请百度搜索安徽佰汇电缆有限公司关键词找到我们!

技术文章

高压直流电缆系统的开发

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/13     浏览次数:    
  挤包绝缘高压直流电缆的发展

  钟力生,任海洋,曹 亮,赵 薇,高景晖(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安 710049)


  摘 要:
  挤包绝缘高压直流电缆是实现大电网柔性互联、远距离大容量输电和新能源电力规模化利用的关键电力设备之一。按照挤包绝缘高压直流电缆系统的开发脉络,从挤包绝缘高压直流电缆绝缘材料的开发、电缆附件相关技术、电缆系统的试验方法与检测技术、国内外工程应用等方面,全面综述了挤包绝缘高压直流电缆的技术发展现状。特别针对高压直流电缆用绝缘材料的直流电导和空间电荷特性研究、直流电缆系统的型式试验和预鉴定试验方法、全尺寸电缆空间电荷测量和直流局部放电检测技术等热点问题进行了分析,提出了目前挤包绝缘高压直流电缆技术中亟待解决的问题,包括研究现有电缆绝缘的电导和空间电荷特性与长期老化行为及其机理,开发更高电压等级直流电缆用绝缘材料,研发附件材料并优化附件结构设计,提升全尺寸电缆空间电荷测量技术及直流局部放电检测技术,完善电缆系统设计选型、试验验证与运行维护的相关规范与标准等。该研究可为我国挤包绝缘高压直流电缆设计、关键材料、装备制造和试验技术等相关方面的研究提供参考。

  关键词:挤包绝缘高压直流电缆;直流电导率;空间电荷;电缆附件;验证试验


1.引言
  人类正面临诸多全球性机遇与挑战:人口持续增长, 城市化进程加速, 能源供给平衡与可持续性,环境与气候变化等。为了保持和促进经济增长而不过度消耗地球能源资源,有效应对各种自然和社会 挑战,未来电力系统将发生重大转变,太阳能、风能等可再生能源有望以集中式和分布式两种途径成为主要电力来源,给电网整合带来新的技术挑战;同时,全球超级电网成为未来电网要素之一,超高压直流技术将普遍用于区域电网互联[1]。
  随着电能传输容量逐渐增大,传输距离逐渐增加,在超长距离和海底输电中传统高压交流方式面临损耗大和成本高等难题。高压直流输电具有输电线路损耗小、可控性好、环境影响小、投资成本低等优势,更适用于长距离输电、可再生能源并网、 非同步系统互联和提升互联系统运行性能[2]。
  高压直流输电主要有基于晶闸管的线路整流换流器(LCC)技术和基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压源换流器(VSC)技术[3-5],后者亦称为柔性直流输电技术。近年来,高压柔性直流输电技术发展迅速,电压水平和传输容量快速提高,已成为远距离大容量输电和新能源电力规模化利用的大电网柔性互联的重点发展方向,尤其是由于柔性直流输电中潮流反向无需电压极性反转,促进了挤包绝缘直流电缆应用的快速发展。
  高压直流电缆作为柔性直流输电技术的关键装备,具有比高压交流电缆更加低碳环保和安全可靠的优点[5-6]。高压直流电缆输电线路走廊窄、传输容量高、线路损耗低、效率高(无容性、同步影响)、性能稳定、维护方便、成本低、受自然环境影响小;具有实现长距离、 大容量、 低损耗电力传输的优势,可解决新能源规模化利用与区域联网电力输送中的电能传输难题,提升城市化进程中输电网络增容的电缆化改造安全性和环保性,增强电网抵抗自然灾害危害的能力和安全运行可靠性。
  高压直流电缆可按不同绝缘类型分为绕包型油纸绝缘电缆和挤包型塑料绝缘电缆两大类[7]。绕包型油纸绝缘电缆包括全浸渍不滴流电缆(MIND)和聚丙烯层压纸绝缘电缆(PPLP)等;挤包型塑料绝缘电缆包括交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆和热塑性弹性体(HPTE)绝缘电缆等。
  自 20 世纪 50 年代高压直流电缆出现以来,绕包油纸绝缘电缆一直被广泛使用,已证明其在大功率输电中性能稳定;然而这种电缆导体工作温度较低,接头安装较为不便,且运行维护困难,限制了其在长距离陆地电缆中的应用[8]。目前已经投运的最高电压等级线路为英国 Western Link 工程中的±600 kV/2.4 GW 直流海缆,全长 424 km。挪威与英国正在建设的±500 kV/1.4 GW North Sea Link 工程,电缆全长约 720 km。此外, Prysmian 公司开发的绝缘直流电缆也正在进行试验验证。
  挤包绝缘电缆相比传统油纸绝缘电缆具有制造工艺简单、传输容量大、维护方便、成本低等优点, 20 世纪 70 年代以后,其首先在高压交流电缆上得到广泛应用。同时挤包绝缘高压直流电缆技术也得到国际学术领域和工业界的广泛关注,研究重点集中在如何解决挤包绝缘高压直流电缆中空间电荷抑制及电导随温度和电场变化的调控问题。
  世纪 90 年代,随着新型改性 XLPE 电缆料的突破和柔性直流输电技术的出现,挤包绝缘高压直流电缆开始实现工程应用。 1999 年 ABB 公司采用 XLPE 直流电缆料制造并投运了世界首条±挤包绝缘直流电缆线路[9];同期 J-Power 公司采用纳米复合 XLPE 绝缘料, 研发出±250 kV 直流电缆,并于 2012 年投入工程应用[10]。近十年来,挤包绝缘高压直流电缆的发展已成为国际直流输电领域的研究热点,先后建成十余条高压直流电缆示范工程,线路总长度超过 5 000 km,最高运行电压等级和传输容量达到±320 kV/1 000 MW。
  年, ABB 与北欧化工公司合作推出新一代直流电缆绝缘料和屏蔽料,制造出直流电缆系统产品并通过了试验验证 [11];随后公司也开发出基于非交联绝缘料技术的直流电缆;这些发展将挤包绝缘高压直流电缆技术提高到一个新的水平,但均未投入工程应用。
  目前, 600 kV 以上挤包绝缘直流电缆系统正在开发。
  年, ABB 与北欧化工等 12 家单位提出欧洲 2030 年战略研发规划,预期通过解决绝缘材料、设计制造和试验技术等难题,实现挤包绝缘直流电缆系统的开发应用,以满足可再生能源开发与区域联网的需求。我国清洁能源应用、城市化建设和全球能源互联网构建战略的实施,也将为高压直流电缆的发展带来新的机遇与挑战。
  近年来,我国在挤包绝缘高压直流电缆制造和应用方面取得突破。在 2013 年南澳±160 kV/200 MW、年 舟 山 ±200 kV/400 MW 和 2015 年 厦 门±320 kV/1 000 MW 等柔性直流输电工程中实现了挤包绝缘直流电缆的工程应用[12];所用直流电缆和附件由中天科技、青岛汉缆、宁波东方、长缆电工、上海三原等国内企业制造; 2017 年中天科技又成功开发出 525 kV/2.7 GW 直流电缆系统,标志着我国高压直流电缆的制造技术进入世界先进行列。然而我国直流电缆用关键绝缘料与屏蔽料依靠国外进口。

  本文针对高压直流电缆系统开发过程中的关键问题,重点分析挤包绝缘直流电缆料和附件材料技术,探讨高压直流电缆系统的验证试验、运行维护、监测和诊断方法,简要介绍了世界上挤包绝缘高压直流电缆工程应用情况。旨在通过分析目前挤包绝缘高压直流电缆发展现状,为国内电缆研究开发人员、制造和运行企业提供参考,为我国具有自主知识产权的直流电缆料开发与高压直流电缆系统 制造和应用提供借鉴。


2.高压直流电缆系统的开发
  2.1开发过程
  一种新型直流电缆系统的开发,首先应根据应用需求进行电缆设计和材料选择、附件设计、性能评估与方案优化; 然后对不同尺度样品(平板试样、模型电缆、全尺寸电缆和附件)的理化、电气、机械性能进行测试分析;在此基础上确定电缆系统的最终设计,完成制造并进行试验验证。
  在绝缘材料选择和配方设计时需要考虑不同绝缘体系(热固性、热塑性、聚合物共混或纳米电介质复合绝缘系统等)的特性,并针对平板试样和不同尺寸同轴电缆试样进行理化性能、电气性能(直流电导率、击穿场强、空间电荷效应)、机械性能测试分析和长期性能的评估。结合直流电缆中电场按电导率分布的特点,综合选择直流电导率低且随温度和场强变化稳定,空间电荷积聚量少,击穿场强高的材料。
  在电缆系统设计和性能评估时,应考虑典型安装和热负荷条件的电缆系统绝缘中电应力分布;电应力、温度、环境条件等因素对系统长期稳定性的影响;电缆尺寸、材料成分和工艺条件(导体制备、绝缘挤出及后处理工艺)预期变化对绝缘电应力分布的敏感性。
  附件开发是电缆系统开发的关键环节之一。应在不同尺寸电缆上进行大量测试和仿真,确定附件材料与设计方案。附件与电缆的界面区域十分关键,必须合理设计保证性能稳定。直流电缆附件采用复合介质材料,且运行在电场及温度梯度场耦合条件下,电缆与附件界面处的电导率匹配性及空间电荷效应和电场分布变化规律复杂,给附件设计、制造和性能评估带来困难。在附件开发中应通过几何结构设计及非线性材料电导调控层使电缆与附件绝缘界面的电场趋于均匀。
  在电缆系统制造时,除满足绝缘中无微孔、裂纹、形变、污物颗粒以及焦痕等高压交流电缆制造要求以外,还应进行更为严格的质量过程控制,包括绝缘料的洁净度、绝缘料与屏蔽料的匹配、交联过程控制及交联后脱气处理工艺等,保证高压直流电缆性能优良。例如,在交联副产物中,有些对交流电缆运行无害的化合物,将会影响高压直流电缆绝缘的电导率和空间电荷积聚特性。
  最后应对高压直流电缆与附件系统进行型式试验和预鉴定试验验证,根据需要还可以进行扩展试验和特殊试验,保证开发的电缆系统具有预期良好性能和长期运行稳定性。
  2.2开发试验
  目前国际规范中没有明确规定在新电缆系统开发时应进行哪些具体开发试验,由国际大电网委员会(CIGRE)提出的 500 kV 挤包绝缘高压直流电缆推荐试验方法《》(TB 496)仅提出“开发和分析工作的确切性质和程度由制造方自行确定”
  的原则,同时推荐了试验可涵盖的几个方面[13]。直流电导特性是影响绝缘材料选择的关键因素,准确测量和合理评价材料的直流电导率是基本的开发试验环节。此外,开发试验中对材料各项性能的测量和评价应尽量考虑其与最终电缆系统的性能等效性,保证开发过程合理高效。
  直流电导测量评价高压直流电缆绝缘材料的直流电导率极小且易受温度和电场影响,因此准确测量其直流电导率对于电缆绝缘设计十分重要。在对 XLPE 等绝缘材料的高场强直流电导率进行测量时,要求尽可能考虑电缆实际运行电场条件,精确控制测量温度,测量结果应有良好的稳定性与可重复性。
  直流电导率测量稳定性和重复性受材料组分、测量装置(如电极材料与接触面)、测量条件(如场强、温度、压力、湿度等)、试样制备和试样处理等多种因素影响。应通过控制试样制备、处理、保存以及测量过程中各种条件和操作步骤,尽可能提高测量结果稳定性和重复性。由于不同测量装置得到的测量结果存在一定差异,因此有必要说明测量装置、试样制备与处理方法。
  材料的直流电导率是由测量其电导电流计算得到的,由于在实际测量时材料的泄漏电流不断衰减,需很长时间才能最终达到稳态,因此直流电导率的测量时间也应合理考虑,对测得的结果应指明测量时间。 H. Ghorbani 等人在 70 ℃,条件下测量了 525 kV直流电缆 XLPE 材料模压平板试样的直流电导率,发现在测量 23 h 后电流仍未达到稳态,先后获得的直流电导率存在数量级差别,且还有继续减小趋势[14]。
  在评估 XLPE 绝缘材料中交联副产物对材料电 导率的影响时,应谨慎进行测量前试样预处理,测量时应选择较厚试样(如 0.5~2 mm),以避免交联副产物在试样中挥发对测量结果造成影响,保证获得准确的电导率测量结果,掌握交联副产物对电导率影响的变化规律。
  试验等效性在材料与电缆开发过程中,使用平板试样、模型电缆和样机电缆对全尺寸电缆性能进行等效分析是一种有效的开发试验方法,也称为小型试验[15]。
  相比全尺寸电缆试验,小型试验所需材料少,试验系统简易,测试时间短,在材料选型和对比分析中能发挥重要作用。

  小型试验必须保证结果稳定且能反映更大尺寸试品特性。实际中由于不同尺寸试品(如平板试样和模型/样机电缆)的处理条件、测量系统和测量方法存在差异,这种理想的对应关系很难得到。因此,严格控制试样制备、处理条件和测量过程,保证测量结果在不同尺寸试品之间显示出相近结果或相似趋势,是小型试验等效性研究的重要内容。例如, J. Andersson 等人测量了平板试样、模型电缆和样机电缆的直流电导率[15],结果表明,脱气时间、模压制样温度、电极半导电材料均对平板试样的直流电导率存在影响;模型电缆与平板试样的结果存在异同;从平板试样到全尺寸电缆测量所得到的直流电导率呈增大趋势,但在相近数量级范围;这些结果的测量时间和测量温度(绝缘温度梯度) 不同,很难取得良好的厚度对应关系


本文由 安徽电力电缆 整理编辑,节选自《挤包绝缘高压直流电缆的发展》高压直流电缆系统的开发的发展部分。

返回上一步
打印此页
138-5514-5161
浏览手机站

皖公网安备 34010202600894号