院士分享：高压直流电缆关键技术 未来十年我国直流电网技术、建设将快速发展【SMM线缆峰会】lg...

在由浙江万马股份有限公司和上海有色网（SMM）联合举办的2024 SMM（第二届）电线电缆产业发展大会上， 中国工程院院士雷清泉现场分享了高压直流电缆的关键技术。

一、技术背景

1.高压交流和直流输电的发展概况

交流输电已经历了一百多年的发展，目前最高电压等级已达1000kV；交流输电系统的电力传输方式正在经历着从架空线到交流电缆的转变，尤其在城市配电领域，交流电缆的作用更加突出。

现代直流输电技术也有60年的历史，目前工程最高电压等级已经达到±800kV。直流电缆在高压直流输电系统的应用一直相对滞后，应用有限，在柔性直流输电技术发展后，直流电缆工程应用快速发展。

2.高压交流和直流输电的比较

其还对HVDC与HVAC输电系统造价比较进行了介绍。

传统直流输电与柔性直流输电

传统直流输电：采用电流源换流器(CSC),以晶闸管为开关元件，不能自关断，依靠网压换流，功率潮流反转只能通过电压反向来实现；成本低，目前已达1000kV。

柔性直流输电：采用电压源换流器(VSC),换流元件为全控器件IGBT，可以自关断，功率潮流反转可以通过控制电流反向来实现；成本高，目前最高到320kV，一般采用直流电缆。

极性反转与空间电荷效应

传统直流输电潮流需要电缆电压极性反转——空间电荷效应——绝缘早期老化击穿

柔性直流输电电缆：基于VSC变流器的柔性HVDC电缆在承受雷电、操作过电压等电磁暂态下会产生极性反转电压。

高压直流电缆的种类

其还对XLPE绝缘HVDC电缆的基本结构进行了阐述。

二、高压直流电缆的关键技术问题

受限于直流电缆的材料性能和制造工艺，目前高压XLPE直流电缆的最高运行温度仅为70℃，低于交流XLPE电缆的90℃运行温度。

半导体屏蔽材料研制技术：满足直流电缆界面空间电荷抑制和提高抗电老化性能的改性半导体屏蔽材料研制，并可实现90℃工作温度运行；直流电缆绝缘材料研制技术：满足直流电缆绝缘及耐老化性能需求、并可实现90℃工作温度运行的改性XLPE材料研制；直流电缆测试技术：可实现直流电缆空间电荷精确测试的方法，以及直流电缆的长期老化性能测试方法；直流电缆制造技术：满足长期应用可靠性的200kV及以上电压等级基于陆基和海基应用环境的不同类型高压直流电缆制造工艺；直流电缆附件制造技术：200kV及以上电压等级高压直流电缆附件内部电场优化设计、内外组合绝缘设计、非线性应力控制等。

电缆绝缘材料研制技术

在200kV及以上电压等级直流电缆的主绝缘材料包括交联聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯等材料，目前主要以XLPE材料为主。

极性基团和接枝、共混改性：采用该技术生产的XLPE绝缘工作温度低于70℃，与运行温度为90℃的绝缘料相比，以此绝缘的电缆输送容量较低；

纳米复合改性：采用该技术生产的XLPE绝缘料工作温度可达90℃；

国外XLPE电缆绝缘材料现状

北欧化工：位于瑞典斯泰农松德 (Stenungsund)，是XLPE超纯电缆绝缘料最大供应商，供应70℃共混改性柔直电缆绝缘料；自1997年北欧化工电缆料首次在柔直工程应用至今，已占领全球市场。

日立公司：已经制作出500kV MgO纳米复合绝缘直流电缆并通过型式试验，但目前尚无商品供货。

直流电缆绝缘材料研究必须考虑绝缘材料电阻率与温度、电场的变化规律。研究发现：X L P E 交流电缆绝缘料( A ) 、北欧化工的BorlinkTM共混XLPE直流电缆绝缘料(B)、纳米复合改性XLPE直流电缆绝缘料(C)，三种绝缘料在30kV/mm场强下，在30- 90℃范围内体积电阻率普遍下降了约2个数量级。

30-90℃温度范围内，纳米复合绝缘料的电阻率最高，是北欧化工材料的100倍，是XLPE交流电缆绝缘料的1000倍。

高压直流电缆制造技术

为获得更高质量的挤出型高压直流电缆，许多厂家已开始研究如何利用适当的材料和高质量的电缆制造技术来控制材料的参数。

直流电缆制造工艺控制研究的难点在于对设备性能的控制；重点研究聚乙烯绝缘料和半导电屏蔽料在不同温度、不同剪切力和受不同压力作用下的粘度变化，确定电缆挤出工艺参数；对于电缆偏芯问题、绝缘内应力集中问题，可采取立式交联、导体加热，在线应力松弛监测系统等方法，使生产工艺进一步完善。对于电缆附件用橡胶材料，普遍采用高温硫化技术。通过测定附件用橡胶 材料硫化曲线，研究硫化质量，合理设定硫化工艺条件，对于提高制品的使用性能、节约能源和降低生产成本具有重要的意义。

高压直流电缆的高线压芯导直电流材电料缆可线选芯择导铜电材材料料和铝选材型料。

对于500kV等级的直流电缆，3000mm2截面，铜导体可传输约2.6GW电能，而铝导体则可传输约1.8GW电能；目前我国规划的500kV直流电网输送容量已达3GW，铜电缆将是应用趋势。

高压直流电缆附件技术

直流电缆附件具备电场应力控制是保证电缆绝缘可靠性的关键：

对电缆终端而言，电场畸变最为严重，影响终端运行可靠性最大的是电缆外屏蔽切断处；对电缆中间接头电场畸变的影响，除了电缆外屏蔽切断处，还有电缆末端绝缘切断处。

高压直流电缆试验技术

试验测试是检验直流电缆性能是否满足应用要求的关键依据，包括型式试验和预验收试验。国际标准已对直流电缆测试给出了推荐方法。

CIGRE在2003、2012 年分别提出了250kV、500kV高压直流挤出绝缘电缆推荐试验方法；IEC TC20在2013年发布了320kV高压直流挤出绝缘电缆及附件的陆上应用试验方法及要求；IEEE DEIS在2013年成立高压直流电缆系统技术委员会，拟发展高压直流挤出绝缘电缆系统（电缆、接头、终端）的IEEE标准。

在高压直流电缆的材料及电缆本体的老化特性测试方面，仍需要开展系统的研究和等效试验方法研究，以提出更好的老化特性试验方法。

根据ABB公司公开的文献报道，其525kV直流电缆的成品试验依据为：直流电缆的电气性能测试依据2012年颁布的CIGRE-TB-496执行；与交流电缆相比没有特殊要求的试验，直流电缆则按照IEC相关标准进行测试。

三、高压直流电缆的工程应用

1.欧美高压直流电缆工程应用

欧洲直流电缆市场：欧洲计划2050年以前建成以新能源接入为主的全欧洲直流智能电网，以满足欧洲50%的电力需求；直流电网建设的投入资金分别约为2000亿欧元。

美国直流电缆市场：美国 ”Grid 2030”计划到2030年形成全国范围的可稳控的直流输电网架。直流电网建设的投入资金分别约为120亿美元。

英国海上风电联网规划：为实现可再生能源的大规模开发利用，未来的十几年英国电网计划大力发展海上风电场的建设；到2025年，英国国家电网在东海岸和北海区域规划了数十个大型海上风电场，以及近50条柔性直流输电工程，构成柔性直流输电网络。

2.国内高压直流电缆工程应用

国内柔性直流电网规划：我国规划了张北500kV直流电网示范工程，预计2018年建设，2020年投运，用于大规模可再生能源的消纳；我国也正式提出了全球能源互联的规划，基于此需求，正积极推进500kV直流电缆及800kV直流电缆的研制；我国正在规划中韩联网工程，通过长达500km的500kV直流海缆，实现从中韩两国的电力互联。

在国际上，基于直流电缆电力传输的柔性直流电网规划和建设呈现井喷式发展；基于国际上直流电网建设的电缆需求总市场折合成人民币将超过2000亿元(包含840亿海上风电场直流电缆市场)。

3.柔性高压直流电缆的开发

500kV电压等级柔性直流输电已经成为发展趋势，因此，500kV高压直流电缆的开发已经势在必行。

截止目前，国际上共建成柔性直流工程24项，23项直流线路采用直流电缆，仅卡普里维联网柔直工程采用架空线路输送；我国已经建成的上海南汇20MW/±30kV柔直示范工程、舟山±200kV五端 柔性直流工程和南澳三端柔性直流工程均采用直流电缆。

四、总结与展望

总结

未来的十年将是我国直流电网技术和建设快速发展的阶段，高压直流电缆作为重要的电力传输媒介，将会普及应用；在国外，高压直流电缆的电压等级已经发展至500kV，国内500kV高压直流电缆的研制相对滞后；受限于直流电缆材料，目前直流电缆的运行温度仅70℃，无法达到90℃运行温度；我国高端直流电缆材料主要采购自国外，要实现直流电缆技术的真正突破，必须突破直流电缆材料的制造技术。

展望

国外研究展望

ABB公司于2014年研制出525kV高压直流电缆，并完成了型式试验，计划于2015年完成基于陆基和海基应用的长期老化性能测试；还有研究表明，日本高压直流电缆已经发展至500kV，通过长期测试证实其可以实际应用并具有长期可靠性，但是未能投入商业化运行；法国Nexans 公司采用聚乙烯绝缘，电缆的电压等级为500 kV，无运行经验，欧洲其他公司也在积极开发500kV直流电缆。

国内研究展望

国内五家电缆公司均采用XLPE绝缘料试制±200kV柔直电缆，并应用到±160kV多端柔性直流工程；国内电缆公司采用国外的电缆材料研制出320kV直流电缆，并应用于±320kV厦门柔性直流工程。

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