交流XLPE电缆改为双极式直流运行的电压等级设计

对交流交联聚乙烯(XLPE)电缆配电线路进行直流改造后,确定合理的直流运行电压等级对改造后电缆的安全稳定运行及系统供电能力的提高具有重要意义。针对改为双极式直流运行的10kV和35kV交流配网中的典型XLPE电缆,通过有限元分析软件ANSYS对其在直流稳态工作电压及暂态冲击电压下的电场强度最大值及分布情况进行仿真分析。仿真结果表明,为避免空间电荷效应引起绝缘击穿,10kV和35kV交流XLPE电缆改为双极式直流运行后的电压等级分别取±10kV和±20kV为宜,可为相关工程提供一定参考。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

基于有限元法的交流XLPE电缆改为直流运行的温度场仿真分析

对交流交联聚乙烯(XLPE)电缆配电线路进行直流改造后,确定合理的载流量对电缆的安全稳定运行及配网供电能力的提高具有重要意义。针对10kV和35kV交流配网中的典型三芯XLPE电缆,通过有限元分析软件ANSYS建立电缆温度场仿真模型,对电缆在双极式直流运行方式下的温度场分布进行仿真分析。仿真结果显示,当电缆的长期运行温度为70℃时,所选典型10kV和35kV交流XLPE电缆改为双极式直流运行后的载流量分别取440A和300A为宜,可为相关工程提供一定参考。     

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。     

10 kV交流XLPE电缆改为直流运行的温度场和电场仿真分析

将交流电缆配电线路改造为直流运行后,准确设计电缆的运行参数能在最大程度上利用原有线路的供电能力。为此,以10 kV电压等级交流配电网中广泛使用的典型3芯交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例,根据所选电缆的结构和材料参数,使用有限元分析软件ANSYS建立了电缆温度场和电场耦合仿真模型,并在直流运行方式为双极式的条件下对电缆的温度场和电场进行了仿真。研究结果表明:对于所选典型电缆,为避免空间电荷效应的影响,其直流电压等级的取值范围为±10~±20 kV;当电缆在温度为40℃的空气环境中敷设而且导体的长期工作温度为70℃时,其载流量约为440 A;同时,其最大输送功率约为改造前的1.3~2.6倍。所得结论以及所用设计条件、步骤可为相关工程提供一定参考。     

挤包绝缘高压直流电缆应用现状与研究展望

挤包绝缘高压直流电缆已成为远距离、大容量输电线路建设的主要装备之一,现阶段广泛应用的挤包绝缘直流电缆以交联聚乙烯(XLPE)绝缘为主。针对XLPE绝缘高压直流电缆研发和应用中的绝缘空间电荷特性、副产物脱气等主要问题进行全面综述,指出在工业化生产方式下,超纯净体系XLPE绝缘材料是目前用来缓解空间电荷问题和实现电缆批量化生产更为可行的技术方案,对于副产物脱气问题的研究需结合小样测试结果,向长距离批量化电缆生产的脱气工艺控制进行扩展。结合现有国内外已投运和正在规划的挤包绝缘高压直流电缆典型工程,指出未来应侧重于在提高绝缘材料电气绝缘水平的基础上,使挤包绝缘直流电缆向更高电压等级发展,并同时通过提高电缆最高允许运行温度实现更大的传输容量。此外,从提高生产效率和利于回收利用的角度考虑,可加强热塑性绝缘材料在挤包绝缘高压直流电缆中的应用研究。     

压力波法模型电缆空间电荷测试研究

根据压力波法空间电荷测量的基本原理,研制了一套可用于模型电缆试样的压力波(PWP)法空间电荷测试装置。该装置具有高于PEA法的信噪比,原始信号无需处理即可用于空间电荷性能分析。利用此装置分别对交流和直流XLPE电缆进行了空间电荷测试。结果表明:随着外加电场的升高,空间电荷明显增多。另外,直流电缆绝缘中的空间电荷明显小于交流电缆绝缘中的空间电荷。     

我国发展直流海底电力电缆的前景

例举世界重要的海底电缆工程,表明其中大部分为直流海底电缆工程。叙述直流输电特点,着重以不同类型的直流和交流海缆载流量计算,证明直流海底电缆在输电容量、输电损耗和电缆线路长度限制方面显著优于交流海底电缆。肯定了我国发展直流海底电缆的必要性。有些运行条件下直流海底电缆会是优先的方案,甚至是唯一的选择。提出以发展直流交联聚乙烯(XLPE)海底电缆作为主要目标,并在比较不同类型海缆绝缘中的空间电荷对电场分布和电气绝缘性能影响和深入研究空间电荷积聚、抑制和移去机理基础上,积极研发抑制空间电荷积聚的XLPE绝缘料,作为关键技术突破,用于开发直流XLPE绝缘海底电缆,推进我国直流海底电力电缆的技术发展。     

电压稳定剂对交联聚乙烯直流绝缘性能的影响

电压稳定剂多用于交流电缆用交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘材料,尚未有研究系统探索电压稳定剂在直流电缆XLPE绝缘中应用的可行性。为了研究电压稳定剂对XLPE直流绝缘性能的影响,选取一种可接枝的芳香酮化合物(aromatic ketone compound,AKVS)作为电压稳定剂。通过熔融共混和热交联方法制备含有AKVS和抗氧剂的XLPE-A试样,以仅含抗氧剂的XLPE试样为参照,测试电压稳定剂对XLPE红外吸收光谱特性,以及不同温度下的直流击穿强度、电导特性和空间电荷积累特性的影响。实验结果表明:AKVS分子在热交联过程中能通过其乙烯基上的化学反应接枝到XLPE分子上;含有AKVS的试样不同温度下的直流击穿强度均得到大幅度提高;AKVS使XLPE电导率的温度依赖性略有增大,但对直流电缆绝缘层电场分布的负面影响并不明显;含有AKVS的试样空间电荷的分布相对更均匀、积累量相对减小,电荷消散速度相对更快。该文提出一种将电压稳定剂应用于直流电缆XLPE绝缘的方法,可以作为其他改性方法的有益补充。     

柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

以实际直流交联聚乙烯(DC XLPE)电缆工程设计示例,表明将柔性直流输电(VSC)系统用DC XLPE电缆的导体的最高运行温度提高到90℃,其技术经济效果显著。按DC XLPE电缆抑制空间电荷要求,阐明DC XLPE电缆绝缘的直流恒定电流电场中空间电荷密度与绝缘温度梯度和XLPE绝缘的体积电阻率的温度系数成正比而与导体最高温度不直接相关。通过合理的DC XLPE电缆工程设计和正确选用DC XLPE电缆,可以在提高DC XLPE电缆传输功率和减小绝缘温差抑制空间电荷方面取得优化结果。320 kV及以下XLPE电缆在导体最高温度90℃下运行,绝缘损耗远低于导体损耗,DC XLPE电缆发生热不稳定的可能性很低。对VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的可行性表示肯定的意见,对实现目标提出具体的措施建议。     

交联聚乙烯绝缘电缆的直流耐压问题

我国对电缆交接和绝缘预防性试验,长期沿用直流耐压方法。如果对交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆也采用直流耐压方法,则因电缆在直流下的电场分布不同于实际应用的交流下电场分布,由于附件内电阻系数的不均匀性会导致 XLPE 电缆在直流下损坏;直流耐压试验难以检测附件中的某些缺陷;直流耐压试验中介质内的空间电荷会造成电缆损坏;直流耐压时,电缆及附件击穿或终端头外部闪络时,会损伤电缆绝缘。这都说明,对 XLPE 电缆不宜作直流耐压试验。附带介绍了目前国外的交接试验标准。     

现役交流配网XLPE电缆系统改直流运行的基础性方案设计研究

随着柔性直流输电技术的发展,将现役交流XLPE电缆线路改为直流运行以提升传输能力已成为全球关注的热点。以交流配网中典型的单/三芯XLPE电缆(110kV及以下)为例,从主接线形式选择、线芯回路配置、接地方式设计3个方面开展了单/双回路配电线路的直流改造方案设计研究,综合考虑投资成本、供电可靠性、传输容量、工程实用性等方面,系统分析了直流改造的可行性。研究结果可为现役交流配网改直流运行的实际工程应用提供重要参考。     

预鉴定试验对直流电缆中空间电荷特性的影响

为研究预鉴定试验对直流交联聚乙烯(XLPE)电缆的影响,对国内自主研发的200 k V直流XLPE电缆进行了预鉴定试验,并采用傅里叶红外光谱测试(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)、空间电荷测试等方法,分析了预鉴定试验前后电缆XLPE绝缘中层绝缘的状态变化。结果表明:预鉴定试验前后,电缆绝缘材料本征基团对应的特征吸收峰基本不变,熔融温度、结晶温度变化不大,电缆材料未发生明显老化。预鉴定试验前后,电缆绝缘中层切片试样均有明显的异极性空间电荷积累,30℃下预鉴定试验后试样短路过程中的平均体电荷密度明显大于预鉴定试验前的试样。预鉴定试验使电缆绝缘层内的交联副产物沿电缆径向由线芯侧向外侧扩散,使电缆绝缘中部的交联副产物含量增多。电缆绝缘中层切片经实验室脱气处理后,异极性空间电荷的积累量大幅下降,表明现有200 k V直流XLPE电缆经脱气处理后,仍留存大量的交联副产物,需要进一步改进生产过程中的脱气工艺。     

柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计

重点探讨了柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计。分析指出,空间电荷问题是柔性直流电缆绝缘急需解决的难题,电缆绝缘空间电荷测量装置的研制及空间电荷陷阱能量分布的测量均有助于空间电荷问题的研究。添加纳米填料抑制交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷时,可以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与XLPE的相容性问题。文中指出,柔性直流XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率取决于温度和场强。由于受到空间电荷的影响,运行中柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后,提出了开发高载流90℃工作温度绝缘料,并设计出绿色环保的高压、超高压陆地和海底电缆结构。     

含有水树的在线XLPE电缆新颖诊断方法

本文提出了一种新的对含有水树枝 XLPE 电缆的绝缘诊断方法。现已发现在这些电缆的交流充电电流中,直流分量是水树存在的一个重要信号。直流分量同交流击穿电压以及直流泄漏电流一样,与老化的 XLPE 电缆绝缘特性有密切关系。已研制出一种自动的绝缘诊断装置,现用于东京电力有限公司(TEPCO)配电系统中的在线交联聚乙烯电缆。     

交/直流电缆电场对绝缘及运行特性的影响

以交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例,分析了绝缘介质微观结构对载流子在不同电场下运动规律的不同影响,讨论了交/直流电缆绝缘介质中的电场分配机制,在综合考虑微观载流子与陷阱的耦合机制中,进一步讨论了影响绝缘稳定性与电缆运行稳定性的主要因素。基于此,总结了交/直流电缆绝缘及其运行特性的主要区别,结果表明：电缆绝缘介质微观载流子在工频交流电场和稳恒电场下的不同响应,决定了交/直流电缆绝缘特性和运行特性的显著差异,空间电荷是影响直流电缆绝缘特性的主要因素,而局部放电是交流电缆绝缘老化的主要影响因素。该研究为交/直流电缆绝缘在结构设计中的不同技术考量以及电缆的运行维护等提供了理论依据。     

交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

XLPE电缆目前广泛地应用于电力系统中,如何评估和预测现场运行电缆的老化及早期劣化的程度,是电缆绝缘状态评估的重要内容,然而这项研究在国内仍是空白。XLPE电缆的制造工艺过程、运行中的过电压和温升以及耐压试验过程都可能造成XLPE电缆绝缘特性的改变,导致绝缘性能下降,形成陷阱,特别是空间电荷的形成,畸变原有电场分布,直接影响XLPE电缆的绝缘特性。大量研究表明,在直流电场下空间电荷危害XLPE电缆绝缘,关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的探索较少。综述了交流电场下空间电荷效应对XLPE电缆绝缘影响的相关研究成果,并介绍了测量固体介质空间电荷分布的电声脉冲法,为从空间电荷测量角度研究XLPE电缆绝缘老化程度和状态评估提供了参考。     

交流XLPE电缆改为直流运行时空间电荷积累特性仿真

将交流电缆线路改为直流运行可以充分利用原有输电线路走廊,最大限度地发挥原有输电线路的输送能力。为研究交流交链聚乙烯(XLPE)电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性,应用COMSOL多物理场仿真软件,模拟了温差为25℃及45℃时电缆绝缘层中的温度场,并基于绝缘试片电导率数学模型,研究了66 kV电压等级交流XLPE电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性。计算结果表明:电缆绝缘层的电场分布和空间电荷积累特性会明显受到温差的影响,当温差为45℃、加压时间为8 h时,低温侧空间电荷密度达0.15C/m~3,此时电场分布发生翻转现象,绝缘层外侧电场强度最大值为6.71 MV/m,该数值低于66 kV电压等级交流电缆绝缘层的电场强度设计值。仿真结果为66 kV电压等级电缆线路的交改直运行奠定了基础。     

高压直流XLPE电力电缆预制式接头的设计

交直流绝缘层中本构方程的相似性决定了直流交联聚乙烯(XLPE)电缆附件与交流XLPE电缆附件的结构和设计原理的相似性。但是两种电场下本征参数性质的不同又使得直流XLPE电缆附件的设计不同于交流XLPE电缆附件的设计。为合理设计直流XLPE电缆接头,借鉴交流XLPE电缆接头设计的经验,给出了详细的设计直流XLPE电缆接头结构的方法。在直流XLPE电缆接头的设计中,界面空间电荷的抑制是接头设计成功的保证;而对界面空间电荷的抑制就需要界面两侧绝缘的介电常数和电导率的合理配合。最后,以30 kV直流XLPE电缆中间接头的设计为例,通过仿真计算得出,在高压屏蔽层端部附近界面上的允许切向电场强度取为1.5 kV/mm时,EPDM与XLPE在设计电场下符合应力锥优化设计要求的电导率比值范围可取为(0.5,5),在此范围之外的电导率比值的材料是不可以用来设计直流XLPE电缆中间接头的。