高压直流电缆系统安全裕度试验研究

李栋，陈龙啸，朱智恩，邓天宇，王宇，王蓉荣

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京 211106)

0 引言

高压直流电缆系统是实现大电网互联、远距离输电和新能源并网的关键电力装备[1—2]，具有输电线路损耗小、可控性好、环境影响小、投资成本低等优势，适用于长距离输电、可再生能源并网、非同步系统互联[3—5]。近年来我国高压直流输电技术快速发展，先后建成了南澳岛±160 kV、舟山±200 kV和厦门±320 kV柔性直流电缆输电工程[6—8]，正在建设江苏如东±400 kV柔性直流输电海上风电项目。目前国内制造商已经可以生产电压等级最高为±525 kV的高压直流电缆，标志着我国的制造技术已进入世界先进行列[9—10]。

掌握高压直流电缆系统的安全裕度是保证电缆线路长期安全运行的前提条件。然而在直流电缆系统通过型式试验和预鉴定试验后，无法评判产品本身的最高使用电压，也无法确定产品的可靠性[11—12]。一方面，直流电缆系统的主要技术规范只提供了试验方法，缺少高压直流电缆及附件产品的技术规范；另一方面，直流电缆系统的安全裕度评价标准和分析方法欠缺。有学者以绝缘试片来评估直流电缆系统的安全水平，钱恺羽等测试了不同温度和不同厚度下高压直流电缆绝缘击穿强度，揭示温度对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)击穿场强厚度效应的影响机理[13]；刘云鹏等研究了冲击电压下绝缘试片击穿强度，阐述了XLPE的击穿原理[14]。但是以绝缘试片来评估直流电缆系统的安全水平，其评估方法的合理性和评估结果的准确性值得商榷。其一，两者结构上有差异，试片为平板结构，成品电缆及附件绝缘为环形结构；其二，两者厚度不同，绝缘厚度越大弱点个数越多，同等条件下绝缘击穿概率越大。

文中以±80 kV高压直流电缆系统为研究对象，提出电缆系统安全裕度试验方法，开展热态下的安全裕度试验，计算电缆绝缘和附件绝缘界面电场强度，获得了直流电缆系统的安全裕度，为直流电缆工程的安全运行提供了理论和试验依据。

1 高压直流电缆和附件绝缘材料的电导率

高压直流电缆系统由直流电缆本体和电缆附件组成，直流电缆本体采用XLPE绝缘[15—18]，电缆附件采用硅橡胶(SiR)绝缘。XLPE和SiR的电导率是直流电缆系统电场解析和安全裕度计算的必要参数，根据直流电缆系统实际运行温度和电场强度，文中分别测试了温度为30 ℃，50 ℃，70 ℃，90 ℃，电场强度为5 kV/mm，10 kV/mm，15 kV/mm，20 kV/mm时2种材料的电导率，测试结果如图1和图2所示。图1为材料电导率随温度的变化曲线，温度升高两者电导率增大，且XLPE的增大趋势高于SiR。图2为电导率随电场强度的变化曲线，电场强度增加，XLPE电导率明显增大，但SiR电导率相对稳定。

图1 电导率温度特性Fig.1 Conductivity temperature characteristic

图2 电导率电场特性Fig.2 Conductivity electric field characteristics

为了准确描述材料的电导率特性，采用式(1)对实验数据进行拟合[19—20]：

σ=AeαTEγ

(1)

式中：σ为电导率；A为常数；α为电导率温度系数；T为温度；E为外加电场强度；γ为电导率电场系数。

根据拟合结果求出电导率温度系数和电场系数，对不同条件下的电导率温度系数和电场系数进行平均处理，即得到直流电缆绝缘材料和附件绝缘材料的电导率：

σXLPE=4.52×10-16e0.036 5TE1.645

(2)

σSiR=2.42×10-14e0.025 3TE0.388

(3)

2 高压直流电缆系统安全裕度试验

2.1 试验样品

高压直流电缆本体结构如图3所示，导体截面150 mm2，绝缘厚度5.5 mm，额定电压U0为80 kV。

图3 高压直流电缆结构示意Fig.3 Schematic diagram of HVDC cable structure

高压直流电缆附件采用整体预制式终端，其结构如图4所示，安装后的终端部分由电缆导体、导体屏蔽、电缆绝缘、绝缘屏蔽、终端绝缘、应力锥组成。

图4 高压直流电缆终端结构示意Fig.4 Schematic diagram of HVDC cable termination

2.2 试验回路布置

试验回路布置如图5所示，直流电缆终端安装于电缆末端，由铜排连接组成试验回路，电缆长度20 m。采用2台穿心变压器对电缆导体加热，采用电流互感器测量导体电流。

图5 试验回路布置Fig.5 Test loop layout

利用模拟回路测量导体电流与导体温度之间的关系，测得的导体电流和导体温度随时间变化的曲线如图6所示。在施加电流120 min后，电缆导体温度稳定在90 ℃，对应的导体电流为620 A。试验过程中试验回路与模拟回路同步施加电流，确保试验回路与模拟回路温度一致。

图6 导体电流和导体温度随时间的变化曲线Fig.6 Curves of conductor current and conductor temperature over time

2.3 试验过程

高压直流电缆系统安全裕度试验在高压屏蔽大厅中进行，直流高压发生器最大输出电压±2 400 kV，最大输出电流30 mA。试验采取逐级加压的方式，从U0开始每级耐压3 h，如果样品未击穿，则电压升高10 kV，依此类推直到电缆系统击穿为止。取3组试验样品进行平行试验，采用最小值法评估试验结果。试验得出样品的击穿电压分别为200 kV，210 kV，210 kV，击穿位置均在电缆终端内部，解剖后的样品如图7所示，击穿点位于绝缘屏蔽断口以上20 mm处，距离应力锥根部5 mm。

图7 击穿样品解剖图Fig.7 Breakdown sample anatomy

3 高压直流电缆系统安全裕度试验

高压直流电缆终端的几何结构和材料属性的差异会导致电场分布不均匀，局部电场强度超出材料的绝缘强度，造成电缆终端的击穿破坏。为了判定电缆终端击穿的原因，需要进一步计算出电缆终端在击穿电压下的电场分布。

3.1 电缆系统短期耐受电压和等效击穿电压

直流电缆系统的设计寿命为40 a，而试验中每级电压的耐受时间为3 h，因此需要将直流电缆系统额定电压换算成短时耐受电压。

电缆系统运行电压与寿命存在如下关系[21]：

Unt=c

(4)

式中：U为运行电压；t为电缆寿命；n为寿命指数；c为常数。那么短期耐受电压为：

(5)

式中：U0为额定电压；t0为电缆设计寿命；Δt为短期试验时间。

已知直流电缆设计寿命t0为40 a，试验中每级电压耐受时间Δt为3 h，取寿命指数n为15，可计算得电缆系统短期耐受电压Udc为174 kV。

考虑到逐级加压对电缆系统绝缘产生的累计影响，为了消除该影响，根据式(6)将累计电压换算成等效击穿电压：

(6)

式中：Ui为第i级电压；ti为第i级耐受时间；Ud为等效击穿电压。

从U0开始到电缆系统击穿，样品经受了13级电压，其中1～12级耐压通过，即t1～t12为3 h，第13级耐压1 h后电缆系统击穿，则对应t13为1 h，求得等效击穿电压Ud为202 kV。

3.2 直流电缆终端的电场分布

由于绝缘材料的电导率受温度和电场强度的双重影响，电场分布与电压不是简单的线性关系，以电压为依据来评估电缆终端的安全裕度不能直接反映击穿点附近的电场分布情况，故文中以电场强度为依据来评估直流电缆系统的安全裕度。

根据电流连续性原理，即电缆绝缘和附件绝缘界面上的电流密度相等：

j=σ1E1=σ2E2

(7)

式中：j为电流密度；σ1为电缆绝缘电导率；σ2为附件绝缘电导率；E1为电缆绝缘电场；E2为附件绝缘电场。

电缆绝缘和附件绝缘双层介质的电压为：

(8)

U=U1+U2

(9)

式中：U1为电缆绝缘电压；U2为附件绝缘电压；d1为电缆绝缘厚度；d2为附件绝缘厚度。

由式(7)—式(9)可得电缆绝缘和附件绝缘双层介质的电场强度为：

(10)

根据热路方程，可知：

(11)

式中：Tc为导体温度；Wc为导体损耗；ρT为材料热阻系数；r为半径；rc为导体外径。其中：

Wc=I2R

(12)

式中：I为导体电流；R为导体电阻。

将式(2)、式(3)、式(11)和式(12)代入式(10)，求出电缆终端在Ud=202 kV，Udc=174 kV，U0=80 kV时的电场分布，如图8和图9所示，图中横坐标s为应力锥曲线(或XLPE/SiR界面)到应力锥起点的长度，纵坐标E为电场强度。

图8 应力锥曲线电场强度Fig.8 Stress cone curve electric field intensity

图9 XLPE/SiR界面电场强度Fig.9 XLPE/SiR interface electric field intensity

图8(a)为应力锥曲线径向电场强度，等效击穿电压、短期耐受电压和额定运行电压下，最大电场强度出现在应力锥根部，分别为23.0 kV/mm，16.8 kV/mm，3.0 kV/mm，随着距离的增加，电场强度逐渐降低。图8(b)为应力锥曲线轴向电场强度，3种电压下最大电场出现在应力锥顶部，分别为6.1 kV/mm，4.9 kV/mm，1.5 kV/mm。随着距离的增加，电场强度呈上升趋势，由于应力锥曲线斜率不连续，导致在距离应力锥根部4.1 mm处应力锥曲线轴向电场强度出现拐点。

图9(a)为等效击穿电压、短期耐受电压和额定运行电压下XLPE/SiR界面径向电场分布，最大值分别为48.5 kV/mm，38.8 kV/mm，13.1 kV/mm。图9(b)为XLPE/SiR界面轴向电场强度，最大值分别为5.7 kV/mm，4.7 kV/mm，1.7 kV/mm。在距离应力锥根部30 mm内，界面径向和轴向电场强度快速下降，超出30 mm后电场强度趋于平稳。由图7可知击穿点位于应力锥根部5 mm处，对应的径向和轴向电场强度分别为39.6 kV/mm和4.7 kV/mm。

3.3 直流电缆系统安全裕度计算

直流电缆绝缘和附件绝缘存在界面，界面的绝缘强度与电缆绝缘表面清洁程度、光滑程度、界面压力等因素有关，多种因素的作用下易引发附件局部放电，加速绝缘材料老化，甚至击穿破坏，使电缆附件成为直流电缆系统的薄弱环节。文献[22]指出，界面的绝缘强度约为3～5 kV/mm，而试验中样品击穿点处的轴向电场为4.7 kV/mm，超出了界面绝缘强度，因此认为界面轴向电场过高是造成终端击穿的原因。高压直流电缆系统的安全裕度为击穿电场强度与长期运行所需承受的电场强度之比，试验得出击穿点处的轴向电场强度为4.7 kV/mm，而电缆系统需承受的轴向电场强度为4.0 kV/mm，因此对应的安全裕度为1.18。

4 结论

文中以±80 kV高压直流电缆系统为研究对象，在最高运行温度90 ℃下，开展了高压直流电缆系统的安全裕度试验，分析了直流电缆系统击穿时电缆绝缘和附件绝缘界面电场分布，得到以下结论：

(1)±80 kV高压直流电缆系统的安全裕度为1.18，满足系统40 a寿命的使用要求。

(2)高压直流电缆附件是电缆系统中的薄弱环节，若要进一步提高系统的运行电压，必须解决电缆绝缘与附件绝缘之间的匹配问题，均化电场分布。

(3)文中完善了高压直流电缆系统安全裕度评估方法，能够为±200 kV，±320 kV以及±400 kV及以上电压等级的高压直流系统的安全裕度研究提供指导。