應(yīng)啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

柔性直流輸電系統(tǒng)用直流交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜導(dǎo)體最高溫度提高到90℃的可行性

應(yīng)啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

以實(shí)際直流交聯(lián)聚乙烯（DC XLPE）電纜工程設(shè)計(jì)示例，表明將柔性直流輸電（VSC）系統(tǒng)用DC XLPE電纜的導(dǎo)體的最高運(yùn)行溫度提高到90℃，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)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(shù)成正比而與導(dǎo)體最高溫度不直接相關(guān)。通過(guò)合理的DC XLPE電纜工程設(shè)計(jì)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(yōu)化結(jié)果。320 kV及以下XLPE電纜在導(dǎo)體最高溫度90℃下運(yùn)行，絕緣損耗遠(yuǎn)低于導(dǎo)體損耗，DC XLPE電纜發(fā)生熱不穩(wěn)定的可能性很低。對(duì)VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度提高到90℃的可行性表示肯定的意見(jiàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提出具體的措施建議。

柔性直流輸電；直流交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜；導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度；絕緣空間電荷；絕緣熱不穩(wěn)定性

0 引 言

上世紀(jì)90年代，瑞典ABB公司首先在柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC）中采用90 kV直流交聯(lián)聚乙烯（DC XLPE）電纜。到2007年VSC系統(tǒng)中運(yùn)行的DC XLPE電纜電壓等級(jí)至150 kV，容量達(dá)到350 MW，安裝的DC XLPE電纜長(zhǎng)度達(dá)1 500 km。至2008年VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜已發(fā)展至320 kV。320 kV 1 200mm2鋁芯DC XLPE電纜連同預(yù)制接頭和終端已經(jīng)通過(guò)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）技術(shù)手冊(cè)TB 219推薦的型式試驗(yàn)。試驗(yàn)電纜導(dǎo)體最高溫度為70℃［1］。

由意大利Prysman公司生產(chǎn)，2010年在美國(guó)舊金山灣安裝投運(yùn)的88 km長(zhǎng)200 kV DC XLPE電纜亦經(jīng)受CIGRE TB 219型式試驗(yàn)，試驗(yàn)電纜導(dǎo)體最高溫度為70℃［2］。

我國(guó)自2008年開(kāi)發(fā)30 kV DC XLPE電纜，2011年首先于上海南匯風(fēng)電場(chǎng)示范工程中應(yīng)用。近年間，國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司已將發(fā)展VSC輸電技術(shù)列入電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃并安排工程應(yīng)用。此舉有力推動(dòng)了我國(guó)320 kV及以下VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜和成套附件的研究開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用。所選用的DC XLPE電纜的導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為70℃。

VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜的導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度理應(yīng)根據(jù)XLPE絕緣在工作電場(chǎng)強(qiáng)度下長(zhǎng)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(chǎng)下耐熱老化機(jī)理基本相同。AC XLPE電纜導(dǎo)體允許最高運(yùn)行溫度為90℃已經(jīng)理論和實(shí)踐證實(shí)。VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜的導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度是否可能提高到90℃，是應(yīng)予認(rèn)真考慮的重要問(wèn)題。

1 VSC系統(tǒng)用DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度提高到90℃的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義

DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度提高到90℃的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。現(xiàn)就我國(guó)即將發(fā)展的VSC用320 kV DC XLPE電纜，分別按導(dǎo)體溫度為70℃和90℃條件，將載流量、傳輸功率（雙極）和工程運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)計(jì)算如下。

1.1 320kVDCXLPE電纜結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和電纜的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)計(jì)算方法

（1）320 kV DC XLPE電纜結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、阻水帶、鉛套、聚乙烯護(hù)套、鋼絲鎧裝和聚丙烯繩外被。

（2）320 kV XLPE絕緣厚度取25 mm。設(shè)計(jì)平均電場(chǎng)強(qiáng)度為12.8 kV/mm。

（3）根據(jù)國(guó)內(nèi)選用的DC XLPE絕緣料在不同的直流電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度條件下實(shí)測(cè)體積電阻率數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出計(jì)算參數(shù)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(shù)α= 0.0580 1/℃；

DC XLPE料的電阻率的電場(chǎng)系數(shù)k= 0.0 547 mm/kV；

DC XLPE料70℃的體積電阻率為1.40×1013Ω·m （電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度E=20 kV/mm條件下）。

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

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

（5）DC電纜在負(fù)載下運(yùn)行時(shí)絕緣表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算式見(jiàn)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(nèi)徑（mm）；U為DC XLPE電纜額定電壓（kV）。

當(dāng)r=R，代入式（1）即可求得絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度。DC電纜負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)僅考慮直流電流的發(fā)熱影響時(shí)，絕緣表面產(chǎn)生最大電場(chǎng)強(qiáng)度。

δ值按以下計(jì)算：

式中，dθ為絕緣溫差（K）。

（6）直流電壓下XLPE絕緣損耗計(jì)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(tǒng)用DCXLPE電纜按假設(shè)敷設(shè)條件進(jìn)行系列設(shè)計(jì)

假設(shè)VSC系統(tǒng)用DC XLPE海底電纜含海底敷設(shè)電纜和通過(guò)隧道敷設(shè)的登陸段電纜。DC XLPE電纜銅導(dǎo)體截面為500 mm2、1 000 mm2、1 600 mm2和2 000 mm2，分別按導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為70℃和90℃經(jīng)計(jì)算得出電纜載流量、傳輸功率（雙極）、負(fù)載時(shí)電纜絕緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度（絕緣表面）、導(dǎo)體和絕緣損耗以及絕緣溫差等系列設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，如表1和表2所示。

表1 320 kV DC XLPE隧道敷設(shè)條件下電纜載流量、傳輸功率及相關(guān)運(yùn)行性能數(shù)據(jù)

表2 320 kV DC XLPE電纜海底敷設(shè)（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(guān)運(yùn)行性能數(shù)據(jù)

1.3 DCXLPE電纜提高導(dǎo)體運(yùn)行溫度至90℃技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著

從表1可見(jiàn)，320 kV DC XLPE電纜登陸段電纜按所示隧道敷設(shè)條件下，導(dǎo)體運(yùn)行溫度90℃導(dǎo)體截面1 000 mm2的XLPE電纜的傳輸功率與導(dǎo)體運(yùn)行溫度70℃導(dǎo)體截面1 600 mm2的XLPE電纜的傳輸功率相當(dāng)，均達(dá)到并超過(guò)1 000 MW。按此，DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度提高到90℃，1 km電纜用銅量節(jié)省達(dá)5.3 t。其他因電纜重量減輕、外徑減小對(duì)電纜敷設(shè)安裝和工藝制造方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。表1中其他導(dǎo)體截面電纜提高導(dǎo)體運(yùn)行溫度到90℃的效果相似。從表2可見(jiàn)，320 kV DC XLPE在所示電纜海底敷設(shè)條件下，導(dǎo)體運(yùn)行溫度90℃1 600 mm2電纜傳輸功率與導(dǎo)體運(yùn)行溫度 70℃ 2 000 mm2電纜的傳輸功率相當(dāng)。其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)情況與DC XLPE電纜隧道敷設(shè)情況相一致。

2 DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度提高到90℃對(duì)XLPE絕緣產(chǎn)生空間電荷的影響

已經(jīng)證明DC XLPE電纜絕緣的溫度梯度是產(chǎn)生絕緣空間電荷的原因［4］。現(xiàn)按電工理論原理，簡(jiǎn)述如下：

如XLPE絕緣中電流密度為δ（與式（4）的中間參數(shù)δ無(wú)關(guān)），在恒定電流電場(chǎng)中，

按微分形式的歐姆定理，

式中，E為恒定電流的電場(chǎng)強(qiáng)度。

將式（7）代入式（6）得：

按散度定義的微分功能，由式（8）得：

設(shè)XLPE絕緣的恒定電流形成的電場(chǎng)中存在自由電荷，靜電場(chǎng)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(shù)。

將式（10）代入式（9），得出：

式（11）以圓柱坐標(biāo)表示為：

即得出：

式（12）證明XLPE絕緣在恒定電流場(chǎng)的電場(chǎng)中空間電荷密度與導(dǎo)電率梯度相關(guān)。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?，F(xiàn)進(jìn)一步證明XLPE絕緣恒定電流電場(chǎng)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(shù)成正比，如下：

式中：γ為XLPE絕緣電導(dǎo)率；γ0為T=0時(shí)XLPE絕緣的體積電阻率的倒數(shù)。

式（12）中：

式（12）和式（13）證明XLPE絕緣的恒定電流電場(chǎng)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(shù)成正比，而與XLPE絕緣的最高溫度（導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度）無(wú)直接關(guān)系。

由表1可見(jiàn)DC XLPE絕緣電纜在導(dǎo)體最高溫度70℃和90℃運(yùn)行時(shí)絕緣溫差遠(yuǎn)低于電纜導(dǎo)體溫度與隧道環(huán)境溫度的溫差。電纜導(dǎo)體溫度70℃時(shí)電纜導(dǎo)體與環(huán)境溫差為30 K，絕緣溫差僅為14～15 K；電纜導(dǎo)體溫度90℃時(shí)電纜導(dǎo)體與環(huán)境溫差為50 K，絕緣溫差為24～27 K。DC XLPE電纜在導(dǎo)體溫度90℃下運(yùn)行，絕緣溫差約為電纜導(dǎo)體與環(huán)境溫度的溫差的50%。在采用抑制空間電荷材料以及相應(yīng)措施條件下有可能實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

由表2可見(jiàn)，海底敷設(shè)的DC XLPE電纜與電纜在隧道敷設(shè)情況相比，相同的電纜導(dǎo)體溫度條件下，雖然海底敷設(shè)的DC XLPE電纜導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度溫差較大，但絕緣溫差較小，這是由于海底敷設(shè)土壤熱阻較大，絕緣所占總的熱阻比例減少所致。電纜導(dǎo)體最高溫度70℃時(shí)，電纜導(dǎo)體與環(huán)境溫差為50 K，絕緣溫差僅為14～18 K；電纜導(dǎo)體最高溫度90℃時(shí)電纜導(dǎo)體與環(huán)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(yùn)行溫度對(duì)因絕緣溫差引起空間電荷的影響減小。

3 DC XLPE電纜提高導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度到90℃對(duì)XLPE電纜運(yùn)行的熱穩(wěn)定性影響

DC XLPE電纜的熱穩(wěn)定性與絕緣損耗密切相關(guān)。由式（5）可見(jiàn)，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(dǎo)體截面1 000 mm2的320 kV DC XLPE電纜為例，表1中隧道敷設(shè)條件下導(dǎo)體最高溫度90℃時(shí)，電纜的傳輸功率為1 032 MW（雙極），絕緣損耗為0.21 W/m，導(dǎo)體損耗為57.1W/m，絕緣損耗遠(yuǎn)低于導(dǎo)體損耗。其電纜表面溫度為55.4℃，明顯低于電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度。電纜絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度為16.3 kV/mm，低于DC XLPE絕緣的允許工作電場(chǎng)強(qiáng)度30 kV/mm；表2中導(dǎo)體溫度90℃導(dǎo)體截面1 000 mm2的海底敷設(shè)320 kV DC XLPE電纜，導(dǎo)體最高溫度90℃時(shí)電纜的傳輸功率為966 MW（雙極）。絕緣損耗為0.20 W/m，導(dǎo)體損耗為50.1 W/m，絕緣損耗亦遠(yuǎn)低于導(dǎo)體損耗。電纜表面溫度為59.7℃，明顯低于電纜導(dǎo)體的運(yùn)行溫度。電纜絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度為15.5 kV/mm，低于DC XLPE絕緣的允許工作電場(chǎng)強(qiáng)度。DC XLPE 320 kV的其他導(dǎo)體截面的情況相似?？梢?jiàn)正確設(shè)計(jì)選用的DC XLPE電纜在DC 320kV及以下電壓運(yùn)行發(fā)生熱不穩(wěn)定即熱擊穿的可能性是很低的。

4 結(jié) 論

VSC系統(tǒng)用額定電壓320 kV及以下DC XLPE電纜提高導(dǎo)體運(yùn)行溫度到90℃是可行的，其預(yù)期技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。

為實(shí)施提高DC XLPE電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度到90℃的目標(biāo)，建議：

（1）結(jié)合VSC用DC XLPE電纜工程實(shí)踐，試制導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度90℃的DC XLPE電纜，進(jìn)行運(yùn)行溫度90℃的DC XLPE電纜的絕緣溫差對(duì)引起絕緣空間電荷影響的測(cè)試研究，并按國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE技術(shù)文件TB 496對(duì)導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為90℃的DC XLPE電纜進(jìn)行型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)，以推進(jìn)90℃DC XLPE電纜的工程應(yīng)用。

（2）相應(yīng)進(jìn)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(shù)和電場(chǎng)系數(shù)、進(jìn)一步提高XLPE絕緣體積電阻率的DC XLPE絕緣料的研究開(kāi)發(fā)。

［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(yīng)啟良（1936-），男，教授級(jí)高工.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.