交流配電XLPE 電纜直流改造的拓撲結構和空間電荷研究綜述

于競哲，陳向榮

（浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術重點實驗室（浙江大學），杭州 310027）

0 引言

隨著新能源、新材料和電力電子技術的發(fā)展，現(xiàn)有交流配電網(wǎng)面臨著分布式能源接入、負荷和用電需求多樣化、潮流均衡協(xié)調(diào)控制復雜化等方面的挑戰(zhàn)。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)可以有效提高電能質(zhì)量和供電容量，減少電力電子換流器的使用，降低電能損耗和運行成本，協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式能源的價值和效益。隨著柔性直流技術的發(fā)展，直流配電技術成為了國內(nèi)外研究的焦點[1-5]。

我國在2013 年開展了柔性直流配電的863課題“基于柔性直流的智能配電關鍵技術研究與應用”，定位于中壓直流配電技術研究[6]?；诖苏n題，中國南方電網(wǎng)有限責任公司深圳供電局開展了針對基于柔性直流輸電的±10 kV 直流配電網(wǎng)的關鍵技術研究[7]。2016 年，國家電網(wǎng)浙江省電力有限公司開展了直流配電網(wǎng)的工程理論與關鍵技術研究[8]。2018 年3 月，浙江省杭州市大江東區(qū)塊試點了±10 kV 柔性直流配網(wǎng)工程。直流配電已經(jīng)成為未來配電網(wǎng)發(fā)展的一個重要方向。

然而，我國大中型城市存在的土地資源緊張、地下線路飽和問題導致新建直流配電線路非常困難。如果能夠?qū)υ薪涣骶€路進行直流改造，將有利于交流電網(wǎng)逐步過渡到直流配電網(wǎng)，這對于直流配電網(wǎng)的實現(xiàn)具有重要意義。此外，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國部分城市負荷中心或舊城區(qū)出現(xiàn)供電容量短缺的問題，需要對原有線路進行擴容改造，但在供電制式不變的情況下增加線路供電能力是十分困難的。而如果對原有線路進行直流改造，在原有線路不變的前提下可提升供電能力，是一種較好的交流電網(wǎng)改造方案。

目前，交流XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜被廣泛用于城市電網(wǎng)中的配電線路。XLPE 絕緣電纜在直流運行方式下的溫度場和電場分布與其在交流運行方式下的有很大區(qū)別，而且XLPE 絕緣電介質(zhì)材料在高壓電場下，特別是直流高壓電場的作用下容易俘獲外界注入的電荷，電荷在介質(zhì)內(nèi)部的積累可能引起材料內(nèi)部電場的嚴重畸變，進而導致材料絕緣擊穿。在交流XLPE 電纜的直流改造工程中，為確保系統(tǒng)的可靠運行，實際運行參數(shù)一般采用較為保守的值[9-10]，不能充分發(fā)揮原有線路的供電能力。因此，為準確設計交流電纜直流改造后的運行參數(shù)，相關學者對此進行了研究。文獻[11]針對東北地區(qū)城市電網(wǎng)66 kV 交流單芯XLPE 電纜線路，采用數(shù)值法計算了直埋敷設2 根平行排列交流電纜的直流載流量，并計算了電纜改為雙極式直流運行后的輸送功率。文獻[12]通過有限元仿真軟件，在絕緣試樣電導率模型基礎上，研究了66 kV 交流XLPE 電纜在直流電壓下的電場分布和空間電荷積累特性。文獻[13]針對10 kV 交流三芯XLPE 電纜配電線路，通過有限元分析軟件對改為雙極式直流運行方式的電纜進行了溫度場和電場耦合仿真分析，得到了所選電纜改為直流運行后的相關參數(shù)。

交流XLPE 電纜線路的直流改造有助于線路供電能力的提升，同時對于直流配電網(wǎng)的實現(xiàn)具有重要意義。鑒于目前國內(nèi)外相關理論研究和實際運行經(jīng)驗較少，本文首先針對交流XLPE 電纜直流改造的拓撲結構及相關研究進行了梳理；然后對交流XLPE 電纜本體和附件在直流電壓下的空間電荷問題進行了介紹；最后提出了交流XLPE電纜直流改造在絕緣方面有待進一步研究的問題，為交流XLPE 電纜直流改造的相關工程提供一定參考。

1 電纜線路交改直的拓撲結構

與傳統(tǒng)直流輸電技術相比，柔性直流輸電技術的無功、有功可獨立控制，無需濾波及無功補償設備，可向無源負荷供電，潮流翻轉(zhuǎn)時電壓極性不改變，更適合于構建多端直流線路以及直流配電網(wǎng)。

1.1 單極式直流接線方式

對單回交流線路進行直流改造時，一種方案是將三相交流線路改為帶大地回線的單極直流線路，其拓撲結構如圖1 所示[14]。三相交流線路中的每一相都加載相同的直流電流和直流電壓。交流輸電線路的三相線路組成一條單極直流線路，從而實現(xiàn)更大的輸送容量。在單極式直流拓撲結構中，采用大地回線方式雖然線路投資相對較省，但對接地極址的要求較高，較大的入地電流也可能對極址附近變電站、地下金屬管道等金屬設施帶來不良影響。此外，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地資源日益緊張，導致電纜配電網(wǎng)的建設受到了很大限制。特別是對于大型城市的配電線路建設，接地極極址及線路路徑選擇甚至成為整個工程的制約因素。

圖1 單回三相電纜的單極式直流運行方案

1.2 雙極式直流接線方式

對單回交流線路進行直流改造時，還可將其改造成雙極式直流線路，即將三相輸電線中的兩相作為傳輸負荷電流的正、負極線使用，第三相輸電線作為接地線使用，其拓撲結構見圖2[13]。文獻[9]介紹了一條現(xiàn)役35 kV 交流XLPE 電纜線路在發(fā)生二次故障后改造為直流運行的方案。

圖2 單回三相電纜的雙極式直流運行方案

對于雙回交流線路的直流改造， 如英國的ANGLE 直流項目[10]，也可將其改造成雙極式直流線路。ANGLE 直流項目計劃將一條連接安格爾西島和威爾士大陸的33 kV 雙回交流線路改為直流運行。該線路總長約3 km，主要為電纜線路，但也有一小段架空線路。該項目計劃將此線路改為±27 kV 雙極式直流運行，其中一回三相交流線路并聯(lián)組成正極線路，而另一回交流線路組成負極線路，同時兩端換流站分別建有接地極。

Shekhar 等[14]以三芯11 kV 交流XLPE 電纜為例，將電壓降落、電容泄漏電流、趨膚效應和負載功率因數(shù)等多影響因素結合起來，對其在單極和雙極直流拓撲下的直流輸送功率進行了定量分析。針對單回交流線路的直流改造，圖3 描述了在單極直流拓撲結構下、不同長度交流電纜的直流輸送功率提升比例與導體橫截面積的關系，圖4 描述了雙極直流拓撲結構下的結果。由圖3和圖4 可知：交流電纜線路越長，直流輸送功率提升比例越大；所選電纜在單極直流拓撲下的輸送功率提升比例更大。此外，由文獻[14]可知，對于雙回交流線路，其在雙極直流拓撲下的輸送功率提升比例與單回交流線路在單極直流拓撲下的輸送功率提升比例非常接近。

1.3 三線雙極式直流接線方式

雖然將交流線路改造成雙極式直流線路對其供電能力有一定提升，但沒能充分利用原有交流線路的三相輸電線。為了能夠最大程度地開發(fā)原有線路的供電能力，國內(nèi)外學者還提出了其他直流拓撲結構。

圖3 單回交流線路改為單極直流后的輸送功率提升比例

圖4 單回交流線路改為雙極直流后的輸送功率提升比例

文獻[15]提出了一種TPS-HVDC（基于三極結構的直流輸電）概念。TPS-HVDC 指在充分利用原有三相交流輸電線的基礎上，通過特殊的電流調(diào)制方法和換流站技術，較大幅度提升線路輸電容量的一種直流輸電結構。文獻[16]提出了一種具有線路擴容輸電能力的輸電技術，TWBS-HVDC（基于三線雙極結構的直流輸電技術）給出了具體的拓撲結構、運行原理、控制策略并進行了仿真分析。TWBS-HVDC 包含3 個輸電極，分別為正極、負極和調(diào)制極，對應三相交流線路的3 根輸電線，其電流特性如圖5 所示。

圖5 中，UDC為直流電壓，Imax和Imin分別為輸電線上的最大和最小直流電流。正常運行時，正極和負極電流的絕對值在Imax和Imin之間變化，為達到擴容目的，Imax要大于傳輸線的熱限制電流。而三相輸電線總的直流電流幅值為2Imax，又因為Imax大于傳輸線的熱限制電流，從而達到了擴容的目的。調(diào)制極流過的電流是正極和負極電流的差值，實現(xiàn)對正極和負極進行周期性地分流，以滿足熱穩(wěn)定要求。

圖5 TWBS-HVDC 調(diào)制特性

文獻[17]針對交流電纜線路直流改造工程，提出一種能抑制電纜內(nèi)空間電荷積聚的SWACHVDC（基于方波交流結構的直流輸電系統(tǒng)），并給出了具體的調(diào)制策略和拓撲結構。 SWACHVDC包含3 個輸電極，分別標識為U，V 和W，對應三相交流線路的3 根輸電線，圖6 給出了其電壓、電流調(diào)制特性。

圖6 SWAC-HVDC 調(diào)制特性

由圖6 可知，SWAC-HVDC 運行時，使U，V 和W 三相電流幅值在Imax，Imin和Imax-Imin3 檔之間輪換變化， 其增加線路供電能力的原理和TWBS-HVDC 相似。 因為電流方向周期性地變化，其電壓極性也需周期性地反轉(zhuǎn)以保證功率傳輸方向不變。而周期性反轉(zhuǎn)的電壓就使得電纜絕緣層內(nèi)的空間電荷難以積累，從而能夠提高電纜線路的直流運行電壓，使線路的供電能力得到進一步提高。

TWBS-HVDC 和SWAC-HVDC 輸電方式的電流特性與TPS-HVDC 輸電技術相同，但在直流電壓特性上體現(xiàn)的是與雙極HVDC 相似的雙極特性。若僅考慮其外在特性，則TWBS-HVDC和SWAC-HVDC 方式可作為雙極HVDC 對待。因此，在擴展成多端直流系統(tǒng)時只需要雙線擴展，擴展能力等同于雙極HVDC[17]。

1.4 直流拓撲結構選擇

對于單回交流配電線路的單極直流拓撲結構，盡管其輸送功率提升明顯，但接地極的建設可能給實際工程帶來困難。而且對于交流線路的直流改造，雙極式直流、TWBS-HVDC 和SWACHVDC 接線方式的電壓對外均表現(xiàn)為雙極特性，適用于交流線路的多端直流改造，有利于實現(xiàn)直流配電網(wǎng)。

對于單回交流配電線路的雙極式直流拓撲結構，因為有一根電纜作為接地回線而沒有得到有效利用，又因為空間電荷效應的影響，其直流運行電壓受到一定限制，所以其輸送功率提升效果最差。但雙極式直流拓撲結構技術成熟，且運行方式靈活，可靠性高。

對于TWBS-HVDC 方式，雖然其直流運行電壓也會受到空間電荷積累的影響，但其采用特殊的調(diào)制策略來提高直流電流，進而提高直流輸送功率。此外，對于SWAC-HVDC 方式，因為其采用特殊的調(diào)制策略避免了空間電荷積累問題，所以其直流運行電壓可以取較高的值，從而進一步提升了直流輸送功率。但這2 種直流運行方式均處在理論研究階段。

因此，對于單回交流配電線路的直流改造，可考慮采用雙極式接線方式；當其供電能力提升較小時，也可考慮采用單極或者三線雙極式接線方式。

2 交流XLPE 電纜的空間電荷問題

2.1 XLPE 絕緣材料的空間電荷問題

對于XLPE 絕緣材料，其直流擊穿場強大于交流擊穿場強[18]。如果僅從絕緣擊穿的角度考慮，則交流電纜改為直流運行后的運行電壓幅值可大幅提高。 但是將交流電纜改為雙極式直流運行后，有2 根導體會一直處在直流高壓下運行。電纜主絕緣及附件絕緣長期承受直流電場作用后易積累空間電荷。絕緣中積累的空間電荷可能引起材料內(nèi)部電場的嚴重畸變，進而導致材料絕緣擊穿[19]。當空間電荷在電纜絕緣中積累后，若線路發(fā)生故障接地將導致絕緣層上電場疊加進而導致?lián)舸４送?，絕緣中積累的空間電荷能夠通過局部場增強、 電離和促進熱電子形成等途徑加速XLPE 分子鏈的斷裂，進而增大降解速率，導致加速老化問題[20]。為了抑制絕緣中的空間電荷效應，國內(nèi)外學者通過添加、共混、接枝、共聚等方法對直流電纜用XLPE 絕緣材料進行改性研究，而交流XLPE 電纜未針對空間電荷問題進行過相應處理。因此，為了交流電纜改為直流運行后能夠有較長的使用壽命，需要限制電纜絕緣層中的空間電荷積累。

電纜絕緣中的空間電荷來源有電極注入、雜質(zhì)電離、絕緣溫度梯度和不同絕緣界面，其中電極注入是主要來源。前3 種方式產(chǎn)生的空間電荷存在于電纜本體和附件絕緣中，而不同絕緣界面處積累的空間電荷主要存在于電纜附件中。

2.2 交流XLPE 電纜本體

對于電纜中的聚合物絕緣材料，存在一個空間電荷開始快速積累的閾值場強[21-23]。當絕緣材料在閾值場強以下工作時，空間電荷的積累量很少，可被忽略；當絕緣材料在閾值場強以上工作時，空間電荷的積累量迅速增加。對于XLPE 絕緣材料，S．Delpino 等人指出其在25 ℃下的閾值場強為8 kV/mm，而在70 ℃下的閾值場強為3 kV/mm[24]。T．T．N．Vu 等人通過實驗發(fā)現(xiàn)XLPE 在20 ℃下的閾值場強為10 kV/mm，而在70 ℃下的閾值場強小于2 kV/mm[25]。根據(jù)閾值場強對電纜絕緣進行設計將顯著減少由于空間電荷的存在而導致的加速老化問題。

當電纜絕緣在低于空間電荷積累閾值場強的條件下工作時，可以忽略由于電極注入和雜質(zhì)電離帶來的空間電荷積累。而對于電纜本體絕緣來說，當絕緣層上存在溫度梯度時，就會有空間電荷積累。文獻[26]對XLPE 微型電纜進行了不同溫度梯度下的空間電荷測量，結果表明當電纜纜芯溫度接近70 ℃和絕緣層平均電場強度為3 MV/m時：在0 ℃溫度梯度下，絕緣層中的平均電荷密度約為0．06 C/m3；在20 ℃溫度梯度下，絕緣層中的平均電荷密度約為0．08 C/m3，略大于無溫度梯度試驗所測得的電荷量。因為配電電纜絕緣層較薄，溫度梯度較小，所以對電纜本體絕緣來說，由溫度梯度帶來的空間電荷積累問題可忽略。因此，當電纜本體絕緣在低于空間電荷積累閾值場強的條件下工作時，電纜本體可長期穩(wěn)定運行。

文獻[27]對10 kV 和35 kV 交流XLPE 絕緣材料的電導電流進行測量。根據(jù)實驗所得電流密度與場強關系曲線，得到了絕緣材料在不同溫度下的空間電荷積累閾值。選取典型10 kV 和35 kV交流XLPE 電纜為研究對象，其橫截面積分別為240 mm2和120 mm2，電纜敷設方式為土壤直埋，環(huán)境溫度為25 ℃，導體溫度系數(shù)為0．003 93 K-1。針對單回交流電纜配電線路的直流改造，通過對交流XLPE 絕緣電纜在單極、雙極和三極直流拓撲結構下進行熱電耦合仿真，得到了電纜的直流載流量和絕緣中的最大場強。為了忽略空間電荷效應帶來的影響，將絕緣中最大場強限制在空間電荷積累閾值以下，得到了電纜在不同導體運行溫度下的直流運行電壓。根據(jù)所得直流載流量和直流運行電壓得到了10 kV 和35 kV 交流電纜改為不同直流運行方式后的輸送功率提升倍數(shù)，分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 10 kV 交流電纜改為直流運行后的輸送功率提升倍數(shù)

由圖7 和圖8 可知，對于2 種電纜，單極直流拓撲結構下的輸送功率最大，3 極直流拓撲次之，雙極直流拓撲最小。此外，10 kV 交流電纜改為直流運行后的輸送功率提升倍數(shù)大于35 kV 交流電纜。 這是因為隨著交流電纜電壓等級的升高，電纜絕緣層厚度所留的裕度減小。為了避免空間電荷效應的影響，交流電纜改為直流運行后的直流電壓所受限制增大，因此其輸送功率提升幅度降低。

圖8 35 kV 交流電纜改為直流運行后的輸送功率提升倍數(shù)

2.3 交流XLPE 電纜附件

交流電纜附件受到制作工藝、運行環(huán)境等因素的影響而事故頻發(fā)，是電纜系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。目前對在直流電壓運行下的交流XLPE 電纜附件的相關研究還較少，而交流XLPE 電纜附件的直流電場分布和空間電荷特性對于電纜系統(tǒng)交改直的可靠運行至關重要[28]。對于在直流電壓下運行的電纜附件來說，除了考慮電極注入和雜質(zhì)電離帶來的空間電荷積累問題，還需要對不同絕緣界面處積累的空間電荷進行研究。在電纜附件中，雙層絕緣界面處的電導率不連續(xù)性導致了移動到界面處的電荷量與移出界面處的電荷量不相等。根據(jù)Maxwell-Wagner 機制，當界面積累的電荷量大到可以改變界面處電場的不連續(xù)性來平衡界面電流時，界面處達到穩(wěn)定狀態(tài)[29]。

文獻[30]對10 kV 交流XLPE 電纜本體和附件絕緣材料的電導電流進行了測量，得到了絕緣材料在不同溫度下的空間電荷積累閾值。通過對在直流運行下10 kV 交流XLPE 電纜中間接頭進行熱電耦合仿真，得到了不同絕緣溫差下電纜中間接頭的電場分布。 當絕緣溫差為10 ℃時，10 kV 交流XLPE 電纜中間接頭的直流電場分布如圖9 所示，其中圖9（a）為中間接頭電場分布，圖9（b）為應力錐附近的電場分布，圖9（c）為高壓屏蔽管附近的電場分布。由圖9 可知，電纜接頭處的最大場強出現(xiàn)在高壓屏蔽管處，而應力錐區(qū)域的場強較小。此外，電場仿真結果和實驗結果表明，當電纜中間接頭的絕緣溫差較小時，電纜附件中屏蔽管處的最大場強超過閾值場強，有空間電荷在絕緣中積累的風險。

圖9 在10 ℃絕緣溫差下10 kV 電纜中間接頭的電場分布

3 XLPE 電纜交改直在絕緣方面存在的問題

3.1 空間電荷積累與絕緣老化關系

目前針對交流電纜直流改造后的研究大多基于仿真計算，而仿真過程中大多忽略注入空間電荷的影響。雖然將絕緣中場強限制在空間電荷積累閾值場強以下能夠避免空間電荷積累問題，但這樣做的同時也損失了一定的直流輸送功率。盡管空間電荷的積累會加速絕緣材料的老化，但是當電纜絕緣層的場強稍微大于閾值時，積累的空間電荷可能并不會對電纜壽命產(chǎn)生嚴重影響。對于在直流電壓下運行的交流電纜來說，目前沒有一個明確的電荷積累量與絕緣老化速度的定量關系。針對薄片絕緣試樣和全尺寸電纜的空間電荷測量技術已經(jīng)較為成熟[20，24]，因此有必要對全尺寸交流電纜在不同溫度下的空間電荷進行實驗測量，結合電纜的老化情況，對交流電纜直流改造后的空間電荷特性與電纜老化關系進行深入研究。

3.2 界面空間電荷的影響

對于交流電纜附件，通過降低直流運行電壓幅值來使屏蔽管處的最大場強小于閾值場強，進而可忽略注入空間電荷的積累問題。但在直流電壓下運行的交流電纜附件中，電纜本體絕緣和附件增強絕緣之間的界面處始終會有一定量的電荷積累。目前針對多層薄片絕緣試樣和多層絕緣模型電纜的空間電荷測量技術已經(jīng)較為成熟[25-26，29]，但對于實際電纜附件的空間電荷測量問題尚無解決方法，實際電纜附件的電場和空間電荷分布主要通過仿真軟件進行計算。電纜附件界面處所積累的空間電荷本身對絕緣老化和劣化的加速程度，即其對中間接頭長期穩(wěn)定運行的影響還有待進一步研究。

3.3 XLPE 電纜交改直的老化問題

目前針對交流電纜直流改造后的研究未考慮電纜老化問題。老化問題包括兩部分：一是對于不同老化程度的交流XLPE 電纜，將其改造為直流運行時，直流運行參數(shù)的選取是否和電纜的老化程度相關；二是當將交流電纜改為直流運行后，交流電纜在直流電壓下的老化問題，即交流電纜絕緣在直流電壓下的使用壽命問題。對于在不同直流電壓和直流電流下運行的交流電纜，其絕緣壽命與在交流電壓下運行時的絕緣壽命的關系有待進一步研究。

4 結語

本文對國內(nèi)外在交流配電XLPE 電纜的直流改造方面的研究進行了梳理和介紹。對于在直流電壓下運行的交流XLPE 電纜，絕緣中的空間電荷積累是其面臨的主要問題。將電纜絕緣中的電場強度限制在空間電荷積累閾值場強以下時，可以忽略由于電極注入和雜質(zhì)電離帶來的空間電荷積累的影響。對于單回交流配電線路直流改造的拓撲結構，可考慮采用雙極式接線方式；當其供電能力提升較小時，也可考慮采用單極或者三線雙極式接線方式。將交流XLPE 電纜改為直流運行后，交流XLPE 電纜的空間電荷測量、界面空間電荷對絕緣的影響以及XLPE 電纜交改直的老化問題還有待深入研究。