擠壓絕緣電纜在高壓直流輸電中應(yīng)用理論及前景概述

王霖成李亞澤

(1.山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西大同 037104;2.山東鋼鐵集團(tuán)濟(jì)南分公司,山東濟(jì)南 250101)

擠壓絕緣電纜在高壓直流輸電中應(yīng)用理論及前景概述

王霖成1李亞澤2

(1.山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西大同 037104;2.山東鋼鐵集團(tuán)濟(jì)南分公司,山東濟(jì)南 250101)

高壓直流輸電為二十一世紀(jì)電能輸送領(lǐng)域國(guó)際熱點(diǎn)研究問(wèn)題,對(duì)此,我國(guó)也廣泛開(kāi)展了相關(guān)的研究。本文詳述了高壓直流(HVDC)輸電發(fā)展歷史,并給出HVDC輸電在我國(guó)將面臨的問(wèn)題及展望。

擠壓絕緣 直流輸電

與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電在國(guó)際電力發(fā)展過(guò)程中，其競(jìng)爭(zhēng)力日益增強(qiáng)，特別是對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)幅員遼闊，能源分布不均的區(qū)域大國(guó)而言，研究和發(fā)展高壓直流輸電作為交流電能傳輸?shù)难a(bǔ)充已變得尤其重要。二十世紀(jì)九十年代后，以有機(jī)聚合物為絕緣材料的高壓電纜，已經(jīng)完全替代傳統(tǒng)油浸高壓電纜，成為應(yīng)用于超高壓輸電領(lǐng)域的主導(dǎo)電纜產(chǎn)品。

本文在大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的閱讀基礎(chǔ)上，介紹了高壓直流輸電的發(fā)展史，然后，對(duì)HVDC擠壓絕緣電纜的設(shè)計(jì)、出現(xiàn)的問(wèn)題，以及改進(jìn)方法三方面進(jìn)行了闡述，最終給出HVDC擠壓絕緣電纜應(yīng)用的問(wèn)題及前景展望。

1 HVDC電能傳輸歷史及發(fā)展

電能的傳輸和分布始于直流電。1876年，第一臺(tái)商用發(fā)電機(jī)(直流發(fā)電機(jī))出現(xiàn)了，同年發(fā)布第一臺(tái)白熾燈；1882年，Pearl Street Station通過(guò)約30km的地下電纜為New York的商業(yè)區(qū)提供電能，電源是一組六臺(tái)的100KW的發(fā)電機(jī)，每天都能提供1200電燈泡的照明。直流電的使用，標(biāo)志著電氣時(shí)代的開(kāi)始。同年，一條50km長(zhǎng)的2kV直流輸電線路在德國(guó)的Miesbach和Munich之間建成。在當(dāng)時(shí)，合適的商用電壓和更高的直流傳送電壓的轉(zhuǎn)換只能通過(guò)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。

然而，DC的時(shí)代十分短暫。鑒于變壓器和感應(yīng)電機(jī)的性能優(yōu)越性，George Westinghouse聯(lián)合Nikola Tesla以及其他研究者拉開(kāi)了交流發(fā)電的序幕，這代表著變壓器以及配電設(shè)備開(kāi)始大量投入運(yùn)行，并且現(xiàn)在依然統(tǒng)治著電氣時(shí)代。在AC系統(tǒng)中電能的傳送實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，而且損耗低，維護(hù)成本不高。不僅如此，三相同步發(fā)電機(jī)在任何方面都要比直流發(fā)電機(jī)要優(yōu)越。由于上述原因，在電力系統(tǒng)中AC技術(shù)很早就被引入了，而且很快被接受，在電能產(chǎn)生，變壓和傳送方面成為唯一的可行技術(shù)[2]。

然而，隨著用電量飆升，供電質(zhì)量要求的提高，以及可靠穩(wěn)定性的要求，高壓交流能量傳輸所存在的缺點(diǎn)讓高壓直流能量傳輸重新開(kāi)始進(jìn)入到人們的視線，也即：

(1)架空線和電纜的感性和容性元件限制了高壓交流傳輸線路的傳輸容量和傳輸距離。

(2)1中提到的限制對(duì)電纜運(yùn)行的意義重大。根據(jù)需要的傳送容量，系統(tǒng)頻率和電壓，以及所要求的損耗限制，HVAC電纜成功實(shí)現(xiàn)的傳送距離在40-100km之間，而且需要匹配的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，典型來(lái)說(shuō)在220KV下大約70km，380KV下大約40km，這主要是受到充電電流的限制。(3)在兩個(gè)頻率不同的AC系統(tǒng)之間進(jìn)行直接連接是不可實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，使用HVDC的升壓傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：(1)HVDC電纜具有更高的電場(chǎng)強(qiáng)度承受力，能在更高的電壓下得到應(yīng)用。

(2)同等傳輸容量下具有更低的線路損耗。

(3)HVDC電纜的長(zhǎng)度不受充電電流的限制，線路本身在終端變電站和中間點(diǎn)不需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，這些在AC系統(tǒng)里面是必要的。

(4)HVDC電纜和相應(yīng)的HVAC電纜相比經(jīng)濟(jì)性更好，同等功率等級(jí)下，導(dǎo)體和絕緣都能節(jié)省不少。

(5)HVDC電纜在降壓電能傳輸系統(tǒng)中作為海底聯(lián)鎖電力網(wǎng)具有獨(dú)一無(wú)二的可行性。

2 問(wèn)題及展望

我國(guó)“十五”期間規(guī)劃的直流工程除三滬、貴廣二回外，還有四川德陽(yáng)-寶雞500km、2～3GW(2010年投產(chǎn))。據(jù)初步規(guī)劃今后15年間，遠(yuǎn)距離大型水電工程大部分采用直流輸電送出。預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)直流輸電工程約達(dá)27項(xiàng)，總?cè)萘砍^(guò)60GW(其中背靠背4個(gè)，容量2.76GW)。根據(jù)規(guī)劃我國(guó)直流輸電主要是遠(yuǎn)距離大容量工程，需建設(shè)幾個(gè)背靠背聯(lián)網(wǎng)工程，遠(yuǎn)距離輸電工程達(dá)1800km，故直流輸電宜用更高一級(jí)電壓等級(jí)。電壓選擇與電力系統(tǒng)的要求和設(shè)備制造能力有關(guān)。輸電線路宜采用更大截面(〉800mm2)的導(dǎo)線以減少損耗。鑒于線路通道日趨緊張，在長(zhǎng)江三角洲等發(fā)達(dá)地區(qū)需考慮同塔多回直流線路。電源和負(fù)荷的分布特點(diǎn)必然形成多換流站的送、受端系統(tǒng)，故需充分利用直流輸電控制特性實(shí)現(xiàn)各直流工程間的聯(lián)合控制，以最大限度地保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。直流輸電的設(shè)計(jì)與建設(shè)已初步實(shí)現(xiàn)了從承包商提交鑰匙工程-部分交鑰匙工程-業(yè)主負(fù)責(zé)組織建設(shè)的模式，未來(lái)的建設(shè)將日益專業(yè)化和規(guī)范化。

[1]M.Salah Khalil. “ International Research and Development Trends and Problems of HVDC Cables with Polymeric Insulation.”IEEE Electr. Insul. Mag., Vol. 13, No. 6, pp.35 47,November December 1997.

[2]F.I.Mopsik and A.S.DeReggi, “ Numerical Evaluation on the Dielectric Polarization Distribution from Thermal Pulse Data,”J. Appl. Phys., Vol.53, No. 6, pp. 4333 4339,1982.