国内外直流电缆输电发展与展望

陈铮铮 ,赵鹏 ,赵健康 ,欧阳本红 ,胡凯 ,郑新龙 2  

(1.中国电力科学研究院有限公司,湖北省 武汉市 430074;2.国网浙江省电力公司舟山供电公司,浙江省 舟山市 316021)

摘要

近20年来,由于新能源并网、海上风电和跨海输电等长距离输电的需求,直流电缆得到了长足的发展。简要回顾了世界直流电缆的发展历程,介绍了世界主要直流电缆输电工程及目前世界直流电缆的生产现状,对不同绝缘型式的直流电缆进行了介绍和比较;探讨了直流电缆的关键技术问题,包括电导率温度特性和空间电荷特性,最后对直流电缆的发展进行了展望。这些研究可为未来特高压直流电缆的发展提供参考。

关键词 : 直流电缆;交联聚乙烯;聚丙烯薄膜复合纸;电导率;空间电荷

基金项目: 国家重点研发计划(2016YFB0900700);国家电网公司科技项目“直流电缆运行特性及海缆智能巡检技术研究”。

0 引言

随着新能源并网、不同电网的跨海互联,直流输电由于其灵活性、输送距离远等优点得到了越来越多的应用 [1-3] 。直流电缆作为直流输电系统的重要组成部分,广泛应用于风电并网、海岛供电以及跨海长距离输电等直流输电领域。

对于长距离跨海输电,高压直流电缆更加经济、合理。柔性高压直流输电电缆是一种挤压式、单极电缆,具有体积小、强度高、重量轻、传输容量大、绝缘水平优越、环保和敷设容易等优点,在未来柔性直流输电系统中具有举足轻重的地位 [4-6] 

本文综述了国内外高压直流电缆输电的发展现状,重点讨论了直流电缆的发展历程、不同直流电缆之间的不同点,并从工程应用角度提出未来直流电缆输电需要突破的技术瓶颈,探讨了高压直流电缆输电未来的发展方向。

1 国内外直流电缆输电工程及直流电缆生产现状

1.1 国内外直流电缆输电工程

1954年,世界第一条直流海底绕包绝缘电缆在瑞典哥特兰岛与本土之间敷设,电压等级100 kV,长度98 km。1989年,在芬诺—斯堪高压直流输电工程,世界第一条400 kV直流海底绕包绝缘电缆在芬兰西南与瑞典东部敷设,此工程为单极线路,电缆长度200 km,以海水作为回流电路,额定输送功率500 MW。1999年,世界第一个挤包绝缘直流电缆工程在哥特兰岛投入运行。2013年,世界最大输送容量的挤包绝缘直流电缆线路在INELFE直流输电工程投入运行。2018年,Western HVDC Link工程使用了600 kV的PPLP电缆(聚丙烯薄膜复合纸绝缘电缆),这是目前世界上已经投运的电压等级最高的直流电缆 [7] 

1989年,中国自行研制、建设了浙江舟山海底直流输电工程,选用双极直流系统,电压为±100 kV、电流500 A、功率100 MW,海底电缆分两段,总长12 km,由红旗电缆厂制造。近几年中国相继建成了舟山±200 kV多端柔性直流输电工程、南澳±160 kV多端柔性直流输电工程、厦门±320 kV柔性直流输电工程,这些工程都采用了国产的直流电缆,目前正在建设的张北柔性直流输电工程将采用国产的±535 kV直流电缆,工程建成后,该电缆将成为世界上投运的最高电压等级的直流挤包绝缘电缆。表1汇总了目前国内外主要的直流电缆输电工程 [8-12] 。从表1可以看出,目前国内外直流电缆输电工程已经普遍发展到了400 kV以上的电压等级,这主要是由于较低电压等级电缆的输送容量已难以满足日益扩大的能源输送的需求。

1.2 直流电缆生产现状

国内外生产直流电缆的厂家主要有意大利的普睿司曼、瑞士的ABB公司(目前被NKT收购)、韩国的LS电缆、日本的J-power公司,以及中国的中天海缆、宁波东方等;其中技术实力最强的为意大利的普睿司曼公司,其工程业绩上拥有目前世界上电压等级最高的直流电缆应用。ABB公司在柔性直流输电用直流挤包绝缘电缆上实力较强,欧洲的大量柔性直流输电工程都采用了ABB公司生产的电缆,该公司目前已经生产了±525 kV直流挤包绝缘电缆,并且通过了型式试验,±640 kV挤包绝缘电缆也正在开发。日本J-power公司承建的本州到北海道±250 kV的交联直流电缆,是日本最高电压等级的直流电缆。

目前中国高压直流电缆在生产上与欧洲处在同一水平,中国生产的±525 kV挤包绝缘直流电缆已通过型式试验。中国生产直流电缆本体的厂家主要有中天科技海缆有限公司、宁波东方电缆股份有限公司和重庆泰山电缆有限公司;生产直流电缆附件的厂家主要有长缆电工科技股份有限公司和珠海长园电力股份有限公司。近几年中国的电缆及电缆附件的研发生产水平得到了很大提高,相较于2010年,与国际大公司的技术差距明显缩小,技术水平已经接近国际先进水平。

表1 国内外主要直流电缆工程 
Table 1 Major DC cable projects at home and abroad

续表

* 一侧换流站额定功率为800 MW,另一侧额定功率为1200 MW。

2 不同绝缘方式的直流电缆比较

2.1 绕包绝缘电缆

绕包绝缘电缆主要以其生产通过绕制的方式而得名,其主要包括充油电缆、油纸绝缘电缆和聚丙烯薄膜复合纸绝缘电缆,充油电缆又称为自容式充油(self -contained oil-filled,SCOF)电缆、浸渍纸绝缘(mass impregnated,MI)电缆 [13] 。目前SCOF电缆制造实力较强的有日本J-Power公司和意大利的普睿司曼公司,但是由于浸渍剂黏度太低,容易发生绝缘油迁移导致压力失衡,因此需要配套充油设备以维持电缆内浸渍剂压力平衡。尽管近几年已经解决了长距离供油的问题,但复杂的工艺始终制约着SCOF电缆的发展。MI电缆在绝缘材料上选择了黏度更高的浸渍剂,不需要充油设备维持压力平衡。MI-Paper具有较高的工作场强(可达25 kV/mm),但其运行温度不高(在50℃左右),实际输送容量有限。为此,1970年开发出来聚丙烯薄膜复合纸绝缘(polypropylene laminated paper, PPL)电缆,其短时运行温度提高到了90℃ [14] ,由于PPL电缆的性能更好,因此目前的绕包绝缘电缆基本都是聚丙烯薄膜复合纸绝缘电缆。

目前的研究表明,PPL电缆有着更好的电导率温度性能和更好的空间电荷消散性能,非常适合在直流电缆中应用,而且由于其在极性反装中空间电荷更容易消散,因此适应于传统直流输电;其目前通过型式试验最高电压等级的为普睿司曼公司生产的±700 kV的PPL电缆,但由于聚丙烯薄膜复合纸电缆生产成本较高,使用不太便利,因此目前主要在直流海底电缆中应用,特别是在传统直流输电(HVDC-LCC)中应用。

2.2 挤包绝缘电缆

挤包绝缘电缆也是以其生产通过三层共挤出方式而命名,早期主要采用聚乙烯,目前主流采用交联聚乙烯(cross linked polyethylene, XLPE)作为绝缘材料,但最近几年也出现了采用聚丙烯基高分子材料作为绝缘的电缆。

早期运行经验表明,挤包绝缘电缆在远距离直流输电中的稳定性和可靠性不足。1978年,日本使用±250 kV海底XLPE电缆实现北海道与本州岛之间的电力互联时,发现直流预压后反极性击穿电压显著下降,即产生预电压极性效应,并将此现象归因于绝缘层中空间电荷的积累 [15] 。随着柔性直流输电的发展,电压源换流器(VSC)使系统控制更加灵活,不会发生极性反转,而且北欧化工开发了超纯XLPE材料,才使XLPE在直流电缆中得到大量应用。

高压直流XLPE电缆线芯在制造完成后必须进行脱气处理,且直流电缆的脱气时间往往长于高压交流电缆,以减少电缆绝缘中的交联副产物含量及其对电气性能的影响。但即使经过长期集中脱气处理,绝缘中的交联副产物残余量依然不能忽略。因此,为避免交联副产物对绝缘直流电导率和空间电荷性能的不利影响,同时简化高压直流电缆的生产工艺,国际上在探讨将热塑性聚烯烃材料用于高压直流电缆的可行性。

普睿司曼公司开发了基于热塑性聚丙烯(PP)的非交联绝缘材料,材料中无交联副产物,而且由于是热塑性材料可以回收,因此命名为P-Laser电缆,该公司先后制造了320 kV和525 kV P-Laser电缆,且已通过试验验证,但还未有工程应用 [16] 

2.3 绕包绝缘与挤包绝缘电缆比较

挤包绝缘电缆主要采用聚合物材料作为绝缘层材料,聚合物材料具有耐电强度高、生产方便等优点,在交流电缆中得到了广泛应用。但在直流电缆应用中,从电气性能和工业生产的角度来讲,绕包绝缘电缆相比挤包绝缘电缆主要有以下优点:

绕包绝缘电缆有单根生产更长的特点。在生产中由于绕包绝缘电缆主要通过将聚丙烯薄膜复合纸绕制在线芯上,因此理论上可以无限长,而且遇到意外情况可以再继续生产。而对于挤包绝缘电缆,如果遭遇停电或其他因素停止挤出或者达到连续挤出的上限,则此根电缆不能再继续挤出,只能中断;因此在远距离的跨海输电中,只要生产设备和敷设船足够大,绕包绝缘电缆可以采用单根电缆没有中间接头,而挤出绝缘电缆则很难做到。

绕包绝缘电缆空间电荷性能好,可以承受极性反转,目前绕包绝缘电缆广泛应用于传统直流输电,型式试验也通过了适应于HVDC-LCC ±700 kV直流绕包绝缘电缆(传统直流),而挤包绝缘电缆目前仅仅用在柔性直流输电工程中,对于传统直流输电则没有应用。据报道,挤包绝缘电缆如要应用于传统直流,则电压等级可能要降低一半才能使用。

绕包绝缘电缆的主要缺点是生产成本比挤包绝缘电缆高10%~20%,生产工艺复杂(目前世界上仅有几家可以生产聚丙烯薄膜复合纸绝缘电缆,中国目前还不能生产),需要用到矿物油浸渍,对环境不太友好,因此在大多数应用场景,挤包绝缘电缆更有优势。

3 直流电缆的关键技术问题

3.1 电导率温度特性

与交流电场不同的是,在直流电场下,电缆绝缘中的电场分布是不断变化的,它取决于绝缘系统的电阻和电荷分布,与温度、外施电压密切相关。而绝缘电阻一般具有负温度特性,会随温度升高呈指数衰减。当直流电缆运行时,导芯发热将导致绝缘内外形成温度梯度,而绝缘各层温度的变化将直接影响绝缘中的电场分布,导致直流电缆在从空载、负载到满载的运行过程中,出现最大场强从内侧到外侧的反转变化,如图1所示 [6] 

图1 不同温度梯度下±320 kV电缆绝缘层中场强分布 
Fig.1 Electric field distribution in ±320 kV cable under different temperature gradients

绝缘材料的温度电导率特性是直流电缆设计需首要考虑的因素,是直流电缆国家标准中的关键材料控制参数 [8] ,电导率随温度和电场的变化而变化,因此导致直流电缆绝缘中的电场跟负荷密切相关,直接决定了直流电缆所能使用的最高温度。由于交联聚乙烯的温度电导率特性不佳,高温下电导率急剧增大,因此导致目前的直流电缆使用温度普遍在70℃,无法达到90℃。目前国家标准GB/T 31489.1—2015《额定电压500 kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统技术规范 第1部分:试验方法和要求》推荐70℃与30℃下电导率的比值不大于100 [17] ,即

为了能准确计算直流电缆绝缘层中的电场分布,必须得到推导电导率的表达公式(即电导率与电场和温度的函数关系)。在电场强度不高时,即目前传统的电子跳跃电导模型可由式(2)表示 [18] 

式中,σ为电导率;T为温度;E为电场;A为与材料有关的常数;B为场强系数;φ为活化能;q为电子电荷量;k 为波尔兹曼常数。

目前中国的学者通过数据拟合的方法研究公式(2)的适用性,发现公式(3)会使得计算结果更加准确 [19] 

式中,σ 等于在外界温度为0℃及无电场条件下电导率的值;α和β分别为描述电导率的温度关联常数和电场关联常数。

高场强对电导率模型的影响同样存在。研究表明,聚合物绝缘材料的电导机制会随场强发生转变。随着场强的增大,聚合物材料的电导机制由低场强区的欧姆电导发展为高场强区的体效应(Poole-Frenkel),而后至高场强的电极效应(Schottky) [20] ,在不同的区域之间存在电导机制转变的阈值电场。同时研究表明,阈值电场与温度呈负相关,因此T.T.N.Vu提出了一种修正的跳跃电导模型,可以描述高场强下的电导率特性,如公式(4)所示 [21] 

式中,A为常数,电场系数B为随温度变化的函数,即

式中,a、b为常数。

目前中国电科院的研究团队在研究中发现在直流电导的拟合中,采用一个函数描述整个温度段的电导率温度特性是非常困难的,采用分温度段、分电场段拟合的方法,拟合数值可以很好地与测量值相吻合。改进后的电导率表达式为 [22]

式中,A、B、C为待定系数,B反映了材料对温度的变化,C反映了材料对电场的变化。B和C确定后,就可以确定A,表2是拟合的商用直流电缆料A、B和C的值。图2是商用直流电缆料在10 kV/mm和15 kV/mm下的电导率实测与拟合值的比较 [23] 。但分段拟合也有一定缺点,在温度分段点附近,例如70℃,第二个分段函数与第三个分段函数计算结果就可能存在差异,这时候需要用实测值来矫正分段函数,而且分段越密集,则拟合越接近实测值。

表2 XLPE电导率函数分段拟合结果 
Table 2 Sectional fitting result of XLPE conductivity function

图2 电导率拟合值与实测值比较 
Fig.2 Conductivity fitting value compared with the measured values

3.2 空间电荷

研究认为,从电极注入到电介质中的电子或空穴在电场下会发生迁移,被介质中的陷阱所捕获会形成空间电荷。通常空间电荷积累在靠近电极的区域,但如果介质不均匀时,空间电荷会出现在电介质中其他位置上 [24] 

固体电介质中,空间电荷会引起局部场强的畸变,根据泊松方程,平均1 C/m 的空间电荷可以在附近1 mm的地方产生近50 MV/m的场强 [25] 。因此,需要研究电介质内空间电荷特性和抑制空间电荷积聚的方法。

空间电荷电场服从泊松分布,空间电荷造成的电场主要通过以下公式计算 [26]

式中,ρ(x)为从阴极开始x处的空间电荷密度,C/m ;ε =8.85×10 -12 F/m,ε 为对应温度下的相对介电常数;d为试样厚度。

空间电荷的测量通常采用PEA(电声脉冲法测量),测量结果通过公式(7)可以得到泊松电场分布,但在实际测量中,测量的结果通常是离散的,因此公式(7)必须变为离散公式。

假定空间电荷测量结果分辨率为Δd,m;空间电荷测量结果为离散分布,x处的空间电荷密度为ρ(x),x为从阴极开始试样x处的空间电荷密度;则公式(7)可等效为公式(8),从阴极开始x处的电场强度为

式中,E(x)为从阴极开始x处的电场强度,kV/mm。

目前空间电荷的研究已经从平板试样开始向实际电缆发展,开始研究直流电缆在实际工况下的空间电荷长期演化特性。图3为30 kV直流电缆(绝缘厚度约4 mm)在负荷循环试验中的空间电荷分布 [27] 。从图中可以看出随着温度的增加,越来越多的异极性电荷从阳极(高温侧)注入,造成阳极界面处的电荷减少,这些电荷逐渐向阴极迁移,使阴极附近的部分负电荷积聚到阴极上,造成阴极界面处电荷的少量增加。

图3 直流电缆负荷循环试验中的空间电荷分布 
Fig.3 Distribution of space charge during 24 hours for load cycle

3.3 界面电荷

电缆接头通常是由硅橡胶或者三元乙丙橡胶制成,其介电常数为2.5~3.0,而交联聚乙烯介电常数为2.3,两者差别不大,因此在交流下界面电荷积聚不明显,但在直流电场下由于硅橡胶或三元乙丙橡胶的电导率与交联聚乙烯有差别,特别是硅橡胶其电导率与交联聚乙烯有一个数量级的差别,因此在硅橡胶与交联聚乙烯的界面就会产生界面电荷的积聚。虽然没有研究表明是界面电荷导致了电缆接头故障,但是从目前的试验结果来看,直流电缆接头很容易在界面发生击穿。电缆接头的沿界面击穿如图4所示。

图4 电缆接头的沿界面击穿 
Fig.4 Flashover along the interface of cable joint

通过Maxwell-Wagner效应计算接头绝缘中双层介质界面上的电荷聚集和电场畸变 [28-30] (不考虑电极电荷注入),根据图5得出

式中,E (r)、E (r)分别表示绝缘层1和2中半径为r处的场强值;r 、r 分别表示导体与外屏蔽的半径;r 表示两种绝缘介质界面的半径,且两种介质的介电常数分别为ε 和ε ;U代表线芯电压,E (r )、E (r )分别代表界面上绝缘层1和2中的法向电场强度;q表示界面上的电荷密度。

图5 双层绝缘柱状模型 
Fig.5 Two-layer insulating column model

根据等泄漏电流定律可以计算得到

式中,J为绝缘泄漏电流密度;σ 和σ 为两种介质的电导率。由于σ 和σ 均受温度和场强影响,则界面电荷q的极性可能会发生反转。根据公式(11)和公式J (r) =σE (r)可以得到

可以看出,直流电压下绝缘层中稳态电场强度仅由电导率决定,而与介电常数无关。这是由于双层介质中电导率不匹配导致输送到界面上的电荷与界面输出电荷不一致。达到稳定状态后,界面电荷q聚集使界面电场连续,并使两侧的泄漏电流达到平衡。因此可以借助于有限元仿真分析,研究直流电缆附件界面电荷性能和电场分布,有助于对附件结构进行优化。

3.4 关键技术问题讨论

1)目前国内外的研究重点都在直流电缆的电导率温度特性和空间电荷特性,以及通过改性提升直流电缆材料电导率和空间电荷性能;但对于直流电缆电场计算的简化解析计算方法、电导率的简化拟合方法、空间电荷电场方面的研究还存在不足。

2)国家标准GB/T31489.1—2015推荐对电导率温度特性的要求存在问题。国家标准只规定了70℃与30℃时的电导率比值在一定范围内,但电导率随温度变化呈指数增长,若一种绝缘材料的电导率满足  也符合国家标准,但是此种材料在70℃工作温度下,其绝缘层内外的场强差很大,将很难满足电缆工作要求。因此需要采用全工作温度范围内  作为要求绝缘材料电导特性的依据,更加符合直流电缆实际运行的要求。

3)目前对于直流电缆接头的界面电荷还缺乏测量手段,而仅通过计算又很难了解界面电荷在电缆接头故障发展中的作用,因此直流电场下电缆接头中界面电荷的影响因素、界面电荷对沿面闪络的影响应该是以后直流电缆研究的重点。

4 直流电缆的发展展望

目前直流挤包绝缘电缆的最大输送容量很难超过3 GW,最大输送容量在2.7 GW左右(采用3000 mm 导体截面,电压等级±525 kV,载流量按照2700 A计算);直流绕包绝缘电缆的最大输送容量在3.8 GW左右(采用3000 mm 导体截面,电压等级±700 kV,载流量按照2700 A计算),但这样的输送容量已经难以满足远距离能源传输4 GW以上的需求。

因此直流电缆必须朝着更高电压等级、更高运行温度发展,才能满足未来远距离电能传输的需求。但对于更高电压等级,例如±800 kV直流电缆,主要存在以下关键技术问题:

1)对于挤包绝缘电缆,更高电压等级需要更厚的绝缘层,但目前世界电缆生产线上最大的挤出绝缘厚度在30 mm左右,再增加厚度挤出困难,而且绝缘厚度越厚越不利于脱气。

2)对于绕包绝缘电缆,目前已经研发出±700 kV特高压直流电缆,可能更容易研发出±800 kV直流电缆,但由于绕包绝缘电缆长期运行温度难以提高,因此其载流量不会超过同电压等级的挤出绝缘电缆。

5 结论

1)直流电缆分为绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆,绕包绝缘电缆有单根生产更长、空间电荷性能好、可以承受极性反转的优点。缺点主要是生产成本比挤包绝缘电缆高10% ~20%,生产工艺复杂,对环境不友好。

2)直流电缆的关键技术问题是电导率温度特性、空间电荷和界面电荷特性,目前国内外的研究重点都在通过改性提升直流电缆材料电导率和空间电荷性能;对于直流电缆接头的界面电荷特性还有待开展深入研究。

3)直流电缆电导率温度特性可以采用分温度、分电场区间的方法进行拟合,电导率公式可以采用简化的三变量公式来拟合,拟合结果与实测结果比较接近。

4)直流电缆必须朝着更高电压等级、更高运行温度发展,才能满足未来远距离电能传输的需求。

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Review and Prospect of DC Cable Transmission in the World  

CHEN Zhengzheng , ZHAO Peng , ZHAO Jiankang , OUYANG Benhong , HU Kai , ZHENG Xinlong 
(1.China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430074, Hubei Province, China;2.Zhoushan Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Zhoushan 316021, Zhejiang Province, China)

Absrtact: In recent 20 years, DC cable has made great progress due to the demand of new energy grid, offshore wind power and cross-sea transmission.This paper reviews the development of DC cable briefly, and introduces the main DC cable transmission project and the current production status of DC cable used in the world.Moreover, in this paper, we introduce and compare the DC cable with different insulation types, and probe into the key technical problems of DC cable, including the conductivity influenced by temperature and the space charge characteristics.At last, the development of DC cable is prospected.These studies can provide reference for the future development of UHVDC cable.

Keyword: DC cable; XLPE; PPLP; electric conductivity; space charge

National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900700); Science and Technology Foundation of SGCC ‘Research on Running Characteristic of DC Cable and Intelligent Patrol Technology of Submarine Cable’.


陈铮铮

作者简介:

陈铮铮(1986),男,博士研究生,高级工程师,主要从事高压直流电缆运行技术及其他绝缘方面的研究工作,E-mail:chenzhengzheng@epri.sgcc.com.cn。

赵鹏(1993),男,工程师,主要从事高压直流电缆、接头终端等绝缘和仿真方面的研究工作,E-m ail:1543639122@qq.com。

赵健康(1963),男,博士,教授级高级工程师,主要从事电力电缆运行技术研究工作,E-m ail:zhaojiankang@epri.sgcc.com.cn。

(责任编辑 赵杨)


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