基于有限元法对±320 kV直流XLPE电缆中间接头电场与空间电荷的仿真计算

电场、温度场及空间电荷分布是高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆中间接头设计优化的重要参数。为此,利用COMSOL仿真软件计算了组合预制式、整体预制式2种电缆中间接头的电场分布、温度场分布、以及空间电荷分布,并分析了不同类型电缆中间接头各自的特点,提出了选型建议;针对2种类型的电缆中间接头,研究了材料参数、结构尺寸等因素对其性能的影响。结果表明:相较于整体预制式电缆中间接头,组合预制式电缆中间接头拥有更好的应用前景;通过对材料参数以及尺寸的研究发现,当使用硅橡胶(SR)作为电缆附件主要绝缘材料且硅橡胶电导率与电缆本体绝缘XLPE电导率的比值k约为10时,绝缘界面上的电场、温度场和空间电荷分布最优;优化应力锥曲线曲率半径、压接管厚度、内屏蔽层厚度等尺寸均能改善电场分布,且尺寸变化所达到的优化效果不如材料改性的优化效果显著,但却更具针对性。因此高压直流电缆中间接头的设计应以材料研制为主,以尺寸修正为辅。     

半导电层的高频特性对电缆附件内电场分布的影响

电缆附件常常在系统电压开合闸过程中发生故障,除了高频暂态过电压的原因外,电缆附件材料的高频特性也值得关注。本文基于35 kV冷缩式电缆附件及电缆,测量了附件用绝缘料三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(SIR)及其半导电料与电缆用绝缘料交联聚乙烯(XLPE)及其外半导电料在MHz～GHz的介电频谱。根据测量结果,仿真计算了35 kV电缆中间接头在直流电压、交流叠加暂态(MHz～GHz)、直流叠加暂态(MHz～GHz)过电压下的内电场分布。结果表明:对于EPDM、SIR附件绝缘料及XLPE电缆绝缘料,当频率从MHz升高至GHz时,介电常数几乎不变,但电导率上升了2～3个数量级;对于电缆及附件用半导电料,当频率从MHz升高至GHz时,电导率增大,介电常数减小,其中电缆外半导电料的电导率和介电常数变化更大。仿真结果显示,在高频暂态电压作用下,电缆本体与附件界面处场强将超出设计安全值,在施加频率为1 MHz的电压时,电缆附件电场分布符合设计安全值,当施加频率达到100 MHz和1 000 MHz的电压时,附件橡胶绝缘与电缆绝缘界面电场分别达到2.765 kV/mm和5.613 kV/mm,有可能造成界面击穿故障,从而影响电缆附件的运行可靠性。     

500 kV直流电缆接头增强绝缘设计关键参数及其控制研究

500 kV直流电缆接头设计的核心内容是增强绝缘的材料性能和几何结构.本文计算和仿真了直流电缆接头内电缆主绝缘与增强绝缘双层介质的电场分布特征,分析了直流电缆接头由界面放电引起的击穿故障的发展机理,测试了直流电缆接头中的交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)介质界面的击穿特性.结果表明:增强绝缘与电缆接头主绝缘的电导率和界面切向电场强度是增强绝缘设计的关键参数;增强绝缘材料的电导率在温度和电场容许范围内应始终小于XLPE;主绝缘与增强绝缘界面的切向电场强度是影响直流电缆接头运行可靠性的关键控制参数,在最不利的条件下其阈值为2.5 kV/mm.研究结果为解决直流电缆接头尤其是增强绝缘的设计问题提供了新方法.     

±320kV直流电缆交联聚乙烯/三元乙丙橡胶附件击穿特性

高压直流电缆接头与终端为电缆系统故障的多发点,其击穿强度为直流输电系统安全稳定运行的重要基础。文中以±320 kV高压直流海底电缆中交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)/三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)附件为研究对象。首先,研究电缆及附件负荷循环耐压试验,发现附件界面为击穿薄弱环节;其次,研究绝缘材料电导率随温度变化特性对电场分布的影响规律,通过有限元仿真模拟电缆空载和满载运行时附件的温度分布与电场分布,发现最大电场出现在电缆绝缘靠近附件应力锥一侧,为29.5 kV/mm,低于附件材料的击穿场强;最后,研究界面在直流电场下空间电荷特性对电场分布规律的影响,通过电声脉冲法测试复合叠层片状样品介质界面的空间电荷及其电场分布,发现场强畸变率约为100%~200%。同材料本征绝缘匹配相比,界面空间电荷积聚对附件内部电场造成的畸变程度更严重,在后续附件提升中应更注重开发抑制空间电荷的绝缘材料。     

基于Comsol仿真的高压直流电缆附件材料电导率特性研究北大核心CSCD

高压直流电缆系统是实现远距离、大容量输电及海上新能源接入的关键电力设备之一。文中以500 kV直流电缆接头为研究对象,研究了附件用硅橡胶材料(SIR)的电导率特性对接头电场、电荷分布的影响,结果表明,增大硅橡胶材料的电导率常数和场强依赖系数,减少材料的活化能,能改善接头内部电场畸变,减少空间电荷的集聚。并以双组份加成型液体硅橡胶(LSR)和碳酸铜钙纳米纤维(CCTO)制备了接头增强绝缘材料,测试了其电导率特性,研究了不同电导率参数下的电场分布特点。最后,根据试验仿真结果,试制了500 kV直流电缆接头样机,通过了例行试验。文中的研究成果为500 kV乃至640 k V直流电缆附件材料的开发奠定了理论依据。     

30kV直流XLPE电缆电场及温度场的仿真计算

根据电流场和静电场理论,分析了在计算电缆绝缘层电场分布时必须同时考虑电导率和空间电荷的影响。为计算直流交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘层径向电场及温度场分布,应用多物理场有限元仿真软件COMSOL模拟实际运行工况,解决了电热耦合场场量的计算。仿真计算时,电导率模型采用的是最适合XLPE绝缘材料的经验公式;设计阶段的空间电荷数据是采用电声脉冲（PEA）技术测量绝缘样品而得到。仿真计算结果表明,设计的30kV直流XLPE电缆是满足设计和实际运行要求的。     

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。     

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程研究

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程是国内首条采用柔性直流输电电缆的工程。针对这些电缆,通过脉冲电声测试方法得到了空间电荷的分布规律,在温控电极系统中研究了不同温度和电场下绝缘材料电导率的变化规律,进而计算得到了电缆绝缘层的电场分布。介绍了直流电缆敷设时为消除与附近交流电缆的感性耦合影响所需采取的相应措施以及电缆附件安装关键工艺等。研究结果表明:进行电缆附件设计时需重点考虑电缆绝缘层与附件绝缘层交界面上累积空间电荷的影响;且2种绝缘材料的电导率与介电常数之比越接近,则界面电荷越少。     

温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响分析

高压直流电缆附件中的电场分布主要取决于绝缘材料的电导率而非相对介电常数,由于交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SR)2种绝缘材料电导率差异较大,且受电场强度和温度影响较严重,导致直流电缆附件的设计比交流附件复杂得多。为此,采用软件仿真手段分析了不同温度梯度作用时,直流电压、直流叠加冲击电压下电缆接头中的电场分布情况。研究结果表明:在直流电压下,随着温度的升高电缆接头内的最大电场强度(简称场强)及XLPE/SR分界面的切向场强会大幅增加,而且绝缘内最大场强出现位置也会由高压屏蔽端部转移到应力锥根部;当直流叠加冲击电压作用时,接头内的电场分布会出现3个场强极大值点,压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大,且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化;直流叠加正极性冲击电压作用下,压接管端部SR材料内侧和应力锥根部XLPE材料内侧的场强随温度的升高而降低,而在直流叠加负极性冲击电压作用下这2点的场强随温度的升高而增大。以上研究结果可供高压直流电缆附件设计参考。     

空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节,直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此,基于直流电缆运行中的温度梯度效应,通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)/交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性,建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型,根据SR及XLPE的电阻率-温度特性及空间电荷测量结果,探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现:随着温度梯度(温差)的增加,电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度;存在空间电荷效应时,温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小,同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。     

XLPE交流电缆线路改为直流运行的载流量设计与分析

在现役XLPE交流电缆线路的直流改造中,载流量的合理设计是关键问题之一,决定了改造线路的传输容量和运行可靠性。文中对同一线路在交、直流电压下运行时的等效热路模型及载流量解析算法进行了对比,分析了造成交、直流线路载流量差异的关键因素,并以空气敷设的三芯10 kV XLPE电缆为例,进行了同一线路在相同敷设条件下的交、直流载流量模拟试验。研究发现,目前直流改造所涉及的现役XLPE交流电缆线路,在进行直流载流量评估时,绝缘温差要求不成为限制条件,仅需考虑线芯温度限制、按照IEC60287-2017推荐方法进行计算;在线芯电阻、金属护套损耗、载流芯数、环境热阻及线芯允许长期工作温度等影响因素中,交流电缆改为直流运行后线芯允许工作温度由90℃下降为70℃,在很大程度上抵消了其他因素对载流量的有利贡献;10 kV XLPE电缆载流量模拟试验数据和解析计算结果吻合,偏差很小,验证了解析计算方法的有效性。对10、35 kV三芯和110 kV单芯电缆在不同典型敷设情况下的交、直流载流量计算显示,改为直流运行后,三芯电缆的载流量略有增加,单芯电缆稍有下降,变化幅度均未超过6.5%。     

我国高压及超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展

本文介绍我国 110 k V及 2 2 0 k V交联聚乙烯 (XL PE)绝缘电缆及其附件的发展。高压 XL PE电缆是我国城市电网建设与改造工程采用地下电缆输电系统的首选产品。本文叙述 XL PE电缆的绝缘设计原则、绝缘质量控制要求 ,特别是绝缘中杂质、微孔以及绝缘与半导电屏蔽界面的微孔与凸起、绝缘收缩与交联工艺的关系 ,及电缆附件的选型与预制附件橡胶应力锥的设计方法。介绍了我国特大城市 ,上海、北京与广州高压电缆系统的应用情况。最后对我国 110 k V及 2 2 0 k V XL PE电缆及附件进一步发展以及 5 0 0 k V XL PE电缆系统发展与应用前景作了预测     

35 kV及以下XLPE电力电缆试验方法的研究

通过对交链聚乙烯（ＸＬＰＥ）电力电缆试品的工频、０．１Ｈｚ超低频和振荡３种击穿电压的平行比对试验研究,探讨能够有效发现、判别ＸＬＰＥ电力电缆运行故障隐患的试验方法,试验研究结果表明：振荡波电压试验能够有效地发现电力电缆及其附件的制造和安装质量缺陷,超低频电压试验能够有效地发现电力电缆及其附件绝缘树枝状早期劣化缺陷;工频电压试验是一种较好的方法,需进一步深入研究。     

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。     

10～35kV XLPE电缆在线监测技术

对用于配电电网的交联聚乙烯（XLPE）电力电缆绝缘在线监测技术的研究现状进行了回顾,对各种在线监测技术的技术特点和问题作了分析比较,包括直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、交流叠加法、低频叠加法、损耗电流测量法、接地线电流测量法及局部放电法。探讨了XLPE电力电缆绝缘在线监测技术的发展方向。     

10￣35 kVXLPE电缆在线监测技术

对用于配电电网的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测技术的研究现状进行了回顾,对各种在线监测技术的技术特点和问题作了分析比较,包括直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、交流叠加法、低频叠加法、损耗电流测量法、接地线电流测量法及局部放电法。探讨了XLPE电力电缆绝缘在线监测技术的发展方向。     

高压交联聚乙烯绝缘电缆线路中的预制式电缆附件

介绍了电缆附件的分类和预制式电缆附件的结构,通过分析高压交联聚乙烯绝缘电缆(XLPE电缆)及其附件的电场分布,详细叙述了预制式电缆附件的优化设计方案,并给出应力锥面曲线的计算公式,介绍了预制件加工成型的过程,同时指出:应注意选用材料的性能,对安装过程中剥切绝缘层、表面打磨、过渡面处理以及绝缘表面的硅脂涂抹等工艺均应严格把关,才能保证预制式电缆附件在XLPE电缆线路中得到有效的应用.     

Practical Application of ±250‐kV DC‐XLPE Cable for Hokkaido–Honshu HVDC Link

The long‐term dc properties of DC‐XLPE insulation materials, which have been developed for dc use, were investigated. It was found that the lifetime of DC‐XLPE under dc voltage application is extended by the addition of nano‐sized filler. The time dependence of the space charge distribution at 50 kV/mm was observed for 7 days. Almost no accumulation of space charge in DC‐XLPE was found. The 250‐kV DC‐XLPE cables and accessories were manufactured and subjected to a type test and PQ test for use in the Hokkaido–Honshu dc link facility owned by the Electric Power Development Co., Ltd. These tests were performed under conditions that included a polarity reversal test for line commutated converter (LCC) systems as recommended in CIGRE TB 219. The test temperature was 90 °C. The type test and PQ test were successfully completed. The DC‐XLPE cable and accessories were installed in summer 2012 for the Hokkaido–Honshu dc link. After the installation of the dc extruded cable system, a dc high‐voltage test at 362.5 kV (=1.45 PU) for 15 min was successfully completed in accordance with CIGRE TB 219. This dc extruded cable system was put into operation in December 2012 as the world's highest‐voltage extruded dc cable in service and the world's first dc extruded cable for a LCC system including polarity reversal operation.     

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。     

高压及超高压XLPE电缆附件的技术进展

本文叙述了高压及超高压 XL PE电缆附件最新技术进展情况。对 XL PE电缆附件的设计与制造的基本及关键问题 ,特别对预制附件的电场控制优化条件及质量控制的主要问题作了分析讨论 ,最后对我国高压及超高压 XL PE电缆附件的技术发展方向提出建议