±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。

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。

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。

高压直流XLPE电缆绝缘的介电性能研究

交联聚乙烯中副产物的存在会对其绝缘性能产生影响,而脱气后的直流电缆中副产物含量分布不均匀,使绝缘性能产生差异。为了研究绝缘位置不同造成的介电性能差异,将直流电缆环切成厚度约为0.2 mm的薄膜,利用三电极电导率测试系统、直流击穿测试系统及空间电荷测试系统对绝缘内层、中层、外层进行测试。实验结果表明:3层绝缘的电导率在低温低场下没有明显差别,但在高温高场下,外层电导率值最小,内层最大;内层击穿场强最小,外层击穿场强最大,中层击穿场强与外层差别较小;在40 kV/mm场强下,内层试样在两电极附近有明显的异极性电荷积聚,中层试样内部有少量的同极性电荷积累,外层试样空间电荷分布曲线平缓。研究发现高压直流交联聚乙烯电缆内层绝缘性能最差;因此在脱气生产及性能测试中,应以内层试样作为最低要求,以确保整个绝缘都具有良好的介电性能。

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。

电、热、力仿真研究平滑铝护套高压XLPE电缆缓冲层设计

平滑铝护套电缆可有效规避皱纹铝护套电缆缓冲层缺陷,但目前国内对其缓冲层结构设计最优参数尚不明确。通过对绝缘膨胀进行计算、试验验证及公式修正,研究平滑铝护套电缆绝缘膨胀及间隙设计;建立平滑铝护套电缆仿真模型,分析有无空气间隙对电场分布的影响,以及不同缓冲层厚度对平滑铝护套电缆温度、热应力分布的影响;建立平滑铝护套电缆简化结构四点弯曲仿真模型,研究在重力作用下其机械应力分布。结果表明:综合重力、绝缘膨胀等因素,220 kV 1200 mm^(2)平滑铝护套电缆缓冲层和铝套之间的负间隙大小建议设计为1.3~1.6 mm。在平滑铝护套电缆缓冲层设计时,应在满足绝缘热膨胀的同时尽可能减薄缓冲层的厚度,提高电缆载流量,避免铝护套承受过大的热应力。

国产与进口XLPE绝缘高压交流电缆短时与长时击穿特性

为探究国内外高压电缆XLPE绝缘料的性能差异,制备了220 kV国产与进口电缆绝缘切片试样,对比了两种绝缘料的分子量、熔融和结晶特性、交联副产物含量、短时击穿特性与长时击穿特性。实验结果表明:国产220 kV XLPE电缆绝缘的分子结构、结晶度、熔融温度以及副产物含量均与进口绝缘料无明显差异。分析了两种绝缘料短时击穿场强的Weibull分布特性,发现30~50℃下国产XLPE绝缘特征击穿场强高于进口绝缘料,而当温度超过70℃时国产XLPE绝缘特征击穿场强显著下降且低于进口绝缘料,并且国产XLPE绝缘料击穿场强分散性更高。分析了70℃下两种绝缘料在5个电场下的击穿时间,采用反幂模型分析了击穿电场和时间直接的关系,结果表明国产与进口220 kV绝缘料寿命指数值分别为19.3和19.5。研究结果对国产XLPE绝缘的研发与应用提供了理论与实验支撑。

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。

高压及超高压XLPE电缆附件施工时电缆绝缘处理工艺

在XLPE电缆附件安装施工过程中,需将电缆接头与其他附件进行连接,在现场施工时,经常出现电缆绝缘处理不到位的情况,导致电缆接头与其他附件无法良好连接,影响电缆使用寿命。因此,在现场施工前对电缆绝缘进行处理十分必要。本文主要对高压及超高压XLPE电缆附件施工时电缆绝缘处理工艺进行分析。通过对高压及超高压XLPE电缆附件施工中电缆绝缘处理工艺的分析,总结现场施工经验,可为现场施工提供一定的参考。

高压XLPE电缆缓冲层故障机理与检测技术研究

高压XLPE电缆缓冲层故障频发,严重影响电缆安全运行,引起了广泛关注。根据缓冲层烧蚀故障特征,分析了高压XLPE电缆缓冲层电场特性并进行了初步仿真研究,得出局部放电是导致缓冲层故障的直接原因。提出了几种理论上可行的缓冲层故障检测方法并进行了简单验证,其有效性还待后续进一步试验与研究。

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。

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。

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。

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。

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。

基于压缩感知的高压直流电缆局部放电模式识别

目前,高压直流电缆工程空前开展,但电缆及其附件带电检测和模式识别技术研究尚处于初级阶段。使用交联聚乙烯电缆设计制作了绝缘内部气隙、绝缘表面划伤、外半导电层爬电、高压端毛刺电晕4种绝缘缺陷模型。提出将基于压缩感知理论的稀疏表示分类技术应用于直流下局部放电信号模式识别。使用放电重复率图谱作为分类样本,将训练样本集组成过完备字典,利用测试样本在其上投影的稀疏性,通过1范数最小进行稀疏表示从而实现分类。在不同样本维数下,采用同伦、非负最小二乘以及正交匹配追踪3种算法解决1范数最小问题。结果表明:较低维度(10×10维、15×15维)时,3种方法识别正确率近似,随着维度增大,同伦法识别率明显优于另外两者,20×20维时最大识别率可达92.31%,非负最小二乘法识别率稍次,但运算时间过长。综合比较,同伦法具有识别率高和运算速度快的优点,取20×20维即可满足识别精度和计算效率的要求。

320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计

应用在高压直流输电系统的挤出式交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆,通常用工厂预制的硅橡胶(silicon rubber,SR)中间接头在现场进行连接。为了研究接头的电场分布并对接头结构进行优化设计,对影响附件电场的电缆绝缘和附件绝缘的材料电导率关系、以及附件应力锥和高压屏蔽管的几何参数进行了深入研究。从两种绝缘材料的电导率和电场、温度的非线性关系入手,结合试验数据,通过数据拟合得到了XLPE和SR的电导率表达式,在仿真分析中代入电导率的表达式,可以判断两种材料的电导率配合是否使得电场分布不超过设计值。通过合理设计应力锥和高压屏蔽管结构,降低了应力锥根部和高压屏蔽管端部电场强度,抑制了绝缘交界面切向方向的电场强度。可知:当应力锥使用该文提出的形状、高压屏蔽管的厚度适当增加且电缆绝缘和附件绝缘的电导率相匹配时,附件电场的分布最优。

不同金属屏蔽形式XLPE高压直流电缆载流量计算与试验验证

为了明确不同金属屏蔽形式对高压直流电缆载流量的影响,并对比热分析法和有限元仿真两种理论计算方法结果的准确性,选取导体截面3 000 mm2的铜芯±525 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆,分别通过热分析法和有限元仿真计算皱纹铝套和铜丝屏蔽结构下直流电缆的载流量,并设计直流载流试验对两种电缆样品进行载流量测试。结果表明:相同条件下铜丝屏蔽结构电缆载流量大于皱纹铝套结构,但是两种载流量的理论计算结果均小于试验结果,且存在明显偏差。基于热分析法计算得到的铜丝屏蔽结构电缆在空气中28℃条件下的载流量为2842A,对比有限元仿真结果和试验结果分别偏小7.5%和15.8%;基于热分析法计算得到的相同条件下皱纹铝套结构电缆载流量为2 836 A,对比有限元仿真结果和试验结果分别偏小5.3%和8.6%。造成热分析法计算结果偏小的主要原因在于其仅考虑电缆热传导过程中的热阻影响,无法计算外部空气对流产生的热辐射对载流量的提高,且无法考量电缆结构内部空气对热传导的作用;有限元仿真计算方式在热传导作用之外还具备识别热辐射作用的能力,计算结果更为接近试验结果,差异来源主要为该文所建立的模型未准确表征电缆实际存在的空气隙和皱纹铝套结构,此外有限元仿真计算无法准确模拟实际试验时空气对流产生的电缆表面散热情况。

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。