高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗(yàn)研究

李棟，陳龍嘯，朱智恩，鄧天宇，王宇，王蓉榮

(南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

高壓直流電纜系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離輸電和新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵電力裝備[1—2]，具有輸電線路損耗小、可控性好、環(huán)境影響小、投資成本低等優(yōu)勢(shì)，適用于長(zhǎng)距離輸電、可再生能源并網(wǎng)、非同步系統(tǒng)互聯(lián)[3—5]。近年來(lái)我國(guó)高壓直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，先后建成了南澳島±160 kV、舟山±200 kV和廈門(mén)±320 kV柔性直流電纜輸電工程[6—8]，正在建設(shè)江蘇如東±400 kV柔性直流輸電海上風(fēng)電項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)制造商已經(jīng)可以生產(chǎn)電壓等級(jí)最高為±525 kV的高壓直流電纜，標(biāo)志著我國(guó)的制造技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列[9—10]。

掌握高壓直流電纜系統(tǒng)的安全裕度是保證電纜線路長(zhǎng)期安全運(yùn)行的前提條件。然而在直流電纜系統(tǒng)通過(guò)型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)后，無(wú)法評(píng)判產(chǎn)品本身的最高使用電壓，也無(wú)法確定產(chǎn)品的可靠性[11—12]。一方面，直流電纜系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)范只提供了試驗(yàn)方法，缺少高壓直流電纜及附件產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范；另一方面，直流電纜系統(tǒng)的安全裕度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法欠缺。有學(xué)者以絕緣試片來(lái)評(píng)估直流電纜系統(tǒng)的安全水平，錢愷羽等測(cè)試了不同溫度和不同厚度下高壓直流電纜絕緣擊穿強(qiáng)度，揭示溫度對(duì)交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)擊穿場(chǎng)強(qiáng)厚度效應(yīng)的影響機(jī)理[13]；劉云鵬等研究了沖擊電壓下絕緣試片擊穿強(qiáng)度，闡述了XLPE的擊穿原理[14]。但是以絕緣試片來(lái)評(píng)估直流電纜系統(tǒng)的安全水平，其評(píng)估方法的合理性和評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性值得商榷。其一，兩者結(jié)構(gòu)上有差異，試片為平板結(jié)構(gòu)，成品電纜及附件絕緣為環(huán)形結(jié)構(gòu)；其二，兩者厚度不同，絕緣厚度越大弱點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，同等條件下絕緣擊穿概率越大。

文中以±80 kV高壓直流電纜系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出電纜系統(tǒng)安全裕度試驗(yàn)方法，開(kāi)展熱態(tài)下的安全裕度試驗(yàn)，計(jì)算電纜絕緣和附件絕緣界面電場(chǎng)強(qiáng)度，獲得了直流電纜系統(tǒng)的安全裕度，為直流電纜工程的安全運(yùn)行提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 高壓直流電纜和附件絕緣材料的電導(dǎo)率

高壓直流電纜系統(tǒng)由直流電纜本體和電纜附件組成，直流電纜本體采用XLPE絕緣[15—18]，電纜附件采用硅橡膠(SiR)絕緣。XLPE和SiR的電導(dǎo)率是直流電纜系統(tǒng)電場(chǎng)解析和安全裕度計(jì)算的必要參數(shù)，根據(jù)直流電纜系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度，文中分別測(cè)試了溫度為30 ℃，50 ℃，70 ℃，90 ℃，電場(chǎng)強(qiáng)度為5 kV/mm，10 kV/mm，15 kV/mm，20 kV/mm時(shí)2種材料的電導(dǎo)率，測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為材料電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線，溫度升高兩者電導(dǎo)率增大，且XLPE的增大趨勢(shì)高于SiR。圖2為電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線，電場(chǎng)強(qiáng)度增加，XLPE電導(dǎo)率明顯增大，但SiR電導(dǎo)率相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 電導(dǎo)率溫度特性Fig.1 Conductivity temperature characteristic

圖2 電導(dǎo)率電場(chǎng)特性Fig.2 Conductivity electric field characteristics

為了準(zhǔn)確描述材料的電導(dǎo)率特性，采用式(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[19—20]：

σ=AeαTEγ

(1)

式中：σ為電導(dǎo)率；A為常數(shù)；α為電導(dǎo)率溫度系數(shù)；T為溫度；E為外加電場(chǎng)強(qiáng)度；γ為電導(dǎo)率電場(chǎng)系數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果求出電導(dǎo)率溫度系數(shù)和電場(chǎng)系數(shù)，對(duì)不同條件下的電導(dǎo)率溫度系數(shù)和電場(chǎng)系數(shù)進(jìn)行平均處理，即得到直流電纜絕緣材料和附件絕緣材料的電導(dǎo)率：

σXLPE=4.52×10-16e0.036 5TE1.645

(2)

σSiR=2.42×10-14e0.025 3TE0.388

(3)

2 高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

高壓直流電纜本體結(jié)構(gòu)如圖3所示，導(dǎo)體截面150 mm2，絕緣厚度5.5 mm，額定電壓U0為80 kV。

圖3 高壓直流電纜結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of HVDC cable structure

高壓直流電纜附件采用整體預(yù)制式終端，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，安裝后的終端部分由電纜導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、電纜絕緣、絕緣屏蔽、終端絕緣、應(yīng)力錐組成。

圖4 高壓直流電纜終端結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of HVDC cable termination

2.2 試驗(yàn)回路布置

試驗(yàn)回路布置如圖5所示，直流電纜終端安裝于電纜末端，由銅排連接組成試驗(yàn)回路，電纜長(zhǎng)度20 m。采用2臺(tái)穿心變壓器對(duì)電纜導(dǎo)體加熱，采用電流互感器測(cè)量導(dǎo)體電流。

圖5 試驗(yàn)回路布置Fig.5 Test loop layout

利用模擬回路測(cè)量導(dǎo)體電流與導(dǎo)體溫度之間的關(guān)系，測(cè)得的導(dǎo)體電流和導(dǎo)體溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。在施加電流120 min后，電纜導(dǎo)體溫度穩(wěn)定在90 ℃，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體電流為620 A。試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)回路與模擬回路同步施加電流，確保試驗(yàn)回路與模擬回路溫度一致。

圖6 導(dǎo)體電流和導(dǎo)體溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Curves of conductor current and conductor temperature over time

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗(yàn)在高壓屏蔽大廳中進(jìn)行，直流高壓發(fā)生器最大輸出電壓±2 400 kV，最大輸出電流30 mA。試驗(yàn)采取逐級(jí)加壓的方式，從U0開(kāi)始每級(jí)耐壓3 h，如果樣品未擊穿，則電壓升高10 kV，依此類推直到電纜系統(tǒng)擊穿為止。取3組試驗(yàn)樣品進(jìn)行平行試驗(yàn)，采用最小值法評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)得出樣品的擊穿電壓分別為200 kV，210 kV，210 kV，擊穿位置均在電纜終端內(nèi)部，解剖后的樣品如圖7所示，擊穿點(diǎn)位于絕緣屏蔽斷口以上20 mm處，距離應(yīng)力錐根部5 mm。

圖7 擊穿樣品解剖圖Fig.7 Breakdown sample anatomy

3 高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗(yàn)

高壓直流電纜終端的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性的差異會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，局部電場(chǎng)強(qiáng)度超出材料的絕緣強(qiáng)度，造成電纜終端的擊穿破壞。為了判定電纜終端擊穿的原因，需要進(jìn)一步計(jì)算出電纜終端在擊穿電壓下的電場(chǎng)分布。

3.1 電纜系統(tǒng)短期耐受電壓和等效擊穿電壓

直流電纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為40 a，而試驗(yàn)中每級(jí)電壓的耐受時(shí)間為3 h，因此需要將直流電纜系統(tǒng)額定電壓換算成短時(shí)耐受電壓。

電纜系統(tǒng)運(yùn)行電壓與壽命存在如下關(guān)系[21]：

Unt=c

(4)

式中：U為運(yùn)行電壓；t為電纜壽命；n為壽命指數(shù)；c為常數(shù)。那么短期耐受電壓為：

(5)

式中：U0為額定電壓；t0為電纜設(shè)計(jì)壽命；Δt為短期試驗(yàn)時(shí)間。

已知直流電纜設(shè)計(jì)壽命t0為40 a，試驗(yàn)中每級(jí)電壓耐受時(shí)間Δt為3 h，取壽命指數(shù)n為15，可計(jì)算得電纜系統(tǒng)短期耐受電壓Udc為174 kV。

考慮到逐級(jí)加壓對(duì)電纜系統(tǒng)絕緣產(chǎn)生的累計(jì)影響，為了消除該影響，根據(jù)式(6)將累計(jì)電壓換算成等效擊穿電壓：

(6)

式中：Ui為第i級(jí)電壓；ti為第i級(jí)耐受時(shí)間；Ud為等效擊穿電壓。

從U0開(kāi)始到電纜系統(tǒng)擊穿，樣品經(jīng)受了13級(jí)電壓，其中1～12級(jí)耐壓通過(guò)，即t1～t12為3 h，第13級(jí)耐壓1 h后電纜系統(tǒng)擊穿，則對(duì)應(yīng)t13為1 h，求得等效擊穿電壓Ud為202 kV。

3.2 直流電纜終端的電場(chǎng)分布

由于絕緣材料的電導(dǎo)率受溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的雙重影響，電場(chǎng)分布與電壓不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，以電壓為依據(jù)來(lái)評(píng)估電纜終端的安全裕度不能直接反映擊穿點(diǎn)附近的電場(chǎng)分布情況，故文中以電場(chǎng)強(qiáng)度為依據(jù)來(lái)評(píng)估直流電纜系統(tǒng)的安全裕度。

根據(jù)電流連續(xù)性原理，即電纜絕緣和附件絕緣界面上的電流密度相等：

j=σ1E1=σ2E2

(7)

式中：j為電流密度；σ1為電纜絕緣電導(dǎo)率；σ2為附件絕緣電導(dǎo)率；E1為電纜絕緣電場(chǎng)；E2為附件絕緣電場(chǎng)。

電纜絕緣和附件絕緣雙層介質(zhì)的電壓為：

(8)

U=U1+U2

(9)

式中：U1為電纜絕緣電壓；U2為附件絕緣電壓；d1為電纜絕緣厚度；d2為附件絕緣厚度。

由式(7)—式(9)可得電纜絕緣和附件絕緣雙層介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

(10)

根據(jù)熱路方程，可知：

(11)

式中：Tc為導(dǎo)體溫度；Wc為導(dǎo)體損耗；ρT為材料熱阻系數(shù)；r為半徑；rc為導(dǎo)體外徑。其中：

Wc=I2R

(12)

式中：I為導(dǎo)體電流；R為導(dǎo)體電阻。

將式(2)、式(3)、式(11)和式(12)代入式(10)，求出電纜終端在Ud=202 kV，Udc=174 kV，U0=80 kV時(shí)的電場(chǎng)分布，如圖8和圖9所示，圖中橫坐標(biāo)s為應(yīng)力錐曲線(或XLPE/SiR界面)到應(yīng)力錐起點(diǎn)的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖8 應(yīng)力錐曲線電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.8 Stress cone curve electric field intensity

圖9 XLPE/SiR界面電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.9 XLPE/SiR interface electric field intensity

圖8(a)為應(yīng)力錐曲線徑向電場(chǎng)強(qiáng)度，等效擊穿電壓、短期耐受電壓和額定運(yùn)行電壓下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部，分別為23.0 kV/mm，16.8 kV/mm，3.0 kV/mm，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。圖8(b)為應(yīng)力錐曲線軸向電場(chǎng)強(qiáng)度，3種電壓下最大電場(chǎng)出現(xiàn)在應(yīng)力錐頂部，分別為6.1 kV/mm，4.9 kV/mm，1.5 kV/mm。隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，由于應(yīng)力錐曲線斜率不連續(xù)，導(dǎo)致在距離應(yīng)力錐根部4.1 mm處應(yīng)力錐曲線軸向電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖9(a)為等效擊穿電壓、短期耐受電壓和額定運(yùn)行電壓下XLPE/SiR界面徑向電場(chǎng)分布，最大值分別為48.5 kV/mm，38.8 kV/mm，13.1 kV/mm。圖9(b)為XLPE/SiR界面軸向電場(chǎng)強(qiáng)度，最大值分別為5.7 kV/mm，4.7 kV/mm，1.7 kV/mm。在距離應(yīng)力錐根部30 mm內(nèi)，界面徑向和軸向電場(chǎng)強(qiáng)度快速下降，超出30 mm后電場(chǎng)強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。由圖7可知擊穿點(diǎn)位于應(yīng)力錐根部5 mm處，對(duì)應(yīng)的徑向和軸向電場(chǎng)強(qiáng)度分別為39.6 kV/mm和4.7 kV/mm。

3.3 直流電纜系統(tǒng)安全裕度計(jì)算

直流電纜絕緣和附件絕緣存在界面，界面的絕緣強(qiáng)度與電纜絕緣表面清潔程度、光滑程度、界面壓力等因素有關(guān)，多種因素的作用下易引發(fā)附件局部放電，加速絕緣材料老化，甚至擊穿破壞，使電纜附件成為直流電纜系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[22]指出，界面的絕緣強(qiáng)度約為3～5 kV/mm，而試驗(yàn)中樣品擊穿點(diǎn)處的軸向電場(chǎng)為4.7 kV/mm，超出了界面絕緣強(qiáng)度，因此認(rèn)為界面軸向電場(chǎng)過(guò)高是造成終端擊穿的原因。高壓直流電纜系統(tǒng)的安全裕度為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度與長(zhǎng)期運(yùn)行所需承受的電場(chǎng)強(qiáng)度之比，試驗(yàn)得出擊穿點(diǎn)處的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度為4.7 kV/mm，而電纜系統(tǒng)需承受的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度為4.0 kV/mm，因此對(duì)應(yīng)的安全裕度為1.18。

4 結(jié)論

文中以±80 kV高壓直流電纜系統(tǒng)為研究對(duì)象，在最高運(yùn)行溫度90 ℃下，開(kāi)展了高壓直流電纜系統(tǒng)的安全裕度試驗(yàn)，分析了直流電纜系統(tǒng)擊穿時(shí)電纜絕緣和附件絕緣界面電場(chǎng)分布，得到以下結(jié)論：

(1)±80 kV高壓直流電纜系統(tǒng)的安全裕度為1.18，滿足系統(tǒng)40 a壽命的使用要求。

(2)高壓直流電纜附件是電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，若要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行電壓，必須解決電纜絕緣與附件絕緣之間的匹配問(wèn)題，均化電場(chǎng)分布。

(3)文中完善了高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度評(píng)估方法，能夠?yàn)椤?00 kV，±320 kV以及±400 kV及以上電壓等級(jí)的高壓直流系統(tǒng)的安全裕度研究提供指導(dǎo)。