我國(guó)發(fā)展直流海底電力電纜的前景

應(yīng)啟良

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

海底電力電纜是海底輸電工程中最重要的設(shè)備之一。海底電力電纜跨越海峽、江河，連接國(guó)際、國(guó)內(nèi)區(qū)域電網(wǎng)，以平衡電力供需，進(jìn)行電力貿(mào)易，或用以連接近海島嶼與大陸電網(wǎng)，提高獨(dú)立島嶼電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。迅速發(fā)展的近海風(fēng)電場(chǎng)輸出電力與大陸電網(wǎng)并網(wǎng)亦需要采用海底電纜。國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)海底電纜的需求日益增長(zhǎng)。

海底電纜是電力電纜中綜合電氣和機(jī)械性能要求最高的產(chǎn)品。海底電力電纜工程亦是最困難和技術(shù)要求最高的輸電工程。世界各國(guó)已經(jīng)建成數(shù)量很大的海底電力電纜工程。其中重要的海底電力電纜工程概要見(jiàn)表1所示。

從表1可見(jiàn)，世界上海底電力電纜線路最長(zhǎng)、電壓等級(jí)最高、輸電容量(或功率)最大的海底電力電纜工程均是直流海底電力電纜。

直流海底電力電纜最主要的電纜類型為粘性浸漬紙絕緣電纜、充油電纜和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜。

1 直流海底電纜輸電工程特點(diǎn)

直流海底電纜輸電相比于交流海底電纜輸電具有直流輸電所有的優(yōu)點(diǎn)，包括線路電流和功率調(diào)節(jié)比較容易，可實(shí)現(xiàn)不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)間非同步聯(lián)線，沒(méi)有系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題;交流輸電有要求沿線安裝并聯(lián)電抗器以補(bǔ)償電纜線路無(wú)功消耗及避免末端或電纜線的中間電壓升高的問(wèn)題，采用直流海底電纜就無(wú)此困難。上世紀(jì)90年代發(fā)展并開(kāi)始工業(yè)性試驗(yàn)和工程應(yīng)用的柔性直流輸電系統(tǒng)具有在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變的特點(diǎn)［1］。柔性直流系統(tǒng)用XLPE電纜由于運(yùn)行時(shí)不經(jīng)受直流電壓極性反轉(zhuǎn)，絕緣中空間電荷積聚影響減輕，耐受直流電壓和雷電沖擊性能提高。電纜可以采用較高設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度，從而減薄絕緣厚度，減小電纜結(jié)構(gòu)尺寸和重量。

表1 各國(guó)重要的海底電纜工程概要

除上述直流系統(tǒng)的特點(diǎn)以外，直流電纜本身相比交流電纜具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在相同的電纜類型、導(dǎo)體截面和敷設(shè)安裝條件下，直流電纜比交流電纜具有大得多的載流量和輸電容量;低得多的運(yùn)行損耗以及允許的線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過(guò)交流電纜。以下以具體設(shè)計(jì)的電纜進(jìn)行分析比較。

2 直流電纜和交流電纜的載流量計(jì)算和輸電容量比較

2.1 直流電纜的載流量計(jì)算方法和條件

2.1.1 按熱性能計(jì)算允許載流量

按導(dǎo)體允許最大溫度計(jì)算直流電纜載流量是其安全運(yùn)行必須滿足的界限值。采用IEC 60287第1部分1.4.1.2計(jì)算。

2.1.2 直流電纜負(fù)載運(yùn)行時(shí)，絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度按絕緣穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)分布

考慮絕緣電阻系數(shù)隨溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度改變因素，在首先滿足熱性能限制載流量條件下，由允許電場(chǎng)強(qiáng)度限值，確定實(shí)際允許載流量。

(1)充油電纜和粘性浸漬紙絕緣直流電纜允許載流量計(jì)算

這兩種絕緣油浸漬紙絕緣電纜在直流電壓下亦產(chǎn)生空間電荷積聚，但并不明顯影響絕緣在直流電壓下的運(yùn)行性能(以后討論)，因此僅考慮絕緣的電阻系數(shù)隨溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度影響因素，按穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布確定載流量如下。

充油電纜和粘性浸漬紙絕緣電纜的絕緣電阻系數(shù)隨溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度變化按式(1)表示:

式中，ρ為絕緣電阻系數(shù);α為其溫度影響系數(shù)(℃－1);θ為絕緣溫度(℃);b為其電場(chǎng)強(qiáng)度影響系數(shù)(mm/kV);E為絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度(kV/mm);ρo為參考溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻系數(shù)。

對(duì)此兩種電纜，取 α=0.1℃－1;b=0.03 mm/kV。絕緣半徑為r處按穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)確定的電場(chǎng)強(qiáng)度按式(2)計(jì)算。此計(jì)算式導(dǎo)出見(jiàn)參考文獻(xiàn)［2］。

式中，U為絕緣施加電壓(kV);δ由式(5)計(jì)算。

絕緣溫度分布系數(shù)為:

式中，Δθ為導(dǎo)體與絕緣表面溫差。

［2］，中間參數(shù)為:

式中，R為絕緣半徑;rc為導(dǎo)體屏蔽半徑。

計(jì)算程序?yàn)?按3.1.1求得的直流電纜熱性限定載流量，按此計(jì)算絕緣溫差，從而確定絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度(穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)下電場(chǎng)強(qiáng)度最大值)和導(dǎo)體屏蔽電場(chǎng)強(qiáng)度。如絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度大于絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度限值(見(jiàn)3.1.3)，則逐步降低載流量，由計(jì)算機(jī)程序按精度要求反復(fù)計(jì)算，直至不超過(guò)電場(chǎng)強(qiáng)度限值，以確定直流電纜有負(fù)載時(shí)允許載流量。

(2)XLPE絕緣直流電纜允許載流量計(jì)算

擠包絕緣電纜如XLPE直流電纜，在直流電壓下表現(xiàn)出明顯的空間電荷積聚現(xiàn)象。呈現(xiàn)空間電荷積聚的XLPE絕緣引起電場(chǎng)強(qiáng)度升高，不適用直流電壓下運(yùn)行。由此設(shè)定抑制空間電荷積聚的XLPE電纜的載流量計(jì)算可參照直流油浸紙絕緣電纜在負(fù)荷運(yùn)行條件下絕緣電場(chǎng)分布和載流量計(jì)算方法確定其載流量。

XLPE電纜絕緣的直流電阻系數(shù)的溫度與電場(chǎng)強(qiáng)度影響系數(shù)采取聚乙烯絕緣相應(yīng)值:α=0.15℃－1;b=0.15mm/kV。

按此計(jì)算直流XLPE電纜載流量。

2.1.3 直流海底電纜載流量計(jì)算條件

(1)電纜于海底下埋深2 m;海底土壤溫度25℃;土層熱阻系數(shù)1.0 K·m/W。

(2)電纜導(dǎo)體運(yùn)行最高溫度:XLPE電纜90℃;充油電纜90℃;粘性浸漬紙絕緣電纜(木纖維紙)50℃。

(3)直流海底電纜絕緣穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度限值:XLPE電纜為30 kV/mm;充油電纜為30 kV/mm;粘性浸漬紙絕緣電纜(木纖維紙)為28 kV/mm。

2.2 交流海底電纜載流量計(jì)算方法和條件

交流電纜載流量計(jì)算采用IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)。交流海底電纜載流量計(jì)算條件與3.1.3直流海底電纜載流量計(jì)算條件相同。

交流海底電纜導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度:XLPE電纜90℃;充油電纜90℃。

2.3 載流量計(jì)算所取電纜的設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)電纜絕緣厚度。交流海底電纜絕緣厚度采用相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值;對(duì)直流海底電纜，參照各國(guó)研發(fā)和生產(chǎn)的直流電纜的絕緣厚度，取較厚值，對(duì)載流量計(jì)算影響不大。

(2)海底電纜鎧裝結(jié)構(gòu)。交流電纜鎧裝結(jié)構(gòu)分鋼絲鎧裝和扁銅線鎧裝;直流電纜均為鋼絲鎧裝。

2.4 直流海底電纜和交流海底電纜載流量比較

按以上載流量計(jì)算，得出 500 kV、200 kV、110 kV直流海底電纜和交流海底電纜載流量。以500 kV直流海底電纜和交流海底電纜載流量為例，如圖1、圖2所示。

圖1為500 kV直流充油電纜和交流充油電纜載流量比較。圖例中，DC表示直流電纜;AC-1表示交流電纜，鋼絲鎧裝;AC-2表示交流電纜，扁銅線鎧裝。

圖1 500 kV直流充油電纜和交流充油電纜載流量比較

圖2為500 kV直流XLPE電纜和交流XLPE電纜載流量比較。圖例中，DC表示直流電纜;A-1表示交流電纜，鋼絲鎧裝;A-2表示交流電纜，扁銅線鎧裝。

2.5 直流海底電纜輸電容量(功率)和交流海底電纜輸電容量比較

從直流海纜和交流海纜載流量計(jì)算，表明直流海底電纜的載流量明顯大于交流海底電纜。結(jié)合海纜工程，直流海底電纜輸電容量(功率)遠(yuǎn)大于交流海底電纜輸電容量，比較如表2所示。例如500 kV充油電纜，按相同系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，導(dǎo)體截面1 000～3 000 mm2三根直流充油海底電纜組成系統(tǒng)(如為兩根兩極，一根單極運(yùn)行)的傳輸容量(功率)約為三根交流充油海纜輸電容量(按輸電容量較大的扁銅線鎧裝電纜比較)的2.48倍(導(dǎo)體截面1000 mm2)～3.67倍(導(dǎo)體截面3 000 m2)。

圖2 500 kV直流XLPE電纜和交流XLPE電纜載流量比較

表2 500 kV直流海纜輸電功率與交流海纜輸電容量比較

我國(guó)500 kV海南聯(lián)網(wǎng)交流充油海底電纜(Nexans公司設(shè)計(jì)制造)，扁銅線鎧裝，導(dǎo)體截面800 mm2，三相傳輸容量為700 MVA。改為直流輸電的輸電容量的設(shè)計(jì)評(píng)估，三根電纜改為直流運(yùn)行(如兩根電纜雙極，1根電纜單極運(yùn)行)的輸電功率為1 719 MW，相應(yīng)直流電纜輸電功率與交流電纜輸電容量比為2.46倍，與表2評(píng)估值相一致。表明直流海底電纜的輸電能力遠(yuǎn)超交流海底電纜。

3 直流海纜與交流海纜輸電損耗比較

直流海底電纜無(wú)任何交變電磁場(chǎng)引起導(dǎo)體、金屬套和鎧裝損耗，亦不存在絕緣的介質(zhì)損耗，因而運(yùn)行損耗遠(yuǎn)低于交流海底電纜損耗?，F(xiàn)以500 kV海底電纜為例比較直流電纜和交流電纜運(yùn)行時(shí)的輸電損耗(見(jiàn)表3)。

表3 直流海纜與交流海纜輸電損耗比較

由表3可見(jiàn)，相同傳輸電流條件下，500 kV直流充油電纜的輸電損耗約為交流鋼絲鎧裝充油電纜的7.8%～19%，為交流扁銅線鎧裝充油電纜的15%～35%;500 kV直流XLPE電纜的輸電損耗約為鋼絲鎧裝XLPE電纜的11%～26%，直流XLPE電纜的輸電損耗為交流扁銅線鎧裝XLPE電纜的24%～41%。由于海底電纜一般為大長(zhǎng)度電纜，電纜輸電損耗與長(zhǎng)度成正比。采用直流海底電纜對(duì)于減少輸電損耗，降低CO2排放，具有實(shí)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

4 直流海底電纜和交流海底電纜線路長(zhǎng)度

交流海底電纜由于電容電流按電纜長(zhǎng)度正比增大，在電纜允許載流量限制下電纜線路長(zhǎng)度受限。實(shí)際交流海纜系統(tǒng)為提高傳輸電流和減少線路的無(wú)功功率，抑制線路中間和末端電壓過(guò)分升高，在線路末端和中間(如有可能，如兩段海纜的中間島嶼)需裝置并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。海底電纜線路長(zhǎng)度還受電纜制造長(zhǎng)度和工廠軟接頭是否開(kāi)發(fā)應(yīng)用的限制。對(duì)充油海底電纜線路長(zhǎng)度還受到供油距離的限制。對(duì)于必須采取線路中間無(wú)功補(bǔ)償，而無(wú)法安裝并聯(lián)補(bǔ)償?shù)暮５纂娎|線路就只有采用直流海底電纜輸電。

從表1可見(jiàn)，目前世界各國(guó)500 kV交流海底電纜線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)為30 km左右。交流充油海底電纜最高電壓等級(jí)為500 kV。交流XLPE海底電纜目前已經(jīng)運(yùn)行的最高電壓等級(jí)為420 kV，敷設(shè)用于挪威西海岸的天然氣生產(chǎn)平臺(tái)與大陸電網(wǎng)的連接海纜，線路長(zhǎng)度2.4 km，但無(wú)工廠軟接頭。日本已研制275 kV交流XLPE電纜軟接頭。大長(zhǎng)度超高壓交流海底電纜發(fā)展的關(guān)鍵是工廠軟接頭的開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。

一般110～220 kV交流海底電纜最大長(zhǎng)度為70 km。直流海底電纜沒(méi)有如交流海纜因電容電流限制線路長(zhǎng)度和由于無(wú)功功率過(guò)大引起線路末端和中間電壓過(guò)分升高因而必須采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)南拗频膯?wèn)題。如表1所示，直流粘性浸漬紙絕緣海底電纜線路長(zhǎng)度已達(dá)580 km。500～600 kV粘性浸漬紙絕緣海纜和充油電纜軟接頭已不是技術(shù)障礙。目前柔性直流輸電適用的直流XLPE電纜電壓已達(dá)350 kV等級(jí)，其相應(yīng)電纜線路長(zhǎng)度可以達(dá)到與粘性紙絕緣海底電纜相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，沒(méi)有長(zhǎng)度限制。直流充油電線的長(zhǎng)度仍受供油區(qū)段長(zhǎng)度限制，與交流充油電纜線路允許長(zhǎng)度相近。

5 我國(guó)發(fā)展直流海底電力電纜的前景

5.1 發(fā)展前景

我國(guó)海域遼闊，海岸線長(zhǎng)，沿海島嶼需要采用海底電力電纜與大陸主網(wǎng)連網(wǎng)，以保證電力供應(yīng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。我國(guó)近海大陸架油田和天然氣開(kāi)發(fā)以及近海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)采用海底電纜與大陸電網(wǎng)并網(wǎng)需求趨勢(shì)強(qiáng)勁。從以上分析可見(jiàn)，采用直流海底電纜相比交流海底電纜輸電優(yōu)勢(shì)顯著。隨著電力電子技術(shù)和直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流輸電所需換流器成本高、損耗大等主要發(fā)展障礙將會(huì)逐步克服，并取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。我國(guó)發(fā)展直流電纜輸電的必要性是肯定的。在有些運(yùn)行條件下，如超大長(zhǎng)度海底輸電線路，直流電纜輸電會(huì)是優(yōu)先方案，甚至成為唯一的選擇。

但是我國(guó)電力電纜技術(shù)的發(fā)展很不平衡。上世紀(jì)80年代起，由于城市電網(wǎng)改造需要110 kV和220 kV XLPE電纜和附件，我國(guó)開(kāi)始不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的 XLPE電纜生產(chǎn)線，大批量生產(chǎn)110 kV、220 kV XLPE電纜。隨之，我國(guó)國(guó)產(chǎn)充油電纜和粘性浸漬紙絕緣電纜的生產(chǎn)和發(fā)展因?yàn)槭袌?chǎng)需求減少而不斷萎縮。至今我國(guó)110～220 kV XLPE電纜生產(chǎn)能力已達(dá)3萬(wàn)km以上，遠(yuǎn)超過(guò)市場(chǎng)需求。直流XLPE電纜研發(fā)生產(chǎn)所需工藝和制造裝備基本同交流XLPE電纜。我國(guó)應(yīng)充分發(fā)揮引進(jìn)先進(jìn)的XLPE電纜生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)技術(shù)和充裕的生產(chǎn)能力以及研發(fā)生產(chǎn)交流XLPE海底電纜的經(jīng)驗(yàn)積累和成果，以直流XLPE電纜作為直流海底電纜發(fā)展的主要產(chǎn)品，暫時(shí)不考慮發(fā)展直流充油電纜和直流粘性浸漬紙絕緣電纜。

5.2 直流XLPE電纜的關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 XLPE絕緣空間電荷積聚、移去和抑制機(jī)理的研究

直流電纜在直流電壓系統(tǒng)下運(yùn)行引起空間電荷積聚致使絕緣耐受電壓下降并非XLPE電纜特有性狀。直流充油電纜和粘性浸漬紙絕緣電纜亦產(chǎn)生空間電荷積聚。1972年Bahder等研究高壓直流電纜絕緣配合特性。研究結(jié)果表明，充油電纜和粘性浸漬電纜試樣，在經(jīng)直流電壓預(yù)壓后，反極性雷電沖擊擊穿電壓下降，并明確指出這是因空間電荷積聚而引起電場(chǎng)升高，導(dǎo)致絕緣的反極性的雷電沖擊時(shí)耐受電壓(相比未經(jīng)直流預(yù)壓試樣)下降。Bahder定義因直流預(yù)壓引起雷電沖擊擊穿電壓下降值與預(yù)壓直流電壓之比為直流預(yù)壓貢獻(xiàn)系數(shù)［3］，以后為各國(guó)普遍認(rèn)同，并將此系數(shù)稱為Bahder系數(shù)。Bahder等人發(fā)布的充油電纜和粘性浸漬紙絕緣電纜在直流電壓預(yù)壓后施加反極性雷電沖擊擊穿試驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的Bahder系數(shù)如表4所示。

從表4試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，粘性浸漬紙絕緣電纜和充油電纜經(jīng)直流預(yù)壓處理后，反極性雷電沖擊擊穿電壓均有不同程度下降(以 Bahder系數(shù)表征)。Bahder系數(shù)越小，表明空間電荷影響越少;反之越明顯。以上結(jié)果表明，油紙絕緣電纜同樣存在因直流電壓預(yù)壓后引起空間電荷積聚，而使絕緣耐受雷電沖擊擊穿電壓下降。

表4 粘性浸漬紙電纜和充油電纜經(jīng)直流預(yù)壓后施加反極性雷電沖擊擊穿電壓試驗(yàn)

粘性浸漬紙絕緣電纜(包括聚丙烯復(fù)合木纖維紙PPLP絕緣粘性浸漬電纜)和充油電纜均是公認(rèn)可以在交流和直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的電力電纜。如表1所示，其適用的系統(tǒng)輸電電壓和線路長(zhǎng)度均達(dá)到直流電纜的最高值。油紙電纜絕緣在直流預(yù)壓后產(chǎn)生空間電荷積聚，使反極性雷電沖擊擊穿電壓下降，影響其直流電壓下可靠運(yùn)行性能。對(duì)此進(jìn)行研究分析，不僅具有理論價(jià)值，而且對(duì)借鑒研發(fā)直流XLPE電纜具有積極意義。

各國(guó)已經(jīng)對(duì)XLPE絕緣直流電纜和抑制空間電荷XLPE絕緣料的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［4］引用直流XLPE等擠包絕緣電纜經(jīng)直流預(yù)壓后雷電沖擊擊穿電壓改變，得出的Bahder系數(shù)如表5所示。

表5 文獻(xiàn)［4］引用直流XLPE等擠包絕緣電纜的Bahder系數(shù)

比較表4和表5，可見(jiàn)粘性浸漬紙絕緣電纜和充油電纜的Bahder系數(shù)并不顯著大于當(dāng)時(shí)XLPE擠包絕緣直流電纜，表明直流預(yù)壓對(duì)粘性浸漬紙絕緣電纜和充油電纜的反極性雷電沖擊擊穿電壓下降影響程度與當(dāng)時(shí)XLPE擠包絕緣直流電纜相當(dāng)。

5.2.2 直流XLPE電纜用XLPE料的研發(fā)

日本開(kāi)發(fā)500 kV直流XLPE電纜所采用抑制空間電荷積聚的XLPE料的主要技術(shù)方案有導(dǎo)電無(wú)機(jī)填料XLPE料、極化無(wú)機(jī)填料XLPE料、具極性基團(tuán)的XLPE料以及極性基團(tuán)聚乙烯料［5］。這些材料均要求具有高的體積電阻系數(shù)和直流電壓下低的空間電荷積聚性能。模型電纜試驗(yàn)表明其Bahder系數(shù)不大于0.5。已按此研究開(kāi)發(fā)500 kV直流XLPE電纜以及相應(yīng)的工廠軟接頭。500 kV直流XLPE電纜和工廠軟接頭已經(jīng)通過(guò)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議推薦試驗(yàn)規(guī)范，海底電纜機(jī)械試驗(yàn)(Electra 171)和電氣試驗(yàn)規(guī)范(Electra 189)。

近期日本試驗(yàn)在低密度聚乙烯(LDPE)中加入納米MgO，此LDPE/納米MgO復(fù)合材料呈現(xiàn)優(yōu)良的抑制空間電荷特性［6］。電場(chǎng)作用下絕緣中形成的電離電荷或注入電荷能被吸引進(jìn)入淺陷阱，但淺陷阱中電荷在電場(chǎng)和溫度作用下容易脫離陷阱。而絕緣含有強(qiáng)極化的納米MgO形成深陷阱，會(huì)牢固吸引電荷使其無(wú)法脫陷。此為另一可能開(kāi)發(fā)直流XLPE電纜適用的抑制空間電荷積聚的XLPE絕緣料的技術(shù)路線。

我國(guó)相關(guān)單位已經(jīng)開(kāi)展上述直流XLPE材料的研究開(kāi)發(fā)工作。正確選擇技術(shù)路線，加快直流XLPE料的研究開(kāi)發(fā)，是我國(guó)發(fā)展直流擠包絕緣電纜包括XLPE電纜的首要工作。應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，充分考慮油紙絕緣電纜直流運(yùn)行下的空間電荷積聚以及消除其影響的機(jī)理，深入研究擠包絕緣如XLPE絕緣空間電荷積聚和抑制空間電荷有效措施，加快抑制空間電荷的直流XLPE絕緣料的研究開(kāi)發(fā)和相應(yīng)的高壓直流XLPE電纜研制和工程應(yīng)用的步伐。

5.2.3 直流XLPE海底電力電纜附件的研發(fā)

(1)工廠軟接頭。大長(zhǎng)度海底直流電纜關(guān)鍵附件是工廠軟接頭。目前ABB公司已開(kāi)發(fā)320 kV三元乙丙EPDM橡膠預(yù)制絕緣工廠軟接頭，以具非線性介電性能電場(chǎng)控制層和應(yīng)力錐作電場(chǎng)控制元件，連同電纜，參照國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議推薦試驗(yàn)規(guī)范(技術(shù)手冊(cè)TB219)，通過(guò)相應(yīng)的型式試驗(yàn)和負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)。我國(guó)已經(jīng)自主開(kāi)發(fā)擠塑模塑型交流110 kV交流XLPE絕緣海底電纜工廠軟接頭。在具備抑制空間電荷XLPE料研制直流XLPE電纜的同時(shí)，應(yīng)研究開(kāi)發(fā)直流XLPE海底電纜工廠軟接頭。抑制空間電荷積聚、改善電場(chǎng)分布，是研制直流擠包絕緣電纜工廠軟接頭的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

(2)戶外終端。對(duì)直流XLPE海底電纜戶外終端，提高外絕緣耐受雷電沖擊電壓水平和污穢環(huán)境下直流放電性能將是突出的問(wèn)題。500 kV直流高壓設(shè)備外絕緣的爬電距離將高達(dá)22 000 mm(瓷套高度6 300 mm)，爬電比距達(dá)44 mm/kV。遠(yuǎn)超過(guò)交流輸變電設(shè)備外絕緣污穢最高等級(jí)的爬電比距，31 mm/kV。采用類似交流系統(tǒng)使用的電容錐結(jié)構(gòu)，但以電導(dǎo)均壓的內(nèi)絕緣，控制外絕緣表面電場(chǎng)均勻分布設(shè)計(jì)，以提高直流海底電纜戶外終端的外絕緣耐受雷電沖擊電壓和耐受直流電壓污穢閃絡(luò)放電性能。

5.2.4 直流XLPE電纜制造關(guān)鍵工藝和制造裝備的改進(jìn)

研究表明，XLPE電纜交聯(lián)后經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫和真空處理，可清除交聯(lián)工藝過(guò)程產(chǎn)生的不耐熱的殘留物，同時(shí)XLPE絕緣的結(jié)晶相和無(wú)定形相界面會(huì)減少，絕緣中空間電荷會(huì)減少或消失［7］。直流XLPE電纜的制造工藝研究和現(xiàn)有交聯(lián)電纜制造裝備(CCV和VCV生產(chǎn)線)的相應(yīng)改進(jìn)和交聯(lián)后處理工藝和設(shè)備改進(jìn)同樣至關(guān)重要。

6 結(jié)論

海底電纜是海底輸電工程最重要的裝備之一。由于海底電纜線路長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，提高運(yùn)行性能，特別是其輸電容量，是海底電纜研究開(kāi)發(fā)重要的目標(biāo)之一。直流海底電纜在相同導(dǎo)體截面、相同電纜型式和相近敷設(shè)環(huán)境條件下，其輸電容量(功率)遠(yuǎn)超過(guò)交流海底電纜，并且運(yùn)行損耗低和允許線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)。直流輸電技術(shù)運(yùn)行調(diào)節(jié)比較靈活，柔性直流輸電系統(tǒng)適用于連接分散的小型發(fā)電系統(tǒng)且具有運(yùn)行時(shí)不發(fā)生直流電壓極性反轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，我國(guó)發(fā)展直流海底電纜和直流海底電纜輸電工程的必要性是肯定的。在有些運(yùn)行條件下，例如超大長(zhǎng)度海底電纜線路，采用直流海底電纜會(huì)是優(yōu)先方案，甚至是唯一的選擇。直流海底電纜輸電工程的換流站和無(wú)功補(bǔ)償裝置價(jià)格昂貴和功率消耗較大的問(wèn)題，將隨著電力電子技術(shù)發(fā)展和新技術(shù)應(yīng)用逐步改進(jìn)，直流海底電纜工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性會(huì)不斷提高。

根據(jù)我國(guó)電力電纜技術(shù)開(kāi)發(fā)和制造能力不平衡的實(shí)際情況，首先發(fā)展直流XLPE電纜，推進(jìn)直流電纜輸電工程應(yīng)用是合理的選擇。應(yīng)集中開(kāi)發(fā)研究的優(yōu)勢(shì)力量，通過(guò)對(duì)不同絕緣電纜空間電荷積聚、抑制和消除的機(jī)理的深入研究和對(duì)比分析，加快直流XLPE絕緣料和相應(yīng)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，推進(jìn)直流XLPE電纜技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用。

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