柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

应启良

（上海电缆研究所，上海200093）

柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

应启良

（上海电缆研究所，上海200093）

以实际直流交联聚乙烯（DC XLPE）电缆工程设计示例，表明将柔性直流输电（VSC）系统用DC XLPE电缆的导体的最高运行温度提高到90℃，其技术经济效果显著。按DC XLPE电缆抑制空间电荷要求，阐明DC XLPE电缆绝缘的直流恒定电流电场中空间电荷密度与绝缘温度梯度和XLPE绝缘的体积电阻率的温度系数成正比而与导体最高温度不直接相关。通过合理的DC XLPE电缆工程设计和正确选用DC XLPE电缆，可以在提高DCXLPE电缆传输功率和减小绝缘温差抑制空间电荷方面取得优化结果。320 kV及以下XLPE电缆在导体最高温度90℃下运行，绝缘损耗远低于导体损耗，DC XLPE电缆发生热不稳定的可能性很低。对VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的可行性表示肯定的意见，对实现目标提出具体的措施建议。

柔性直流输电；直流交联聚乙烯绝缘电缆；导体最高运行温度；绝缘空间电荷；绝缘热不稳定性

0 引 言

上世纪90年代，瑞典ABB公司首先在柔性直流输电系统（VSC）中采用90 kV直流交联聚乙烯（DC XLPE）电缆。到2007年VSC系统中运行的DC XLPE电缆电压等级至150 kV，容量达到350 MW，安装的DC XLPE电缆长度达1 500 km。至2008年VSC系统用DC XLPE电缆已发展至320 kV。320 kV 1 200mm2铝芯DC XLPE电缆连同预制接头和终端已经通过国际大电网会议（CIGRE）技术手册TB 219推荐的型式试验。试验电缆导体最高温度为70℃［1］。

由意大利Prysman公司生产，2010年在美国旧金山湾安装投运的88 km长200 kV DC XLPE电缆亦经受CIGRE TB 219型式试验，试验电缆导体最高温度为70℃［2］。

我国自2008年开发30 kV DC XLPE电缆，2011年首先于上海南汇风电场示范工程中应用。近年间，国家电网公司和南方电网公司已将发展VSC输电技术列入电网发展规划并安排工程应用。此举有力推动了我国320 kV及以下VSC系统用DC XLPE电缆和成套附件的研究开发和工程应用。所选用的DC XLPE电缆的导体最高运行温度为70℃。

VSC系统用DC XLPE电缆的导体最高运行温度理应根据XLPE绝缘在工作电场强度下长期的耐热老化性能确定。DC XLPE电缆绝缘与交流（AC）XLPE电缆绝缘在电场下耐热老化机理基本相同。AC XLPE电缆导体允许最高运行温度为90℃已经理论和实践证实。VSC系统用DC XLPE电缆的导体最高运行温度是否可能提高到90℃，是应予认真考虑的重要问题。

1 VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的技术经济意义

DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的技术经济性优势明显。现就我国即将发展的VSC用320 kV DC XLPE电缆，分别按导体温度为70℃和90℃条件，将载流量、传输功率（双极）和工程运行的主要数据计算如下。

1.1 320kVDCXLPE电缆结构、设计参数和电缆的运行性能数据计算方法

（1）320 kV DC XLPE电缆结构包含导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、阻水带、铅套、聚乙烯护套、钢丝铠装和聚丙烯绳外被。

（2）320 kV XLPE绝缘厚度取25 mm。设计平均电场强度为12.8 kV/mm。

（3）根据国内选用的DC XLPE绝缘料在不同的直流电场强度和温度条件下实测体积电阻率数据，经数据处理得出计算参数如下：

按XLPE绝缘体积电阻率ρ=ρ0exp（-αT-kE）；

DC XLPE料的体积电阻率的温度系数α= 0.0580 1/℃；

DC XLPE料的电阻率的电场系数k= 0.0 547 mm/kV；

DC XLPE料70℃的体积电阻率为1.40×1013Ω·m （电场强度E=20 kV/mm条件下）；

DC XLPE料90℃的体积电阻率为4.39×1012Ω·m（电场强度E=20 kV/mm条件下）。

（4）DC XLPE电缆载流量计算按IEC 60287 1 -1：2006 1.4.1.2。

设电缆登陆段采用隧道敷设。电缆空气热阻计算按该标准2.2.1.1：电缆在自由空气中不受到直接阳光照射热阻计算式计算。由于其中间参数与计算载流量有关，采用连续迭代求得电缆空气热阻正确解；海底敷设电缆埋入海底的土壤热阻计算按该标准2.2.3.2.1：两根间距排列埋地电缆热阻计算。

（5）DC电缆在负载下运行时绝缘表面最大电场强度计算式见式（1）。

式中：r为绝缘各处半径（mm）；R为绝缘外径（mm）；rc为绝缘内径（mm）；U为DC XLPE电缆额定电压（kV）。

当r=R，代入式（1）即可求得绝缘表面电场强度。DC电缆负荷下运行时仅考虑直流电流的发热影响时，绝缘表面产生最大电场强度。

δ值按以下计算：

式中，dθ为绝缘温差（K）。

（6）直流电压下XLPE绝缘损耗计算。

绝缘各处单位体积损耗为：

绝缘总损耗为：

从偏于安全考虑，绝缘各处体积电阻率取最高温度处的值为ρt。

1.2 VSC系统用DCXLPE电缆按假设敷设条件进行系列设计

假设VSC系统用DC XLPE海底电缆含海底敷设电缆和通过隧道敷设的登陆段电缆。DC XLPE电缆铜导体截面为500 mm2、1 000 mm2、1 600 mm2和2 000 mm2，分别按导体最高运行温度为70℃和90℃经计算得出电缆载流量、传输功率（双极）、负载时电缆绝缘最大电场强度（绝缘表面）、导体和绝缘损耗以及绝缘温差等系列设计计算结果，如表1和表2所示。

表1 320 kV DC XLPE隧道敷设条件下电缆载流量、传输功率及相关运行性能数据

表2 320 kV DC XLPE电缆海底敷设（埋深2 m，两根电缆平行间距500 mm）条件下载流量、传输功率及相关运行性能数据

1.3 DCXLPE电缆提高导体运行温度至90℃技术经济效果显著

从表1可见，320 kV DC XLPE电缆登陆段电缆按所示隧道敷设条件下，导体运行温度90℃导体截面1 000 mm2的XLPE电缆的传输功率与导体运行温度70℃导体截面1 600 mm2的XLPE电缆的传输功率相当，均达到并超过1 000 MW。按此，DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃，1 km电缆用铜量节省达5.3 t。其他因电缆重量减轻、外径减小对电缆敷设安装和工艺制造方面的优势是显而易见的。表1中其他导体截面电缆提高导体运行温度到90℃的效果相似。从表2可见，320 kV DC XLPE在所示电缆海底敷设条件下，导体运行温度90℃1 600 mm2电缆传输功率与导体运行温度 70℃ 2 000 mm2电缆的传输功率相当。其技术经济优势情况与DC XLPE电缆隧道敷设情况相一致。

2 DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃对XLPE绝缘产生空间电荷的影响

已经证明DC XLPE电缆绝缘的温度梯度是产生绝缘空间电荷的原因［4］。现按电工理论原理，简述如下：

如XLPE绝缘中电流密度为δ（与式（4）的中间参数δ无关），在恒定电流电场中，

按微分形式的欧姆定理，

式中，E为恒定电流的电场强度。

将式（7）代入式（6）得：

按散度定义的微分功能，由式（8）得：

设XLPE绝缘的恒定电流形成的电场中存在自由电荷，静电场的高斯定理亦适用，得出：

式中：qf为自由电荷密度；ε为XLPE绝缘介电系数。

将式（10）代入式（9），得出：

式（11）以圆柱坐标表示为：

即得出：

式（12）证明XLPE绝缘在恒定电流场的电场中空间电荷密度与导电率梯度相关。容易证明XLPE绝缘的空间电荷密度与XLPE绝缘的温度梯度成正比。现进一步证明XLPE绝缘恒定电流电场中的空间电荷密度与XLPE绝缘的温度梯度和体积电阻率的温度系数成正比，如下：

式中：γ为XLPE绝缘电导率；γ0为T=0时XLPE绝缘的体积电阻率的倒数。

式（12）中：

式（12）和式（13）证明XLPE绝缘的恒定电流电场中的空间电荷密度与绝缘的温度梯度和体积电阻率的温度系数成正比，而与XLPE绝缘的最高温度（导体最高运行温度）无直接关系。

由表1可见DC XLPE绝缘电缆在导体最高温度70℃和90℃运行时绝缘温差远低于电缆导体温度与隧道环境温度的温差。电缆导体温度70℃时电缆导体与环境温差为30 K，绝缘温差仅为14～15 K；电缆导体温度90℃时电缆导体与环境温差为50 K，绝缘温差为24～27 K。DC XLPE电缆在导体温度90℃下运行，绝缘温差约为电缆导体与环境温度的温差的50%。在采用抑制空间电荷材料以及相应措施条件下有可能实现可靠运行。

由表2可见，海底敷设的DC XLPE电缆与电缆在隧道敷设情况相比，相同的电缆导体温度条件下，虽然海底敷设的DC XLPE电缆导体温度与环境温度温差较大，但绝缘温差较小，这是由于海底敷设土壤热阻较大，绝缘所占总的热阻比例减少所致。电缆导体最高温度70℃时，电缆导体与环境温差为50 K，绝缘温差仅为14～18 K；电缆导体最高温度90℃时电缆导体与环境温差为70 K，绝缘温差为19～25 K。这表明DC XLPE电缆的绝缘热阻占总热阻的比例越小，提高XLPE电缆运行温度对因绝缘温差引起空间电荷的影响减小。

3 DC XLPE电缆提高导体最高运行温度到90℃对XLPE电缆运行的热稳定性影响

DC XLPE电缆的热稳定性与绝缘损耗密切相关。由式（5）可见，绝缘损耗与额定电压平方成正比，与XLPE绝缘的体积电阻率成反比。以导体截面1 000 mm2的320 kV DC XLPE电缆为例，表1中隧道敷设条件下导体最高温度90℃时，电缆的传输功率为1 032 MW（双极），绝缘损耗为0.21 W/m，导体损耗为57.1W/m，绝缘损耗远低于导体损耗。其电缆表面温度为55.4℃，明显低于电缆导体运行温度。电缆绝缘表面电场强度为16.3 kV/mm，低于DC XLPE绝缘的允许工作电场强度30 kV/mm；表2中导体温度90℃导体截面1 000 mm2的海底敷设320 kV DC XLPE电缆，导体最高温度90℃时电缆的传输功率为966 MW（双极）。绝缘损耗为0.20 W/m，导体损耗为50.1 W/m，绝缘损耗亦远低于导体损耗。电缆表面温度为59.7℃，明显低于电缆导体的运行温度。电缆绝缘表面电场强度为15.5 kV/mm，低于DC XLPE绝缘的允许工作电场强度。DC XLPE 320 kV的其他导体截面的情况相似。可见正确设计选用的DC XLPE电缆在DC 320kV及以下电压运行发生热不稳定即热击穿的可能性是很低的。

4 结 论

VSC系统用额定电压320 kV及以下DC XLPE电缆提高导体运行温度到90℃是可行的，其预期技术经济效果显著。

为实施提高DC XLPE电缆导体运行温度到90℃的目标，建议：

（1）结合VSC用DC XLPE电缆工程实践，试制导体最高运行温度90℃的DC XLPE电缆，进行运行温度90℃的DC XLPE电缆的绝缘温差对引起绝缘空间电荷影响的测试研究，并按国际大电网会议CIGRE技术文件TB 496对导体最高运行温度为90℃的DC XLPE电缆进行型式试验和预鉴定试验，以推进90℃DC XLPE电缆的工程应用。

（2）相应进行XLPE绝缘材料研究，包括抑制绝缘温差引起的空间电荷、降低XLPE绝缘料体积电阻率的温度系数和电场系数、进一步提高XLPE绝缘体积电阻率的DC XLPE绝缘料的研究开发。

［1］ Jeroence M，Gustafsson A，Berkvist M.HVDC Light cable system extended to 320 kV［C］//CIGRE 2008，B1-304.

［2］ Baccini M，Westerweller T，Kelley N.200 kV DC extruded cables crossing the San Francisco Bay［C］//CIGRE 2010，B1-105.

［3］ Eoll C K.Theory of stress distribution in insulation of high voltage DC cable：Part1［J］.IEEE Trans on Electrical Insulation，1975，EI（10）：27-35.

［4］ Fabiani D，Montanari G C，Laurent C，et al.HVDC Cable design and space charge accumulation.Part3：effectof temperature gradient［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2008，24（2）：5-13.

Feasibility of Raising the M aximum Conductor Tem perature to 90℃of DC XLPE Cablesw ith Rated Voltages up to 320 kV for VSC System

YING Qi-liang
（Shanghai Electrical Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The significant techno-economic effectby raising themaximum conductor temperature of DC XLPE cable to 90℃for VSC system is confirmed with example of DCXLPE cable engineering design as shown in the paper.The paper illustrates that space charge density is proportional to the temperature coefficient of resistivity aswell as temperature gradient in DCXLPE insulation rather than relating directly themaximum conductor temperature of DCXLPE cable.It is possible to optimize DCXLPE cable property aiming athigher transmission power and less space charge accumulation for DCXLPE cable operated atmaximum conductor temperature of90℃.Besides the paper indicates that insulation loss caused by leakage current of DCXLPE cablewith rated voltage up to 320 kV ismuch lower than conductor current transmission loss at 90℃.Very low possibility of thermal instability for DC cable insulation is expected.It is concluded that raising themaximum temperature of DC XLPE cable to 90℃is feasible and some concrete measures are proposed to realize the target.

VSC transmission；DCXLPE cable；maximum conductor temperature；space charge accumulation；thermal instability of insulation

TM247.1

A

1672-6901（2014）03-0001-04

2013-11-15

应启良（1936-），男，教授级高工.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.