空间电荷

随着柔性直流输电技术的日臻成熟，高压直流挤包绝缘电缆系统作为其中的关键设备在海上风电接入、孤岛平台供电和城市中心供电增容等领域应用日益增多，其绝缘性能及长期可靠性已成为世界性难题和研究热点。我国高压直流电缆研究、制造与应用工作起步较晚，在本项目之前，国内尚无系统研究高压直流挤包绝缘电缆系统关键技术的科研项目，更无具有自主知识产权的国产高压直流电缆和应用工程。针对我国柔性直流输电技术发展和工程应用需求，本项目在国内首次系统研究了高压直流挤包绝缘电缆绝缘材料选型、结构设计、关键生产工艺、试验与考核评价方法等，项目创新性强，技术难度大，取得一系列创新成果：掌握了高压直流挤包绝缘电缆设计与选型技术，提出了直流电缆绝缘材料评价方法及质量控制检测体系；研制了±200kV 纳米添加电导非线性增强绝缘直流电缆终端，并成功通过型式试验；研发了可重复利用、便于安装的直流电缆试验终端，解决了±320kV 以下电压等级直流电缆出厂试验难题；开发了高压直流挤包绝缘电缆系统全工况运行考核控制系统及全尺寸高压直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统，解决了温度梯度条件下全尺寸高压直流电缆空间电荷测量与评价的世界性难题，带动了高压直流电缆系统专用检测技术进步，并实现了科技成果转化；推动了国内外高压直流挤包绝缘电缆系统标准体系建设，先后制定了高压直流挤包绝缘电缆使用技术规范、空间电荷测量方法技术规范及运行维护试验导则等一系列行业及国际技术标准。

绝缘子

油-纸界面的局部放电是油浸式变压器中油-纸绝缘失效的主要原因之一。文中在多分支流注放电数值模型的基础上进一步考虑油-纸界面的电荷输运特性，构建油-纸绝缘系统中的多分支流注放电模型，并利用有限元法分别对天然酯绝缘油和绝缘纸介电常数配比、针电极与纸板的间距影响下的沿面放电特性进行研究。结果表明，针电极与纸板的间距及绝缘油与绝缘纸的介电常数配比均会显著影响流注分支；针电极与纸板的间距越小，油-纸界面处的流注分支间的抑制越明显，油-纸界面的流注对z-轴流注的影响更显著；当绝缘油介电常数比纸板大时，流注在油中的发展和分支更为显著，反之则流注更易沿纸板表面发展及在油-纸界面聚集电荷。

利用电声脉冲法在不同电场下测量了老化与未老化的交联聚乙烯切片，初步分析了界面极化电荷对试样内部空 间电荷的影响。结果发现：电荷未注入时，电荷只在界面处积累；电荷注入后，界面电荷密度增大，试样内部不断积累 异极性电荷。外加电场撤去后，界面极化电荷只在电荷消散初始阶段对试样内部空间电荷分布和内部电场影响较大； 随着界面极化电荷消散殆尽，对试样内部空间电荷的影响越来越弱。与未老化的试样对比，老化的试样由于注入电荷更 多，因此电荷平均体密度更大，且试样内部能级也加深。

电缆系统长期运行可靠性事关电网安全，涉及国家经济发展和社会稳定大局。直流电缆是实现大电网柔性互联、远距离大容量输电和新能源电力规模化利用的关键电力设备之一。与交流电缆不同，直流电缆在运行时，绝缘材料中的结构缺陷、结品度、添加剂、交联剂分解产物及其他杂质等，易引起电荷的积聚形成空间电荷，造成绝缘层内部电场分布畸变，加速电缆的老化和击穿破坏，缩短电缆寿命，危及电网安全。 国际大电网会议CIGRE认为，空间电荷特性不仅是评价直流电缆绝缘性能的关键指标，也是直流电缆绝缘水平的标志。空间电荷测试技术作为研究电缆空间电荷问题的重要手段，是国内外长期研究但未能突破的核心技术。开发空间电荷测试技术，抢占国际核心技术制高点，实现准确测量和合理评估工程应用的直流电缆空间电荷特性，既是保障电网运行安全可靠性，又具有政治意义。

随着柔性直流输电技术的发展，柔直电缆系统技术，尤其是高载流量（工作温度90℃）柔直电缆系统技术是整个电缆行业的热点研究方向。高载流量柔直电缆系统技术的突破面临3类问题：（1）现有商用柔直绝缘材料全部进口，工作温度为70℃，低于交流电缆系统的工作温度90℃，采用该绝缘材料制造的柔直电缆系统输送容量较小，难以满足电网建设中大容量输送的需求；（2）国内外关于工作温度90℃直流电缆本体及连接件（接头和终端）结构设计、直流电场下电缆和连接件的电场匹配等方面的基础理论研究较少且不深入；（3）直流裕度试验采用充油终端，成本高、装卸不方便、易污染环境。上述问题已经严重影响柔直输电系统的大容量要求和电缆产业国产化的健康持续发展。 本研究依托国家电网公司重大科技项目，立足基础理论创新，在国际上首次开发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘材料及其电缆系统，具体创新技术包括：1、自主开发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘料及其柔直电缆，并实现了国产化。①提出了添加纳米粒子以实现抑制电缆绝缘空间电荷积累的方法，通过调控电缆材料助剂的手段降低了绝缘材料的温度敏感性，提出了超净技术提高了绝缘材料击穿强度及电阻率，自主研发了工作温度90℃的±320kV柔直电缆绝缘料，并构建了电缆绝缘基料及柔直电缆绝缘料评价体系；②提出了柔直电缆绝缘厚度设计的最大场强法，巧妙设计了耐腐蚀的环保型柔直电缆结构，自主研制了高载流量±320kV柔直电缆样机研制，提升了柔直电缆载输送容量约20%。2、提出了电缆绝缘-连接件绝缘组成的双层绝缘介质直流电场分布理论，巧妙地设计了柔直电缆连接件应力锥曲线，在国内首次开发了低电阻率的柔直电缆连接件专用绝缘材料及其工作温度90℃的±320kV柔直电缆连接件，解决了柔直电缆与连接件绝缘电场不匹配而易于击穿的问题。3、提出了金属应力锥与绝缘气体进行绝缘配合的柔直电缆全干式裕度试验终端结构设计方案，研制了裕度试验终端样机，解决了直流电缆终端不能循环利用的问题，并防止了环境污染。 本项目获南瑞集团有限公司2020年度科技进步一等奖，发表论文8篇（其中Ei检索4篇），授权发明专利5项，实用新型专利3项。2019年10月，本项目通过中国电机工程学会鉴定，鉴定结论为：“90℃柔性直流电缆绝缘料及±320kV柔性直流电缆系统达到了国际领先水平”。此项成果已在江苏电力、中天科技、万马高分子等应用，未来在海上风电进网、海岛供电、城市输电增容等拥有良好的应用前景。

交联聚乙烯绝缘高压直流电缆是实现多端柔性直流输电的关键技术。我国自2012年起，先后有±160kV、±200kV、±320kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆与柔性直流输电工程成功投入运行，在电压等级上实现 了三级跳式的跨越，电缆运行状态和故障隐患点是普遍关心的问题。本文介绍了一起舟山柔性直流输电工程士200kV高压直流电缆双极短路故障，对故障电缆进行了解体检查、击穿通道观察、以及介电、理化性能评估， 从电缆设计绝缘水平、劣化和空间电荷的影响、单极接地故障过电压特性及其对直流电缆运行击穿特性的影响等方面分析了故障原因。