±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。

直流海底电缆负荷循环试验温度仿真分析

为了推进高压直流交联聚乙烯海底电缆仿真的发展,促进直流海底电缆仿真的实际应用,在工厂内部对直流海底电缆进行24 h负荷循环试验,记录不同加热时间下电缆内外温度,使用有限元仿真软件建立交联聚乙烯直流海底电缆仿真模型。对比仿真数据与工厂试验数据,并结合实际情况,确保仿真模型的可行性和准确性,同时用理论模型校准试验数据,避免设备问题导致的测量误差。仿真模型的准确建立有利于减少直流海底电缆的研发设计周期,为高压直流海底电缆的结构和性能设计提供一定的理论支持。

海底电缆至海上油气田平台的供电模式研究

高压电缆传输电能分为交流输电和直流输电,其中交流输电能量损耗大、故障率高,而高压直流输电输送容量大、损耗小,可以缓解输电廊道不足的问题,但是高压直流输电换流站构造复杂、造价高、运行管理要求高。分析交、直流海底电缆输电至海上平台的优劣势,建立电磁暂态仿真PSCAD/EMTDC模型,研究不同扰动对电能传输质量和功率因数的影响,并对模型抗干扰能力进行验证。

脱气处理对高压XLPE绝缘直流电缆空间电荷影响研究

为了研究脱气处理对高压XLPE绝缘直流电缆空间电荷的影响,文章采用气相色谱检测和空间电荷测试两种方法对不同除气阶段样品进行测试分析。气相色谱检测结果表明,甲基苯乙烯是较为容易脱出的交联副产物,苯乙酮较难脱出;空间电荷测试结果表明,随着脱气时间的增加,试样中积累的电荷逐渐以负电荷为主,没有观察到两电极附近均积累异极性电荷的情况。采用全尺寸空间电荷测试对脱气后成品电缆进行检测,结果表明,直流电缆在500 kV电压下绝缘内部空间电荷注入不明显,电缆绝缘具有较好的抑制空间电荷能力。脱气处理能够有效改善高压XLPE绝缘直流电缆空间电荷分布,提高电缆使用寿命。

高压直流XLPE电缆研究现状

介绍了国际高压直流输电电缆绝缘的应用情况,概述了高压直流电缆的空间电荷与直流电缆测试方法的研究情况,展望了高压直流电缆材料及测试技术的发展方向。

直流XLPE电缆绝缘泄漏电流与局部放电试验特征研究

目前,直流电缆制造技术及工程空前发展,然而,国内外关于直流电压下XLPE电缆故障特征及劣化规律研究极少。局部放电和泄漏电流是电缆绝缘状态的两种重要表征手段。文中搭建了局部放电和泄漏电流联合检测试验平台,研究了绝缘内部气隙、主绝缘表面划伤以及金属毛刺电晕3种缺陷的局部放电和泄漏电流试验特征。结合理论分析及仿真,首先研究了放电量、放电重复率以及泄漏电流幅值间的相关性。之后,基于Shannon熵、互信息等分析手段,研究了不同极性电压下泄漏电流和施加电压间相关特征。综合来看,正常电缆、气隙缺陷、电晕缺陷在负极性电压下的泄漏电流-电压曲线,比正极性电压下的呈现更强线性相关性;划伤缺陷在正、负极性下的泄漏电流-电压间线性相关性均比较明显。该研究对电缆现场状态检测策略的研究具有重要价值。

XLPE电缆绝缘在线检测直流叠加法的接地

运用直流叠加法的XLPE电缆在线检测装置投入6～35kV系统后,将使系统中PT中性点以及电缆屏蔽层的接线发生改变。通过基于ATP-EMTP软件的仿真计算以及相关分析,针对故障状态下发生PT饱和谐振时,改接线对6～35kV中性点不接地系统可能产生的影响作出分析并找出相应的解决办法。

高压直流海底电缆三维仿真模型简化等效研究

温度分布和载流量是反映海底电缆运行状态的重要参数。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了电缆的三维(three-dimensional,3D)仿真模型,提出了电缆暂态模型的简化方法。在整个厚度不变的基础上,将多个薄层与邻接介质作为3个等效层,采用调和平均法计算等效层的导热系数,利用IEC 60287标准计算等效层的比热容和密度,解决了电缆薄层网格剖分过密的问题。通过对比研究仿真模型简化前后不同载流量下的电缆温度分布,验证了简化方法的正确性和有效性。

水树对XLPE电缆绝缘电阻与直流分量的影响

在实验室条件下利用水针法对XLPE电缆绝缘进行加速老化实验,并在老化过程中测量电缆绝缘电阻及直流分量.将3根各4m长的10kVXLPE电缆分别放入NaCl、FeSO4和CuSO4三种电解液中,同时施加工频高压进行水树加速老化.测量结果显示,在老化过程中,XLPE电缆绝缘电阻随老化时间变化不大,只是在一定范围内波动,直流分量有一定的增加,二者都直至有水树枝贯穿后才会发生明显的变化.

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。

计及沉积物渗透性的捆绑式高压直流海底电缆载流量评估模型

准确评估捆绑式敷设海底电缆的温度场与载流量,对于保障其安全稳定运行,同时提高运行效率、降低建设成本非常有价值。采用现有的解析法计算捆绑式海底电缆载流量忽略了诸多影响因素。为此,该文分析直流电缆结构和海底运行环境,在研究多孔介质固相和液相散热机理的基础上,提出一种计及海底沉积物渗透性的海底电缆电磁–热–流多物理耦合计算模型,提高对电缆温度场和载流量评估的准确性。对捆绑式敷设的±160k V双极直流海底电缆进行算例分析,考虑埋设和铺设2种情况,通过云图可视化展示了多场耦合后的散热机制;在典型沉积物渗透率的取值范围内计算了电缆的温度场和载流量,当渗透率大于10d后,渗流问题对于埋设的电缆载流量计算不可忽略。传统的热传导模型和IEC解析法是目前工程上常用的海缆载流量评估方法,在所提模型中代入不同的海底沉积物渗透性参数可与之对应,所得结果的最大相对误差不超过4%,验证了该模型的有效性。该模型可以设置任意渗透性参数来模拟实际海底沉积物的情况,因此在不同应用环境中对载流量的评估更为准确。

高压直流XLPE电缆局部放电指纹参数优化提取

为研究直流局部放电(PD)的指纹参数优化提取方法,利用交联聚乙烯(XLPE)电缆构建了内半导电层破损、绝缘内部气隙和绝缘表面划伤3种绝缘缺陷,测试了3种缺陷在不同电压幅值和极性下的直流PD特性,比较了传统的和基于GA-BP算法的指纹参数提取方法对绝缘缺陷类型识别的影响。研究发现:内半导电层破损缺陷在正极性下的放电重复率与平均放电量均高于负极性下的对应值;绝缘内部气隙缺陷在负极性下的放电重复率较高,平均放电量与正极性基本一致;绝缘表面划伤缺陷的放电重复率与平均放电量变化范围较大,且放电重复率明显高于另外两种缺陷时的值。利用传统的指纹提取方法得到的某一绝缘缺陷的指纹参数易受电压幅值和极性影响,而GA-BP算法提取指纹参数后可以排除这一影响。分别用传统指纹图谱与优化指纹图谱进行故障类型识别,在同类缺陷下电压幅值与极性相同时,两者识别率均高于97%;在同类缺陷下电压幅值与极性变化时,前者识别率降至87%,后者识别率仍保持在97%以上。

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30 kV直流XLPE电缆是满足设计和实际运行要求的。

XLPE电缆在线监测中微弱直流信号的测量

研究XLPE电缆在线监测中微弱直流信号测量电路的关键模块和数字滤波设计。对测量电路的性能试验结果表明,该测量电路的设计方案可以较精确地测量约为1nA的直流信号,平均误差为2.25%,能够满足监测系统对信号的精度要求。

正反直流叠加快速法检测XLPE电缆绝缘

针对应用直流叠加法原理测量XLPE电力电缆绝缘精度高但测量时间较长的特点,本文提出了正反直流叠加快速检测法。在检测回路中分别注入正、反向直流电压,测量采样电阻暂态电压值,分别计算RxCxId并联支路正、反直流注入情况下稳态电压,并将其代数均值作为该支路稳态电压,进而求得XLPE电缆绝缘电阻值。该方法既可有效消除水树枝整流效应等对测量电缆绝缘电阻值精度的影响,又考虑了电缆对地分布电容的存在,提高了检测速度。实验结果证明了该方法的有效性。

直流法XLPE电缆绝缘在线诊断中的几个影响因素及其对策

结合模拟实验对直流法 XLPE电缆绝缘在线诊断中可能出现的几个影响因素及其产生原因进行了实验分析研究 。

采用直流法对 XLPE 电缆进行在线检测的抗干扰技术研究

“直流法”分“直流成分法”和“直流叠加法”两种具体方法，是交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）电力电缆绝缘在线检测技术的简称。直流法在线检测中的最大干扰来自电缆护套绝缘电阻Ｒｓ和屏蔽接地化学电势Ｅｓ对检测数据的影响已见诸多报道。本文通过实验进一步证实，理论上对直流叠加法不构成影响的Ｅｓ在一定限度之上亦会造成被测信号真值被干扰电流所“淹没”。本文通过理论分析和模拟试验发现，采用适当的测试方法和数据处理可以在很大程度上削弱或消除Ｒｓ和Ｅｓ对测量的影响，拓宽检测范围并提高在线检测数据的可靠性。

补偿电动势在直流叠加法在线检测XLPE电缆绝缘老化技术中的应用

电缆屏蔽接地化学电动势ES 较大而护套绝缘电阻RS 较小时 ,会在检测回路形成较大干扰电流 ,并造成在线叠加电流被干扰电流“淹没”。通过电路分析和模拟实验发现 ,采用精密可调补偿电势可以有效抵消ES 产生的干扰电流 ,使直流叠加法无须更改测量接线 ,即可适用于较大ES 干扰情况下XLPE电缆绝缘的在线检测 ,提高了抗干扰能力 。

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。

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。