±535 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣直流電纜設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

嚴(yán) 彥， 薛 馳， 胡 明， 張洪亮， 閆志雨， 于洪淼

（中天科技海纜股份有限公司，南通226010）

0 引 言

高壓直流電纜系統(tǒng)具有傳輸容量大、輸電距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到飛速發(fā)展［1-3］。 目前國(guó)內(nèi)已有3 個(gè)高壓直流電纜項(xiàng)目投運(yùn)運(yùn)行［4-5］，電壓等級(jí)達(dá)到±320 kV［6］，同時(shí) 2019 年我國(guó)又明確了±400 kV 直流海纜的應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)已完成該產(chǎn)品型式試驗(yàn)，進(jìn)入預(yù)鑒定試驗(yàn)和批量生產(chǎn)階段。 國(guó)際上多個(gè)國(guó)家已確立±525 kV 直流電纜項(xiàng)目［7］，PRYSMIAN 等廠家已成功通過(guò)±525 kV 直流電纜預(yù)鑒定試驗(yàn)，此外PRYSMIAN 已成功開(kāi)發(fā)出±600 kV 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣直流電纜。 目前，國(guó)內(nèi)直流電纜生產(chǎn)的核心部件——絕緣材料受制于國(guó)外廠家。 考慮到直流電纜的重要性及未來(lái)發(fā)展前景，國(guó)網(wǎng)公司于2016年正式獲批開(kāi)展“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”《±500 kV 直流電纜關(guān)鍵技術(shù)》，基于該項(xiàng)目開(kāi)展國(guó)產(chǎn)材料500 kV 電壓等級(jí)直流電纜的研究。 本工作介紹了基于國(guó)產(chǎn)材料的±535 kV 直流電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 整體結(jié)構(gòu)

±535 kV 直流電纜為陸地電纜，為確保電纜具有良好的彎曲性能，其金屬屏蔽采用皺紋鋁套。 電纜整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

由圖1 可知：電纜最內(nèi)層為銅導(dǎo)體，銅導(dǎo)體外圍分別是導(dǎo)體屏蔽、絕緣及絕緣屏蔽。 金屬護(hù)套采用皺紋鋁套，絕緣屏蔽與皺紋鋁套間為半導(dǎo)電緩沖阻水帶，在起到防水作用的同時(shí)能夠防止皺紋鋁套因受力過(guò)大對(duì)絕緣線芯產(chǎn)生變形。 皺紋鋁套外圍采用半導(dǎo)電聚乙烯和聚乙烯構(gòu)成雙層塑料護(hù)層，增加半導(dǎo)電層的牢固性。

圖1 電纜整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜導(dǎo)體根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為緊壓圓形導(dǎo)體、分割導(dǎo)體和型線導(dǎo)體。 緊壓圓形導(dǎo)體是由若干根相同直徑或不同直徑的圓單線，按一定的方向和一定的規(guī)律絞合在一起，成為一個(gè)整體的絞合線芯。 目前，拉絲機(jī)拉拔出的圓單線最大規(guī)格只能滿足1 800 mm2導(dǎo)體， 因此， 緊壓圓形導(dǎo)體的截面積不大于1 800 mm2。 分割導(dǎo)體由多個(gè)股塊組成，先由圓單線絞合成標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)體股線，再由模具壓制成三角扇形，并進(jìn)行預(yù)扭，最后數(shù)個(gè)股塊絞合成一個(gè)圓形導(dǎo)體，分割導(dǎo)體的設(shè)計(jì)是為了減小集膚效應(yīng)，但各股塊間存在較大的縫隙，不利于導(dǎo)體縱向阻水。 因此，直流電纜導(dǎo)體一般不采用分割導(dǎo)體。 型線導(dǎo)體由預(yù)成型的單線絞合而成，單線的形狀根據(jù)單線所處的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。 目前，型線導(dǎo)體結(jié)構(gòu)主要有梯形單絲型線導(dǎo)體和SZ 形單絲型線導(dǎo)體兩種方案［8-9］，相比于梯形單絲型線導(dǎo)體，SZ 形單絲型線導(dǎo)體中每根單線相互交疊，每根單線底部安置在與其相鄰單線的頂部，即使一根斷線，也不易造成整根導(dǎo)線散股，具有自鎖緊功能。

在電纜實(shí)際敷設(shè)過(guò)程中存在熱點(diǎn)位置，即載流量最小的點(diǎn)，載流量的大小則決定導(dǎo)體截面大小。載流量計(jì)算公式為：

式（1）中：R為導(dǎo)體的直流電阻（Ω／m）；Δθc為導(dǎo)體最高溫度與環(huán)境溫度之差（℃）；T1為絕緣材料熱阻（K／W）；T2為內(nèi)襯層熱阻（K／W）；T3為外護(hù)層熱阻（K／W）；T4為環(huán)境熱阻（K／W）。 電纜熱點(diǎn)位置敷設(shè)環(huán)境如下：

電纜運(yùn)行的最高溫度為70 ℃；土壤的最高溫度為40 ℃；土壤埋深為1 500 mm；土壤的熱阻系數(shù)為1.0 K·m／W。

綜合電纜敷設(shè)環(huán)境、電纜傳輸容量2 GW，及電纜運(yùn)行額定電壓535 kV，電纜的額定載流量為1 869 A。 經(jīng)計(jì)算，當(dāng)導(dǎo)體截面為 3 000 mm2時(shí)，載流量為1 987 A，滿足額定載流量的要求。

結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備及制造工藝，±525 kV 直流電纜選用3 000 mm2SZ 型線導(dǎo)體，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 3 000 mm2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)體填充系數(shù)是線芯導(dǎo)體實(shí)際面積與導(dǎo)體輪廓截面積之比，導(dǎo)體填充系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算［10-11］：

式（2）中：η為填充系數(shù)；si為每根單線截面積（mm2）；n為導(dǎo)體單線總數(shù)（根）；S為導(dǎo)體輪廓截面積（mm2）。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，若導(dǎo)體填充系數(shù)過(guò)小，則導(dǎo)體阻水性能較差；若導(dǎo)體填充系數(shù)過(guò)大，則單絲變形硬度較大，對(duì)牽引力的要求也越大。 經(jīng)測(cè)量，導(dǎo)體外徑為63.9 mm，即導(dǎo)體輪廓面積為3 205 mm2，導(dǎo)體承重截面及導(dǎo)體單線截面積總和為3 070 mm2，此次開(kāi)發(fā)的3 000 mm2SZ 型線導(dǎo)體填充系數(shù)為0.958，所生產(chǎn)的3 000 mm2SZ 型線導(dǎo)體見(jiàn)圖3。

圖3 3 000 mm2 SZ 型線導(dǎo)體成品

3 絕緣場(chǎng)強(qiáng)校核

本工作結(jié)合 GB／T 31489.3—2020《額定電壓500 kV 及以下直流輸電用擠包絕緣電力電纜系統(tǒng)第3 部分直流海底電纜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求》，將絕緣厚度初定于30.0 mm，并利用COMSOL 有限元仿真方法分析。

針對(duì)絕緣厚度為30.0 mm 的±535 kV 直流電纜絕緣線芯進(jìn)行建立模型，高壓直流電纜的電場(chǎng)分布隨絕緣電導(dǎo)率的變化明顯，同時(shí)電導(dǎo)率受外加電場(chǎng)和溫度的影響，電導(dǎo)率與場(chǎng)強(qiáng)和溫度的關(guān)系為［12］：

式（3）中，A為與材料有關(guān)的常數(shù)［V／（Ω·m2）］；φ為活化能（eV）；q為電子電量（C）；KB為玻爾茲曼常數(shù)（J／K）；T為絕緣溫度（K）；B為電導(dǎo)率對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的依賴系數(shù)（m／V）；E為電場(chǎng)強(qiáng)度（V／m）。

基于選取絕緣材料電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果，可擬合出電導(dǎo)率與磁場(chǎng)和溫度關(guān)系如下：基于上述電導(dǎo)率與電場(chǎng)和溫度的關(guān)系建立絕緣線芯模型見(jiàn)圖4。

圖4 絕緣線芯網(wǎng)格模型

基于圖4 模型仿真計(jì)算±535 kV 直流電纜在空載、滿載情況下的直流電場(chǎng)分布。 電纜在空載情況下絕緣溫差為0 ℃，在滿載情況下，設(shè)定導(dǎo)體溫度為70 ℃，絕緣溫差為30 ℃。 各絕緣溫度下電纜分布見(jiàn)圖5。

圖5 各絕緣溫度下電場(chǎng)分布情況

由圖5 可知：當(dāng)絕緣溫差為0 ℃時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為19.8 kV／mm，出現(xiàn)絕緣層內(nèi)側(cè)。 當(dāng)絕緣溫差為30 ℃時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為20.2 kV／mm，出現(xiàn)絕緣層外側(cè)。 隨著絕緣溫差的上升，電纜最大電場(chǎng)強(qiáng)度位置也在發(fā)生改變。

設(shè)定電纜在滿載情況下，導(dǎo)體溫度為70 ℃，絕緣溫差依次為 0，5，10，15，20，25，30 ℃，各絕緣溫差下電纜最大場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖6。

圖6 最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨絕緣溫差變化

由圖6 可知：當(dāng)絕緣溫差為30 ℃時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)為20.2 kV／mm。 本工作所用絕緣料在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)30 kV／mm，因此絕緣厚度設(shè)計(jì)為30 mm 可滿足電場(chǎng)強(qiáng)度要求。

4 金屬套緩沖層結(jié)構(gòu)

隨著絕緣溫度的變化，絕緣線芯的外徑會(huì)隨之熱脹冷縮，保證在不同外徑狀態(tài)下，絕緣屏蔽與金屬護(hù)套有著良好的電氣上的接觸，并且在絕緣受熱膨脹或電纜徑向受力時(shí)，絕緣不至于被金屬鋁套受壓變形引起絕緣與絕緣屏蔽間界面突起［13］，因此在直流電纜金屬套下及絕緣線芯表面需要繞包阻水緩沖帶，具體電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7 所示。

圖7 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

為確保電纜在高溫和高壓情況下金屬鋁套均不會(huì)對(duì)絕緣線芯表面造成影響，利用國(guó)產(chǎn)絕緣料及屏蔽料，制造與本工作結(jié)構(gòu)相同的試驗(yàn)電纜，對(duì)該電纜進(jìn)行熱變形試驗(yàn)，以確定阻水緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為研究電纜在不同溫度下，受徑向力作用電纜是否會(huì)發(fā)生變形，對(duì)電纜進(jìn)行熱變形試驗(yàn)。

電力電纜承受的徑向力主要為電纜施工過(guò)程中對(duì)電纜造成的側(cè)壓力，其計(jì)算方法見(jiàn)式（5）［14］：

式（5）中：P為電纜承受側(cè)壓力（kN／m）；T為電纜牽引力（kN）；R為電纜施工時(shí)的彎曲半徑（mm）。

其中，電纜牽引力的計(jì)算見(jiàn)式（6）：

式（6）中，Ac為導(dǎo)體單位截面可耐受最大張力（kN／mm2，銅為 68 N／mm2）；Sc為電纜導(dǎo)體截面積（mm2）。

根據(jù)電纜施工時(shí)要求其彎曲半徑最小值為電纜外徑的20 倍，結(jié)合本工作電纜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，考慮施工過(guò)程中的極限受力情況，根據(jù)式（6）可得出電纜在施工過(guò)程中的極限側(cè)壓力為57.6 kN／m。

不同于絕緣熱膨脹試驗(yàn)，電纜熱變形試驗(yàn)樣品為成品電纜，試驗(yàn)儀器為壓力試驗(yàn)機(jī)，壓力試驗(yàn)及壓頭與電纜接觸時(shí)位移歸零，施加壓力負(fù)載的方式為預(yù)壓力設(shè)定為 200 N， 壓力負(fù)載加載速率為100 N／s，每隔 1 kN 保壓 1 min。 壓力試驗(yàn)及壓頭尺寸為100 mm×100 mm，因此試驗(yàn)最大壓力為6 kN。熱變形試驗(yàn)設(shè)備示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 熱變形試驗(yàn)設(shè)備示意圖

不同溫度下壓頭位移與負(fù)載關(guān)系見(jiàn)圖9。

圖9 不同溫度下壓頭位移與負(fù)載的關(guān)系

由圖9 可知：當(dāng)負(fù)載達(dá)到最大時(shí)，常溫和70 ℃情況下，壓頭位移為5 mm，90 ℃下壓頭位移最大，為5.7 mm，將負(fù)載撤銷(xiāo)后對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行解剖。 解剖后發(fā)現(xiàn)，在常溫、70 ℃和90 ℃ 3 種情況下，對(duì)樣品施加壓力后，絕緣線芯表面均未出現(xiàn)凹痕。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，4 層厚度為2.0 mm 的緩沖阻水層間隙繞包，其壓縮率可達(dá)37%，即緩沖阻水帶可被壓縮 5.9 mm。 從圖 9 可看出，即使溫度高達(dá)90 ℃，負(fù)載為6 kN 時(shí)壓頭位移也未到5.9 mm，同時(shí)在試驗(yàn)及正常運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)體溫度最高只在70～75 ℃。 因此采用 4 層 2.0 mm×100 mm 的半導(dǎo)電緩沖阻水帶繞包，在整個(gè)電纜運(yùn)輸、敷設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中，可確保電纜不會(huì)受壓導(dǎo)致?lián)p傷。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 例行試驗(yàn)

在送檢型式試驗(yàn)前對(duì)電纜進(jìn)行例行試驗(yàn)，樣品在535 kV 的交流電壓下完成60 min 耐壓試驗(yàn)，未發(fā)生擊穿。 同時(shí)在535 kV 電壓等級(jí)下局放量為3.16 pC，優(yōu)于 GB 31489.1—2015 中 5 pC 的要求。

5.2 全性能型式試驗(yàn)

根據(jù) GB／T31489.1—2015，在進(jìn)行電氣試驗(yàn)前，先對(duì)電纜進(jìn)行機(jī)械預(yù)處理。 為確定電纜彎曲試驗(yàn)彎曲直徑，利用CableCAD 對(duì)電纜進(jìn)行仿真計(jì)算，以不同的彎曲直徑為輸入條件，觀察電纜各部分的安全系數(shù)。 通過(guò)仿真可知，在相同條件下，電纜皺紋鋁套安全系數(shù)最低，說(shuō)明隨著彎曲直徑的減小，皺紋鋁套最先被破壞。 不同彎曲半徑下電纜仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同彎曲半徑下電纜仿真結(jié)果

由圖10 可知：隨著彎曲直徑減小，最先失效的為皺紋鋁套，若彎曲直徑選用過(guò)小，則在試驗(yàn)過(guò)程中鋁套會(huì)發(fā)生變形失效，因此電纜彎曲試驗(yàn)選擇彎曲直徑為3.2 m。

在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)及3 次24 h 負(fù)荷循環(huán)后進(jìn)行導(dǎo)體透水試驗(yàn)，24 h 負(fù)荷循環(huán)包括8 h 加熱及16 h冷卻。 采用電流加熱導(dǎo)體，在該負(fù)荷循環(huán)中導(dǎo)體的溫度應(yīng)為75～80 ℃，并在加熱階段至少最后2 h 保持溫度恒定。 預(yù)處理后在電纜上取樣并進(jìn)行導(dǎo)體透水試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓為0.01 MPa，采用35 g·L-1氯化鈉溶液連續(xù)10 d 試驗(yàn)，水溫控制在5 ～35 ℃。 試驗(yàn)結(jié)束后，取出樣品，在距離圓環(huán)10 m 位置處切斷電纜，將電纜末端浸入100 ℃以上的硅油中，觀察是否有沸騰水產(chǎn)生的連續(xù)爆裂聲。 導(dǎo)體透水試驗(yàn)見(jiàn)圖11，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖11 導(dǎo)體透水試驗(yàn)

表2 導(dǎo)體透水試驗(yàn)結(jié)果

電纜在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)后搭建回路，進(jìn)行電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)回路見(jiàn)圖12 所示。

圖12 型式試驗(yàn)回路

試驗(yàn)回路主要由電纜、穿芯變壓器、中間接頭及終端組成。 根據(jù) CIGRE TB496—2012 及 GB／T 31489.1—2015 要求，電氣試驗(yàn)主要項(xiàng)目見(jiàn)表3。

表3 ±535 kV 直流電纜型式試驗(yàn)電氣試驗(yàn)項(xiàng)目

24 h 負(fù)荷循環(huán)及48 h 負(fù)荷循環(huán)中溫度的變化見(jiàn)圖13。

由圖13 可知：在24 h 負(fù)荷循環(huán)過(guò)程中，加熱階段最后2 h 導(dǎo)體溫度不低于70 ℃，絕緣溫差不低于14 ℃。 同樣在48 h 負(fù)荷循環(huán)過(guò)程中，加熱階段最后18 h 導(dǎo)體溫度均不低于70 ℃，絕緣溫差不低于14 ℃。

圖13 負(fù)荷循環(huán)下導(dǎo)體溫度

電纜通過(guò)了GB／T 31489.1—2015 中規(guī)定的所有電氣試驗(yàn)，驗(yàn)證了電纜的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本工作介紹了±535 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣直流電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證情況， 導(dǎo)體采用3 000 mm2SZ 形單絲型線導(dǎo)體；對(duì)絕緣厚度30 mm進(jìn)行模擬仿真，校核絕緣厚度取值的合理性；對(duì)電纜進(jìn)行絕緣熱膨脹和電纜熱變形試驗(yàn)，確定緩沖層采用4 層2.0 mm×100 mm 的半導(dǎo)電緩沖阻水帶。±535 kV直流電纜順利通過(guò)例行試驗(yàn)及全性能型式試驗(yàn)，±535 kV 直流電纜預(yù)鑒定試驗(yàn)正在進(jìn)行過(guò)程中。

±535 kV 直流電纜的成功研發(fā)標(biāo)志著我國(guó)具備自主生產(chǎn)500 kV 電壓等級(jí)直流電纜絕緣材料的能力，助力我國(guó)柔性直流電纜成套技術(shù)邁出全國(guó)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵一步。