高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗研究

李棟，陳龍嘯，朱智恩，鄧天宇，王宇，王蓉榮

(南瑞集團(國網(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，適用于長距離輸電、可再生能源并網(wǎng)、非同步系統(tǒng)互聯(lián)[3—5]。近年來我國高壓直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，先后建成了南澳島±160 kV、舟山±200 kV和廈門±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)電項目。目前國內(nèi)制造商已經(jīng)可以生產(chǎn)電壓等級最高為±525 kV的高壓直流電纜，標(biāo)志著我國的制造技術(shù)已進入世界先進行列[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期安全運行的前提條件。然而在直流電纜系統(tǒng)通過型式試驗和預(yù)鑒定試驗后，無法評判產(chǎn)品本身的最高使用電壓，也無法確定產(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)的安全裕度評價標(biāo)準(zhǔn)和分析方法欠缺。有學(xué)者以絕緣試片來評估直流電纜系統(tǒng)的安全水平，錢愷羽等測試了不同溫度和不同厚度下高壓直流電纜絕緣擊穿強度，揭示溫度對交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)擊穿場強厚度效應(yīng)的影響機理[13]；劉云鵬等研究了沖擊電壓下絕緣試片擊穿強度，闡述了XLPE的擊穿原理[14]。但是以絕緣試片來評估直流電纜系統(tǒng)的安全水平，其評估方法的合理性和評估結(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，絕緣厚度越大弱點個數(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)為研究對象，提出電纜系統(tǒng)安全裕度試驗方法，開展熱態(tài)下的安全裕度試驗，計算電纜絕緣和附件絕緣界面電場強度，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行提供了理論和試驗依據(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)電場解析和安全裕度計算的必要參數(shù)，根據(jù)直流電纜系統(tǒng)實際運行溫度和電場強度，文中分別測試了溫度為30 ℃，50 ℃，70 ℃，90 ℃，電場強度為5 kV/mm，10 kV/mm，15 kV/mm，20 kV/mm時2種材料的電導(dǎo)率，測試結(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的增大趨勢高于SiR。圖2為電導(dǎo)率隨電場強度的變化曲線，電場強度增加，XLPE電導(dǎo)率明顯增大，但SiR電導(dǎo)率相對穩(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)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合[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為外加電場強度；γ為電導(dǎo)率電場系數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果求出電導(dǎo)率溫度系數(shù)和電場系數(shù)，對不同條件下的電導(dǎo)率溫度系數(shù)和電場系數(shù)進行平均處理，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

2.1 試驗樣品

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 試驗回路布置

試驗回路布置如圖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回路，電纜長度20 m。采用2臺穿心變壓器對電纜導(dǎo)體加熱，采用電流互感器測量導(dǎo)體電流。

圖5 試驗回路布置Fig.5 Test loop layout

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

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

2.3 試驗過程

高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度試驗在高壓屏蔽大廳中進行，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。試驗采取逐級加壓的方式，從U0開始每級耐壓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組試驗樣品進行平行試驗，采用最小值法評估試驗結(jié)果。試驗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

高壓直流電纜終端的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性的差異會導(dǎo)致電場分布不均勻，局部電場強度超出材料的絕緣強度，造成電纜終端的擊穿破壞。為了判定電纜終端擊穿的原因，需要進一步計算出電纜終端在擊穿電壓下的電場分布。

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)計壽命為40 a，而試驗中每級電壓的耐受時間為3 h，因此需要將直流電纜系統(tǒng)額定電壓換算成短時耐受電壓。

電纜系統(tǒng)運行電壓與壽命存在如下關(guān)系[21]：

Unt=c

(4)

式中：U為運行電壓；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)計壽命；Δt為短期試驗時間。

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

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

(6)

式中：Ui為第i級電壓；ti為第i級耐受時間；Ud為等效擊穿電壓。

從U0開始到電纜系統(tǒng)擊穿，樣品經(jīng)受了13級電壓，其中1～12級耐壓通過，即t1～t12為3 h，第13級耐壓1 h后電纜系統(tǒng)擊穿，則對應(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分布

由于絕緣材料的電導(dǎo)率受溫度和電場強度的雙重影響，電場分布與電壓不是簡單的線性關(guān)系，以電壓為依據(jù)來評估電纜終端的安全裕度不能直接反映擊穿點附近的電場分布情況，故文中以電場強度為依據(jù)來評估直流電纜系統(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；E2為附件絕緣電場。

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)的電場強度為：

(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時的電場分布，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)力錐起點的長度，縱坐標(biāo)E為電場強度。

圖8 應(yīng)力錐曲線電場強度Fig.8 Stress cone curve electric field intensity

圖9 XLPE/SiR界面電場強度Fig.9 XLPE/SiR interface electric field intensity

圖8(a)為應(yīng)力錐曲線徑向電場強度，等效擊穿電壓、短期耐受電壓和額定運行電壓下，最大電場強度出現(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，電場強度逐漸降低。圖8(b)為應(yīng)力錐曲線軸向電場強度，3種電壓下最大電場出現(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，電場強度呈上升趨勢，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)力錐曲線軸向電場強度出現(xiàn)拐點。

圖9(a)為等效擊穿電壓、短期耐受電壓和額定運行電壓下XLPE/SiR界面徑向電場分布，最大值分別為48.5 kV/mm，38.8 kV/mm，13.1 kV/mm。圖9(b)為XLPE/SiR界面軸向電場強度，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強度快速下降，超出30 mm后電場強度趨于平穩(wěn)。由圖7可知擊穿點位于應(yīng)力錐根部5 mm處，對應(yīng)的徑向和軸向電場強度分別為39.6 kV/mm和4.7 kV/mm。

3.3 直流電纜系統(tǒng)安全裕度計算

直流電纜絕緣和附件絕緣存在界面，界面的絕緣強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，界面的絕緣強度約為3～5 kV/mm，而試驗中樣品擊穿點處的軸向電場為4.7 kV/mm，超出了界面絕緣強度，因此認(rèn)為界面軸向電場過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強度與長期運行所需承受的電場強度之比，試驗得出擊穿點處的軸向電場強度為4.7 kV/mm，而電纜系統(tǒng)需承受的軸向電場強度為4.0 kV/mm，因此對應(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)為研究對象，在最高運行溫度90 ℃下，開展了高壓直流電纜系統(tǒng)的安全裕度試驗，分析了直流電纜系統(tǒng)擊穿時電纜絕緣和附件絕緣界面電場分布，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)，若要進一步提高系統(tǒng)的運行電壓，必須解決電纜絕緣與附件絕緣之間的匹配問題，均化電場分布。

(3)文中完善了高壓直流電纜系統(tǒng)安全裕度評估方法，能夠為±200 kV，±320 kV以及±400 kV及以上電壓等級的高壓直流系統(tǒng)的安全裕度研究提供指導(dǎo)。