摘 要：为促进挤压型直流电缆在大容量、远距离电能传输方面的应用，对挤压型直流电缆发展现状及关键技术问题做了述评与分析。指出挤压型直流电缆的发展需要解决多场耦合作用下介质空间及界面电荷的产生、输运、积累及消散过程，绝缘介质多性能协同调控两大关键科学问题。并需要在如下几方面取得重大技术突破：纳米复合材料对空间电荷、内电场、热场分布的调控机理及协同趋优调控方法，直流电缆内绝缘系统缺陷的产生、发展和演变过程，绝缘老化和缺陷状态的表征参数，纳米掺杂对挤压型直流电缆长期运行特性的影响，面向未来的高压直流电缆绝缘的可回收绿色环保型材料体系。
关键词：挤压型直流电缆；空间电荷；直流电导；可回收绝缘材料；热特性；纳米改性
相对于交流输电技术，直流输电技术在大容量、高电压、远距离输电中具有诸多优势[1]。而随着高压直流输电，尤其是轻型直流输电技术的飞速发展，跨海峡等水下直流输电工程的兴建以及大城市供电亟待解决线路走廊和城市美观等问题，挤压型高压直流电缆，主要是交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆得到了广泛的应用。
相比于交流电缆，直流电缆性能更为复杂。交流电缆的绝缘层主要承受工频交流电压，其电场分布与介电系数呈反比分布[2]。一般情况下可认为绝缘材料的介电常数几乎不受温度的影响，因此电缆绝缘层中的电场分布和温度分布几乎无关。而直流电缆的绝缘层主要承受直流电压，其电场分布与体积电阻率呈正比分布。由于聚合物绝缘材料的电阻率对温度变化非常敏感，一般情况下电阻率随温度的增加而呈指数减小，因此在挤压型直流电缆正常工作时会出现电场反转现象，即电场强度最大的地方出现在绝缘层外表面处。其次，交流电缆在运行时由于绝缘层两端的电压极性不断发生改变，因此并不会出现空间电荷的积累问题。而直流电缆在运行时由于电压极性不变，因此可能存在空间电荷的积累，而空间电荷积累与直流电缆出现故障有着密。
切的关系[3]。电缆绝缘层中的空间电荷积累会造成介质内局部电场的畸变，进而引起局部放电和介质击穿，特别在强电场作用下空间电荷的积聚会加速聚合物电介质的老化过程。
直流电缆分为绕包绝缘电缆和挤压绝缘电缆。绕包绝缘电缆又分为浸渍纸绝缘电缆和胶浸实心绝缘电缆。这3 种直流电缆的特点如下：
1）浸渍纸绝缘电缆采用浸渍低粘度的绝缘油的特殊纸绝缘，是最早的现代意义上的高压直流电力电缆，也是最常用的高压直流电缆，其应用历史>60 a。由于近年来解决了长距离供油的问题，浸渍纸绝缘电缆除了在陆地上广泛应用外，也作为海底电缆广泛应用。但是这种电缆的制作工艺十分复杂，运行维护成本高。在运行过程中，油的粘度随着温度的升高而降低，绝缘油会向低势能处迁移，会降低少油部分的绝缘强度，导致多油部分压力增大，甚至损坏。
2）浸渍高粘度化合物的胶浸实心电缆工作电压梯度可达25 kV/mm，适合于长距离海底敷设，并且具有良好的冷却作用从而避免浸渍剂的流失，但是这种电缆不宜做大落差的敷设。
3）挤压型直流电缆目前主要采用聚乙烯作为绝缘介质。聚乙烯电缆内部结构坚固而简单，生产安装方便，在近期受到了广泛的关注。目前挤压直流电缆所有指标均优于胶浸实心电缆。
1 研究进展
1.1 直流电缆中的空间电荷
目前，挤压型高压直流电缆常采用XLPE 作为绝缘材料，而直流电压下的空间电荷积累会对这种电缆绝缘造成很多方面的影响：
1）空间电荷积累会导致介质内局部电场畸变，介质中的最高场强会达到外加电场的8 倍[9]，从而导致绝缘介质击穿。
2）空间电荷显著的电场畸变效应使得电缆绝缘中实际电场的计算和设计变得困难。
3）空间电荷的积累与消散是一个缓慢过程，所以当电缆以固定电压极性长期工作之后，若电压极性发生反转使外加电场与空间电荷积累所产生的电场叠加增强，电场应力极大点会从绝缘层界面运动到绝缘层内部。
4）电缆绝缘层中由于空间电荷的存在，将加速其电树枝发展和老化过程[10-11]。综上所述，高压直流下电缆绝缘层中空间电荷特性的认知和抑制被认为是高压直流电缆发展的关键问题。目前，对于直流电缆绝缘层中空间电荷的研究仍存在以下问题：对于空间电荷的来源到底是电极注入还是介质内低分子物质或杂质的解离和定向迁移，仍存在争论[12]；空间电荷测量方法仍需向着高时间分辨率、空间分辨率、多功能、3 维以及小型化的方向发展[13-14]；对于空间电荷的抑制虽然已经有成功的商业应用，但是抑制机理仍然不是非常清楚[15-18]。
1.1.2 空间电荷抑制方法
目前国内外提出了3 种抑制挤压型直流电缆绝缘中空间电荷的方法，并取得了一定的效果：①在电缆绝缘中加入无机纳米氧化物；②通过接枝改性电缆绝缘，赋予其特殊的官能团；③其他共混改性。
1.1.3 空间电荷数值模拟
从实际电缆的空间电荷测试方法来看，所有测试都需要剥除铠装、金属屏蔽层等附件结构，不仅对电缆有很大损伤，还无法对电缆的整体性能进行评估。另一方面，从硬件方面提高空间电荷测量系统测试的分辨率十分困难。因此空间电荷的数值模拟在计算机技术的发展和聚合物电荷输运理论的研究下成为一种评估聚合物内部空间电荷行为的新技术。
2 关键问题分析及展望
2.1 直流电缆发展中的关键科学问题
直流电缆绝缘材料的主要性能包括电导、热导、机械、空间电荷特性以及环境友好性等。如何调控电缆绝缘材料的各种特性是国内外学者长期致力于解决的难题。
制约直流电缆和直流输电管道技术发展的源头是空间电荷带来的问题，空间电荷的积累导致电缆的电树及击穿。另外电缆性能的调控，需要从抑制空间电荷出发来实现。空间电荷极大制约了高压直流输电技术的发展和运行的安全。因此空间电荷特性研究已被视为高压直流用绝缘材料设计和评估的关键基础。因此，拟解决的关键科学问题一是“多场耦合作用下介质空间电荷的产生、输运、积累及消散过程”。在高压直流电缆绝缘中，绝缘介质的电导率、热导率、电荷陷阱及捕获截面等性能参数是决定电场分布、热场分布、空间电荷分布的关键参数。这些参数与外加激励(温度和电场)的非线性关系使绝缘介质性能参数与电场分布、热场分布、空间电荷分布之间的因果关系相互耦合。如何实现绝缘介质物理性能参数和外加激励的协同、匹配是破解高压直流电缆设计难题的关键。其基本学术思想是通过添加不同性质的纳米颗粒和不同纳米颗粒的组装结构来调控电导率、热导率等特性。因此，为了实现高压直流电缆性能的提高，拟解决的关键科学问题二是“绝缘介质多性能协同调控的理论及方法”，通过调控电缆的热导、电导特性等，改善髙电场和高温度场下空间电荷特性和电场分布，提高最高工作温度和工作场强，缓解及消散空间电荷破坏效应。
2 个科学问题的关系如图6 所示。通过关键科
学问题一的研究来认知空间电荷的特性，进而以控制空间的积聚为目标来调控电缆绝缘介质的电、热、机等性能，实现从认知到调控这一过程。