嚴 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、輸電距離遠等優(yōu)點，近幾年得到飛速發(fā)展［1-3］。 目前國內已有3 個高壓直流電纜項目投運運行［4-5］，電壓等級達到±320 kV［6］，同時 2019 年我國又明確了±400 kV 直流海纜的應用需求，國內已完成該產品型式試驗，進入預鑒定試驗和批量生產階段。 國際上多個國家已確立±525 kV 直流電纜項目［7］，PRYSMIAN 等廠家已成功通過±525 kV 直流電纜預鑒定試驗，此外PRYSMIAN 已成功開發(fā)出±600 kV 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣直流電纜。 目前，國內直流電纜生產的核心部件——絕緣材料受制于國外廠家。 考慮到直流電纜的重要性及未來發(fā)展前景，國網公司于2016年正式獲批開展“國家重點研發(fā)計劃”《±500 kV 直流電纜關鍵技術》，基于該項目開展國產材料500 kV 電壓等級直流電纜的研究。 本工作介紹了基于國產材料的±535 kV 直流電纜結構設計及試驗驗證。

1 整體結構

±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。 電纜整體結構見圖1。

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

圖1 電纜整體結構示意圖

2 導體結構設計

電纜導體根據結構可分為緊壓圓形導體、分割導體和型線導體。 緊壓圓形導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，成為一個整體的絞合線芯。 目前，拉絲機拉拔出的圓單線最大規(guī)格只能滿足1 800 mm2導體， 因此， 緊壓圓形導體的截面積不大于1 800 mm2。 分割導體由多個股塊組成，先由圓單線絞合成標準的導體股線，再由模具壓制成三角扇形，并進行預扭，最后數(shù)個股塊絞合成一個圓形導體，分割導體的設計是為了減小集膚效應，但各股塊間存在較大的縫隙，不利于導體縱向阻水。 因此，直流電纜導體一般不采用分割導體。 型線導體由預成型的單線絞合而成，單線的形狀根據單線所處的位置進行設計。 目前，型線導體結構主要有梯形單絲型線導體和SZ 形單絲型線導體兩種方案［8-9］，相比于梯形單絲型線導體，SZ 形單絲型線導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，也不易造成整根導線散股，具有自鎖緊功能。

在電纜實際敷設過程中存在熱點位置，即載流量最小的點，載流量的大小則決定導體截面大小。載流量計算公式為：

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

電纜運行的最高溫度為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。

綜合電纜敷設環(huán)境、電纜傳輸容量2 GW，及電纜運行額定電壓535 kV，電纜的額定載流量為1 869 A。 經計算，當導體截面為 3 000 mm2時，載流量為1 987 A，滿足額定載流量的要求。

結合生產設備及制造工藝，±525 kV 直流電纜選用3 000 mm2SZ 型線導體，導體結構示意圖見圖2。

圖2 3 000 mm2 導體結構示意圖

導體填充系數(shù)是線芯導體實際面積與導體輪廓截面積之比，導體填充系數(shù)可通過下式計算［10-11］：

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

在實際生產過程中，若導體填充系數(shù)過小，則導體阻水性能較差；若導體填充系數(shù)過大，則單絲變形硬度較大，對牽引力的要求也越大。 經測量，導體外徑為63.9 mm，即導體輪廓面積為3 205 mm2，導體承重截面及導體單線截面積總和為3 070 mm2，此次開發(fā)的3 000 mm2SZ 型線導體填充系數(shù)為0.958，所生產的3 000 mm2SZ 型線導體見圖3。

圖3 3 000 mm2 SZ 型線導體成品

3 絕緣場強校核

本工作結合 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家標準要求》，將絕緣厚度初定于30.0 mm，并利用COMSOL 有限元仿真方法分析。

針對絕緣厚度為30.0 mm 的±535 kV 直流電纜絕緣線芯進行建立模型，高壓直流電纜的電場分布隨絕緣電導率的變化明顯，同時電導率受外加電場和溫度的影響，電導率與場強和溫度的關系為［12］：

式（3）中，A為與材料有關的常數(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為電導率對場強的依賴系數(shù)（m／V）；E為電場強度（V／m）。

基于選取絕緣材料電導率測試結果，可擬合出電導率與磁場和溫度關系如下：基于上述電導率與電場和溫度的關系建立絕緣線芯模型見圖4。

圖4 絕緣線芯網格模型

基于圖4 模型仿真計算±535 kV 直流電纜在空載、滿載情況下的直流電場分布。 電纜在空載情況下絕緣溫差為0 ℃，在滿載情況下，設定導體溫度為70 ℃，絕緣溫差為30 ℃。 各絕緣溫度下電纜分布見圖5。

圖5 各絕緣溫度下電場分布情況

由圖5 可知：當絕緣溫差為0 ℃時，最大電場強度為19.8 kV／mm，出現(xiàn)絕緣層內側。 當絕緣溫差為30 ℃時，最大電場強度為20.2 kV／mm，出現(xiàn)絕緣層外側。 隨著絕緣溫差的上升，電纜最大電場強度位置也在發(fā)生改變。

設定電纜在滿載情況下，導體溫度為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強見圖6。

圖6 最大電場強度隨絕緣溫差變化

由圖6 可知：當絕緣溫差為30 ℃時，最大場強為20.2 kV／mm。 本工作所用絕緣料在長期運行條件下電場強度可達30 kV／mm，因此絕緣厚度設計為30 mm 可滿足電場強度要求。

4 金屬套緩沖層結構

隨著絕緣溫度的變化，絕緣線芯的外徑會隨之熱脹冷縮，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，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，具體電纜結構見圖7 所示。

圖7 電纜結構示意圖

為確保電纜在高溫和高壓情況下金屬鋁套均不會對絕緣線芯表面造成影響，利用國產絕緣料及屏蔽料，制造與本工作結構相同的試驗電纜，對該電纜進行熱變形試驗，以確定阻水緩沖層結構設計。

為研究電纜在不同溫度下，受徑向力作用電纜是否會發(fā)生變形，對電纜進行熱變形試驗。

電力電纜承受的徑向力主要為電纜施工過程中對電纜造成的側壓力，其計算方法見式（5）［14］：

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

其中，電纜牽引力的計算見式（6）：

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

根據電纜施工時要求其彎曲半徑最小值為電纜外徑的20 倍，結合本工作電纜設計結構，考慮施工過程中的極限受力情況，根據式（6）可得出電纜在施工過程中的極限側壓力為57.6 kN／m。

不同于絕緣熱膨脹試驗，電纜熱變形試驗樣品為成品電纜，試驗儀器為壓力試驗機，壓力試驗及壓頭與電纜接觸時位移歸零，施加壓力負載的方式為預壓力設定為 200 N， 壓力負載加載速率為100 N／s，每隔 1 kN 保壓 1 min。 壓力試驗及壓頭尺寸為100 mm×100 mm，因此試驗最大壓力為6 kN。熱變形試驗設備示意圖見圖8。

圖8 熱變形試驗設備示意圖

不同溫度下壓頭位移與負載關系見圖9。

圖9 不同溫度下壓頭位移與負載的關系

由圖9 可知：當負載達到最大時，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，將負載撤銷后對每個樣品進行解剖。 解剖后發(fā)現(xiàn)，在常溫、70 ℃和90 ℃ 3 種情況下，對樣品施加壓力后，絕緣線芯表面均未出現(xiàn)凹痕。

根據生產經驗，4 層厚度為2.0 mm 的緩沖阻水層間隙繞包，其壓縮率可達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90 ℃，負載為6 kN 時壓頭位移也未到5.9 mm，同時在試驗及正常運行過程中，導體溫度最高只在70～75 ℃。 因此采用 4 層 2.0 mm×100 mm 的半導電緩沖阻水帶繞包，在整個電纜運輸、敷設及運行過程中，可確保電纜不會受壓導致?lián)p傷。

5 試驗驗證

5.1 例行試驗

在送檢型式試驗前對電纜進行例行試驗，樣品在535 kV 的交流電壓下完成60 min 耐壓試驗，未發(fā)生擊穿。 同時在535 kV 電壓等級下局放量為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

根據 GB／T31489.1—2015，在進行電氣試驗前，先對電纜進行機械預處理。 為確定電纜彎曲試驗彎曲直徑，利用CableCAD 對電纜進行仿真計算，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)。 通過仿真可知，在相同條件下，電纜皺紋鋁套安全系數(shù)最低，說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果見圖10。

圖10 不同彎曲半徑下電纜仿真結果

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

在進行彎曲試驗及3 次24 h 負荷循環(huán)后進行導體透水試驗，24 h 負荷循環(huán)包括8 h 加熱及16 h冷卻。 采用電流加熱導體，在該負荷循環(huán)中導體的溫度應為75～80 ℃，并在加熱階段至少最后2 h 保持溫度恒定。 預處理后在電纜上取樣并進行導體透水試驗，試驗水壓為0.01 MPa，采用35 g·L-1氯化鈉溶液連續(xù)10 d 試驗，水溫控制在5 ～35 ℃。 試驗結束后，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生的連續(xù)爆裂聲。 導體透水試驗見圖11，試驗結果見表2。

圖11 導體透水試驗

表2 導體透水試驗結果

電纜在進行彎曲試驗后搭建回路，進行電氣試驗，試驗回路見圖12 所示。

圖12 型式試驗回路

試驗回路主要由電纜、穿芯變壓器、中間接頭及終端組成。 根據 CIGRE TB496—2012 及 GB／T 31489.1—2015 要求，電氣試驗主要項目見表3。

表3 ±535 kV 直流電纜型式試驗電氣試驗項目

24 h 負荷循環(huán)及48 h 負荷循環(huán)中溫度的變化見圖13。

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

圖13 負荷循環(huán)下導體溫度

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

6 結束語

本工作介紹了±535 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣直流電纜的結構設計及試驗驗證情況， 導體采用3 000 mm2SZ 形單絲型線導體；對絕緣厚度30 mm進行模擬仿真，校核絕緣厚度取值的合理性；對電纜進行絕緣熱膨脹和電纜熱變形試驗，確定緩沖層采用4 層2.0 mm×100 mm 的半導電緩沖阻水帶?！?35 kV直流電纜順利通過例行試驗及全性能型式試驗，±535 kV 直流電纜預鑒定試驗正在進行過程中。

±535 kV 直流電纜的成功研發(fā)標志著我國具備自主生產500 kV 電壓等級直流電纜絕緣材料的能力，助力我國柔性直流電纜成套技術邁出全國產業(yè)化的關鍵一步。