社会经济活动对能源消费的快速增长以及人们对能源供给安全和生活环境恶化的日益关切,要求电网能在有限的线路走廊内实现远距离、大容量、低损耗、高效率的电力传输,并要求不同电网能互联以提高电力系统抵御风险的能力,改善供电可靠性。同时,随着太阳能、风能等可再生能源在电能结构中所占的比例不断增加,电网需要在不影响电能质量水平的情况下有效吸纳这些间歇性的电能资源。高压直流输电技术（HVDC）为上述问题提供了优异的解决方案,并在过去十年间得到了迅猛的发展与应用。此外,自20世纪90年代以来,迅速发展且日臻成熟的基于电压源换流技术（voltage sourced converter, VSC）,即柔性直流输电技术(HVDC Flexible,国外亦称“轻型直流输电技术”）,与传统的直流输电技术相比,更具特殊的技术优势：如有功和无功功率独立控制、毋须电网提供短路电流支持换相、两站点无需通信以及潮流反送时毋须反转极性等,在各种可再生能源接入（如海上风电）、海洋孤岛平台（岛屿、海上平台）供电和未来大城市商业住宅中心增容供电以及异步交流电网互联等领域展现了广阔的应用前景。
高压直流电缆,尤其是交联聚乙烯（XLPE）挤出绝缘高压直流电缆,作为直流输电系统的关键设备之一,因其体积小、重量轻、传输容量大、绝缘性能优异、对环境影响小等优点,相关的技术研发和应用备受关注。
虽然直流电缆的结构与交流电缆相比并无二致,但其技术问题与挑战远远超过交流电缆。首先,在交流应用场合,电场分布由绝缘结构中各处的电容决定,而绝缘材料的电容率（介电常数）在电气工程应用中所涉及的温度和电场范围几乎是常数,因此同轴电缆绝缘中的电场分布只由电缆的几何结构和尺寸决定,且不受运行负荷和环境的影响;而在直流电缆绝缘中,电场分布取决于绝缘的直流电阻分布,也即绝缘层特定位置的电阻率,而绝缘材料的电阻率又是所处位置温度和电场强度的函数,这种由温度梯度、电场分布到材料性能再到电场分布的多物理场耦合关系,使得直流电缆绝缘中的电场设计与选取变得异常复杂和困难。其次,伴随聚合物材料优良绝缘性能而来的矛盾是在直流电压作用下材料中空间电荷的聚集与迁移,绝缘结构中的空间电荷将改变局部电场的分布,极端情况的电场增加可能引起局部绝缘的加速老化甚至击穿。最后,相较于交流系统,人们对聚合物材料在直流电压下的绝缘特性、老化特性、绝缘缺陷的产生与发展直至绝缘失效机理的研究十分欠缺,以至于目前在世界范围内依然缺少科学且有效的直流电缆试验考核与评价手段,而作为快速增长的电网资产以及考虑直流电缆未来将大量运用于海底输电和联网,如何保证安全可靠的敷设施工和现场试验,以避免未来巨大的运行维护与检修成本,也是电网建设与运行管理者必须进行的技术准备。
在国内,由于早期直流电缆市场前景不甚清晰、电缆制造企业研发投入不足,我国挤出绝缘高压直流电缆的研究和应用远远落后于日本和欧美国家。在直流电缆绝缘材料及屏蔽材料的国产化、直流电缆结构设计理论及制造工艺的优化、终端及接头的材料选型与制造、科学有效试验检测方法的建立以及直流绝缘老化和电缆系统可靠性的评价手段等领域依然有大量的工作需要开展。
鉴于此,《南方电网技术》编辑部适时地编辑出版了此期围绕挤出绝缘直流电缆技术的专刊,以便从事直流电缆材料技术、制造技术、试验技术以及运行维护技术研究的同事宣传与交流自己的工作成果,也为我国挤出绝缘直流电缆技术的发展与应用研究起到“抛砖引玉”的作用。得到国内同行鼎力支持与帮助,本专刊共计收录15篇论文,内容覆盖直流电缆的技术发展现状与挑战、国内直流电缆的制造与应用以及直流电缆绝缘材料、试验及运行维护的各个方面：
1） 国产直流电缆制造与应用：“中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV”文章系统介绍了国内过去3年间在3个电压等级XLPE绝缘直流电缆的研发与应用情况,对未来研发更高电压等级（如±500 kV）的直流电缆和工程应用都有很好的参考价值;
2） 直流电缆绝缘与屏蔽材料技术：“高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料及半导电屏蔽材料热性能及机械性能分析”和“直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响”等文章初步比较研究了国产直流电缆绝缘与屏蔽料同几种进口材料的物理热、机械性能以及空间电荷特性,解释了引起国产与进口材料物理热机械性能差异的原因;“添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响”文章介绍了XLPE和XLPE/MgO纳米添加材料在重复施加直流电压和短路过程中电树枝的生长特性,用PEA方法测量了两种材料中空间电荷的聚集特性的差异,用XLPE/MgO纳米材料中形成同性电荷的事实解释了纳米颗粒阻止了电极尖端中性电荷的注入,进而阻止延缓了电树发展的机理;
3） 空间电荷测量技术：针对直流电缆绝缘中空间电荷的测量问题,“基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展”和“全尺寸直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿”等文章分别介绍了同轴结构中空间电荷的测量技术,重点介绍了厚试样中采用脉冲电声法（PEA）时声波信号的衰减与色散修正方法,这是全尺寸电缆绝缘中空间电荷测量时保证足够的测量灵敏度和空间分辨率并以此计算评价空间电荷对直流电缆绝缘中电场分布及可靠性影响所必须的技术手段;
4） 直流电缆系统过电压与绝缘配合：虽然任何电介质材料的直流绝缘强度都远远高于交流绝缘强度,但在直流电缆系统中,尤其是架空线与电缆复合输电线路中（如南澳柔性直流工程）,直流电缆绝缘仍旧要承受来自系统故障及雷击所引起的暂态过电压,“柔性直流系统挤出绝缘电缆暂态过电压仿真”文章以南澳柔性直流输电示范工程为研究背景,仿真研究了不同故障类型,包括交流单相接地、两相短路、桥臂电抗器接地条件下直流电缆系统的暂态特性,为未来直流电缆绝缘设计和系统绝缘配合提供了很好的借鉴;
5） 直流电缆终端与接头技术：如同交流电缆的终端接头附件,直流电缆终端与接头也包含不同介电性能的绝缘材料和界面,使其结构设计和空间电荷控制更加困难,“硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响”和“正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷的特性”等文章分别介绍了运用电导非线性硅橡胶（SiR）材料改善直流电缆接头应力锥处电场分布的研究和正交电场下XLPE/SiR界面空间电荷特性的研究,这些积极的研究尝试将为优化设计与制造直流电缆终端与接头附件提供有用的参考;
6） 电缆绝缘老化评估技术：电应力是导致绝缘介质在长期运行条件下产生老化直至绝缘失效的主要因素,大量的XLPE材料在交流电压或直流电压下的电老化试验研究表明两种电压下的材料老化速度存在较大的差异,其结果直接决定着直流电缆绝缘寿命的设计与运行老化评估,“高压XLPE电缆绝缘V t特性研究方法”文章介绍了介质的击穿电压V和击穿时间t的关系,也即V t特性曲线,并用于描述XLPE电缆绝缘的电老化寿命模型,分析了国内外高压交、直流XLPE电缆绝缘V t特性的研究方法及相关结果;
7） 直流电缆系统试验与运维技术：针对直流电缆试验技术、直流电压下局部放电产生与测量技术的研究与发展,“挤出绝缘高压直流电缆系统试验技术规范综述及建议”系统分析了交直流电缆试验技术的差异,结合目前被广泛采用的CIGRE TB 496推荐试验方法,对如何提高直流电缆试验的有效性与科学性提出了具有启发意义的建议;而“直流局部放电检测技术综述”系统完整地综述了直流电压下局部放电缺陷的产生发展机理以及测量技术,介绍了国内外在这一研究领域的研究现状,为国内同行开展相同领域的工作描述了清晰的技术路线;作为对直流电缆系统长期可靠性考核评价方法的完善,有关热流场仿真计算的“直流电缆负荷循环系统中温控介质轴向温度分布仿真研究”文章为在直流电缆预鉴定试样中准确控制绝缘层问题梯度分布提供了有用的参考。
在近几年电网企业柔性直流输电示范工程需求的强力推动下,我国在XLPE绝缘直流电缆的制造、试验和工程应用方面有所突破,并实现了从±160 kV到±200 kV 再到±320 kV电压等级所谓“三级跳”式的发展,在科研方面也取得了许多重大成果,本刊所发表的仅是部分的最新成果。但是专刊文章所涉及的研究内容均是全面提高直流电缆制造与安全运行技术必须关注的,完全有理由相信,这一专刊的出版将为推动国内在这一领域的研究起到积极的作用。
最后,衷心感谢论文作者的大力支持,感谢论文审稿专家、《南方电网技术》编辑部为本专刊顺利出版所付出的辛勤劳动。
傅明利
2015年10月4日于南方电网科学研究院
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