高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用

高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用

0高壓電纜附件生產(chǎn)技術(shù)隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和現(xiàn)代化城市水平的不斷提高，供電作為城市電網(wǎng)的重要設(shè)備，發(fā)展速度快，年增長率35%。中國生產(chǎn)及運(yùn)行的高壓電纜以XLPE電纜為主,充油電纜不多,鋼管電纜與壓縮氣體電纜幾乎不生產(chǎn)。目前北京、上海、天津、廣州等大城市和部分水電站仍有一定數(shù)量的充油電纜在運(yùn)行。國內(nèi)的電纜企業(yè)已經(jīng)具有生產(chǎn)各種電壓等級的電力電纜的實(shí)力,其中,110kV和220kVXLPE電纜已能批量生產(chǎn),國網(wǎng)電科院電纜所正在推動500kV電纜系列的國產(chǎn)化。中國的高壓及超高壓電纜附件生產(chǎn)技術(shù)一直落后于其電纜本體。110kV等級的電纜附件,國產(chǎn)和進(jìn)口并存,國產(chǎn)電纜附件正在逐步獨(dú)占市場,但是能夠生產(chǎn)220kV電纜附件的制造商卻不多,且對附件關(guān)鍵技術(shù)掌握還不夠。近年來,超高壓電纜附件以安全環(huán)保型為主要發(fā)展趨勢,因此,淘汰充油和六氟化硫氣體的電纜附件產(chǎn)品成為大勢所趨。歐洲一些企業(yè)正在力圖實(shí)現(xiàn)500kV電纜附件的無油化,中國企業(yè)也正在努力研制安全環(huán)保型產(chǎn)品,目前已能生產(chǎn)110kV等級的插拔式和GIS干式終端。隨著電力負(fù)荷的增加、電壓等級的提高以及人們安全環(huán)保意識的增加,電力電纜的相關(guān)技術(shù)也在不斷更新,包括超高壓與特高壓電纜、超導(dǎo)電纜、特高壓直流電纜、電纜絕緣新材料、電纜絕緣厚度的減薄、外護(hù)套無鹵化、終端無油化、電纜絕緣壽命評估、高壓電纜在線監(jiān)測及檢測技術(shù)等。這些新技術(shù)的不斷進(jìn)步,對電力電纜的安全運(yùn)行、保障供電可靠性、減少環(huán)境污染、降低制造及運(yùn)行成本等方面都有重大意義。1高壓電纜mlpe與充油電纜相比,XLPE電纜具有不需要供油設(shè)備、防火性能好、安裝維護(hù)簡單和機(jī)械電氣性能好等優(yōu)點(diǎn),在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,但其顯著缺點(diǎn)是存在絕緣氣隙和突起等局部缺陷,導(dǎo)致局部電場集中容易發(fā)生水樹等絕緣老化現(xiàn)象,在長期運(yùn)行時有些電纜可能會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。XLPE電纜發(fā)展迅速,自從其20世紀(jì)60年代開始用于低壓電纜后,經(jīng)過近40年的研究,在高電壓和大容量化方面取得了很大進(jìn)展,東京電力公司已于2000年應(yīng)用到500kV線路中。歐洲已經(jīng)大量應(yīng)用到400kV系統(tǒng)中,在近年國際上運(yùn)行的400kV以上高壓電纜中,絕大多數(shù)也為XLPE電纜。電力電纜經(jīng)過了從充油電纜時代到XLPE電纜時代的轉(zhuǎn)變,目前XLPE電纜逐漸向高電壓化方向發(fā)展。今后將以XLPE電纜為主體,朝著小型化、安全環(huán)保化、接頭安裝簡單化以及檢測技術(shù)自動化等相關(guān)技術(shù)方向發(fā)展。2電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)電力電纜長期運(yùn)行在高溫環(huán)境,對電纜及其附件的老化數(shù)據(jù)積累還很少。為有效利用現(xiàn)有設(shè)備、節(jié)約成本,亟待對已敷設(shè)的電纜設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化的監(jiān)測和管理。1998年,因電纜溫度管理不善造成的電纜絕緣擊穿而引起的新西蘭奧克蘭市大停電事故發(fā)生后,采用監(jiān)測電纜溫度方法進(jìn)行負(fù)荷管理的國家和電力部門有所增加。意大利開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng),可對遠(yuǎn)距離電纜線路進(jìn)行表面溫度、負(fù)載、周邊環(huán)境、回路參數(shù)等監(jiān)測。韓國開發(fā)的在線診斷系統(tǒng),可對線路的局部放電、負(fù)荷電流、隧道水位、有害氣體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。類似的在線監(jiān)測系統(tǒng)在美國、日本、加拿大、英國、法國和新加坡都得到應(yīng)用。其中,將光纖溫度傳感器敷設(shè)在電纜內(nèi)部或者表面,進(jìn)行實(shí)時溫度測量,計(jì)算電纜導(dǎo)體溫度,結(jié)合歷史負(fù)荷狀況,得到電纜的動態(tài)載流量的方法得到特別關(guān)注。目前,分布式光纖電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單線長達(dá)30km的在線監(jiān)測,同時可精確計(jì)算出發(fā)熱點(diǎn)位置,已成功在英、法、日等多國的電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。隨著設(shè)備管理水平的提高,電力設(shè)備管理的現(xiàn)代化,特別是配電容量計(jì)算有效利用快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù),必將隨它的進(jìn)步而有新的突破和發(fā)展。3電力、電纜及其附件的技術(shù)隨著長期運(yùn)行電纜設(shè)備的更新?lián)Q代,以及安全環(huán)保意識的提高,人們逐步開發(fā)出以降低成本、提高性能和安全環(huán)保為目的的新技術(shù)。3.1芯社區(qū)型直流電纜系統(tǒng)目前110kV及以上等級的電力電纜主要采用的是單芯電纜。三芯電纜與單芯電纜相比,具有價格低廉,敷設(shè)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。三芯XLPE電纜主要用于35kV及以下等級的中低壓電纜中。最近,對于154kV等級電纜,為有效利用已鋪設(shè)管道和減少電纜安裝施工量,日本開發(fā)并應(yīng)用了導(dǎo)體截面為1000mm2的大型三芯XLPE電纜。3個單芯大節(jié)距絞合方法,既方便了敷設(shè),充分利用空間,又給分支供電創(chuàng)造了條件,逐漸被歐美等發(fā)達(dá)國家采用。隨著直流輸電事業(yè)的發(fā)展,直流電纜的研究被提上議事日程。研究表明直流電纜具有電纜長度不受充電電流限制、無需電抗性補(bǔ)償裝置、容易控制功率傳輸、制造安裝簡便、介質(zhì)和導(dǎo)體損耗小、載流量大等優(yōu)點(diǎn),有著良好的市場前景,逐漸受到各國研究人員的重視。日本采用添加劑以減緩直流高壓電纜絕緣中空間電荷累積的方法研制出傳輸容量為2800MW的500kV直流XLPE電纜及其附件,具有不易累積空間電荷、體積電阻率較高等優(yōu)點(diǎn)。但是相對于交流電力系統(tǒng)而言,高壓直流電力電纜的發(fā)展是滯后的,目前還有不少問題有待于進(jìn)一步研究解決,如:空間電荷積累機(jī)理及其抑制方法,直流電壓下的絕緣老化機(jī)理,新開發(fā)絕緣材料的長期穩(wěn)定性,局部放電的影響等。3.2最高穩(wěn)定性電纜接頭電纜接頭是電纜線路中絕緣的薄弱環(huán)節(jié),容易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。電纜接頭質(zhì)量關(guān)系到電纜系統(tǒng)供電的安全性和可靠性,目前主要采用的接頭主要有繞包式、模塑式、組合預(yù)制式和全預(yù)制式接頭。其中繞包式不適合110kV及以上等級的電纜接頭,因而110kV及以上等級電纜的接頭型式主要是模塑式和預(yù)制式。模塑式電纜接頭采用和電纜相同的材料,沒有異種材料界面,采用小型擠塑機(jī)在模具中擠出并注入與XLPE電纜相同的超凈可交聯(lián)料,并經(jīng)加熱加壓固化形成與XLPE電纜絕緣成為一體的接頭增強(qiáng)絕緣,是一種小型化、高質(zhì)量接頭。該類型接頭存在的主要問題是接頭質(zhì)量幾乎取決于現(xiàn)場施工。對安裝工藝、現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督管理以及施工操作人員技術(shù)素質(zhì)要求很高,且施工時間長。為提高可靠性,使施工簡單化,縮短安裝時間,降低成本,意大利、英國等開發(fā)并推廣使用了可以和組合預(yù)制式接頭相媲美的全預(yù)制式接頭。該接頭可以有效利用原有設(shè)備,安裝后可以移動和彎曲,且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,并不存在絕緣界面,只要安裝完成后將電纜的切向電場強(qiáng)度控制在一個安全值內(nèi),就能確保電纜附件安全可靠運(yùn)行。預(yù)制式接頭從20世紀(jì)90年代以來,迅速普及,隨著在275kV等級電纜的實(shí)用化發(fā)展,500kV等級電纜上的開發(fā)試驗(yàn)也已完成。另外,應(yīng)用預(yù)制式接頭技術(shù)開發(fā)的Y分支接頭已被廣泛應(yīng)用在275kV以下等級電纜上。在歐洲各主要城市,225kV和400kV等級XLPE電纜設(shè)備量逐漸增加,組合預(yù)制式和全預(yù)制式接頭成為主流。對于全預(yù)制式接頭,一方面,要促進(jìn)接頭安裝的簡單化,縮短施工時間;另一方面,目前對于全預(yù)制式接頭絕緣老化現(xiàn)象的研究報道還不多,為了更好地進(jìn)行設(shè)備管理,分析研究其絕緣老化及絕緣擊穿現(xiàn)象是目前的研究課題。電纜接頭等附件的發(fā)展與材料和加工工藝有關(guān),而電纜材料的發(fā)展又集中在更高的潔凈度和更好的加工性能上。因此,改善加工工藝,開發(fā)允許擠出長度更長的材料,同時使安裝簡單化,是今后的發(fā)展趨勢。3.3電纜終端電纜氣密終端采用由環(huán)氧樹脂和橡膠應(yīng)力錐制成的預(yù)制式絕緣方式,日本正致力于開發(fā)小型化的預(yù)制式終端,以改善和電力系統(tǒng)其他部分的連接和安裝。以前的氣密終端,一般使用瓷套式絕緣套管。這種終端發(fā)生爆炸時,瓷套管碎片會發(fā)生二次危害,傷及人體和周圍設(shè)備。隨著高分子絕緣材料技術(shù)的發(fā)展,硅橡膠復(fù)合式絕緣套管已應(yīng)用于66kV和154kV等級電纜,其優(yōu)點(diǎn)是重量輕、抗污性強(qiáng)、耐震防爆性能優(yōu)。但是硅橡膠材料老化壽命一般為20年,電纜終端設(shè)計(jì)壽命為30年,是否硅橡膠外絕緣需要在20年后進(jìn)行更換需要進(jìn)行深入研究。隨著地球自然環(huán)境惡化和人類環(huán)保意識的提高,減少并逐步淘汰充油和SF6氣體的電纜終端產(chǎn)品成為大勢所趨。上述終端發(fā)生泄漏時會造成土壤或空氣污染,此外,絕緣油廢棄后,也不易處理。歐洲一些企業(yè)正在考慮實(shí)現(xiàn)500kV電纜附件的無油化,中國的電纜附件生產(chǎn)企業(yè)也在努力制造安全環(huán)保產(chǎn)品,已經(jīng)有插拔式和GIS干式終端問世。此外,廣東吉熙安公司開發(fā)出一種用硅凝膠代替硅油或異聚丁烯作為填充物的干式終端,硅凝膠具有優(yōu)異的電絕緣性能,各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于硅油,其介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)更適用于高壓產(chǎn)品。該材料硫化后是一種不流動的粘稠軟彈性體,具有良好的浸潤性,與硅橡膠應(yīng)力錐、XLPE等材料表面具有良好的粘接性和相容性,且無泄漏問題,是一種很有前途的干式安全環(huán)保型終端。為降低重量和成本,今后會更多地采用復(fù)合式絕緣套管。3.4kv電纜系統(tǒng)隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,電力需求也成倍增加,形成了大容量集中性供電負(fù)荷中心,導(dǎo)致超高壓XLPE電纜系統(tǒng)的需求也迅速增加。目前中國北京、上海、廣州等大城市已經(jīng)在運(yùn)行220kV電纜線路,而500kV電纜主要還是作為水電站、抽水蓄能電站的高壓端引出線使用,隨著城市電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增加,北京、上海等地也正在建設(shè)500kV電纜系統(tǒng)。中國已經(jīng)具備生產(chǎn)包括500kV等級的超高壓電纜的能力,但是目前能提供220kV及以上等級電纜附件的廠家不多,500kV電纜附件還處于攻關(guān)開發(fā)階段。國網(wǎng)電科院電纜所正在推動500kV電纜本體和220kV電纜附件的國產(chǎn)化。由于超高壓電纜擠包絕緣的絕緣厚度減薄趨勢的要求,將會使電纜本體絕緣的工作場強(qiáng)提高,如何評價在高場強(qiáng)下運(yùn)行的電纜及其附件的絕緣性能非常重要。3.5電纜線性系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性超導(dǎo)電纜,由于采用超導(dǎo)體,具有載流能力大、損耗低和體積小等優(yōu)點(diǎn),是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑。有研究表明,高溫超導(dǎo)電纜的傳輸損耗僅為常規(guī)電纜傳輸損耗的50%,而且在相同規(guī)格下,傳輸容量可提高3~5倍。文基于電磁場交流損失計(jì)算結(jié)果分析了高溫超導(dǎo)電纜的運(yùn)行可靠性,該方法可以用于設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)系統(tǒng)并評估高溫超導(dǎo)系統(tǒng)在額定工況下是否能穩(wěn)定運(yùn)行。日本研制成功的500m高溫超導(dǎo)體電纜號稱是目前世界上最長的超導(dǎo)電纜。2004年,中國35kV/2kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜在昆明普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行成功。常溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)線路的長距離化技術(shù)、短路電流峰值的處理技術(shù)、中間接頭和長距離冷卻技術(shù)是超導(dǎo)電纜技術(shù)的重要研究課題。今后,期待開發(fā)出輕型和低損耗電纜、電纜敷設(shè)和接頭安裝的自動化技術(shù)、對環(huán)境友好型電纜(完全可循環(huán)利用型)、信息型電纜(可跟蹤敷設(shè)位置和老化狀況的智能電纜)等產(chǎn)品和技術(shù)。4診斷技術(shù)的發(fā)展4.1充油電纜壽命檢測充油電纜發(fā)生漏油現(xiàn)象主要是金屬護(hù)套疲勞、供油系統(tǒng)不匹配和防腐層老化等因素造成的,是否發(fā)生漏油決定著充油電纜的壽命。鉛護(hù)套充油電纜敷設(shè)超過40年后,發(fā)生漏油可能性比較大,需要逐次更換。研究人員從接頭處提取絕緣油,分析油中氣體成分,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在線采油、測試,進(jìn)而對充油電纜老化狀況進(jìn)行檢測,并采取相應(yīng)設(shè)備管理措施延長電纜壽命。今后,安裝維護(hù)人員需要進(jìn)行必要的診斷和采取相應(yīng)的對策,對設(shè)備進(jìn)行有效管理。4.2局部放電檢測電纜缺陷電纜主絕緣中的缺陷造成的老化通常有水樹、電樹和局部放電等現(xiàn)象,水樹老化是造成XLPE電纜老化的主要原因,時常發(fā)生在中低壓等級的XLPE電纜中。目前,研究水樹老化的診斷技術(shù)很多,其中損耗電流高次諧波成分法和殘留電荷法等逐漸被采用,殘留電荷法以未橋聯(lián)水樹為診斷對象,對于中低壓等級電纜,是一種有效的水樹檢測方法,天津大學(xué)做了很多相關(guān)研究和工作。對已發(fā)生故障的XLPE電纜進(jìn)行可視化觀測,并結(jié)合運(yùn)用其他診斷方法獲得的數(shù)據(jù),更好地檢測水樹和制定相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)以減少水樹的產(chǎn)生條件。另外,水樹修復(fù)技術(shù)受到人們的關(guān)注,該技術(shù)對延長水樹老化電纜的壽命、降低成本有一定作用。局部放電檢測法是一種備受關(guān)注的方法,國內(nèi)外開發(fā)出多種在線或離線的診斷裝置。其中基于振蕩波的局放檢測系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用,該系統(tǒng)能對中低壓電纜的局放點(diǎn)進(jìn)行定位,是一種比較有效的檢測電纜缺陷的方法。此外,文研究了內(nèi)置式電容傳感器檢測電纜局放,該方法受外界電磁干擾小,靈敏度明顯高于電感耦合傳感器,只是需要破壞電纜結(jié)構(gòu),目前離實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離。目前,局部放電檢測所面臨的主要問題是現(xiàn)場背景干擾嚴(yán)重、特征量難以提取等問題,因此,開發(fā)高效的抗干擾技術(shù)是局部放電檢測研究的關(guān)鍵。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,開發(fā)精度和自動化程度高的在線診斷技術(shù)和局部放電定位方法非常重要。4.3電纜終端內(nèi)的熱成像儀檢測電纜附件由于安裝的環(huán)境不理想和施工缺陷,接頭中的絕緣氣隙、污穢和內(nèi)外半導(dǎo)電層突起等原因,經(jīng)常會發(fā)生由絕緣劣化所引起的絕緣故障。電纜附件發(fā)生故障前,會有局部放電現(xiàn)象發(fā)生,因此可以通過監(jiān)測電纜附件的局放狀況來判斷絕緣的好壞。目前,國內(nèi)外的高壓電纜系統(tǒng)主要采用電感耦合、電容耦合傳感器監(jiān)測接頭,用超聲、超高頻傳感器檢測電纜終端的局放信號。在電纜終端絕緣體表面有析出物、電纜較細(xì)、造成導(dǎo)體與接頭接觸不良時,引起局部溫升,導(dǎo)致硅油老化產(chǎn)生氣體。因此,定期用紅外熱成像儀檢測電纜終端,發(fā)現(xiàn)電纜終端的發(fā)熱性缺陷,進(jìn)而對油浸終端頭的硅油氣體成分進(jìn)行分析十分重要。在接頭和終端等電纜附件中,有不同絕緣材料的界面,而界面是絕緣強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。人們研制出用界面測試的方法,用以考察接頭和終端設(shè)計(jì)的合理性、可接受的缺陷水平、界面材料的協(xié)調(diào)性、溫度、壓力和污染程度的影響等,是非常重要的測試手段。此外,電纜終端故障與高壓電纜終端中絕緣油老化有關(guān),但目前還沒有有效的解決方法,需要對絕緣油的老化規(guī)律進(jìn)行研究。4.4應(yīng)用氧化作用分析XLPE電纜絕緣的樹枝狀老化研究已持續(xù)多年,人們對電纜絕緣的樹枝狀老化機(jī)理提出了不同解釋,如場致發(fā)光、空間電荷、低密度區(qū)原理等。電纜中的空間電荷改變了原有電場分布,增加了絕緣內(nèi)部的能量,被認(rèn)為是引起電纜老化的主要因素。目前,日本電力中央研究所和ABB等公司正試圖將空間電荷的測試技術(shù)運(yùn)用到現(xiàn)場運(yùn)行的XLPE電纜中。氧化特征法是近幾年由日本東京電力公司提出的,基于XLPE電纜及其包帶型接頭在過熱狀態(tài)下,對電纜絕緣層、半導(dǎo)電層、接頭用包帶各材質(zhì)的耗氧量隨時間變化,及其熱物理性參數(shù)、材料的斷裂性、體積電阻率等電氣特性的測定,就材料在氧化作用期間的時效變化來評估其使用壽命,并提出依賴耗氧量等參數(shù)的解析算式。該公司對已運(yùn)行11年撤換下的XLPE電纜與新電纜進(jìn)行氧化作用測試對比,以推測前者殘余壽命,其結(jié)果與解析算法結(jié)果相近。該方法的缺點(diǎn)是需要取下電纜對其部分材料進(jìn)行測試,屬于破壞性試驗(yàn),且目前僅在中低壓電纜系統(tǒng)中得到過應(yīng)用,其評價體系還不夠成熟。德國、日本等國提出對實(shí)際運(yùn)行中已發(fā)生故障的電纜進(jìn)行取樣分析,以此來推斷運(yùn)行狀態(tài)下其他電纜的絕緣狀態(tài)。日本曾對運(yùn)行4~19年的66kV級XLPE電纜多回路取樣進(jìn)行一系列材料試驗(yàn)如蝶形水樹長度、水份含量等、非破壞性試驗(yàn)(局部放電、介損正切等)、破壞性試驗(yàn)(工頻、沖擊、直流各擊穿場強(qiáng);外護(hù)套沖擊擊穿)。德國也用該方法對運(yùn)行6~23年66kV、115kV級XLPE電纜進(jìn)行了檢測。該方法是一種離線檢測手段,當(dāng)電纜受外力破壞或者出現(xiàn)故障時都會截取一段電纜,可以利用該方法對于截取下的電纜進(jìn)