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)域國際熱點研究問題,對此,我國也廣泛開展了相關(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輸電在我國將面臨的問題及展望。

擠壓絕緣 直流輸電

與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電在國際電力發(fā)展過程中，其競爭力日益增強，特別是對于我國這樣一個幅員遼闊，能源分布不均的區(qū)域大國而言，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HVDC擠壓絕緣電纜的設(shè)計、出現(xiàn)的問題，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)布第一臺白熾燈；1882年，Pearl Street Station通過約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)志著電氣時代的開始。同年，一條50km長的2kV直流輸電線路在德國的Miesbach和Munich之間建成。在當(dāng)時，合適的商用電壓和更高的直流傳送電壓的轉(zhuǎn)換只能通過旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)來實現(xiàn)[1]。

然而，DC的時代十分短暫。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了交流發(fā)電的序幕，這代表著變壓器以及配電設(shè)備開始大量投入運行，并且現(xiàn)在依然統(tǒng)治著電氣時代。在AC系統(tǒng)中電能的傳送實現(xiàn)更簡單，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讓高壓直流能量傳輸重新開始進(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中提到的限制對電纜運行的意義重大。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電纜成功實現(xiàn)的傳送距離在40-100km之間，而且需要匹配的無功補償系統(tǒng)，典型來說在220KV下大約70km，380KV下大約40km，這主要是受到充電電流的限制。(3)在兩個頻率不同的AC系統(tǒng)之間進(jìn)行直接連接是不可實現(xiàn)的。同時，使用HVDC的升壓傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點可以總結(jié)為以下幾點：(1)HVDC電纜具有更高的電場強度承受力，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電纜的長度不受充電電流的限制，線路本身在終端變電站和中間點不需要進(jìn)行無功補償，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)具有獨一無二的可行性。

2 問題及展望

我國“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-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)計到2020年我國直流輸電工程約達(dá)27項，總?cè)萘砍^60GW(其中背靠背4個，容量2.76GW)。根據(jù)規(guī)劃我國直流輸電主要是遠(yuǎn)距離大容量工程，需建設(shè)幾個背靠背聯(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電壓等級。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)計與建設(shè)已初步實現(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.