张泽卉，李岩，郑永，李海升，赵信华，李保生，裴秀高，程远

(国网山东省电力公司莱芜供电公司，山东 莱芜 271100)

高压直流输电在风能、潮汐能、太阳能等新能源电力的规模化利用方面具有电能质量高、损耗低等优势，已经成为高电压、大容量、远距离输电的主要形式。挤出型高压直流塑料电缆作为高压直流输电的关键装备，因可以同时解决城市供电线路走廊、城市美观等问题而得到广泛应用[1-2]。1999年瑞典Gotland地下电缆输电系统投入运行，成为世界上第1条商业化的挤压型直流电缆，系统额定电压±80 kV，输送容量50 MW，长度72 km[3]。2009年ABB公司建造世界上第1条海上高压直流系统BorWin1，实现了北海海上风电与德国内陆电网互联，其额定电压±150 kV，输送容量400 MW[4]。2011年日本J-power公司制造的本州到北海道交联聚乙烯(XLPE)直流电缆投入运行，为当时世界上电压等级最高的XLPE直流电缆，系统额定电压±250 kV，输送容量600 MW[5]。2013年J-Power公司根据CIGRE TB496《额定电压500 kV及以下电力传输系统直流电缆推荐试验》标准制造出电压等级为400 kV的直流XLPE电缆，并通过试验验证[6]。2014年ABB公司与北欧化工公司合作推出基于新一代XLPE电缆料的直流电缆并通过试验验证，其额定电压525 kV，输送容量2.6 GW，但尚未投入商业运营[7]。2015年ABB公司与北欧化工等单位提出欧洲2030年战略研发规划，为满足可再生能源开发、区域联网需求开发1000 kV/5 GW挤包绝缘直流电缆系统，但仍面临着特高压直流电缆绝缘料、屏蔽料、附件绝缘料等诸多技术难题和瓶颈。

我国高压直流电缆工程起步相对较晚，但发展迅速。2013年南方电网建设的南澳±160 kV/200 MW多端柔性直流输电示范工程投运，将海上风力发电接入陆地骨架电网，为我国第1条投入运行的高压直流电缆工程。2014年国家电网建设的舟山±200 kV/400 MW多端柔性直流输电工程投运，将舟山群岛供电系统与陆地主电网构架互联。2015年国家电网建设的厦门±320 kV/1000 MW柔性直流输电工程投运，海上风力发电的规模化利用能力进一步提升。5 a内，我国实现高压直流电缆电压等级从160 kV到320 kV的三级跳，极大地提高了我国高压直流电缆的输电能力[8]。2017年中天科技研制的±525 kV XLPE柔性直流电缆系统通过试验验证，标志着我国高压直流电缆技术进入世界前列[9]。2018年张北可再生能源±500 kV柔性直流电缆工程开工建设，该项目是促进我国能源清洁低碳发展的重大举措，其电压等级、输送容量均处于国际前列。然而，仍需要对电热多应力作用下高压直流电缆主绝缘材料的老化问题以及有效评估手段开展研究，以指导系统运维。

1 直流电缆绝缘老化机理

国内外学者普遍认为绝缘介质老化与电荷输运行为密不可分，并认为陷阱分布影响电荷积累、消散、输运特性[10]。然而，绝缘介质本身物理微观结构和陷阱分布的影响因素较为复杂，尚未有统一的理论来解释聚合物所有老化和击穿行为。

1978年T. Tanaka提出电荷注入与抽出理论，指出交变电场负半周期电子注入试样内部，正半周期电子抽出回到电极可以等效为空穴注入，电子反复注入 抽出过程中部分电子获得较高能量，从而导致分子链裂解[11]。交流电压负半周期注入的电子与正半周期注入的空穴复合产生的能量可通过俄歇效应产生热电子打断分子链，或以紫外光形式释放能量，造成分子链损伤，最终形成内部中空的劣化通道[12]。聚乙烯内部电子比空穴更易注入和抽出，交流电压正半周期峰值电场下入陷电子静电场与外施电场相反，容易形成反向放电，此外电荷注入过程也受聚合物/电极二者界面物理特性、陷阱特性的影响[13]。

绝缘介质内部拓扑结构无序性和化学无序性(或物理缺陷、化学缺陷)导致能带间断点出现，形成电荷捕获中心(或陷阱)[14]。物理陷阱自来链段折叠弯曲、结晶区/非结晶区界面等，其陷阱能级较浅，一般情况下均小于0.3 eV；化学陷阱来自羧基、羟基、共轭苯环等，部分陷阱能级可达4 eV以上，其分布范围较广[15]。陷阱分布会影响绝缘介质电子、空穴的输运过程，改变载流子密度而影响电导率、击穿场强等。聚合物电树枝引发的陷阱理论针对电树枝引发阶段，以电子、空穴的注入为基础。负电压下注入电子被陷阱捕获，并以非辐射的形式释放能量，同时入陷电子与极性反转注入空穴复合，以光子等辐射形式释放能量，造成分子链破坏；单极性电压下电子、空穴被陷阱捕获释放能量，该过程与交流电压负半周期(或正半周期)电子(或空穴)的注入过程相似。电子、空穴的入陷、脱陷、复合过程释放的能量造成分子链断裂，引发自由基反应，加速聚合物的降解过程[14]。分子链降解形成的低密度区可增强载流子的碰撞电离过程，进一步释放能量，造成分子链裂解而形成劣化通道[16]。陷阱理论解释了直流电树枝、直流接地电树枝的极性效应等问题，但是仍然需要一定的检测手段来评估空间电荷的分布特性、陷阱能级特性以及与直流电缆绝缘老化的内在关系。

2 空间电荷检测方法

2.1 电声脉冲法

电声脉冲(pulsed electro-acoustic，PEA)方法是由Takada在1987年提出的[17]。脉冲电压在试样内产生相应的脉冲电场，从而使电荷运动并生成相应的声波。声波到达压电转换器(PVDF)，输出与试样内空间电荷成比例的电信号。但使用有限频率带宽的陶瓷压电传感器(PZT)时，实验输出信号没有直接反映空间电荷分布。当脉冲信号通过PZT传播时，部分高频信号丢失。为了解决这个问题，Takada等开发了一种反卷积分技术以获得空间电荷的清晰分布结果[18]。一种可以回避反卷积分技术的新型压电传感器使PEA方法能够应用于薄膜试样和同轴电缆，该方法将分辨率从5 mm提高到了数微米[19]。

随着PEA系统电阻电容、电极尺寸、脉冲电源等模块的优化，可以实现27 mm和25 μm厚度范围内空间电荷的精确测量。Takada等人利用脉冲宽度为0.6 ns的100 V脉冲电压，使25～100 μm厚度试样的分辨率可分别达到1.6 μm和 3 μm[20]。随后，Takada等在PEA单元上部布置了可控加热模块，在下部电极插入热电偶作为温度传感器；因为LiNbO3晶体在高温下具有稳定的输出信号，利用LiNbO3晶体替代PVDF，使测量结果更为准确[21]。

2.2 热脉冲法

Tourielle等人于1987年发明的热脉冲方法(thermal step method，TSM)是基于对试样进行热处理来测量试样本身热运动而产生的电流响应[22]，图1为TSM方法的原理图[23]，图中i(t)为热激电流，pA为电流测量单元；由于热处理的最大温度为环境温度，该方法的优点是具有非破坏性[24]。具体地说，加热器施加的热处理会产生热波，该波传播过试样后会引起材料的收缩或膨胀，使绝缘材料的介电常数产生变化，以及使试样内部的空间电荷发生一定的位移。后者反映在电极上会引起感应电荷变化，从而产生电极之间的电流，该电流的值与电场分布和空间电荷密度密切相关。获得电场分布，就可以根据泊松方程反演空间电荷的分布[25]。

图1 TSM方法原理图Fig.1 Schematic diagram of TSM

TSM最初应用于绝缘厚度在2～20 mm范围内的材料，分辨率为150 μm[26]；后来，通过快速加热，可以研究10～100 μm范围内的薄绝缘件，分辨率也大大提高，大约为0.1 μm[27]；最新研究的方法已经应用于微纳电子学。Notingher等人使用具有飞秒级激光脉冲的光学仪器将该方法的分辨率提升到了20～50 nm[28]。

2.3 电流积分法

电流积分法的基本原理是：在高压端子和检测目标之间插入积分电容器CINT(其值为CINT)。当施加电压时，有相同的电流流过CINT和测试试样，这意味着电荷Q和时间t的倒数保持不变；因此，测试样品中的电荷等于CINT中的电荷。由于可以检测到CINT中的电荷，可以得到与测试样品相同的电荷特性。等式(1)显示了通过电流积分进行的电荷测量，即

(1)

式中：I(t)为流过高压电路的电流；UQ(t)为器件的输出电压；Q(t)为电容器CINT和测试样品的电荷[29]。

图2为电流积分法的基本电路图[29]，主要包括3个部分：第1部分包含测量电路(如用于电流积分的电容器)；第2部分包括1个A/D转换器和1个发射器；第3部分包含1个连接到个人计算机(PC)的接收电路。根据式(1)和图3，可以对I(t)进行积分来计算试样中的累积电荷。通过阻抗转换器(运算放大器)将所求得的Q(t)转化为稳定电压UQ(t)，之后经A/D转换器转换为数字电压UD(t)。最后，收集到的信号被传送到连接PC的接收单元[30]。

图2 电流积分法基本电路Fig.2 Basic circuit of the current integral method

3 基于PEA方法的直流电缆绝缘老化评估

图3所示为PEA方法的典型配置[31]。当脉冲电压施加到具有内部电荷的试样时，脉冲电场和电荷(内部电荷、电极上的感应电荷以及通过气隙施加脉冲电压时试样上的表面电荷)会产生声波；声波在试样中传播，通过连接到接地电极的压电传感器转换为电信号，电信号的幅度与电荷量成比例，延迟表示距传感器的距离，即电荷位置。以这种方式可以定量和非破坏性地测量空间电荷分布。在363 K、55 kV/mm的交流电压(频率50 Hz)下进行加速老化试验，并采用上述方法测量空间电荷分布。试验中的电缆试样有未老化试样、电老化试样和热老化试样3种(代表3种主要材料应力)，用于研究空间电荷衰减特性以及随后的电荷陷阱分析，并根据不同电缆试样陷阱分布存在的差异对电缆的老化特性进行评估[32]。

图3 PEA方法测试装置Fig.3 PEA test device

在加速老化试验之前，3种试样都主要包含负空间电荷。图4所示为未老化试样的空间电荷衰减分布，以此作为3种试样加速老化试验之前空间电荷分布的示例；图5所示为加速老化试验6 088 h后3个试样的空间电荷分布[33]。与加速老化试验之前的测量结果相反，图5中可以清楚地观察到正负空间电荷。几乎所有与未老化试样阳极相邻的正电荷在1 200 min内衰减掉，而此时只有相对较小部分的负空间电荷在衰减；另一方面，电老化试样和热老化试样保持正负电荷的时间更长，表明试样中存在更深的陷阱。

图4 未老化试样空间电荷衰减曲线Fig.4 Space charge decay curves of unaged sample

图6所示为正负空间电荷随时间的衰减曲线，可以观察到，10 min之前的空间电荷衰减是由负空间电荷和正空间电荷共同产生的。浅陷阱正电荷的衰减在约10 min时有小幅增加，表明存在额外的深陷阱负电荷。在未老化试样中，深陷阱负电荷在103min左右开始衰减，且深陷阱中的正电荷小于负电荷。相反，在电老化试样和热老化试样中，深陷阱正空间电荷大于负空间电荷。由图6可知，在电老化试样中，深陷阱正空间电荷在104min开始衰减；而在热老化试样中，深陷阱负空间电荷和正空间电荷几乎同时(约3×105min)开始衰减；这意味着热老化试样中电荷陷阱更深。

图5 6 088 h加速老化试验后，3种试样空间电荷衰减曲线Fig.5 Space charge decay curves of three samples after 6 088 h accelerated aging test

在未老化试样中，深陷阱正电荷非常少，并且在测量期间不会衰减，表明其绝缘性能良好；电老化和热老化试样均比未老化试样中深陷阱正电荷多，表明这些试样在加速老化试验期间比未老化试样更容易产生这种陷阱，2种试样的绝缘性能下降。热老化试样的特点是正负深陷阱电荷保留至105min，而电老化试样在104min开始失去深陷阱正电荷。电应力是交流电场产生的应力，预计空间电荷的实际量在改变绝缘寿命方面并不重要，而在循环中保留的电荷量增大了注入电流[34]。由于受热应力对试样耐久寿命的影响最大[35]，造成绝缘失效过程的可能原因是：高温下的热降解和抗氧化剂消耗导致深陷阱正电荷产生，从而增加交流注入电流，这反过来又进一步导致陷阱产生和抗氧化剂消耗。由此得知：受电应力和热应力的电缆均会老化，但热应力的影响更大大，电缆老化更严重，绝缘性能最差。

图6 正负空间电荷的衰减特性Fig.6 Decay characteristics of negative and positive charge

4 基于TSM的直流电缆绝缘老化评估

根据TSM原理，如果在靠近电极的位置施加热处理步骤(急剧冷却或加热)，会改变系统的静电平衡，这是由于绝缘体的收缩(或膨胀)导致试样中空间电荷发生位移，表现在外部电路有电流产生。该电流的值与电场分布和空间电荷密度密切相关，因此应用泊松方程可以计算空间电荷密度[36]。所用绝缘材料试样有2种：一种是含有纳米粘土的试样，另一种是不含纳米粘土的试样。实验方案如下：在60 °C下以15 kV / mm的电压进行长达1 611 h的电老化，然后在1 611～1 927 h之间以20 kV/mm的电压进行电老化；老化期间在短路条件下用TSM测量空间电荷。

图7和图8分别为在每个老化步骤期间试样中捕获的正电荷和负电荷的量，可以看出，在2种情况下，含有纳米粘土的试样都表现出最低的捕获电荷水平；这意味着纳米填料在空间电荷积累方面具有有益的作用。另外，可以观察到在没有纳米粘土的情况下，试样的捕获电荷上出现了更加强烈的震荡，这些强烈的振荡会导致绝缘材料老化速度加快[37]。

图7 正陷阱电荷随老化时间的变化Fig.7 Changes of the positive trapped charge with aging duration

图8 负陷阱电荷随老化时间的变化Fig.8 Changes of the negative trapped charge with aging duration

5 基于电流积分的直流电缆绝缘老化评估

图9为电流积分测量设置，通过在内导体和高压端子之间安装电流积分装置，可以测量从内导体到电缆半导体层的绝缘电流，通过对该电流进行积分即可得空间电荷量。为了更好地评估电荷注入和积累性能以及试样的老化特性，引入比率R=Q(t)/Q0来表征电荷行为，其中t=300 s，Q0为初始电荷。如果没有发生电荷注入和积累，则R=1；R>1表示样品内有电荷的注入和积累。

图9 电流积分测量装置[30]Fig.9 Current integral measurement device

图10为未老化电缆Q(t)测量结果。如图10(a)所示，当施加电压到2 s时，Q0增加到一个很高的数值，然后几乎保持稳定，不再随时间变化，且Q0随施加电压的增加而逐渐增大。图10(b)显示了比率R与施加电压的函数关系：施加不同电压时，R值都接近1，表明电缆绝缘内部很少发生电荷的注入和积累。由此可以证明未老化电缆具有良好的绝缘性能。

图10 未老化电缆Q(t)与外加电应力的关系[30]Fig.10 Relationship between Q(t) of unaged cable and the applied electric stress

图11为轻微老化电缆测量结果。

图11 轻微老化电缆 Q(t)与外加电应力的关系[30]Fig.11 Relationship between Q(t) of slightly aged cable and the applied electric stress

严重老化电缆测量结果如图12所示。如图12(a)所示，在施加电压时，Q(t)随时间明显增加，其增长率随施加电压的增大而逐渐增大；图12(b)显示出了比率R随施加电压的变化，R远高于1，表明严重老化电缆中有大量的电荷注入和积累，其绝缘性能劣化较为严重。

图12 严重老化电缆Q(t)与外加电应力的关系[30]Fig.12 Relationship between Q(t) of seriously aged cable and the applied electric stress

6 结论

a)PEA方法是由脉冲电场使电荷运动产生声波来测量空间电荷，适用于声学上均匀的材料；TSM方法通过测量对试样加热使其热运动而产生的电流响应得到空间电荷，但要注意对试样稳定加热；电流积分法则是对流过试样的电流进行积分获得空间电荷量，但是电缆表面的污染物、杂质和水分会对电流测量有一定影响。

b)PEA方法得到空间电荷分布，通过对电荷陷阱深浅进行分析，可得试样的老化特性；TSM比较了试样捕获正负陷阱电荷的水平以及振荡程度，评估了不同绝缘材料老化特性；电流积分法在测量空间电荷时引入了比率R，根据R值不同，可判断出电缆的老化程度。

c)目前虽有很多空间电荷测量方法，但因各种限制，各方法有着不同的特点和适用范围，且大多容易受到环境的影响，因此提高测量准确性是今后研究的重点。此外，单一方法会有局限性，建立多种方法综合评定电缆老化程度也是今后的发展方向。