现役交流XLPE电缆配电线路改为直流运行的技术方案及实例分析

近年来,随着新型发电及用电技术的发展,以及对电力供应可靠性和容量要求的提高,直流配用电与直流微电网技术日益获得广泛关注。该文针对一条现役35 kV交联聚乙烯(XLPE)交流电缆线路在发生二次故障后的改造工程,创造性地提出将其改为直流运行的方案,并针对方案中所确定的±10 kV直流电压、150 A额定电流运行参数,自行设计对电缆性能进行全面校核的试验方法。在送检电缆样段顺利通过所有试验项目并完成必要的系统改造后,将电缆线路投入直流±10 kV电压下作双极运行。线路在改造后至今已安全运行4年。与传统的修复运行、新增线路等备选方案相比较,从经济性、工程性、可靠性等多方面,改直流方案均具有明显的优势,而且研究还显示其存在大幅增容的潜力。该文的研究可为国内XLPE电缆直流配网系统建设以及现役交流电缆线路改为直流运行提供理论借鉴及工程参考。

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。

不同频率振荡波电压下XLPE电缆局部放电特性的研究

振荡波检测技术在电力电缆局部放电检测中广泛应用。测试电缆长度不同导致振荡波电压频率发生变化。为了研究不同频率振荡波电压作用下电缆缺陷的局部放电特性,文中使用自主研发的振荡波测试系统检测了热缩式电缆附件在电缆终端无应力管、中间接头错用绝缘胶带替换半导电自黏胶带、交联聚乙烯主绝缘表面由割痕导致的气隙以及主绝缘表面存在金属微粒这4种缺陷的局部放电,对比分析了局部放电起始电压、熄灭电压、放电幅值、放电次数等特征随振荡波频率的变化情况,并对4种缺陷进行模式识别。分析结果表明,局部放电特性随振荡波频率变化而存在差异,4种缺陷的统计特征区分度较大,识别效果较好,具有实际应用价值。

现役交流XLPE电缆绝缘切片试样的交、直流耐压性能对比

为升级输电线路的传输能力,可将现役交流XLPE电缆线路改为直流运行,但仍缺乏改造方案设计的统一标准或规范。因而对1根投运7年的YJV22-8.7/10 kV-3×185 mm^2电缆进行绝缘环切,在相同条件下对切片试样进行交流及直流电压下的连续和逐级升压击穿试验。结果表明:升压速率为2、0.5、0.1 kV/s的连续升压击穿试验中,升压速率对试样的交流平均击穿场强影响很小,而对直流击穿场强影响较大;时间步长为2、6、15 min的逐级升压试验中,随着时间步长的增加,交流击穿场强略有降低,而直流击穿场强显著增大。随着电压施加时间的增加,交流击穿场强下降,而直流击穿场强反而增大,这导致直/交流击穿场强比值持续增大,由1.33增大至3.73。以击穿场强的95%置信下限值为基础,推导可获得XLPE绝缘试样的交、直流1 h击穿场强分别为89.50 kV/mm及247.55 kV/mm,而反幂定律中的电老化寿命指数拟和值为17和-11.51。在高压短时击穿试验范围内,试样的直流耐压性能随时间变化不符合传统电老化寿命定律,这可能与空间电荷效应的时间依赖性有关,需要后续研究进一步确认;同时也说明基于薄试样、高电压、短时间的击穿试验数据无法有效反映直流绝缘的长期电老化性能,不能直接用于XLPE直流电缆的绝缘结构设计。

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电缆在两种直流运行方式下的热电耦合仿真

对交流电缆线路进行直流改造时,研究电缆在不同直流拓扑结构下的运行参数对于有效利用原有线路的供电能力具有重要意义。以35 kV和66 kV电压等级交流交联聚乙烯(XLPE)电缆为例,通过所建立的有限元仿真模型对在双极式直流和三线双极式直流两种拓扑结构下运行的电缆进行了热电耦合仿真分析。对于所选35 kV和66kV电缆,为避免空间电荷效应,将其改为两种直流运行方式后,其运行电压取值范围分别为±25~±40kV和±40~±65 kV。同时,随着交流电压等级的升高,交流电缆改为直流运行后的最大输送功率提升倍数逐渐降低。所得结论可为相关工程提供一定参考。

临界反转温差约束下66 kV交流XLPE电缆改为直流运行的电压等级和载流量分析

准确有效地评估交流电缆改为直流运行时的增容效果对电缆交改直后的安全运行至关重要。现有研究主要基于缆芯温度70℃为阈值确定交改直的电压等级和载流量,并未考虑绝缘层的稳态电场强度。因此,文中综合考虑临界反转时稳态电场强度较小和温升限值约束,提出了以绝缘层中的电场强度5 MV/m为限值的交改直电压等级和载流量判定方法;并且以66 kV交流XLPE电缆为例进行仿真计算,分析了直埋土壤敷设下交流电缆改为单极直流和双极直流运行时的增容效果。研究结果表明:当电缆在直埋土壤敷设下以66 kV单极直流运行和双极直流运行时,最大输送功率分别为改造前的1.53倍和1.12倍。所采用的分析方法可为电缆线路交改直工程提供一定的参考。

交流叠加法带电测试XLPE电缆绝缘性能的研究

为避免直流成分法、直流叠加法、低频叠加法等XLPE电缆绝缘检测方法测试困难的缺点,基于交流叠加法理论分析了101Hz信号劣化机理,论证了该法高灵敏、抗干扰、可带电测试的优点。用多种数字滤波结合FFT的办法排除现场干扰及器件漂移电压的影响研制了测试仪器。现场试验结果与实际分析一致,证明该法可行。

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。

超高压交流XLPE电缆输电工程应用现状综述

为了掌握超高压交流交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆输电今后的发展趋势,广泛调查总结了国内外主要超高压交流XLPE电缆在长距离输电工程中的应用现状以及面临的技术挑战,认为超高压交流XLPE电缆输电已成为陆上城市输电工程的主流选择;综述了超高压、长距离电缆输电工程现场交接试验中的关键技术以及在运电缆线路的监测、诊断技术,可以为今后的超高压交流电缆工程提供参考。

XLPE与MgO/XLPE纳米复合材料周期性直流接地电树枝与交流电树枝的温度特性

随着电力电缆的广泛应用,由电树枝化导致的电缆绝缘失效问题得到了人们越来越多的关注。以交联聚乙烯（XLPE）和纳米Mg O掺杂的交联聚乙烯（Mg O/XLPE）为研究对象,研究了这两种材料在20-80℃下的周期性直流接地电树枝和交流电树枝特性。实验结果表明：两种材料中的周期性直流接地电树枝呈枝状,对应的分形维数接近1,交流电树枝呈丛状,对应的分形维数接近2;纳米Mg O颗粒的添加对于抑制周期性直流接地电树枝的生长有显著效果,但对抑制交流电树枝的生长效果有限;XLPE中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升呈现先下降后上升的趋势,Mg O/XLPE材料中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升变化不明显,两种材料中的交流电树枝长度随温度的上升均呈现出增加的趋势,但增幅较小。

10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

通过对比110℃加速热老化后10 kV交流交联聚乙烯电缆试样交直流绝缘特性的差异,采用不同温度下宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率和空间电荷测试,结合有限元仿真,研究了不同热老化时间作用下10 kV交流XLPE电缆绝缘的交、直流电气特性,以及改为直流运行后电缆绝缘的电场分布。结果表明:随着热老化时间的延长,XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢,高频区介质损耗逐渐增加;试样的电流密度先减小后增加,空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势,且试样内的空间电荷积累逐步由异极性转变为同极性。随着测试温度的增加,同一老化时间下XLPE试样的介电常数实部减小,介质损耗增加;试样的电流密度增加,阈值场强减小,试样内部空间电荷积累量有所增加,交直流击穿场强下降。直流电压下,绝缘层在靠近缆芯处电场高,电场差值随绝缘试样活化能的减小而增加。长期热老化后,电缆绝缘层的直流电场分布更均匀,且空间电荷积聚问题得到改善,有利于提升10 kV交流电缆改为直流运行的可靠性。

基于水树枝现象XLPE电缆在线监测系统的研究与设计

基于交联聚乙烯(XLPE)电缆水树状老化的原理,直流分量法和交流叠加法是两种有效的XLPE电缆在线监测方法。设计了综合上述两种方法的在线监测系统,其中包括设计方案、系统构成、关键技术等。结果表明:设计的XLPE电缆在线监测系统能够反映运行中电缆绝缘的老化程度,实现了XLPE电缆的在线监测。

交流XLPE电缆典型绝缘缺陷的PD特性与类型识别

针对交联聚乙烯(XLPE)电缆及其附件常见的9种绝缘缺陷类型,制作了相应的缺陷模型,研究了9种缺陷在不同电压下的局部放电特性。发现不同缺陷的谱图形状、放电的相位分布等表现出不同特点,每种缺陷的放电重复率与平均放电量均随着电压的升高而增大,其中气隙缺陷的最大放电量和放电重复率高于其他缺陷,电树枝缺陷的放电重复率最低。对不同缺陷的局部放电谱图进行了特征量提取,并利用基于L-M算法的BP神经网络,实现了故障类型的识别,最低识别率达到89.17%,取得了较好的识别效果。

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10 kV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。

交流配电XLPE电缆直流改造的拓扑结构和空间电荷研究综述

对国内外在交流配电XLPE(交联聚乙烯)电缆直流改造方面的研究进行了梳理和介绍。对于在直流电压下运行的交流XLPE电缆,绝缘中的空间电荷积累是其面临的主要问题,将电缆绝缘中的电场强度限制在空间电荷积累阈值场强以下时,可以忽略由于电极注入和杂质电离带来的空间电荷积累的影响。对于单回交流配电线路直流改造的拓扑结构,可考虑采用双极式接线方式;当其供电能力提升较小时,也可考虑采用单极或者三线双极式接线方式。

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。

220kVXLPE电缆现场交流耐压试验

介绍了220kVXLPE电缆现场交流耐压试验的一些经验和方法,特别是采用串联谐振并联补偿的方法为今后高电压等级超长度的电缆试验提供参考。

XLPE中金属尖刺缺陷阻性电流谐波成分分析

为开发一种能实时掌握电缆绝缘状态的监测技术,本文通过模拟XLPE电缆绝缘中出现金属尖刺缺陷,对其阻性电流的谐波成分进行分析,从理论和实验两方面为实现基于阻性电流谐波成分的电缆绝缘诊断提供支撑。首先,基于聚合物的跳跃电导模型,对XLPE的电导特性进行了仿真与理论分析。而后建立了XLPE金属尖刺缺陷仿真模型,对不同针尖曲率半径以及针板间距下阻性电流密度的谐波成分进行了仿真分析。最后制作了3种不同规格的XLPE金属尖刺缺陷试样,在针尖曲率半径为30μm、针板间距为2 mm,针尖曲率半径为90μm、针板间距为3 mm以及针尖曲率半径为30μm、针板间距为3 mm条件下进行了验证实验。结果表明:当XLPE绝缘中存在导体尖刺缺陷时,由于局部电场强度的急剧增大,导致绝缘材料的电导特性随着交流电压波形的变化而在欧姆区与非欧姆区之间反复,使得阻性电流的波形发生畸变,叠加了高次谐波分量;当XLPE绝缘中存在导体尖刺缺陷时,其阻性电流中会存在明显的3次与5次谐波分量,二者构成了阻性电流谐波分量的主要组成部分;随着导体尖刺缺陷的严重程度增加,阻性电流的谐波畸变率以及电导率畸变率均有明显的上升,可以谐波畸变率作为判断缺陷严重程度的特征量。