±160 kV直流XLPE海底电缆载流特性仿真及试验

南澳岛±160 k V多端柔性直流输电工程在我国首次采用了高电压、大长度的挤包绝缘直流电缆系统,而目前在国内尚无此电压等级直流电缆工程的运行及维护经验,因此亟需对交联聚乙烯(XLPE)直流电缆的载流特性展开研究,从而为直流电缆线路运行限值的控制以及在线监测系统的定制提供技术支持。通过研究不同敷设环境下直流电缆的散热原理,采用专业有限元软件COMSOL Multiphysics建立了带保护套管埋地敷设方式下±160 k V直流XLPE海底电缆的温度场模型,用以模拟其温度分布和计算其载流量;通过在试验场地开展静态载流试验,对仿真模型的可靠性进行了验证;对试验结果进行讨论,分析得出了直流海缆的载流特性。     

高压直流电缆稳态载流量解析计算方法

高压直流电缆稳态载流量的准确计算对于其传输能力的充分利用具有重要意义。首先,提出了高压直流电缆稳态载流量解析计算方法,该方法同时考虑了线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差。其次,利用该方法对?160 kV交联聚乙烯直流电缆稳态载流量进行了计算,并用有限元法进行了验证。最后,研究了敷设环境温度、线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差对直流电缆稳态载流量的影响规律,发现考虑线芯导体最高长期允许温度和考虑绝缘层最大允许温差的直流电缆稳态载流量随敷设环境温度的变化曲线可能存在交点,当敷设环境温度高于交点温度时,线芯导体最高长期允许温度决定了稳态载流量;当敷设环境温度低于交点温度时,绝缘层最大允许温差决定了稳态载流量。     

10kV交流XLPE电缆在不同直流拓扑结构和敷设方式下的直流载流量仿真研究

为了研究电缆敷设方式、直流拓扑结构以及环境因素对交流电缆直流载流量的影响,以10 kV交流配电网中广泛使用的三芯交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电缆为例,通过有限元仿真软件建立电缆温度场和流场耦合仿真模型,得到了直埋敷设、排管敷设和沟槽敷设下电缆分别以双极式、单极式、三线双极式(three-wire bipole structure based HVDC,TWBS-HVDC)3种直流拓扑结构运行时的直流载流量、温度分布和流场分布.结果 表明:在相同敷设方式下,电缆以TWBS-HVDC运行时的载流量最大,而以单极式运行时的载流量最小;电缆以单极式运行时的总电流容量最大,而以双极式运行时的总电流容量最小.与直埋敷设和排管敷设相比,沟槽敷设下敷设深度、深层土壤温度和土壤导热系数对电缆载流量的影响较小,而空气温度和空气对流换热系数对电缆载流量的影响较大.随着敷设深度的变化,其余环境因素对电缆载流量的影响程度也随之变化.研究结果可为10 kV交流XLPE电缆的直流改造工程提供理论依据.     

高压直流电缆直流载流量计算和验证

为了掌握高压直流电缆直流载流量,最大限度的利用电缆的输送能力,通过理论计算与试验测量结合的方式,研究了±535kV高压直流电缆直流载流量。基于IEC60287计算了导体运行温度为70℃和90℃时的直流载流量,同时搭建了载流量试验回路,实测了运行温度为70℃和90℃时的直流载流量。试验表明,自由空气中敷设、电缆不受日光直接照射,70℃的载流量为3 266A,90℃的载流量为3 682A,90℃运行与70℃运行相比载流量提升12.7%;高压直流电缆载流量理论计算结果与实测结果基本一致,两者相差不超过0.5%。     

±500 kV高压直流XLPE电缆温度分布及其影响因素研究

温度分布是直流电缆运维检修的重要参数之一。由于高压直流输电起步较晚，高压直流电缆的研究不如交流电缆丰富、深入，因此对其温度分布影响因素的研究具有重要意义。通过Comsol有限元软件建立二维对称模型，计算±500 kV高压直流XLPE电缆稳态运行时的温度分布，求出适合电缆长期运行的载流量，并从载流量和环境温度两方面研究温度分布变化。仿真结果表明：载流量对温度分布变化具有较大的影响，当环境温度高于15℃时，导体温度约束载流量大小，环境温度低于15℃时，绝缘层最大允许温差约束载流量大小。最后通过实验验证了仿真的正确性。     

中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV

自2012年起,先后有±160 kV、±200 kV及 ±320 kV 交联聚乙烯（XLPE）绝缘的高压直流电缆投入了柔性直流输电工程应用或进入现场敷设。它们分别是：2013年12月投入运行的南澳三端柔性直流输电工程,采用37 km的±160 kV直流海底和直流陆地电缆,用于连接南澳岛大型风场与陆地电网;2014年6月投入运行的舟山±200 kV多端柔性直流输电工程,海底电缆总长度达到294 km;正在建设的厦门±320 kV柔性直流输电工程,电缆总长度21 km,计划于2015年12月投入运行。以上三项柔性直流输电工程的成功建设与运行,也使中国的挤出绝缘高压直流电缆在电压等级上实现了三级跳式的跨越。本文介绍了XLPE绝缘高压直流电缆研发过程中针对材料特性、空间电荷分布、脱气及测试方法等方面的研究成果。并简要介绍了三个电压等级电缆现有柔性直流工程中的应用情况。     

多种敷设方式下集群电缆的直流载流量仿真研究北大核心CSCD

为了研究集群电缆敷设方式、回路间距、回路数以及排列方式对交流集群电缆直流载流量的影响,以10 kV交流配电网中广泛使用的三芯交联聚乙烯(XLPE)电缆为例,通过有限元仿真软件建立集群电缆的温度场和流场耦合仿真模型,得到了直埋敷设、排管敷设和沟槽敷设下集群电缆以双极式直流拓扑结构运行时的直流载流量、温度分布和流场分布。结果表明:随着回路间距和回路数的增大,集群电缆载流量的变化速率逐渐减小。直埋敷设下集群电缆之间的热场相互作用最大,而沟槽敷设下集群电缆之间的热场相互作用最小。增大集群电缆水平间距来提高直流载流量的效果要优于增大垂直间距。随着集群电缆距沟槽壁的水平距离增大,直流载流量呈现缓慢的下降趋势。研究结果可为多回路10 kV交流XLPE电缆的直流改造工程提供理论依据。     

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%。     

多种敷设方式下10 kV交流XLPE电缆改为三极式直流运行的热电耦合仿真分析

仿真计算多种敷设方式下的10 kV交流电缆改为三极式直流运行时的温度分布、流场分布和电场分布,结果表明：当电缆改为三极式直流运行后,沟槽敷设时的最大直流电流和最大直流输送功率最大,而排管敷设时的最大直流电流和最大直流输送功率最小;排管敷设时的短路倍数最大,而沟槽敷设时的短路倍数最小。10 kV交流电缆在多种敷设方式下的直流电压等级均可取20 kV。该研究结果可为相关工程提供理论依据。     

直流电缆上交流分量的计算及其屏蔽

交直流电缆并行敷设时,交流电缆会在直流电缆上产生感应电动势,进而产生工频电流分量.为此,针对上海柔性直流输电工程中可能的几种敷设方式下,对交流电缆在直流电缆上的感应电动势进行了计算,并且实测了不同接地方式下直流电缆金属屏蔽层对交流分量的屏蔽系数.计算结果表明,不同的敷设方式下交流电缆在直流电缆上产生的纵向感应电动势不同,三相交流电缆对直流电缆电磁耦合距离的不同是产生纵向感应电动势的根本原因;计算结果还发现在三相交流电缆与直流电缆耦合距离越远,所产生的纵向感应电动势越小;在4种敷设方式下,耦合距离超过2m后纵向感应电动势趋近于0.最后,还给出了实际工程中考虑屏蔽效应的直流电缆上感应电动势的计算方法,并且提出了屏蔽直流电缆上交流分量的方法.     

工作温度和绝缘温差约束下的高压直流电缆接头载流量计算

中间接头是高压电缆线路运行中故障多发的薄弱环节,电缆系统的载流量会因中间接头的结构特点而受到限制。直流下电缆载流量的约束条件与交流不同,不能直接依据交流电缆中间接头载流量的计算方法。为此,文中以直流电缆中间接头的温度场计算等理论研究为基础,提出以接头导体最高允许工作温度和绝缘层内外表面最大允许温差为两个约束条件,确定高压直流电缆中间接头载流量的方法。通过案例分析,将文中方法与IEC 60287标准计算的载流量进行了对比,并就环境温度对载流量的影响进行了分析。结果表明,中间接头的确是电缆系统载流量计算限制条件之一。两个约束条件下的载流量与环境温度的关系曲线将相交于一点,当环境温度小于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为绝缘层内外表面最大允许温差;当环境温度大于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为接头导体最大允许温度。研究结果可为直流电缆系统运行与载流量设计提供参考。     

适用于柔性直流电网的500 kV级直流电缆与架空线路并联运行控制及保护策略

高压直流电缆是跨海长距离输电和新能源并网的重要装备,高电压等级、高通流能力的直流电缆还处于研发阶段。为推进高压直流电缆研发,考验长期运行性能,依托国内某±500 kV柔性直流电网工程建立了直流电缆综合试验站。该柔性直流工程线路主要采用架空线,试验站位于其中一个换流站单极出线处,采用直流电缆与架空线路并联运行方式,其运行控制和保护配合复杂、可靠性要求极高,尚无工程经验可循。针对500 kV级直流电缆试验段与架空线路并联切换运行的接线方式,提出了试验站直流电缆监视和投入退出控制策略、故障保护策略以及过负荷运行控制保护策略。仿真试验结果证明,所提策略可保证直流电缆接入柔性直流电网后可靠运行。     

66kV交流交联聚乙烯电缆线路改为直流运行的直流载流量

将交流电缆线路改为直流运行是提高电缆线路输送功率的有效途径之一,确定交流电缆的直流载流量对电缆的交流改直流运行意义重大。为此,采用解析法和数值法分析了空气中敷设66 kV电压等级交流交联聚乙烯(XLPE)电缆的直流载流量,开展了直流载流试验;同时采用数值法计算了直埋敷设2根平行排列交流电缆的直流载流量,并计算了电缆改为直流运行后的输送功率。计算结果表明:对于空气中敷设的交流电缆,采用解析法和数值法得到的直流载流量与试验测试结果基本一致(780 A);直埋敷设交流电缆的直流载流量约为710 A;当交流电缆改为直流运行的工作电压取57 kV时,其输送功率和原交流系统相等。上述结果验证了解析法在计算高压(66 kV)电缆直流载流量时的适用性,同时为后续66 kV交流电缆线路改为直流运行奠定了基础。     

海底交直流电缆输电系统经济性比较

针对海底电缆输电方式的选择问题,运用现金流折现模型,从经济层面对交流输电系统和直流输电系统进行比较。分别从设备投资成本、维护成本和损耗费用3个方面对海底交直流电缆输电系统的成本进行了探讨,给出了各部分成本的计算方法。以海底电缆连接海上风力发电场和内陆电网为基本模型,对不同输电距离下海底交直流电缆输电系统的经济性进行了比较,得到了不同输电距离下交直流系统的经济性比较结果。研究结果表明：当输电距离较短时,交流海缆输电系统经济性优于直流海缆输电系统;当输电距离大于临界值时,直流海缆输电系统比交流海缆输电系统更经济。     

柔性直流电缆及附件系统型式试验设计方法

为满足国内柔性直流输电工程对于电缆及附件产品试验评估的要求,以XLPE电缆在直流电场中的极性反转、长时间效应及不同外施电场下的畸变情况等相关研究为基础,建立了完善的高压直流电缆及附件的评估方法和试验系统,为此,结合±160 kV南澳柔性直流输电工程的要求完成电缆及附件产品型式试验的项目设计,搭建试验回路并选取参数进行型式试验,最终验证相应直流电缆及附件产品质量满足工程需求。     

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。     

110kV海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析

敷设方式是影响运行电缆允许载流量的主要因素,研究不同敷设方式下海底电缆的允许载流量,对海缆工程的设计及运行、海缆高效率输电有着重要的参考和指导意义。基于对一般海缆工程敷设环境的分析,总结了海底电缆五种不同的敷设方式,以珠海桂山海上风电场110 kV送出海缆工程的敷设环境和HYJQF41-F 110 kV 1×500 mm2的单芯海缆为例,利用IEC 60287标准计算不同敷设方式下的允许载流量,分析对比不同敷设方式对海底电缆载流量的影响,得出海底电缆允许载流量的瓶颈点为带金属保护管埋地的登陆段,对指导海底电缆的安全高效运行有参考意义。     

10 kV三芯交流电缆不同敷设情况下的直流化改造

本文以城市配电网中常见的10 kV三芯交流电缆为例,对空气、直埋和排管这三种敷设情况下的电缆进行直流化改造仿真研究。采用ANSYS有限元仿真软件中的热-电耦合模块和电磁-热-流耦合模块对电缆进行仿真,并将电缆分为单极不对称、双极三线和三极共三种接线方式。首先依据温度场和电场仿真结果得出三种敷设情况三种接线方式下电缆的直流载流量和合适的运行电压范围,然后以仿真所得到的载流量和运行电压为基础,分析电缆改造前后的最大传输功率大小,最后进行多回线路敷设时的温度场仿真。研究结果表明,交流电缆直流化改造后功率传输能力有了一定的提升,且直埋敷设提升效果更为明显。     

交直流电缆共沟敷设电磁环境影响因素

随着城市电力的扩张以及电力需求的增大,为解决地下电缆传输空间用地紧张的问题,新建的直流电缆将敷设在原有的交流隧道中,从而使电缆隧道内电磁场变得更为复杂.该文针对±320kV直流电缆和220kV交流电缆共沟敷设隧道建立电磁场仿真模型;计算隧道内的电磁场分布以及交流电缆在直流电缆上产生的感应电压;分析交直流电缆之间的距离、...     

基于有限元算法的电缆动态流量计算方法研究

电缆载流量是电缆运行中受环境条件和负荷影响的重要动态运行参数,是输电线路运行经济性和安全性的重要保障。然而,电力电缆因其自身结构特点和运行工况的复杂性,造成了计算电缆载流量的困难。采用高效精确的有限元法来计算电缆载流量,将电缆和敷设环境的截面进行单元划分,将电缆载流量计算转化为对单元顶点温度求极值的问题。采用有限元算法来计算电缆载流量,在保证计算速度满足工程应用要求的同时,提高了计算精度。