司將XLPE直流電纜的電壓等級進一步提高到640kV;國內寧波東方、中天科技和江蘇亨通等企業也開展了500kV XLPE直流電纜的研發工作,并取得了一定突破性進展。
目前,高壓直流電纜的設計主要是參照了交流電纜的設計原則,同時為了保證電纜的可靠運行,通常會選擇相對保守的絕緣厚度和脫氣工藝設計原則,其中電纜的脫氣工藝還主要停留在經驗上,目前沒有明確的規定和標準。對于500kV高壓直流電纜,長達幾十天的脫氣時間,大幅度增加了企業的生產成本,延長了電纜的投運時間,而脫氣過程中絕緣介質的電氣性能是否得到了有效改善尚不明確。
目前,通常采用過氧化二異丙苯(Dicumyl Peroxide, DCP)作為XLPE的交聯劑,在交聯的過程中,DCP受熱分解生成苯乙酮、枯基醇和◆-甲基苯乙烯等多種副產物,這些交聯副產物中含有的極性分子,易導致材料內部空間電荷積聚,引起電場畸變,加速電纜的老化進程,嚴重時會造成局部放電,甚至絕緣的擊穿。
目前,國內在高壓直流電纜的研發方面,主要是采用進口的超純XLPE電纜料,而現有的研究中,關于該類電纜的生產以及投運后的絕緣性能變化的研究并不多,介電特性變化也并不明確。因此,開展超純電纜絕緣特性的研究,掌握其在直流擊穿、電導以及空間電荷等方面相關的絕緣性能參數,充分認知現有超純材料的參數特征,對國產XLPE高壓直流電纜的研發和工程應用具有重要的理論意義和工程價值,也可以為國產化超純高壓直流電纜料的研發提供一些數據參考。
南方電網科學研究院等單位的研究人員基于進口的超純XLPE高壓直流電纜料,利用熱壓法制備了不同脫氣時間處理的XLPE試樣,對這些試樣進行了電導和擊穿實驗,研究了不同脫氣時間下XLPE試樣的電氣特性;利用空間電荷測量系統研究試樣內部電荷的分布特性;利用X射線衍射(X-Ray Diffraction, XRD)儀,研究了不同脫氣時間下XLPE試樣的結晶特性,以期為國產500kV XLPE高壓直流電纜的研發提供重要的基礎數據和理論支持。
他們最后得到以下研究結論:
1)脫氣處理有助于XLPE內部交聯副產物的揮發,提高材料的絕緣特性。在脫氣36h內,XLPE的電流密度、擊穿強度和材料結晶特性都得到持續的改善,但是脫氣90h,絕緣特性有所下降。實驗結果表明,XLPE長時間的脫氣,并不會持續改善其絕緣性能,脫氣存在極值時間。
2)脫氣處理的前期,大分子鏈受熱場的影響,活性增加,促進了無定型區域分子鏈有序折疊,增加了試樣的結晶度,改善了絕緣性能,但分子鏈的移動,會產生新的空穴,有利于載流子的注入,易產生電場強度畸變。
3)脫氣處理的后期,XLPE的電氣特性和材料結晶特性出現了下降,但是擊穿特性的形狀參數在脫氣的過程中持續增加,這說明熱場可能破壞了缺陷區域的晶體或其他分子,促進了雜質的再發揮,進一步凈化了材料,使得絕緣的穩定性得到了提高。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2,論文標題為“脫氣處理對高壓直流電纜絕緣特性的影響”,作者為羅兵、孟繁博 等。