无界面的高压直流交联聚乙烯绝缘电力电缆附件

时间:2022-01-23 06:26:58

无界面的高压直流交联聚乙烯绝缘电力电缆附件

摘要:当直流电压施加到直流电缆附件的聚合物绝缘层上时,电缆主绝缘和电缆附件增强绝缘的交界面上会积聚有空间电荷,畸变绝缘的电场分布,甚至导致电缆附件的击穿。新开发的模注型终端和接头是将应力锥和增强绝缘用与电缆绝缘相近的交联聚乙烯料在电缆绝缘上模注成型,使附件增强绝缘与电缆绝缘交界面融成一体,消除了“界面”,空间电荷的积累情况得以根本的改善。上述两款直流电缆附件成功地完成了±200kV直流电缆附件的型式试验项目。

关键词:直流;交联聚乙烯绝缘;空间电荷;模注接头;模注终端;界面;应力锥;

为探索交联聚乙烯绝缘直流电缆附件的设计参数,笔者曾用交流110kV 和220kV 的预制型户外终端和预制型中间接头分别安装在±200kV的交联聚乙烯绝缘直流电缆上多次进行直流性能的摸底试验。令人惊讶的不仅是这两个电压等级的交流电缆附件都不能通过±200kV直流电缆的热循环试验,在热态(导体温度70℃,电压DC 1.85U0)下很快发生击穿,而且交流110kV附件和交流220kV附件的击穿水平无明显差异。这一事实证明,尽管交、直流电缆附件在结构上很相似,但是简单地用加大电缆附件的绝缘尺寸的办法设计直流电缆附件,其结果是不理想的。众所周知,这是由于交、直流电缆的工况有很大差异。交流电场是由介电常数ε控制,受电场和温度的变化量较小。直流电场是由材料的电导率σ控制,σ随电场和温度影响很大甚至达到几个数量级。因此,在直流电缆附件的绝缘内,电导率-温度-电场相互交替影响,不断地变化。绝缘内,特别是在不同绝缘材料组成的交界面(界面)上,会积聚空间电荷,导致局部电场畸变,甚至发生绝缘击穿【1】。抑制绝缘界面的空间电荷是开发高压直流电缆附件的关键技术。

1. 绝缘界面空间电荷的抑制

和交流电缆附件的结构相似,直流电缆附件的绝缘往往也是由多种绝缘材料组合而成的。不同绝缘材料的交界面处(界面),由于材料性能的差异,会积聚空间电荷,导致局部电场畸变,甚至可以达到正常工作场强的 7~8倍,导致绝缘的击穿。

直流电压下,空间电荷的积聚情况与材料性能(导电率和介电常数)、所施加的电压和测试的温度有关,而且变化很大。作为一个概念性的说明,图1 显示一个模型电缆绝缘层内空间电荷的积聚的情况。图1(A)显示单一的电缆绝缘(XLPE)内,空间电荷主要积聚在电极(导体和屏蔽)上,绝缘层的中间部分较少。然而,电缆附件的绝缘层往往是由两种或两种以上的绝缘材料组成,例如图1(B)示出由XLPE和EPR组成的组合绝缘,在XLPE和EPR的界面上积累大量的空间电荷。

目前普遍采用马克斯韦尔-瓦格纳(Maxwell-Wagner)的界面极化理论【2】【3】来解释界面空间电荷的积累情况,认为如果能使附件的增强绝缘的材料性能,主要是在不同温度和不同电场下材料的导电率和介电常数之比值与电缆的主绝缘相近,就能有效地抑制界面上的空间电荷,从而可以从根本上保证直流电缆附件的成功。这一理论也已被国内外大量学者在实验室中反复证实。

根据上述原理,一些电缆附件制造商和材料供应商开始研究和开发能在不同温度和不同电场下材料的导电率和介电常数之比值与电缆的主绝缘相近的新的直流电缆附件材料。从迄今所获得的结果【4】-【9】来看,国内一般都是以乙丙橡胶(EPR/ EPDM)为基料作改性配方。虽然有些实验室数据显示了不错的性能,但是迄今尚未见有商业化使用这类材料的报道。可见,对此种附件材料的开发难度相当大。

据介绍【10】ABB公司提出在电缆绝缘与附件增强绝缘之间加入了一层非线性过渡层,它能在不同温度和不同电场下分别与两侧的绝缘(电缆绝缘与附件增强绝缘)材料的导电率和介电常数之比值接近,从而抑制界面上的空间电荷。当然,这是解决界面空间电荷的一种很理想的方案,然而也是难度极大的方案。

基于现实的条件,为了解决电缆附件绝缘界面空间电荷积聚的问题,本文提出一种新型直流电缆附件的设计----无界面交联聚乙烯电缆附件。新的设计理念是将电缆附件的应力锥和接头增强绝缘用与电缆绝缘相似的交联聚乙烯料在电缆绝缘上模注成型。附件增的强绝缘与电缆绝缘交界面融成一体,皮之不存毛将焉附,消除了“界面”,空间电荷的积累情况得以根本的改善。

由此,笔者设计了直流模注型接头和直流模注型终端。上述两个模注型直流电缆附件试制样品安装在同一根±200kV/ 1000mm2的直流电缆上进行试验,取得良好效果。

2. 直流模注型接头的设计

图2 是直流模注型接头的结构示意。导体连接采用等直径焊接。导体屏蔽、接头增强绝缘和绝缘屏蔽采用与电缆绝缘相似的交联聚乙烯料模注成型,与电缆的绝缘和屏蔽熔融一体。

直流模注型接头的绝缘外径可以与电缆绝缘等直径,也可以略大于电缆绝缘外径。同时,接头的结构上充分考虑了海底电缆的使用特点。因此,直流模注型也可以作为海底电缆的工厂软接头用。

3. 直流模注型终端的设计

直流模注型终端的结构与预制型终端很相似,外绝缘是瓷套管或复合套管,油浸式,用应力锥控制终端内外电场分布。传统预制型终端的应力锥是在工厂内用硅橡胶或乙丙橡胶预制成型,在现场扩张后套入经过处理后的电缆绝缘上。这样,在电缆绝缘和应力锥之间形成了一个界面。如上所述,这层界面上在直流电场下会积聚空间电荷。直流模注型终端的应力锥用与电缆绝缘相似的交联聚乙烯料在电缆绝缘上模注成型,应力锥与电缆绝缘交界面融成一体,消除了“界面”,空间电荷的积累情况得以根本的改善。图3是直流模注型终端的结构示意和与传统预制型终端的比较。

4. 安装工艺和质量检测

直流模注型接头和直流模注型终端的模注成型是在现场进行的。方法如图4所示。图5示出现场安装工艺流程。全部工艺参数,包括注料量,注料温度,真空度,注料压力和交联温度等全过程用计算机控制。

5. 样品鉴定试验

众所周知,迄今还没有相应的国家(GB)标准和国际(IEC)标准规范直流电缆及附件的试验方法和要求。目前国际上大多数制造商都是参照国际大电力网会议第21工作组(CIGRE WG21-01)推荐的TB496【11】的试验方法进行试验。我国国家电线电缆质量监督检测中心推荐的技术规范TICW7.1-2011【12】等同采用了CIGRE TB496 WG21-01的推荐方法,在国内普遍受到认同。

本次样品鉴定试验是参照上述CIGRE TB496 WG21-01和TICW7.1-2011推荐的方法进行的。在一根±200kV / 1000mm2的直流电缆上,安装±200kV 直流模注型接头和±200kV 直流模注型户外终端组成试验回路。在国家电线电缆质量监督检验中心通过了采用电压源换流器(VSC)的±200kV直流系统的电缆附件型式试验项目。表1列出主要试验项目及试验结果。

6. 结言

直流电压下,电缆绝缘与附件增强绝缘交界面上的空间电荷的积累会导致局部电场严重畸变,甚至发生击穿。降低和控制电缆附件绝缘界面空间电荷的积聚是开发高压直流电缆附件的关键技术。

直流模注型接头和直流模注型户外终端的应力锥和接头的增强绝缘是用与电缆绝缘相似的交联聚乙烯料模注在电缆绝缘上成型,消除了“界面”,空间电荷的积累情况得以根本的改善。已经成功地开发了±200kV电压等级的直流电力电缆附件,在国家电线电缆质量监督检验中心按照国际大电网会议CIGRE TB496推荐的试验方法和我国国家电线电缆质量监督检测中心推荐的技术规范TICW7.1-2011通过了型式试验。进一步的预鉴定试验正在进行之中。

无界面高压直流电缆附件的开发为今后的直流挤出绝缘电缆的附件发展提供了新的设计理念

参考文献

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[2] F. Rogti, A. Mekhaldi, C. Laurent. Space charge behavior at physical interfaces in Cross-linked polyethylene under DC field. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2008, 15(5): 1478-1485

[3] S. Delpino, D. Fabiani, G.C Montanari et al Polymeric HVDC cable design and space charge accumnlation. Part 2: Insulation interfaces IEEE Electrical Insulation Magazine 2008 24(1) 14-22

[4] 顾金,王俏华,伊毅,李旭光高压直流XLPE电力电缆预制式接头的设计高电压技术第35卷第12期 3159-3163, 2009.12

[5] 王雅群,高压直流塑料电缆中空间电荷抑制方法研究上海交通大学硕士论文 2009

[6] 张荣,徐操,闻飞高压直流XLPE绝缘电缆附件设计电线电缆2012.第6期

[7] 吴叶平,顾金,吴建东,兰莉,伊毅挤包绝缘高压直流电缆及附件绝缘性能研究电线电缆2011.第6期

[8] 王俏华,顾金,吴建东,尹毅预处理温度对高压直流电缆附件绝缘材料空间电荷的影响电网技术 2011第1期

[9] 吕亮,王霞,何华琴硅橡胶/三元乙丙橡胶界面上空间电荷的形成中国电机工程学报 2007, 27(15) 106-109

[10] J. Marc. HVDC, the next generation of transmission highlights with focus on extruded cable systems. Proceedings of 2008 International Symposium on Electrical Insulating Materials. Yokkaichi, Mie, Japan, 2008 10-15

[11] CIGRE TB496 WG21-01 Recommendations for testing DC extruded cable systems for power transmission at a rated voltage up to 500kV.

[12]国家电线电缆质量监督检验中心技术规范 TICW7.1-2012额定电压500kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统试验规范,第四部分直流电缆附件

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