直流電纜的絕緣特性

1， 交流電纜的場強應力分布是均衡的，電纜絕緣材料著重的是電介質(zhì)常數(shù)，電介質(zhì)是不受溫度影響的；而直流電纜的應力分布是電纜絕內(nèi)層為最大，受電纜絕緣材料的電阻系數(shù)影響，絕緣材料有負溫度系數(shù)現(xiàn)象，即溫度增高，電阻變??；電纜在運行時，線芯損耗會使溫度升高，電纜的絕緣材料的電阻系數(shù)會隨之變化，也將導致絕緣層的電場應力隨之變化，也就是說，同樣厚度的絕緣層，由于溫度升高，其擊穿電壓隨之變小。對于一些分布式電站的直流干線，由于環(huán)境溫度的高低變化，電纜的絕緣材料老化的速度比地埋敷設(shè)的電纜大得多，這點尤其應得到注意。

2， 電纜絕緣層生產(chǎn)過程中，不可避免地會溶入一些雜質(zhì)，它們具有相對較小的絕緣電阻率，沿絕緣層徑向分布是不均勻的，這樣也將導致不同部位的體積電阻率不同，在直流電壓下，電纜絕緣層的電場也會不同，這樣，絕緣體積電阻率最小處會老化更快，成為最先被擊穿的隱患點。而交流電纜則不會有這種現(xiàn)象。通俗地說，交流電纜的材料受應力沖擊是整體的均衡的，而直流電纜絕緣應力總是在最弱處沖擊最大。所以，電纜制造環(huán)節(jié)中的交直流電纜應該有不同管理和標準。

3， 交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜在交流電纜中已經(jīng)廣泛使用，它具有非常優(yōu)良的介質(zhì)性能和物理性能，性價比非常高，但作為直流電纜，其有一個很難解決的空間電荷問題，這點在高壓直流電纜中備受重視。聚合物作直流電纜絕緣時，絕緣層中有大量的局部陷阱，造成絕緣內(nèi)部空間電荷集聚，空間電荷對絕緣材料的影響，主要體現(xiàn)在電場畸變效應和非電場畸變效應兩個方面，這兩種影響對絕緣材料的危害很大。所謂空間電荷，是指宏觀物質(zhì)的一個結(jié)構(gòu)單元中超過電中性的那部分電荷，在固體中，正或負空間電荷被束縛于某種局域能級而以束縛極化子態(tài)的形式提供極化效應。所謂空間電荷極化，就是當在電介質(zhì)中含有自由離子時，由于離子移動，在正電極一側(cè)的界面上積累負離子，在負電極一側(cè)的界面上積累正離子過程。在交流電場中，材料正負電荷的遷移無法跟上工頻電場的快速變化，因此不會產(chǎn)生空間電荷效應；而直流電場中，電場按電阻率大小分布，將形成空間電荷并影響電場分布，聚乙烯絕緣中有大量的局部態(tài)，空間電荷效應特別嚴重。交聯(lián)聚乙烯絕緣層是化學交聯(lián)而成，是整體型交聯(lián)結(jié)構(gòu)，屬于非極性高聚物，從電纜整個結(jié)構(gòu)上看，電纜本身就像一個較大的電容器，直流輸電停止后，相當于已將一個電容器充電完成，雖然導體線芯有接地處理，但是，沒能有效進行放電，大量的直流電能仍然存在于電纜中，也就是所謂的空間電荷，這些空間電荷不會像交流電力電纜那樣隨介質(zhì)損耗而消耗掉，而是在電纜缺陷處富集；交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，隨著使用時間的延長或頻繁斷停以及電流強弱變化而聚集越來越多的空間電荷，加快絕緣層老化速度，從而影響使用壽命。

所以，直流電纜的絕緣性能和交流電纜差別還是很大。

國內(nèi)光伏電站直流電纜現(xiàn)狀

筆者曾經(jīng)斷言：8-10年后將是國內(nèi)光伏電站直流電纜故障高發(fā)期。為什么這樣說呢？理由如下：

1、 國內(nèi)光伏系統(tǒng)工程師對直流干線電纜的重視度不夠。由于認為電壓低，且直流電無負荷傳輸，無磁感應損耗，固定敷設(shè)，因此，認為相比較交流電纜使用壽命更長。且德國光伏電站系統(tǒng)中也有很多使用普通交流電纜替代。（同樣型號的電纜德國的絕緣材料要比我國的貴6、8千元每噸）

2、 除了少數(shù)專用電纜廠家外，大多數(shù)電纜制造企業(yè)對直流電纜的認識都不夠，對直流電纜的制造工藝無相應的管理。用這些企業(yè)的普通交流電纜做直流使用，一定期限后，發(fā)生電纜故障是大概率的。

3、 光伏電站對經(jīng)濟性的追求，以及第三方采購使得更不能很好的掌控質(zhì)量。國內(nèi)大約有7、8千家電纜制造企業(yè)，且95%以上都是些小型加工企業(yè)，電纜產(chǎn)品的技術(shù)區(qū)分度本身就不高，因此招標采購大多數(shù)以價格定奪，比其他行業(yè)更為嚴重過剩的局面，使得很多產(chǎn)品的銷售價格低于成本，這也就是電纜產(chǎn)品的歷次國家抽查合格率不高的原因。由于光伏電站電纜的無負荷傳輸，電纜承載的電流并不大，電纜的安全故障不會立馬發(fā)生，留下僅是很難防范的隱患。

4、 直流電纜的被擊穿總是發(fā)生在絕緣最薄弱處或缺陷處，其缺陷除了外觀上的缺陷外，還包括絕緣材料的物理性空間缺陷；光伏電站的特性總是日出而作日落而息，電纜的電容性，使得“缺陷”被不斷放大，直到被擊穿。我們來看看萊茵標準組件直流電纜的電性能試驗值：電氣性能

● 耐電壓試驗(成品電纜型式試驗) -- 交流耐壓

試驗方法：EN50395或GB/T3048

結(jié)果：6.5kV/5min.不擊穿。 或

-- 直流耐壓(成品電纜型式試驗)

試驗方法：EN50395或GB/T3048

結(jié)果：15kV/5min.不擊穿。

● 成品耐火花電壓試驗

試驗方法：EN50395或GB/T3048

結(jié)果：10kV不擊穿。

● 絕緣電阻試驗(成品電纜型式試驗)

試驗方法： EN50395或GB/T5013.2

結(jié)果： 20℃時絕緣電阻≥1014Ω.cm，90℃時絕緣電阻≥1011Ω.cm

上面的電纜的耐壓標準相當于交流電纜的18/30KV級別，絕緣電阻的要求值是對電纜緣材料電阻率的高標準要求，而0.6/1kv的交流電纜是沒有上述要求的。

直流電纜絕緣缺陷改進



我們針對光伏電站的直流電纜絕緣特性，可做以下幾種絕緣改良：

1、 采用乙丙橡膠絕緣。乙丙橡膠雖然沒有交聯(lián)聚乙烯那樣高的電性能，但是其絕緣機理上能克服直流電纜的一些缺陷，且有較好機械性能防老化性能，但價格較高。

2、 對于分布式電站的直流電纜，可采用改性的輻照交聯(lián)聚乙烯，除了有較高的機械性能、電性能外，材料耐溫性能特出，最高可達120℃。該產(chǎn)品用電子加速器輻照電纜，是輻射加工，該技術(shù)它集合電子技術(shù)、高能核物理技術(shù)、真空技術(shù)、計算機技術(shù)、輻射化學技術(shù)和電線電纜制造技術(shù)于一體。由電子加速器生產(chǎn)的高能電子束，作用在聚合物內(nèi)部，使聚合物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由原來的線性大分子變成不溶的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變了聚乙烯高分子的空間缺陷，從而使材料具有特殊的耐熱性、耐化學性、耐輻射性、高阻燃性、高強度性。其產(chǎn)品的主要特點有：

a、產(chǎn)品耐熱性好：輻照交聯(lián)可顯著提高電纜的耐熱性。如聚乙烯材料經(jīng)輻照交聯(lián)后長期允許工作溫度可從60~70℃提高到90~150℃，短路溫度由160℃提高到250℃。

b、提高了電纜的載流量：輻照交聯(lián)電線電纜比普通電線電纜的單位導體截面載流量提高20％左右。

c、 具有優(yōu)良的絕緣性能和電氣性能。

d、機械強度高，耐老化性和化學穩(wěn)定性、耐環(huán)境應力開裂性能好。

e、安全性高，使用壽命延長，可達到40年。但是價格比較貴，設(shè)備投資大。

3、 地面電站電纜溝敷設(shè)的直流電纜，可采用純凈度高的聚乙烯交聯(lián)料，電纜的絕緣厚度加厚0.2-0.3cm,如：



由于，地面敷設(shè)的電纜散熱性能比較好，增大截面并不過多影響電纜的載流量的變化，而增大絕緣的厚度使電纜的耐受強度提高，延長使用壽命。優(yōu)質(zhì)的聚乙烯交聯(lián)料，應該是在潔凈度非常高的生產(chǎn)環(huán)境下制造，生產(chǎn)過程中防塵、防靜電及其他污雜。目前國內(nèi)聚乙烯電纜料的質(zhì)量非?？皯n，大多是一些小型加工企業(yè)。國內(nèi)優(yōu)質(zhì)電纜交聯(lián)料企業(yè)有上海新上化高分子、浙江萬馬高分子等，其產(chǎn)品質(zhì)量接近進口材料性能。

4、 對于分布式電站的電纜護套要求耐溫90℃以上，地面或光伏農(nóng)業(yè)電纜護套內(nèi)加防水層。優(yōu)質(zhì)電纜護套對電纜絕緣的保護非常重要。

5、 直流電纜生產(chǎn)管理應注意三點，第一、原料投放時保持潔凈，無雜物混入；第二、生產(chǎn)線溫度和時間嚴格控制；第三、當出現(xiàn)故障報警時，應就故障點截斷分頭，絕不允許修補。

以上改進方案無疑會增大電纜的采購成本。