雷清泉-----高壓直流電纜關鍵技術探討.pdf

《雷清泉-----高壓直流電纜關鍵技術探討.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《雷清泉-----高壓直流電纜關鍵技術探討.pdf（26頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、1報告目錄報告目錄contents三三、高壓直流電纜的工程高壓直流電纜的工程應用應用一一、技術背景技術背景高壓直流高壓直流電纜關鍵電纜關鍵技術探討技術探討二二、高壓直流電纜的關鍵技術問題高壓直流電纜的關鍵技術問題四四、總結與展望總結與展望 2 交流輸電已經歷了一百多年的發展，目前最高電壓等級已達1000kV；交流輸電系統的電力傳輸方式正在經歷著從架空線到交流電纜的轉變，尤其在城市配電領域，交流電纜的作用更加突出?，F代直流輸電技術也有60年的歷史，目前工程最高電壓等級已經達到800kV。直流電纜在高壓直流輸電系統的應用一直相對滯后，應用有限，在柔性直流輸電技術發展后，直流電纜工程應用快速發展。3

2、vs HVAC架空線架空線 經濟優勢：經濟優勢：線路造價低(500km)、年電能損耗??；技術優勢：技術優勢：不存在系統穩定問題，可實現電網的非同期互聯，有利于長距離大容量送電；短路電流??；無電容電流，沿線電壓分布平穩；節省線路走廊；絕緣不易老化；缺點：缺點：換流裝置較昂貴；消耗無功功率多；產生諧波影響；缺乏直流開關；不能用變壓器來改變電壓等級。4vs HVAC電纜電纜 經濟性好(50km)；電能損耗小(電導、極化、感應損耗遠小于交流)；輸電距離不受充電電流的限制，無需無功補償；是遠距離海底輸電和孤島供電的唯一選擇。5HVDC與與HVAC輸電系統造價比較輸電系統造價比較6 柔性柔性直流輸電直流輸

3、電：采用電壓源換流器(VSC),換流元件為全控器件IGBT，可以自關斷，功率潮流反轉可以通過控制電流反向來實現；成本高，目前最高到320kV，一般采用直流電纜。傳統直流輸電傳統直流輸電:采用電流源換流器(CSC),以晶閘管為開關元件，不能自關斷，依靠網壓換流，功率潮流反轉只能通過電壓反向來實現；成本低，目前已達1000kV；傳統直流輸電潮流需要電纜傳統直流輸電潮流需要電纜電壓極性反轉電壓極性反轉One of the main limitations that has hampered the development of extruded cables since the 1970s was

4、the ability of the insulation to.Today the polarity reversal still represents a challenge for extruded insulation cables for HVDC application.For this reason,to date HVDC cable lines belonging to HVDC systems with CSC have MIND insulation,while HVDC cables lines belonging to HVDC systems with VSC ca

5、n have both MIND and extruded insulation.來自Extruded Cables For High-Voltage Direct-Current Transmission Advances in Research and Development，P26.7柔性直流輸電電纜：柔性直流輸電電纜：基于基于VSCVSC變流器的柔性變流器的柔性HVDCHVDC電纜在電纜在承受雷電、操作過電壓等電磁暫態下會產生極性反轉電壓。承受雷電、操作過電壓等電磁暫態下會產生極性反轉電壓。SCOF充油電纜MI油浸紙電纜XLPEXLPE電纜電纜電纜紙包繞導電線芯、真空干燥處理、低粘度浸

6、漬劑浸漬、補充浸漬油；6 0 0 k V HVDC電纜，輸電距離小于100km；工 作 場 強 高(10kV/mm)；介質損耗大，耗油量大、補充浸漬設備和接頭復雜、不宜于高落差敷設。電纜紙包繞導電線芯、真空干燥處理、高粘度浸漬劑；500kV、800MW、580km的海底HVDC電纜；輸電距離不受限制、無空間電荷問題；其容量受限于導體溫度(55C)、最大 工 作 場 強 較 低(4-4.5kV/mm)。交流聚乙烯塑料，三層共擠出；2000年后開始在柔性HVDC輸電中占據主導地位；為320kV，1000MW；工 作 場 強 高(25kV/mm)、工作溫度高(可達70-120C)；擊穿場強和電阻率對

7、溫度變化很敏感、電場反轉和空間電荷效應。89Structure of HVDC XLPE cables for land(a)and sea(b)usage in conjunction with VSC converters(courtesy of ABB)報告目錄報告目錄contents三三、高壓直流電纜的工程高壓直流電纜的工程應用應用一一、技術背景技術背景高壓直流高壓直流電纜關鍵電纜關鍵技術探討技術探討二二、XLPEXLPE直流直流電纜的主要技術問題電纜的主要技術問題四四、總結與展望總結與展望10 半導體屏蔽材料研制技術：滿足直流電纜界面空間電荷抑制和提高抗電老化性能的改性半導體屏蔽材料

8、研制，并可實現90工作溫度運行；直流電纜絕緣材料研制技術：滿足直流電纜絕緣及耐老化性能需求、并可實現90工作溫度運行的改性XLPE材料研制；直流電纜測試技術：可實現直流電纜空間電荷精確測試的方法，以及直流電纜的長期老化性能測試方法；直流電纜制造技術：滿足長期應用可靠性的200kV及以上電壓等級基于陸基和?；鶓铆h境的不同類型高壓直流電纜制造工藝；直流電纜附件制造技術：200kV及以上電壓等級高壓直流電纜附件內部電場優化設計、內外組合絕緣設計、非線性應力控制等。受限于直流電纜的材料性能和制造工藝，目前高壓XLPE直流電纜的最高運行溫度僅為70，低于交流XLPE電纜的90運行溫度。二二、XLPEX

9、LPE直流電纜的主要技術問題直流電纜的主要技術問題11在200kV及以上電壓等級直流電纜的主絕緣材料包括交聯聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯等材料，目前主要以XLPE材料為主。極性極性基團和接枝、共基團和接枝、共混改性：混改性：采用該技術生產的XLPE絕緣工作溫度低于70，與運行溫度為90的絕緣料相比，以此絕緣的電纜輸送容量較低；納米復合改性：納米復合改性：采用該技術生產的XLPE絕緣料工作溫度可達90；國外XLPE電纜絕緣材料現狀 北歐化工：北歐化工：位于瑞典斯泰農松德(Stenungsund)，是XLPE超純電纜絕緣料最大供應商，供應70共混改性柔直電纜絕緣料；自1997年北歐化工電纜料首次在柔直工

10、程應用至今，已占領全球市場。日立公司：日立公司：已經制作出500kV MgO納米復合絕緣直流電纜并通過型式試驗，但目前尚無商品供貨。日立公司日立公司北歐化工北歐化工12直流電纜絕緣材料研究必須考慮絕緣材料電阻率與溫度、電場的變化規律。研究發現：30kV/mm場強下測試對均勻電場分布，電導率對溫度和電場的依賴性可用下面的經驗公式描述系數a系數b XLPE交流電纜絕緣料(A)、北歐化工的BorlinkTM共混XLPE直流電纜絕緣料(B)、納米復合改性XLPE直流電纜絕緣料(C)，三種絕緣料在30kV/mm場強下，在30-90范圍內體積電阻率普遍下降了約2個數量級。30-90溫度范圍內，納米復合絕緣

11、料的電阻率最高，是北歐化工材料的100倍，是XLPE交流電纜絕緣料的1000倍。13為獲得更高質量的擠出型高壓直流電纜，許多廠家已開始研究如何利用適當的材料和高質量的電纜制造技術來控制材料的參數。直流電纜制造工藝控制研究的難點在于對設備性能的控制；重點研究聚乙烯絕緣料和半導電屏蔽料在不同溫度、不同剪切力和受不同壓力作用下的粘度變化，確定電纜擠出工藝參數；對于電纜偏芯問題、絕緣內應力集中問題，可采取立式交聯、導體加熱，在線應力松弛監測系統等方法，使生產工藝進一步完善。對于電纜附件用橡膠材料，普遍采用高溫硫化技術。通過測定附件用橡膠材料硫化曲線，研究硫化質量，合理設定硫化工藝條件，對于提高制品的使

12、用性能、節約能源和降低生產成本具有重要的意義。14ABB 525KV電纜截面 對于500kV等級的直流電纜，3000mm2截面，銅導體可傳輸約2.6GW電能，而鋁導體則可傳輸約1.8GW電能；目前我國規劃的500kV直流電網輸送容量已達3GW，銅電纜將是應用趨勢。高壓直流電纜線芯導電材料選型高壓直流電纜的線芯導電材料可選擇銅材料和鋁材料。500kV銅和鋁直流電纜輸送能力525kV/2000mm2鋁電纜結構525kV/3000mm2銅電纜結構15 對電纜終端而言，電場畸變最為嚴重，影響終端運行可靠性最大的是電纜外屏蔽切斷處；對電纜中間接頭電場畸變的影響，除了電纜外屏蔽切斷處，還有電纜末端絕緣切斷

13、處。500kV直流電纜終端結構（SF6絕緣）500kV直流電纜預制接頭結構電纜終端電場分布特性直流電纜附件具備電場應力控制是保證電纜絕緣可靠性的關鍵：16 CIGRE在2003、2012 年分別提出了250kV、500kV高壓直流擠出絕緣電纜推薦試驗方法；IEC TC20在2013年發布了320kV高壓直流擠出絕緣電纜及附件的陸上應用試驗方法及要求；IEEE DEIS在2013年成立高壓直流電纜系統技術委員會，擬發展高壓直流擠出絕緣電纜系統（電纜、接頭、終端）的IEEE標準試驗測試是檢驗直流電纜性能是否滿足應用要求的關鍵依據，包括型式試驗和預驗收試驗。國際標準已對直流電纜測試給出了推薦方法。在

14、高壓直流電纜的材料及電纜本體的老化特性測試方面，仍需要開展系統的研究和等效試驗方法研究，以提出更好的老化特性試驗方法。17ABB公司525kV直流電纜預鑒定試驗 直流電纜的電氣性能測試依據2012年頒布的CIGRE-TB-496執行；與交流電纜相比沒有特殊要求的試驗，直流電纜則按照IEC相關標準進行測試。根據ABB公司公開的文獻報道，其525kV直流電纜的成品試驗依據為：18歐洲智能電網2050年規劃圖歐洲直流電纜市場 歐洲計劃2050年以前建成以新能源接入為主的全歐洲直流智能電網，以滿足歐洲50%的電力需求 直流電網建設的投入資金分別約為2000億歐元。美國直流電纜市場 美國”Grid 20

15、30”計劃到2030年形成全國范圍的可穩控的直流輸電網架。直流電網建設的投入資金分別約為120億美元。美國智能電網規劃藍圖19 為實現可再生能源的大規模開發利用，未來的十幾年英國電網計劃大力發展海上風電場的建設；到2025年，英國國家電網在東海岸和北海區域規劃了數十個大型海上風電場，以及近50條柔性直流輸電工程，構成柔性直流輸電網絡。英國海上風電場規劃英國海上風電聯網規劃英國柔性直流工程規劃7.2GW25GW20我國規劃了張北500kV直流電網示范工程，預計2018年建設，2020年投運，用于大規?？稍偕茉吹南{；我國也正式提出了全球能源互聯的規劃，基于此需求，正積極推進500kV直流電纜及

16、800kV直流電纜的研制；我國正在規劃中韓聯網工程，通過長達500km的500kV直流海纜，實現從中韓兩國的電力互聯。國內柔性直流電網規劃 在國際上，基于直流電纜電力傳輸的柔性直流電網規劃和建設呈現井噴式發展；基于國際上直流電網建設的電纜需求總市場折合成人民幣將超過2000億元(包含840億海上風電場直流電纜市場)。21在525kV/1.5GW的傳輸功率下，1m長度直流電纜單位質量傳輸功率：陸基：525kV是320kV的約2倍 ?；?25kV是320kV的約1.5倍在525kV/1.5GW的傳輸功率下，1m長度直流電纜單位質量傳輸功率：陸基：XLEP電纜是MI電纜的約2.5倍 ?；篨LEP

17、電纜是MI電纜的約1.5倍500kV電壓等級柔性直流輸電已經成為發展趨勢，因此，500kV高壓直流電纜的開發已經勢在必行。22 截止目前，國際上共建成柔性直流工程24項，23項直流線路采用直流電纜，僅卡普里維聯網柔直工程采用架空線路輸送；我國已經建成的上海南匯20MW/30kV柔直示范工程、舟山200kV五端柔性直流工程和南澳三端柔性直流工程均采用直流電纜。23 未來的十年將是我國直流電網技術和建設快速發展的階段，高壓直流電纜作為重要的電力傳輸媒介，將會普及應用；在國外，高壓直流電纜的電壓等級已經發展至500kV，國內500kV高壓直流電纜的研制相對滯后；受限于直流電纜材料，目前直流電纜的運行

18、溫度僅70，無法達到90運行溫度；我國高端直流電纜材料主要采購自國外，要實現直流電纜技術的真正突破，必須突破直流電纜材料的制造技術?？偨Y總結248展望展望 ABB公司于2014年研制出525kV高壓直流電纜，并完成了型式試驗，計劃于2015年完成基于陸基和?；鶓玫拈L期老化性能測試；還有研究表明，日本高壓直流電纜已經發展至500kV，通過長期測試證實其可以實際應用并具有長期可靠性，但是未能投入商業化運行；法國Nexans 公司采用聚乙烯絕緣，電纜的電壓等級為500 kV，無運行經驗，歐洲其他公司也在積極開發500kV直流電纜。國外研究展望 國內五家電纜公司均采用XLPE絕緣料試制200kV柔直電纜，并應用到160kV多端柔性直流工程；國內電纜公司采用國外的電纜材料研制出320kV直流電纜，并應用于320kV廈門柔性直流工程。國內研究展望25