油纸及XLPE绝缘高压直流电缆的电场分布特性研究

直流电缆主要采用油纸及交联聚乙烯(XLPE)作为绝缘,两类材料的电导率特性不同,对电缆中电场分布的影响不同。本文基于500 kV典型直流电缆结构建立有限元模型,对油纸及XLPE绝缘电缆开展热-电耦合仿真分析,研究了两种绝缘在不同温度及温差下的场强分布特性,分析了绝缘电导率温度系数及电场系数对场强分布的影响,对比了相同温度及场强范围内油纸及XLPE绝缘的电导率变化特性。结果表明:在电场强度为10~25 kV/mm和温度为20~90℃的范围内,油纸绝缘中的电场分布受绝缘温差的影响,在确定温差下几乎不随绝缘温度而变化;而XLPE绝缘中的电场分布同时受绝缘温度和温差的影响。此外,油纸绝缘的电导率整体比XLPE绝缘高,随温度和场强的变化幅度大,这可能是油纸电缆绝缘中电场反转发生在更低温差下的原因。对于高压直流电缆中应用的绝缘材料,应控制电导率温度系数即减小温度敏感性。

基于拓展传输线理论的高压交流电缆输入阻抗和金属护套电压计算分析

基于电缆外部精确电磁场分析方法,提出了一种拓展传输线理论,能够计及广义大地参数和电磁暂态仿真的影响计算电缆输入阻抗。采用电磁暂态仿真程序EMTP-RV,利用拓展传输线理论对典型高压交流电缆开展输入阻抗和金属护套电压特性研究,研究当合闸于空载电缆时的金属护套暂态电压特性;通过对正序激励下的电缆输入阻抗模值-频率响应进行研究,分析由三相金属护套交叉互联产生的多种传播模态。采用拓展传输线理论计算的结果与使用基于矩量法的改进数值电磁场分析方法(method of moments-surface admittanceoperator,MoM-SO)的计算结果基本拟合,与现有电磁暂态仿真软件中(ATP-EMTP、PSCAD/EMTDC和EMTP-RV)的CableConstants子程序计算结果出现显著性差异。当合闸于空载电缆线路时,受大地电阻率影响,采用Cable Constants子程序计算出的电缆金属护套最大暂态电压与采用拓展传输线理论所得出的结果相比,计算偏差位于1.8%至135%之间。考虑输入阻抗计算和暂态仿真的关键性差异,研究内容对今后开展高压交流电缆参数计算、模态分析、电磁暂态仿真、过电压研究具有参考意义。

高压直流电缆用绝缘聚丙烯研究进展

综述了高压直流电缆用绝缘聚丙烯(PP)采用物理共混及化学改性时其结构、力学性能、电性能等方面的研究进展。机械拉伸会导致PP电荷积聚;接枝改性,添加抗氧剂、多环化合物、偶联剂改性及与其他高分子共混改性等均能有效抑制空间电荷,提高体积电阻率和直流击穿场强;添加无机氧化物纳米材料对PP复合材料的球晶尺寸、结晶温度、延展性、空间电荷行为和击穿场强有显著影响;无规共聚PP具有相对较好的热性能及显著高于交联聚乙烯(XLPE)的断裂伸长率和击穿场强,且其空间电荷行为远优于嵌段PP和XLPE。

高压交流电缆穿越海滨浴场区域人员安全风险的评估

穿越海滨浴场的高压交流电缆会在浴场周围产生电磁场,使附近人员存在一定安全风险。基于已有标准提出跨步电压及电场强度两个评估高压交流电缆附近人员安全风险的指标;建立了某穿越海滨浴场高压交流电缆的电磁干扰模型,通过模型计算得到电缆在稳态运行工况和故障工况下(单相缆芯护套短接故障、单相缆芯接地故障)附近区域跨步电压及电场强度分布情况。结果表明:在电缆稳态运行和单相缆芯护套短接故障工况下,陆上和浴场涨落潮区域人员的安全风险均较低;在单相缆芯接地故障工况下,人员安全风险较高,在故障点两侧跨步电压呈对称分布,远离故障点10 m后电场强度降至安全标准(14 V/m);最后,基于评估结果,提出了增设防护围栏和敷设接地网等缓解措施。

特高压混合三端直流输电系统定功率MMC交流故障穿越策略

送端采用电网换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC)的特高压混合直流输电系统是直流输电技术重要的发展方向之一。在该系统中,各换流站每极均由高、低两个阀组直流侧串联而成。当其受端MMC发生网侧故障时,现有穿越策略或将引起定有功功率MMC阀间均压环节失效,从而导致子模块电容过压的问题。针对该现象,首先梳理了系统在故障工况下面临的主要问题和矛盾;接着,重点针对阀间均压环节失效的内部机理进行了研究,并提出了一种基于有功功率限幅值的站间协调穿越策略,此外,为使其能够较好地适用于不对称故障,采用了一种零序电压注入的方法,以平衡不对称故障下相单元间的桥臂电流直流分量;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了相关模型,通过仿真对比,验证了本文策略能够兼顾不同受端站的桥臂过流和子模块过压风险,实现交流故障的可靠穿越,并尽可能地提升了故障期间的功率传输能力。

大长度高压直流电缆中电荷的产生、测量及释放研究综述

碳减排作为能源转型的核心驱动力之一,能够有效促进清洁能源发展,缓解全球温室效应。在全球能源互联网发展的背景之下,用于长距离、跨地区输电的大长度直流电缆在电力互联网中占据着重要地位。同时,直流电缆工作时间较长,维护工作较为困难,而电缆中又不可避免会出现电荷积累问题,其中的残余电荷将威胁电缆的安全运行,降低电缆的使用寿命,甚至可能造成电缆故障。因此,有必要对大长度直流电缆的电荷问题开展相关研究。从直流电缆中电荷的产生、测量和释放3个方面进行概述,总结了近年来相关研究中的热点问题,对未来热门研究方向给出参考。所做研究对大长度直流电缆的在线监测和寿命评估均具有重要的指导意义。

高压交流断路器直流电流开断试验技术研究

高压直流输电具有输送容量大、传输距离远、损耗低,以及更有效地连接可再生能源入网和便于灵活操作等多种优势,已成了人们最为关注的能源输送方式。直流系统使用直流转换开关可以获得多种功能和运行的灵活性,关系到输电系统的可靠性、可利用率、可维护性。直流转换开关中的开断装置一般由交流断路器代替,本文进行交流断路器的直流电流开断试验技术研究,通过试验验证断路器的直流开断能力和恢复电压承受能力。

多物理场下的高压直流电缆局部放电研究展望

高压直流电缆需要面对空间电荷、潮流波动、温度变化、谐波、应力、绝缘缺陷等复杂运行条件的考验。多物理场下的高压直流电缆局部放电(partial discharge,PD)的研究尚处于起步阶段。复杂条件下的直流电缆局部放电产生机理尚不明确,且直流局部放电表征识别困难,动态特性复杂。该文总结多物理场对高压直流电缆PD的影响,对比空间电荷、电场、应力场、谐波与PD之间的关系,分析多物理场下直流电缆PD特征构建与模式识别的研究进展。进一步,展望多物理场下的高压直流电缆PD发展趋势,包括高压直流电缆“荷–场–热–力”多物理场PD模型、多物理场仿真、多物理参数联合实验、直流电缆PD多物理参数表征新特征构建与优选、直流电缆PD先进模式识别方法等,可为直流PD检测与诊断提供理论参考。

高压直流稳态工况无功调节能力

高压直流(high voltage direct current,HVDC)换流器具有一定的动态无功调节能力,充分利用换流站的无功调节能力,可显著改善HVDC系统的稳定性能。文中研究了HVDC系统稳态运行时的无功功率可调节能力,分析了有功功率和无功功率相互耦合的特性,以国际大电网(conference International des grands reseaux electriques,CIGRE)的HVDC标准测试模型和贵广Ⅱ直流输电工程模型为算例,对稳态工况的直流电流可运行范围进行了解析,进而求出整流、逆变两侧的无功功率可调节能力,并将其应用在无功控制中。研究发现,CIGRE的HVDC标准测试模型对于容性的无功功率和感性的无功功率调节能力相近,而贵广Ⅱ直流输电工程模型对感性无功的调节能力远大于对容性无功的调节能力。在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中验证了无功功率可调节能力的正确性和应用价值。

同步调相机接入高压直流近区谐振风险快速评估方法

为了提高换流站的无功支撑能力,交流滤波器和同步调相机在高压直流近区得到了广泛的应用。然而换流站配置的交流滤波器易与系统背景谐波阻抗交互导致谐波谐振,且现有研究鲜有同步调相机对于系统谐振影响的分析,进一步加剧了换流站谐波谐振的风险。为此本文详细分析了不同容量的交流滤波器和同步调相机与交流侧背景谐波阻抗的交互作用,得出同步调相机有着抑制或加速系统谐波谐振风险的结论。在此研究基础上,提出换流站高压直流近区谐振风险快速评估方法,可为换流站滤波器容量配置方案提供参考。

±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。

交流故障下高压直流输电系统同步触发控制性能分析及改进

高压直流控制系统通过同步触发控制实现对换流器的控制作用。文中分别从同步和触发2个环节对2种具有代表意义的同步触发控制原理进行详细介绍,其中一种的特色是在同步环节采用环前滤波器进行谐波滤除和不平衡处理,触发环节为等间隔触发,以SIEMENS同步触发控制为代表;另外一种的特色是在触发环节含有辅助触发控制和触发角限制,同步环节无环前滤波器,以ABB同步触发控制为代表。然后,对2种同步触发控制在交流故障下的性能进行分析和对比,并将2种同步触发控制的特点进行结合,提出了改进型同步触发控制,建立了其小信号模型。最后,进行了阶跃响应仿真对比和交流故障测试,仿真测试结果验证了改进系统抑制后续换相失败的能力更强,同时验证了改进方向的正确性。

高压直流XLPE绝缘电缆载流量的数值算法及特性分析

载流量是电缆传输能力的重要指标,直接影响高压直流电缆的运行可靠性和经济性。根据直流电缆绝缘层中电场分布的特点,提出了基于等效电导率的绝缘层内外侧电场分布的解析计算方法,并以±535 kV交联聚乙烯绝缘直流电缆为例,同时考虑电缆导体最高运行温度和绝缘层最大允许温差,得到不同运行工况下高压直流电缆的负载控制域。结果表明:电-热场解耦方法能有效分析直流电缆的载流量和应用特性,其中绝缘层最大温差是限制临界环境温度以下直流电缆载流量的核心因素,在此临界环境温度下,提升导体最高运行温度对载流量影响有限,而优化绝缘材料耐电性能和电缆结构才是提升载流量的关键。

纳米复合对聚丙烯高压直流电缆电气性能影响的研究进展

介绍了聚丙烯(PP)基纳米复合材料在高压直流(HVDC)电缆绝缘材料中的应用进展,特别关注了纳米填料的各种参数对PP基HVDC电缆绝缘材料电气性能的影响。最后,对PP基纳米复合材料在HVDC电缆绝缘材料中的应用进行了展望。

高压交流电缆对海底管道电磁干扰的计算分析

结合现场实例,运用CDEGS电磁干扰模拟软件,建立简单模型,探究不同影响因素对管道交流干扰的影响规律。结果表明:在不同相对位置下,并行长度对交流干扰的影响程度不同;随着并行间距的减小、负载电流、负载电流不平衡度和海缆外被层面电阻率的增大,管道的交流干扰增大。通过建立简单模型进一步探究了海缆外被层面电阻率对电磁干扰的影响,结果表明,随着外被层面电阻率增加,海底电缆阻性耦合作用会增强,管道上产生的干扰电压增大。

基于有源换相换流器的高压直流输电系统 交流故障穿越策略研究

介绍一种基于有源换相换流器ACC(active commutated converter)的高压直流HVDC(high voltage direct current)输电系统,分析有源换相换流器在两相旋转坐标系下的数学模型,提出了一种含附加虚拟项的基于比例谐振PR(proportional resonant)控制器的控制策略,并对控制器参数进行了设计,实现了负序电网电流的抑制和换流器的单位功率因数运行。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提出的交流故障穿越策略的正确性和有效性。

高压直流电缆用可交联聚乙烯绝缘材料

回顾我国高压直流(HVDC)电缆的发展历史,介绍了高压直流电缆用交联聚乙烯材料的应用现状;通过分析交联聚乙烯绝缘材料的性能,发现目前高压直流电缆用聚乙烯在电气性能、机械性能等方面具有显著优势,但在空间电荷效应、温度梯度效应及老化性能上仍存在着不足之处;从消除空间电荷影响、提高材料纯度的角度提出开发我国国产化高压直流电缆交联聚乙烯材料的改进思路,为我国高压直流电缆用绝缘材料的进步提供理论依据和现实参考。

利用直流功率调制增强特高压交流互联系统稳定性

特高压交流试验示范工程投运后显著地增强了华中、华北两大电网之间的电力交换能力,但特高压系统的大功率传输也对华中、华北电网联网安全稳定运行提出了更高的要求。利用直流输电系统传输功率的快速可控性,可以为暂态过程中的交流互联系统提供紧急调控手段,起到功率支援和阻尼振荡的作用。为此,对利用华中电网的直流输电系统进行紧急功率支援以提高交流互联系统暂态稳定性以及采用直流调制阻尼特高压线路功率振荡进行了研究。仿真结果表明,利用直流输电系统的紧急调控手段可以减少华中电网的切机切负荷量,增强特高压互联系统的暂态稳定性,并可提高交流系统阻尼,有效地抑制电网区域间的功率振荡。

交流线路对平行架设特高压直流线路的影响及限制措施

随着电力需求的不断增长以及输电线路走廊资源的紧缺,在一些地区可能出现特高压直流线路与交流线路平行架设或同走廊的情况。根据向家坝—上海南汇±800kV特高压直流主回路参数和规划的1000kV交流线路数据,采用EMTDC程序建立了特高压交/直流输电系统的仿真模型。计算了交/直流线路不同平行架设长度、不同接近距离下特高压直流线路上感应的工频电压、电流。研究了换流变阀侧直流偏磁电流与直流线路工频感应电流的关系,给出了换流变阀侧直流偏磁电流的计算结果。最后对交/直流线路的平行长度,它们之间的接近距离以及抑制换流变压器阀侧直流偏磁电流的措施提出了建议。

LDPE纳米复合介质的直流电导特性及其对高压直流电缆中电场分布的影响

聚合物绝缘材料的电导率通常是电场和温度的函数。选取低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE),纳米氧化镁(MgO)/LDPE及氧化硅(SiO2)/LDPE三种材料作为研究对象,对三种材料的电导率–温度和电导率–场强关系进行了实验研究。构建了表征材料电导率与场强及温度关系的数学模型,并依据此模型,针对320 kV、500 MW直流电缆结构,应用COMSOL有限元分析软件,计算了绝缘内电场分布。结果表明:直流场下,电场分布具有电导率依赖关系,温度变化引起的电导率变化,将导致电场分布与温度分布有关;同时,电导率还依赖于场强的变化,这种依赖关系可在一定程度下平抑由于几何结构或温度梯度形成的绝缘层内部场强不均匀性;纳米颗粒的掺入可降低电导率,性能改善机制与纳米粒子界面层电学行为相关。