我国发展直流海底电力电缆的前景.pdf
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1、2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun , 2012 我国发展直流海底电力电缆的前景 应启良 ( 上海电缆研究所,上海 200093) 摘要: 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
2、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。 关键词: 直流海底电缆输电;直流 XLPE 海缆;Bahder 系数;空间电荷;抑制空间电荷绝缘料 中图分类号: TM247. 9文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 03- 0001- 08 The Prospect of Development of DC Submarine Cables
3、in China YING Qi- liang ( Shanghai Electric Cable Research Institute,Shanghai 200093,China) Abstract:A list of world prominent submarine power cable engineering is presented, revealing that most of them are HVDC submarine cable links The paper describes the features of HVDC transmission system and e
4、mphasis is focused on the superiority of the DC power cables over AC power cables in respect of transmission capacity, operating losses and maximum cable route length based on the detailed DC and AC current rating calculation The prospect of develop- ment of HVDC submarine cables is confirmed and th
5、ey would be the optimized selection and even the only option for extra long submarine cable route Owing to unbalanced development of different kinds of power cables in China,it is proposed that XLPE HVDC cable would be the first priority for development and the concerned basic research and RD of XLP
6、E compound for DC cables should be taken as the key techniques for promotion of development of HVDC XLPE cables and DC submarine cable engineering application in China Key words: DC submarine cable transmission; DC XLPE submarine cable; Bahder coefficient; space change; XLPE compound with property o
7、f suppression of space charge accumulation under DC voltage 收稿日期: 2011- 11- 22 作者简介: 应启良( 1936 ) , 男, 教授级高工 作者地址: 上海市军工路 1000 号 200093 0引言 海底电力电缆是海底输电工程中最重要的设备 之一。海底电力电缆跨越海峡、 江河, 连接国际、 国 内区域电网, 以平衡电力供需, 进行电力贸易, 或用 以连接近海岛屿与大陆电网, 提高独立岛屿电网运 行的可靠性和稳定性。迅速发展的近海风电场输出 电力与大陆电网并网亦需要采用海底电缆。国际、 国内对海底电缆的需求日益增长。
8、海底电缆是电力电缆中综合电气和机械性能要 求最高的产品。海底电力电缆工程亦是最困难和技 术要求最高的输电工程。世界各国已经建成数量很 大的海底电力电缆工程。其中重要的海底电力电缆 工程概要见表 1 所示。 从表 1 可见, 世界上海底电力电缆线路最长、 电 压等级最高、 输电容量( 或功率) 最大的海底电力电 缆工程均是直流海底电力电缆。 直流海底电力电缆最主要的电缆类型为粘性浸 渍纸绝缘电缆、 充油电缆和交联聚乙烯( XLPE) 绝 缘电缆。 1直流海底电缆输电工程特点 直流海底电缆输电相比于交流海底电缆输电具 有直流输电所有的优点, 包括线路电流和功率调节 比较容易, 可实现不同频率或相同
9、频率交流系统间 非同步联线, 没有系统稳定问题; 交流输电有要求沿 线安装并联电抗器以补偿电缆线路无功消耗及避免 末端或电缆线的中间电压升高的问题, 采用直流海 底电缆就无此困难。上世纪 90 年代发展并开始工 业性试验和工程应用的柔性直流输电系统具有在潮 流反转时, 直流电流方向反转而直流电压极性不变 的特点 1 。柔性直流系统用 XLPE 电缆由于运行时 不经受直流电压极性反转, 绝缘中空间电荷积聚影 响减轻, 耐受直流电压和雷电冲击性能提高。电缆 可以采用较高设计电场强度, 从而减薄绝缘厚度, 减 小电缆结构尺寸和重量。 表 1各国重要的海底电缆工程概要 序号 海底电缆工程 ( 完成时间
10、) 名称电缆绝缘电压输电容量线路长度 1 NorNed HVDC ( 2008) 挪威- 荷兰高压 直流海底电缆 粘性浸渍纸绝缘 450 kV ( 两极) 700 MW 580 km 电缆: 两芯平形 2 270 km 单芯 2 150 km 2 Estlink HVDC Light ( 2006) 爱沙尼亚- 芬兰 高压直流海底电缆 ( 柔性直流) XLPE 150 kV ( 两极) 350 MW 2 74 km 海缆 2 31 km 陆缆 3 Skagerrak HVDC Link ( 第 1, 2 极 1976 1977 年; 第 3 极 1993 年; 第 4 极将于 2014 年完成
11、) 挪威- 丹麦 跨 Skagerrak 海峡高压直流工程 粘性浸渍 纸绝缘 直流电压 第 1, 2 极 250 kV ( 常规直流) ; 第 3 极 350 kV ( 常规直流) 第 4 极 500 kV ( 柔性直流) 第 1 极 + 第 2 极: 500 MW 第 3 极: 440 MW 第 4 极: 700 MW 直流海缆线路长度: 1 3 极: 127 km 第 4 极: 140 km ( 选用高压直流输电 理由: 跨海峡长度 以及非同步联网) 4 Baltic Dable HVDC ( 1994) 瑞典- 德国 波罗的海 高压直流 海底电缆 粘性浸渍 纸绝缘 直流 450 kV (
12、 一极, 海水回路) 600 MW海缆 450 km 5 Kontek HVDC ( 1995) 丹麦- 德国 高压直流 海底电缆 扁型充油电缆 ( 2010 年由粘性 浸渍纸绝缘 电缆取代) 400 kV ( 一极) 600 MW海缆: 52 km 6 SAPEI HVDC ( 2010) 意大利- 撒丁岛 高压直流 海底电缆 粘性浸渍 纸绝缘 500 kV ( 两极) 1 000 MW海缆: 2 420 km 7 NordE ON1 HVDC Light ( 2009) 德国近海风电场- 德国电网高压直流 电缆( 柔性直流) XLPE 150 kV ( 两极) 400 MW海缆: 2 12
13、8 km 8 日本跨纪伊海峡 海底电缆工程 ( 2005) PPLP( 聚丙烯- 木纤维纸复合纸) 充油电缆 500 kV 直流 ( 两极 2 根回线) 2 800 MW 4 48. 9 km ( 海底部分 46. 5 km) ( 目前世界最高电压及 输电功率的直流电缆) 9 VanCouver Island Submarine Cable Link ( 1984) 加拿大大陆- 温哥华 海底电缆 充油电缆525 kV 交流 1 200 MVA ( 每回) 两回( 30 +9)km 共 7 根电缆, 1 根备用 10 中国海南联网 海底电缆工程 ( Nexans 公司制造) 充油电缆500 k
14、V 交流700 MVA 4 31 km ( 4 根电缆, 1 根备用) 除上述直流系统的特点以外, 直流电缆本身相 比交流电缆具有明显的优势。在相同的电缆类型、 导体截面和敷设安装条件下, 直流电缆比交流电缆 具有大得多的载流量和输电容量; 低得多的运行损 2 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun , 2012 耗以及允许的线路长度远超过交流电缆。以下以具 体设计的电缆进行分析比较。 2直流电缆和交流电缆的载流量计算和输 电容量比较 2. 1直流电缆的载流量计算方法和条件 2. 1. 1按热性能计算允许载
15、流量 按导体允许最大温度计算直流电缆载流量是其 安全运行必须满足的界限值。采用 IEC 60287 第 1 部分 1. 4. 1. 2 计算。 2. 1. 2直流电缆负载运行时, 绝缘电场强度按绝缘 稳态电流场分布 考虑绝缘电阻系数随温度和电场强度改变因 素, 在首先满足热性能限制载流量条件下, 由允许电 场强度限值, 确定实际允许载流量。 ( 1) 充油电缆和粘性浸渍纸绝缘直流电缆允许 载流量计算 这两种绝缘油浸渍纸绝缘电缆在直流电压下亦 产生空间电荷积聚, 但并不明显影响绝缘在直流电 压下的运行性能( 以后讨论) , 因此仅考虑绝缘的电 阻系数随温度和电场强度影响因素, 按稳态电流场 的电
16、场强度分布确定载流量如下。 充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆的绝缘电阻系 数随温度和电场强度变化按式( 1) 表示: = oe bE ( 1) 式中, 为绝缘电阻系数; 为其温度影响系数 ( 1) ; 为绝缘温度( ) ; b 为其电场强度影响系 数( mm/kV) ; E 为绝缘电场强度( kV/mm) ; o为参 考温度和电场强度下的电阻系数。 对此两种电缆, 取 = 0. 1 1; b = 0. 03 mm/ kV。绝缘半径为 r 处按稳态电流场确定的电场强度 按式( 2) 计算。此计算式导出见参考文献 2 。 E( r)= Ur1 R rc kV/mm( 2) 式中, U 为绝缘施加电压(
17、 kV) ; 由式( 5) 计算。 绝缘温度分布系数为: = ln R rc ( 无量纲)( 3) 式中, 为导体与绝缘表面温差。 按参考文献 2 , 中间参数为: = bU R rc ( 无量纲)( 4) = + + 1 ( 无量纲)( 5) 式中, R 为绝缘半径; rc为导体屏蔽半径。 计算程序为: 按 3. 1. 1 求得的直流电缆热性限 定载流量, 按此计算绝缘温差, 从而确定绝缘表面电 场强度( 稳态电流场下电场强度最大值) 和导体屏 蔽电场强度。如绝缘表面电场强度大于绝缘电场强 度限值( 见 3. 1. 3) , 则逐步降低载流量, 由计算机程 序按精度要求反复计算, 直至不超过
18、电场强度限值, 以确定直流电缆有负载时允许载流量。 ( 2) XLPE 绝缘直流电缆允许载流量计算 挤包绝缘电缆如 XLPE 直流电缆, 在直流电压 下表现出明显的空间电荷积聚现象。呈现空间电荷 积聚的 XLPE 绝缘引起电场强度升高, 不适用直流 电压下运行。由此设定抑制空间电荷积聚的 XLPE 电缆的载流量计算可参照直流油浸纸绝缘电缆在负 荷运行条件下绝缘电场分布和载流量计算方法确定 其载流量。 XLPE 电缆绝缘的直流电阻系数的温度与电场 强度影 响 系 数 采 取 聚 乙 烯 绝 缘 相 应 值: = 0. 15 1; b =0. 15mm/kV。 按此计算直流 XLPE 电缆载流量。
19、 2. 1. 3直流海底电缆载流量计算条件 ( 1) 电缆于海底下埋深 2 m; 海底土壤温度 25; 土层热阻系数 1. 0 K m/W。 ( 2) 电缆导体运行最高温度: XLPE 电缆 90; 充油电缆 90; 粘性浸渍纸绝缘电缆( 木纤维纸) 50。 ( 3) 直流海底电缆绝缘稳态电流场的电场强度 限值: XLPE 电缆为 30 kV/mm; 充油电缆为 30 kV/ mm; 粘性浸渍纸绝缘电缆( 木纤维纸) 为28 kV/mm。 2. 2交流海底电缆载流量计算方法和条件 交流电缆载流量计算采用 IEC 60287 标准。交 流海底电缆载流量计算条件与 3. 1. 3 直流海底电缆 载
20、流量计算条件相同。 交流海底电缆导体最高运行温度: XLPE 电缆 90; 充油电缆 90。 2. 3载流量计算所取电缆的设计参数 ( 1) 电缆绝缘厚度。交流海底电缆绝缘厚度采 用相应国家标准规定数值; 对直流海底电缆, 参照各 国研发和生产的直流电缆的绝缘厚度, 取较厚值, 对 载流量计算影响不大。 ( 2) 海底电缆铠装结构。交流电缆铠装结构分 钢丝铠装和扁铜线铠装; 直流电缆均为钢丝铠装。 2. 4直流海底电缆和交流海底电缆载流量比较 按以上载流量计算, 得出 500 kV、 200 kV、 110 kV直流海底电缆和交流海底电缆载流量。以 500 kV 直流海底电缆和交流海底电缆载流
21、量为例, 3 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun , 2012 如图 1、 图 2 所示。 图1 为500 kV 直流充油电缆和交流充油电缆载 流量比较。图例中,DC 表示直流电缆; AC- 1 表示交 流电缆, 钢丝铠装; AC- 2 表示交流电缆, 扁铜线铠装。 图 1500 kV 直流充油电缆和交流充油电缆载流量比较 图2 为500 kV 直流 XLPE 电缆和交流 XLPE 电缆 载流量比较。图例中, DC 表示直流电缆; A- 1 表示交流 电缆, 钢丝铠装; A- 2 表示交流电缆, 扁铜线
22、铠装。 2. 5直流海底电缆输电容量( 功率) 和交流海底电 缆输电容量比较 从直流海缆和交流海缆载流量计算, 表明直流 海底电缆的载流量明显大于交流海底电缆。结合海 缆工程, 直流海底电缆输电容量( 功率) 远大于交流 海底电缆输电容量, 比较如表 2 所示。例如 500 kV 充油电缆, 按相同系统标称电压, 导体截面 1 000 3 000 mm2三根直流充油海底电缆组成系统( 如为 两根两极, 一根单极运行) 的传输容量( 功率) 约为 三根交流充油海缆输电容量( 按输电容量较大的扁 铜线 铠 装 电 缆 比 较)的 2. 48 倍 ( 导 体 截 面 1000 mm2)3. 67 倍
23、( 导体截面 3 000 m2) 。 图 2500 kV 直流 XLPE 电缆和交流 XLPE 电缆载流量比较 表 2500 kV 直流海缆输电功率与交流海缆输电容量比较 标称 电压 /kV 电缆 型式 电力 系统 电缆 铠装 导体 截面 /mm2 载流量 /A 直流电缆 每极功率/ MW/交流电 缆三相容量 /MVA 相同系统标称电压情况, 直 流电缆输电功率与交流电 缆输电容量比 直流二根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 直流三根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 实际运行电压下, 直流电缆 输电功率与交流电缆输电 容量比 直流二根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输
24、电容量比 直流三根电 缆与交流三 根电缆( 三相) 输电容量比 500 500 XLPE 充油 电缆 直流 交流 直流 交流 钢丝 铠装 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 钢丝 铠装 钢丝 铠装 扁铜线 铠装 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 000 2 000 3 000 1 512 2 265 2 872 907 1 045 1 129 1 130 1 393 1 554 1 395 2 077 2 642 774 876 928 953 1 143
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