李 棟， 王傳博， 陳龍嘯， 朱智恩， 楊黎明， 高 凱， 曾 浩

（南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），南京211106）

0 引 言

高壓直流輸電纜作為直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，與交流電纜相比具有傳輸距離長(zhǎng)、輸送容量大、線路損耗低等優(yōu)點(diǎn)，可有效地解決電力能源大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸和新能源消納等問題［1?3］。近年來，我國(guó)在高壓直流電纜研發(fā)和應(yīng)用方面不斷取得突破，先后開發(fā)了±160，±200，±320，±400 kV的高壓直流電纜并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，近期又開發(fā)出±535 kV高壓直流電纜系統(tǒng)，輸送容量達(dá)到了3 GW［4?5］。隨著電壓等級(jí)的提高和絕緣厚度增大，電纜系統(tǒng)熱量損耗和熱阻產(chǎn)生變化，導(dǎo)致載流量與導(dǎo)體截面并非線性變化［6］。掌握高壓直流電纜直流載流量，能夠最大限度的利用電纜的輸送能力，對(duì)直流電纜工程設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)等方面具有重要意義。

目前，電纜系統(tǒng)載流量的理論計(jì)算方法主要有解析法和數(shù)值法［7?8］。解析法是根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定的IEC 60287進(jìn)行電纜載流量的計(jì)算，通過建立簡(jiǎn)化的電纜熱路模型求得在各種不同敷設(shè)工況下的電纜載流量，數(shù)值法是采用有限元模型模擬各敷設(shè)情況下載流量和溫度場(chǎng)分布，它的計(jì)算是基于有限元分析商業(yè)軟件，這些軟件有很強(qiáng)的前后處理能力和豐富的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溫度場(chǎng)和載流量的建模仿真。解析法和數(shù)值法計(jì)算電纜載流量，因邊界條件眾多，真實(shí)的參數(shù)難以獲取，計(jì)算往往是基于假設(shè)值或者經(jīng)驗(yàn)值，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差。

影響載流量的因素有電纜結(jié)構(gòu)、材料熱阻、運(yùn)行溫度、敷設(shè)環(huán)境、敷設(shè)方式以及周圍介質(zhì)熱阻系數(shù)等［9?10］。為了準(zhǔn)確獲得高壓直流電纜的直流載流量，本工作采用理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，先是依據(jù)IEC 60287計(jì)算了±535 kV高壓直流海底電纜直流載流量，然后通過搭建試驗(yàn)回路實(shí)際測(cè)量了高壓直流電纜在不同運(yùn)行條件下的直流載流量，從而使理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。

1 載流量理論計(jì)算

1.1 電纜結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用±535 kV高壓直流海底電纜，型號(hào)為DC?HYJ（90）Q41?F?±535 1×3000＋2×12B1，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ±535 kV高壓直流海底電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知：±535 kV高壓直流海底電纜由阻水導(dǎo)體、半導(dǎo)電包帶、擠包內(nèi)屏、交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣、擠包外屏、繞包阻水緩沖層、鉛套、內(nèi)護(hù)套、光單元＋聚乙烯（PE）棒、繞包內(nèi)襯層、鎧裝鋼絲、聚丙烯（PP）繩和軟接頭標(biāo)志等組成。各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外徑見表1。

表1 ±535 k V高壓直流海底電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 直流載流量的計(jì)算

IEC 60287給出電壓等級(jí)5 kV以下直流電纜載流量的計(jì)算公式見公式（1），IEC 60287中，不僅包含交流載流量的計(jì)算方法，也包含了5 kV以下直流電纜載流量；對(duì)于電壓等級(jí)5 kV以上直流電纜載流量的計(jì)算還沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法，本工作提出對(duì)于電壓等級(jí)較高的電纜必須考慮電纜絕緣泄漏損耗。

對(duì)于電壓等級(jí)較高的電纜必須考慮電纜絕緣泄漏損耗按式（2）計(jì)算：

式中：I為穩(wěn)態(tài)載流量（A）；Δθ為導(dǎo)體溫升（℃）；Wd為絕緣泄漏電流損耗（W／m）；RDC為導(dǎo)體運(yùn)行溫度下單位長(zhǎng)度直流電阻（Ω／m）；T1、T2、T3和T4分別為導(dǎo)體與鉛套之間的熱阻、鉛套與鎧裝層之間的熱阻、外護(hù)層的熱阻以及周圍介質(zhì)的熱阻（K·m／W），T1、T2和T3的計(jì)算可按照表1中給出的電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行，T4的計(jì)算按照自由空氣中敷設(shè)的電纜，不受日光直接照射。

導(dǎo)體直流電阻按式（3）計(jì)算：

式中：R0為20℃的直流電阻（Ω／m）；α為導(dǎo)體溫度系數(shù)（1／℃）；θ為導(dǎo)體運(yùn)行溫度（℃）。

單位長(zhǎng)度的絕緣泄漏電流損耗按式（4）計(jì)算：

式中：Ri為單位長(zhǎng)度絕緣電阻（Ω／m）；U0為電纜的額定電壓（V）。

單位長(zhǎng)度電纜的絕緣電阻按式（5）計(jì)算：

式中：t為絕緣厚度（mm）；Dc為電纜導(dǎo)體直徑（mm）；ρ絕緣體積電阻率（Ω·m），70℃時(shí)的平均體積電阻率1.52×1012Ω·m，90℃時(shí)的平均體積電阻率8.01×1011Ω·m。

高壓直流電纜有兩種技術(shù)路線，一是以北歐化工為代表的超凈路線，其交聯(lián)度低，額定運(yùn)行溫度為70℃；二是以陶氏化學(xué)為代表的接枝或者納米改性路線，其交聯(lián)度與交流電纜相同，額定運(yùn)行溫度為90℃。本工作中高壓直流電纜的額定運(yùn)行溫度為90℃，為了對(duì)比分析，同時(shí)計(jì)算了運(yùn)行溫度分別為70℃和90℃時(shí)的載流量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 載流量計(jì)算結(jié)果

由表2可知：電纜運(yùn)行溫度為70℃時(shí)，未考慮絕緣損耗下的載流量為與考慮絕緣損耗下的載流量分別為3 282，3 249 A；電纜運(yùn)行溫度為90℃時(shí)，未考慮絕緣損耗下的載流量為，與考慮絕緣損耗下的載流量分別為3 686，3 658 A。

2 高壓直流電纜載流量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)回路

取電纜樣品20 m組成如圖2所示的載流量試驗(yàn)回路，設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別是標(biāo)記為a、b和c點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)距離電纜端部5 m，測(cè)溫點(diǎn)之間距離為5 m，電纜樣品距離地面30 mm。每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置3個(gè)熱電偶，分別測(cè)試導(dǎo)體、絕緣屏蔽表面和PP繩外表面的溫度，同時(shí)采用油瓶法測(cè)試與電纜相同高度的環(huán)境溫度。

圖2 試驗(yàn)回路布置示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

參照TICW 15—2012《單根電纜空氣中敷設(shè)載流量測(cè)試方法》中的熱電偶測(cè)量方式，但進(jìn)行導(dǎo)體加熱的電流類型不同，采用的是直流電流。采用直流溫升試驗(yàn)系統(tǒng)向電纜回路施加電流使導(dǎo)體溫度維持在一定溫度，每隔0.5 h記錄各點(diǎn)的溫度及環(huán)境溫度，直至電纜溫度穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定的標(biāo)志是a、b和c點(diǎn)的平均值在0.5 h內(nèi)變化均不超過1℃。

2.3 不同運(yùn)行溫度下的直流載流量

2.3.1 導(dǎo)體溫度為70℃時(shí)的載流量

導(dǎo)體溫度為70℃時(shí)的溫度曲線見圖3。

圖3 導(dǎo)體溫度為70℃時(shí)的溫度曲線

由圖3可知：起始階段以3 800 A的電流加熱7.5 h后，導(dǎo)體溫度達(dá)到70℃，此時(shí)降低電流以使導(dǎo)體溫度維持在70℃，在隨后的4 h內(nèi)，電纜導(dǎo)體、絕緣屏蔽、和電纜外表面溫度趨于穩(wěn)定，整個(gè)試驗(yàn)回路達(dá)到熱平衡狀態(tài)。穩(wěn)定后導(dǎo)體的溫度為71.5℃，絕緣屏蔽溫度為46.2℃，電纜表面溫度為24.9℃，環(huán)境溫度為12.7℃，絕緣溫差25.3℃，穩(wěn)定后的電流為3 266 A。

2.3.2 導(dǎo)體溫度為90℃時(shí)的載流量

導(dǎo)體溫度為90℃時(shí)的溫度曲線見圖4。

圖4 導(dǎo)體溫度為90℃時(shí)的溫度曲線

以4 200 A的電纜對(duì)電纜加熱6.5 h，導(dǎo)體溫度接近90℃時(shí)，加熱電流降到4 000 A，導(dǎo)體溫度達(dá)到90℃，調(diào)整電流以使導(dǎo)體溫度維持在90℃以上。試驗(yàn)回路穩(wěn)定后導(dǎo)體的溫度為90.2℃，絕緣屏蔽溫度為56.3℃，電纜表面溫度為27.1℃，環(huán)境溫度為11.3℃，絕緣溫差33.9℃，穩(wěn)定后的電流為3 682 A。

3 理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

由1.2節(jié)的計(jì)算可知，電纜運(yùn)行溫度為70℃時(shí)，未考慮絕緣損耗下的載流量，比考慮絕緣損耗下的載流量提升1.0%；電纜運(yùn)行溫度為90℃時(shí)，未考慮絕緣損耗下的載流量，比考慮絕緣損耗下的載流量提升0.8%。電纜導(dǎo)體損耗W＝I2×R，求出70℃時(shí)的導(dǎo)體損耗為74.4 W／m，絕緣損耗占比2.6%；90℃時(shí)的導(dǎo)體損耗為100 W／m，絕緣泄漏損耗占比3.7%。

直流載流量試驗(yàn)過程中沒有施加電壓U0，載流量的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)未考慮絕緣損耗下的載流量理論計(jì)算結(jié)果比較，電纜運(yùn)行溫度為70℃時(shí)，載流量的實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值高17 A，兩者相差0.5%；電纜運(yùn)行溫度為90℃時(shí)，載流量的實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值高4 A，兩者相差0.1%，高壓直流電纜載流量理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，90℃運(yùn)行與70℃運(yùn)行相比，載流量提高12.7%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作提出了5 kV以上直流電纜載流量的計(jì)算方法，計(jì)算了±535 kV高壓直流電纜的載流量，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)比較了70℃和90℃時(shí)的載流量，為工程運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐。