柔性直流輸電系統用直流交聯聚乙烯絕緣電纜導體最高溫度提高到90℃的可行性

應啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

柔性直流輸電系統用直流交聯聚乙烯絕緣電纜導體最高溫度提高到90℃的可行性

應啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

以實際直流交聯聚乙烯（DC XLPE）電纜工程設計示例，表明將柔性直流輸電（VSC）系統用DC XLPE電纜的導體的最高運行溫度提高到90℃，其技術經濟效果顯著。按DC XLPE電纜抑制空間電荷要求，闡明DC XLPE電纜絕緣的直流恒定電流電場中空間電荷密度與絕緣溫度梯度和XLPE絕緣的體積電阻率的溫度系數成正比而與導體最高溫度不直接相關。通過合理的DC XLPE電纜工程設計和正確選用DC XLPE電纜，可以在提高DCXLPE電纜傳輸功率和減小絕緣溫差抑制空間電荷方面取得優化結果。320 kV及以下XLPE電纜在導體最高溫度90℃下運行，絕緣損耗遠低于導體損耗，DC XLPE電纜發生熱不穩定的可能性很低。對VSC系統用DC XLPE電纜導體運行溫度提高到90℃的可行性表示肯定的意見，對實現目標提出具體的措施建議。

柔性直流輸電；直流交聯聚乙烯絕緣電纜；導體最高運行溫度；絕緣空間電荷；絕緣熱不穩定性

0 引 言

上世紀90年代，瑞典ABB公司首先在柔性直流輸電系統（VSC）中采用90 kV直流交聯聚乙烯（DC XLPE）電纜。到2007年VSC系統中運行的DC XLPE電纜電壓等級至150 kV，容量達到350 MW，安裝的DC XLPE電纜長度達1 500 km。至2008年VSC系統用DC XLPE電纜已發展至320 kV。320 kV 1 200mm2鋁芯DC XLPE電纜連同預制接頭和終端已經通過國際大電網會議（CIGRE）技術手冊TB 219推薦的型式試驗。試驗電纜導體最高溫度為70℃［1］。

由意大利Prysman公司生產，2010年在美國舊金山灣安裝投運的88 km長200 kV DC XLPE電纜亦經受CIGRE TB 219型式試驗，試驗電纜導體最高溫度為70℃［2］。

我國自2008年開發30 kV DC XLPE電纜，2011年首先于上海南匯風電場示范工程中應用。近年間，國家電網公司和南方電網公司已將發展VSC輸電技術列入電網發展規劃并安排工程應用。此舉有力推動了我國320 kV及以下VSC系統用DC XLPE電纜和成套附件的研究開發和工程應用。所選用的DC XLPE電纜的導體最高運行溫度為70℃。

VSC系統用DC XLPE電纜的導體最高運行溫度理應根據XLPE絕緣在工作電場強度下長期的耐熱老化性能確定。DC XLPE電纜絕緣與交流（AC）XLPE電纜絕緣在電場下耐熱老化機理基本相同。AC XLPE電纜導體允許最高運行溫度為90℃已經理論和實踐證實。VSC系統用DC XLPE電纜的導體最高運行溫度是否可能提高到90℃，是應予認真考慮的重要問題。

1 VSC系統用DC XLPE電纜導體運行溫度提高到90℃的技術經濟意義

DC XLPE電纜導體運行溫度提高到90℃的技術經濟性優勢明顯。現就我國即將發展的VSC用320 kV DC XLPE電纜，分別按導體溫度為70℃和90℃條件，將載流量、傳輸功率（雙極）和工程運行的主要數據計算如下。

1.1 320kVDCXLPE電纜結構、設計參數和電纜的運行性能數據計算方法

（1）320 kV DC XLPE電纜結構包含導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、阻水帶、鉛套、聚乙烯護套、鋼絲鎧裝和聚丙烯繩外被。

（2）320 kV XLPE絕緣厚度取25 mm。設計平均電場強度為12.8 kV/mm。

（3）根據國內選用的DC XLPE絕緣料在不同的直流電場強度和溫度條件下實測體積電阻率數據，經數據處理得出計算參數如下：

按XLPE絕緣體積電阻率ρ=ρ0exp（-αT-kE）；

DC XLPE料的體積電阻率的溫度系數α= 0.0580 1/℃；

DC XLPE料的電阻率的電場系數k= 0.0 547 mm/kV；

DC XLPE料70℃的體積電阻率為1.40×1013Ω·m （電場強度E=20 kV/mm條件下）；

DC XLPE料90℃的體積電阻率為4.39×1012Ω·m（電場強度E=20 kV/mm條件下）。

（4）DC XLPE電纜載流量計算按IEC 60287 1 -1：2006 1.4.1.2。

設電纜登陸段采用隧道敷設。電纜空氣熱阻計算按該標準2.2.1.1：電纜在自由空氣中不受到直接陽光照射熱阻計算式計算。由于其中間參數與計算載流量有關，采用連續迭代求得電纜空氣熱阻正確解；海底敷設電纜埋入海底的土壤熱阻計算按該標準2.2.3.2.1：兩根間距排列埋地電纜熱阻計算。

（5）DC電纜在負載下運行時絕緣表面最大電場強度計算式見式（1）。

式中：r為絕緣各處半徑（mm）；R為絕緣外徑（mm）；rc為絕緣內徑（mm）；U為DC XLPE電纜額定電壓（kV）。

當r=R，代入式（1）即可求得絕緣表面電場強度。DC電纜負荷下運行時僅考慮直流電流的發熱影響時，絕緣表面產生最大電場強度。

δ值按以下計算：

式中，dθ為絕緣溫差（K）。

（6）直流電壓下XLPE絕緣損耗計算。

絕緣各處單位體積損耗為：

絕緣總損耗為：

從偏于安全考慮，絕緣各處體積電阻率取最高溫度處的值為ρt。

1.2 VSC系統用DCXLPE電纜按假設敷設條件進行系列設計

假設VSC系統用DC XLPE海底電纜含海底敷設電纜和通過隧道敷設的登陸段電纜。DC XLPE電纜銅導體截面為500 mm2、1 000 mm2、1 600 mm2和2 000 mm2，分別按導體最高運行溫度為70℃和90℃經計算得出電纜載流量、傳輸功率（雙極）、負載時電纜絕緣最大電場強度（絕緣表面）、導體和絕緣損耗以及絕緣溫差等系列設計計算結果，如表1和表2所示。

表1 320 kV DC XLPE隧道敷設條件下電纜載流量、傳輸功率及相關運行性能數據

表2 320 kV DC XLPE電纜海底敷設（埋深2 m，兩根電纜平行間距500 mm）條件下載流量、傳輸功率及相關運行性能數據

1.3 DCXLPE電纜提高導體運行溫度至90℃技術經濟效果顯著

從表1可見，320 kV DC XLPE電纜登陸段電纜按所示隧道敷設條件下，導體運行溫度90℃導體截面1 000 mm2的XLPE電纜的傳輸功率與導體運行溫度70℃導體截面1 600 mm2的XLPE電纜的傳輸功率相當，均達到并超過1 000 MW。按此，DC XLPE電纜導體運行溫度提高到90℃，1 km電纜用銅量節省達5.3 t。其他因電纜重量減輕、外徑減小對電纜敷設安裝和工藝制造方面的優勢是顯而易見的。表1中其他導體截面電纜提高導體運行溫度到90℃的效果相似。從表2可見，320 kV DC XLPE在所示電纜海底敷設條件下，導體運行溫度90℃1 600 mm2電纜傳輸功率與導體運行溫度 70℃ 2 000 mm2電纜的傳輸功率相當。其技術經濟優勢情況與DC XLPE電纜隧道敷設情況相一致。

2 DC XLPE電纜導體運行溫度提高到90℃對XLPE絕緣產生空間電荷的影響

已經證明DC XLPE電纜絕緣的溫度梯度是產生絕緣空間電荷的原因［4］。現按電工理論原理，簡述如下：

如XLPE絕緣中電流密度為δ（與式（4）的中間參數δ無關），在恒定電流電場中，

按微分形式的歐姆定理，

式中，E為恒定電流的電場強度。

將式（7）代入式（6）得：

按散度定義的微分功能，由式（8）得：

設XLPE絕緣的恒定電流形成的電場中存在自由電荷，靜電場的高斯定理亦適用，得出：

式中：qf為自由電荷密度；ε為XLPE絕緣介電系數。

將式（10）代入式（9），得出：

式（11）以圓柱坐標表示為：

即得出：

式（12）證明XLPE絕緣在恒定電流場的電場中空間電荷密度與導電率梯度相關。容易證明XLPE絕緣的空間電荷密度與XLPE絕緣的溫度梯度成正比。現進一步證明XLPE絕緣恒定電流電場中的空間電荷密度與XLPE絕緣的溫度梯度和體積電阻率的溫度系數成正比，如下：

式中：γ為XLPE絕緣電導率；γ0為T=0時XLPE絕緣的體積電阻率的倒數。

式（12）中：

式（12）和式（13）證明XLPE絕緣的恒定電流電場中的空間電荷密度與絕緣的溫度梯度和體積電阻率的溫度系數成正比，而與XLPE絕緣的最高溫度（導體最高運行溫度）無直接關系。

由表1可見DC XLPE絕緣電纜在導體最高溫度70℃和90℃運行時絕緣溫差遠低于電纜導體溫度與隧道環境溫度的溫差。電纜導體溫度70℃時電纜導體與環境溫差為30 K，絕緣溫差僅為14～15 K；電纜導體溫度90℃時電纜導體與環境溫差為50 K，絕緣溫差為24～27 K。DC XLPE電纜在導體溫度90℃下運行，絕緣溫差約為電纜導體與環境溫度的溫差的50%。在采用抑制空間電荷材料以及相應措施條件下有可能實現可靠運行。

由表2可見，海底敷設的DC XLPE電纜與電纜在隧道敷設情況相比，相同的電纜導體溫度條件下，雖然海底敷設的DC XLPE電纜導體溫度與環境溫度溫差較大，但絕緣溫差較小，這是由于海底敷設土壤熱阻較大，絕緣所占總的熱阻比例減少所致。電纜導體最高溫度70℃時，電纜導體與環境溫差為50 K，絕緣溫差僅為14～18 K；電纜導體最高溫度90℃時電纜導體與環境溫差為70 K，絕緣溫差為19～25 K。這表明DC XLPE電纜的絕緣熱阻占總熱阻的比例越小，提高XLPE電纜運行溫度對因絕緣溫差引起空間電荷的影響減小。

3 DC XLPE電纜提高導體最高運行溫度到90℃對XLPE電纜運行的熱穩定性影響

DC XLPE電纜的熱穩定性與絕緣損耗密切相關。由式（5）可見，絕緣損耗與額定電壓平方成正比，與XLPE絕緣的體積電阻率成反比。以導體截面1 000 mm2的320 kV DC XLPE電纜為例，表1中隧道敷設條件下導體最高溫度90℃時，電纜的傳輸功率為1 032 MW（雙極），絕緣損耗為0.21 W/m，導體損耗為57.1W/m，絕緣損耗遠低于導體損耗。其電纜表面溫度為55.4℃，明顯低于電纜導體運行溫度。電纜絕緣表面電場強度為16.3 kV/mm，低于DC XLPE絕緣的允許工作電場強度30 kV/mm；表2中導體溫度90℃導體截面1 000 mm2的海底敷設320 kV DC XLPE電纜，導體最高溫度90℃時電纜的傳輸功率為966 MW（雙極）。絕緣損耗為0.20 W/m，導體損耗為50.1 W/m，絕緣損耗亦遠低于導體損耗。電纜表面溫度為59.7℃，明顯低于電纜導體的運行溫度。電纜絕緣表面電場強度為15.5 kV/mm，低于DC XLPE絕緣的允許工作電場強度。DC XLPE 320 kV的其他導體截面的情況相似。可見正確設計選用的DC XLPE電纜在DC 320kV及以下電壓運行發生熱不穩定即熱擊穿的可能性是很低的。

4 結 論

VSC系統用額定電壓320 kV及以下DC XLPE電纜提高導體運行溫度到90℃是可行的，其預期技術經濟效果顯著。

為實施提高DC XLPE電纜導體運行溫度到90℃的目標，建議：

（1）結合VSC用DC XLPE電纜工程實踐，試制導體最高運行溫度90℃的DC XLPE電纜，進行運行溫度90℃的DC XLPE電纜的絕緣溫差對引起絕緣空間電荷影響的測試研究，并按國際大電網會議CIGRE技術文件TB 496對導體最高運行溫度為90℃的DC XLPE電纜進行型式試驗和預鑒定試驗，以推進90℃DC XLPE電纜的工程應用。

（2）相應進行XLPE絕緣材料研究，包括抑制絕緣溫差引起的空間電荷、降低XLPE絕緣料體積電阻率的溫度系數和電場系數、進一步提高XLPE絕緣體積電阻率的DC XLPE絕緣料的研究開發。

［1］ Jeroence M，Gustafsson A，Berkvist M.HVDC Light cable system extended to 320 kV［C］//CIGRE 2008，B1-304.

［2］ Baccini M，Westerweller T，Kelley N.200 kV DC extruded cables crossing the San Francisco Bay［C］//CIGRE 2010，B1-105.

［3］ Eoll C K.Theory of stress distribution in insulation of high voltage DC cable：Part1［J］.IEEE Trans on Electrical Insulation，1975，EI（10）：27-35.

［4］ Fabiani D，Montanari G C，Laurent C，et al.HVDC Cable design and space charge accumulation.Part3：effectof temperature gradient［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2008，24（2）：5-13.

Feasibility of Raising the M aximum Conductor Tem perature to 90℃of DC XLPE Cablesw ith Rated Voltages up to 320 kV for VSC System

YING Qi-liang
（Shanghai Electrical Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The significant techno-economic effectby raising themaximum conductor temperature of DC XLPE cable to 90℃for VSC system is confirmed with example of DCXLPE cable engineering design as shown in the paper.The paper illustrates that space charge density is proportional to the temperature coefficient of resistivity aswell as temperature gradient in DCXLPE insulation rather than relating directly themaximum conductor temperature of DCXLPE cable.It is possible to optimize DCXLPE cable property aiming athigher transmission power and less space charge accumulation for DCXLPE cable operated atmaximum conductor temperature of90℃.Besides the paper indicates that insulation loss caused by leakage current of DCXLPE cablewith rated voltage up to 320 kV ismuch lower than conductor current transmission loss at 90℃.Very low possibility of thermal instability for DC cable insulation is expected.It is concluded that raising themaximum temperature of DC XLPE cable to 90℃is feasible and some concrete measures are proposed to realize the target.

VSC transmission；DCXLPE cable；maximum conductor temperature；space charge accumulation；thermal instability of insulation

TM247.1

A

1672-6901（2014）03-0001-04

2013-11-15

應啟良（1936-），男，教授級高工.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.