高压直流电力电缆的发展概况论述.pdfVIP

第23卷第2期 2 O 01年4月 电气电子教学学报 JOURNAL 0F EEEE V01．23№．2 Apr．2 O 01 高压直流电力电缆的发展概况 屠德民 (西安交通大学绝缘研究中心西安：710049) 摘要介绍了50年代以来世界直流输电容量的增加情况、影响直流绝缘介电强度的因素、消除交联聚乙烯绝缘中空问电荷的方法和各国研 究直流塑料电缆的情况．最后报道日本研制的士250kVⅪ．PE电缆的结构、接头和绝缘中空间电荷的现场测量结果。 关键词直流电缆直流绝缘空间电荷 0引言 高压直流输电有许多优点，线路成本纸、线路损 耗小、没有无功功率、电力连接方便、容易控制和调 节，尤其是在长距离输电中直流电力系统已经广泛 采用[1J。我国在80年代已建成葛州坝到上海的 500kV直流输电线路，最近又在建设三峡刭常州的 500kV直流输电线路。直流电力电缆具有下列优 点：绝缘的工作电场强度高，绝缘厚度薄，电缆外径 小、重量轻、柔软性好和制造安装容易；介质损耗和 导体损耗低，载流量大；没有交流磁场，有环保方面 的优势[1I。相对于交流电力系统而言，直流高压电力 电缆的发展是滞后的，例如，在日本发展1000kV电 力设备的同时，也研制成功了500kV xIPE电力电 缆[2’3]，并很快投入了运行，可是，500kV的直流电 力电缆至今尚未研究成功H]。研制高压直流电缆还 有一些困难要克服，困难之—是空间电荷问题，只有 懂得空间电荷才能成功设计高压直流电力电缆。 1直流输电容量 直流高压输电起始于50年代，随着高压晶闸管 技术的进步，高压大电流的换流技术变得较为简单， 高压直流输电在先进国家中已成为交流输电的竞争 对手，在世界范围内，高压直流输电容量随年份的增 加情况如图1所示[引。 2影响直流绝缘介电强度的因素 众所皆知在交流电场中复合绝缘中的电场分布 决定于介电常数，在直流电场中，电场按电阻率大小 收稿日期：2001年2月26日 图1直流输电线路输电容量的发展 (a)DC 量‘ 变压豁油 仁三量三三兰兰苎苎苎苎三苎曼苎苎曼 (b)AC 。角 图2层压板与油复合绝缘在电场中的电场分布 分布，工频电场变化如此快，材料中的正负电荷的迁 移无法跟上电场的变化，因而绝缘中也不会产生空 间电荷，可是在直流电场中则相反，将形成空间电 荷，影响电场分布。如图2(a)示出层压板与油复合 绝缘在直流和交流电场中的电场分布[5]。由图2 (b)，在交流情况下等位线平行层压板，电力线垂直 于层压板，复合绝缘的介电强度很高，但由图2(a) 也可见，在直流电场中，在两层板相搭盖的油隙中， 万方数据 6 电气电子教学学报 2001年4月 等位线几乎与层压板相垂直，电场强度沿层压板表 面分布，介电强度很低。如再考虑空间电荷对直流电 场的影响，电场分布更不均匀，复合绝缘的介电强度 更低。 3空间电荷效应 当聚乙烯为绝缘时，聚合物具有大量的局部态， 空间电荷效应特别严重，以聚乙烯为试样，在进行脉 冲击穿试验时，先对试样进行直流预压，图3所示直 流预压对脉冲击穿电场强度的影响[sI。 图3直流预压对脉冲击穿电场强度的影响 由图3可见，当直流电压与脉冲击穿电场强度 相同时，随着直流电压幅值的增加，脉冲击穿电场强 度也略有增加。当两者极性相反时，随着直流电压的 增加，脉冲击穿电压线性下降，当去掉直流预压电压 后再加脉冲电压，其间隙时间对脉冲击穿电场强度 影响很大，间隙时间越长，脉冲击穿电场强度越高。 以上实验现象说明，直流预压期间注入的空间电荷 在脉冲击穿中起着重要作用，间隙时间长，空间电荷 消失得多，因而作用在减少。 4空间电荷引起聚合物绝缘的击穿 知道了介质中空间电荷的分布，由泊松方程可 计算介质中的电场分布曲线。图4中曲线(a)示出含 有抗氧剂的低密度聚乙烯中空间电荷的测量结果， 图4中曲线(a)为加压起阶段的空间电荷分布，曲线 (b)是加压80分钟之后的空间电荷分布[7l。 如果忽略加压起始阶段的空间电荷，那么介质 中的平均电场强度等于120kV／rm。当加压80分 钟后，由图4曲线(b)可算得，靠近阳极附近介质中 最大电场强度已为500～600kV／mm，空间电荷使 介质中的电场强度比平均电场强度提高了4～5倍。 图4低密度聚乙烯中空间电荷 法国报道了实际XLPE电缆上的测量结 果[s，引，此电缆外径为69mm，绝缘厚度13．5mm，半 导电屏蔽厚度为1mm，试验时对电缆外施直流电压 120kV，在不同加压时间上，测得绝缘中的空间电荷 分布曲线，然后算得电缆内外电极处最大电场强度 与理论电场强度之比E／E。，E／E。随着加压时间的 变化关系如图5所示。 图5 E／Eo与加压时间的关系 由图5可见，不论是电缆的内屏蔽还是外屏蔽 层附近的介质中，空间电荷使电场强度提高的倍