挤压绝缘电缆在高压直流输电中应用理论及前景概述

王霖成李亚泽

(1.山西铺龙湾煤业有限公司,山西大同 037104;2.山东钢铁集团济南分公司,山东济南 250101)

挤压绝缘电缆在高压直流输电中应用理论及前景概述

王霖成1李亚泽2

(1.山西铺龙湾煤业有限公司,山西大同 037104;2.山东钢铁集团济南分公司,山东济南 250101)

高压直流输电为二十一世纪电能输送领域国际热点研究问题,对此,我国也广泛开展了相关的研究。本文详述了高压直流(HVDC)输电发展历史,并给出HVDC输电在我国将面临的问题及展望。

挤压绝缘 直流输电

与高压交流输电相比，高压直流输电在国际电力发展过程中，其竞争力日益增强，特别是对于我国这样一个幅员辽阔，能源分布不均的区域大国而言，研究和发展高压直流输电作为交流电能传输的补充已变得尤其重要。二十世纪九十年代后，以有机聚合物为绝缘材料的高压电缆，已经完全替代传统油浸高压电缆，成为应用于超高压输电领域的主导电缆产品。

本文在大量国内外文献的阅读基础上，介绍了高压直流输电的发展史，然后，对HVDC挤压绝缘电缆的设计、出现的问题，以及改进方法三方面进行了阐述，最终给出HVDC挤压绝缘电缆应用的问题及前景展望。

1 HVDC电能传输历史及发展

电能的传输和分布始于直流电。1876年，第一台商用发电机(直流发电机)出现了，同年发布第一台白炽灯；1882年，Pearl Street Station通过约30km的地下电缆为New York的商业区提供电能，电源是一组六台的100KW的发电机，每天都能提供1200电灯泡的照明。直流电的使用，标志着电气时代的开始。同年，一条50km长的2kV直流输电线路在德国的Miesbach和Munich之间建成。在当时，合适的商用电压和更高的直流传送电压的转换只能通过旋转直流电机来实现[1]。

然而，DC的时代十分短暂。鉴于变压器和感应电机的性能优越性，George Westinghouse联合Nikola Tesla以及其他研究者拉开了交流发电的序幕，这代表着变压器以及配电设备开始大量投入运行，并且现在依然统治着电气时代。在AC系统中电能的传送实现更简单，而且损耗低，维护成本不高。不仅如此，三相同步发电机在任何方面都要比直流发电机要优越。由于上述原因，在电力系统中AC技术很早就被引入了，而且很快被接受，在电能产生，变压和传送方面成为唯一的可行技术[2]。

然而，随着用电量飙升，供电质量要求的提高，以及可靠稳定性的要求，高压交流能量传输所存在的缺点让高压直流能量传输重新开始进入到人们的视线，也即：

(1)架空线和电缆的感性和容性元件限制了高压交流传输线路的传输容量和传输距离。

(2)1中提到的限制对电缆运行的意义重大。根据需要的传送容量，系统频率和电压，以及所要求的损耗限制，HVAC电缆成功实现的传送距离在40-100km之间，而且需要匹配的无功补偿系统，典型来说在220KV下大约70km，380KV下大约40km，这主要是受到充电电流的限制。(3)在两个频率不同的AC系统之间进行直接连接是不可实现的。同时，使用HVDC的升压传输系统的优点可以总结为以下几点：(1)HVDC电缆具有更高的电场强度承受力，能在更高的电压下得到应用。

(2)同等传输容量下具有更低的线路损耗。

(3)HVDC电缆的长度不受充电电流的限制，线路本身在终端变电站和中间点不需要进行无功补偿，这些在AC系统里面是必要的。

(4)HVDC电缆和相应的HVAC电缆相比经济性更好，同等功率等级下，导体和绝缘都能节省不少。

(5)HVDC电缆在降压电能传输系统中作为海底联锁电力网具有独一无二的可行性。

2 问题及展望

我国“十五”期间规划的直流工程除三沪、贵广二回外，还有四川德阳-宝鸡500km、2～3GW(2010年投产)。据初步规划今后15年间，远距离大型水电工程大部分采用直流输电送出。预计到2020年我国直流输电工程约达27项，总容量超过60GW(其中背靠背4个，容量2.76GW)。根据规划我国直流输电主要是远距离大容量工程，需建设几个背靠背联网工程，远距离输电工程达1800km，故直流输电宜用更高一级电压等级。电压选择与电力系统的要求和设备制造能力有关。输电线路宜采用更大截面(〉800mm2)的导线以减少损耗。鉴于线路通道日趋紧张，在长江三角洲等发达地区需考虑同塔多回直流线路。电源和负荷的分布特点必然形成多换流站的送、受端系统，故需充分利用直流输电控制特性实现各直流工程间的联合控制，以最大限度地保护系统稳定。直流输电的设计与建设已初步实现了从承包商提交钥匙工程-部分交钥匙工程-业主负责组织建设的模式，未来的建设将日益专业化和规范化。

[1]M.Salah Khalil. “ International Research and Development Trends and Problems of HVDC Cables with Polymeric Insulation.”IEEE Electr. Insul. Mag., Vol. 13, No. 6, pp.35 47,November December 1997.

[2]F.I.Mopsik and A.S.DeReggi, “ Numerical Evaluation on the Dielectric Polarization Distribution from Thermal Pulse Data,”J. Appl. Phys., Vol.53, No. 6, pp. 4333 4339,1982.