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超高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料的研究及应用

发布时间:2023-10-13 文章来源:本站  浏览次数:264
摘要:古河公司开发了可用于超高压直流(DC)电缆的绝缘材料,其主要成分为交联聚乙烯(XLPE)。实际的DC电缆是通过优选稳定供应的材料和加工后建立的供应链而得到的材料来制造的。通过对该电缆进行不同公司内外的评估,已确认满足所有要求的性能。该公司已经完成了DC525kV级电缆系统的长期通电试验,相信能够为未来可再生能源的普及作很大贡献。

序言

DC输电在电路中具有较小的功率损耗和较高的系统稳定性,因此DC输电比交流(AC)输电更适用于长距离和大容量的输电。然而,由于AC到DC和DC到AC间的变频器比AC之间的变压器设备需要占用较多的空间,因此DC输电主要应用于有足够远的传输距离和较大传输容量的项目。

预计太阳能和风力等可再生能源在未来将更加普及,这样一来,通常需要大范围场地来安装设备。在大规模发电的情况下,人们认为将在人口密度相对低的地区和近海地区进行部署。因此,预计可再生能源电源的位置与需求地区之间的距离将变得较远。同时,人们认为,未来电力公司之间和区域电网之间的互联互通会越来越密集。为了实现上述目标,正在考虑引入大容量电网连接线。因此,擅长于远距离输电的DC输电技术的实用性在未来将继续受到人们的关注。
一段时间以来,古河公司一直在为DC提供油浸纸绝缘(OF)电缆,但从对环境特性和技术转让等事业持续性的观点来看,这项事业变得越来越困难。几年前,OF电缆的生产就已经停止了。另一方面,作为DC电缆,使用XLPE等固体绝缘材料的类型已成为当前的主流,该公司一直在努力开发用于DC的XLPE绝缘电缆。这次,古河公司确定了可应用于DC固体绝缘材料的最终成分,优化并确定了供应链、制造设备和条件等,最终DC电缆的工艺细节和性能报道如下。

XLPE的改进和改性的原则和方法

DC电缆的绝缘材料是根据以下原则开发的:

·基本材料是XLPE,它在传统的AC电缆中有许多优点。
·材料将由电缆制造设备进行加工,该设备可以从传统制造AC电缆的设备中进行调整。
·导体允许工作温度为90℃。
·为了避免诸如在基材中分散性差之类的问题,DC转换的改性不使用填充料或低分子量成分,而是对XLPE本身进行改性和变性。
·具体而言,引入极性基团以起到捕获电荷位置的作用。
·古河公司意识到供应链的稳定性,并强调原材料的可用性和处理。
针对XLPE的改性和变性方法,该公司决定研究聚乙烯的极性基团改性技术。在使用最新的量子化学计算方法预测改性材料的电气性能时,对多化学成分的化合物进行试验,并再次进行第3章以后阐述DC绝缘材料所需性能的评估试验。因此,古河公司能够获得用于DC电缆的良好绝缘材料。评估结果如下。

DC绝缘材料的电气性能要求及其评估结果

DC电缆所用的绝缘材料需要具有与AC电缆不同的性能。尤其,提到的空间电荷性能可作为直流系统特有的所需性能之一。本文重点介绍了这种空间电荷性能和两种评估方法,并报道了每种方法中所开发材料的性能。

(一)电流积分电荷(Q(t))法
当绝缘体夹在电极之间并保持在直流电场中时,电荷(电子、空穴)从电极三维地注入绝缘体中。这些注入的电荷称为空间电荷。如果这些空间电荷随着充电时间在绝缘体内移动或积累,其分布和密度就会发生变化,导致绝缘体内部电场强度发生局部变化,在最坏的情况下,有时会因异常放大的电场而导致绝缘击穿。因此,重要的是直流绝缘材料不积累空间电荷,不随时间变化,不进行局部电场的放大。
Q(t)测量的基本原理如图1所示。这是一种简单的测量方法,在夹着样品的电极之间施加图2所示的阶跃型DC电压,并测量随时间注入试样的电荷量。


古河公司用于普通AC电缆和开发的DCXLPE的片状电缆试样在最高工作温度90℃下的积分电荷Q(t)的测量结果如图3和图4所示。可以看出,纵轴上的积分电荷随着充电时间的增加和充电电场强度的增加而增加。此外,在AC-XLPE的情况下,从大约20kV/mm的电场中可观察到积分电荷有显著的积累。
另一方面,所开发的DC-XLPE即使在30kV/mm的电场中的积分电荷也没有显示出明显的积累,并且具有较好的性能。

为了表示电荷累积的容易程度,取立即充电和充电后300秒的电荷之比作为电荷比率。可以说,电荷比率越小,DC性能越好。
电荷比率和DC电场之间的关系如图5所示。可以看出,在电场区域,所开发的DC-XLPE试样比AC-XLPE试样具有较少的空间电荷积累,即所开发产品的DC性能有所改善。


(二)脉冲电声(PEA)法
1.测量薄片试样的结果
空间电荷特性第二种评估方法是PEA方法。这也与将DC电场施加到夹在电极之间试样的Q(t)方法相同,但不同的是,在电极之间施加脉冲电压并且此时检测试样内部产生的压力波。当空间电荷在试样中积累时,该位置受到脉冲电场力并振动,产生压力波。通过测量该压力波并测量其延迟和大小,可以捕获空间电荷在厚度方向上的位置和空间电荷的累积量。与Q(t)方法相比,该方法更胜一筹,因为它可以提供关于试样厚度方向上的空间电荷的位置和量以及试样中电荷分布的信息。
PEA法测量的基本原理如图6所示。


使用片状试样,PEA的测定是在以下条件下进行的。
·试样:形成厚度为0.1至0.5mm的交联片材
·温度:用加热器加热到90℃
·施加电场:-30kV/mm
作为结果的一部分,本文介绍了开发产品在最高工作温度(90℃)下的测量结果。此外,接地电极放置在试样厚度为0mm%的位置,而高压电极放置于样品厚度为100mm%的地方。
AC-XLPE片材的PEA测量结果如图7和图8所示。尽管只有7小时的短时间,但观察到的是随着时间的推移,正电荷在电极附近逐渐积累。这种注入的电荷是一种空间电荷,如果持续测量很长时间,预计它会在局部电场分布中积累并发展为紊乱状态(图8显示测量时间太短,电场分布尚未受到显著影响)。



另一方面,图9中的DC-XLPE片材在1小时到5小时之间似乎没有变化。


因此,进一步延长测量时间,并在较长的时间内观察DC-XLPE片材中积累的空间电荷量。
结果如图10和图11所示。即使连续给DC充电7天后,所开发产品的电荷密度分布也没有显示出任何显著变化,因此,能够确认其DC性能是良好的。


2.用开发的DC-XLPE制造微型电缆的测量结果
下一步,该公司决定使用开发的DC-XLPE作绝缘层制造一种微型电缆,并进行PEA测量(图12)。


试验条件
·电缆外径:5~10mm
·结构:铜绞线/导体屏蔽/绝缘层/绝缘屏蔽
·绝缘厚度:约1mm
·温度:导体通电和加热器加温同时进行(90℃)
·施加电压:-27kV(高压侧:导体屏蔽,接地侧:绝缘屏蔽)
从图13和图14可以观察到,在早期阶段,接地电极附近积累了小的负电荷,但随着时间的推移而消失,730小时后(大约一个月),得到了一条非常清晰的曲线。


如下所示的图15绘制了每次测量时间在整个厚度中的最大局部电场强度除以初始电场强度的最大值称为电场增强因子。如果该值超过1并且逐渐变大,这意味着随着使用,在电缆内部形成比初期更大电场应力的位置,因此,电缆即使在施工后的初期试验中能耐久也不能让人放心。


从图15中可以看出,使用开发的DC-XLPE电缆的电场增强因子在短时间内稳定下来,500小时后几乎平稳地推移。由这些结果可以确认:本次开发的DC-XLPE绝缘具有良好的耐长时间使用的直流性能。

评估其他重要电气性能的结果

此外,本文还介绍一些评估DC电缆需要特别说明材料的试验结果。

(一)体积电阻率
高温下体积电阻率的测量结果和测量条件如下。
·试样结构:绝缘厚约1mm的微型电缆
·测量电场强度:-10~-40kV/mm
·测量温度:90℃(用加热器加温)
作为DC-XLPE,市场上有几种来自电力电缆绝缘和半导电材料制造厂的现有产品。为了进行比较研究,得到其中的3个品种进行比较(市售品1、2、3)。
其结果是,在整个测量电场范围内,该公司开发的DC-XLPE绝缘料优于AC-XLPE绝缘料和市售DC-XLPE绝缘料,并且在电力电缆的实际电场设计范围内具有优异的体积电阻率(图16)。


(二)绝缘介质击穿性能
关于绝缘介质击穿性能,在DC和脉冲两种条件下,将所开发的产品与其他公司的市售DC-XLPE绝缘性能进行了比较。其试验条件如下。
DC绝缘介质击穿试验:
・试样结构:绝缘厚约1mm的微型电缆
・升压方法:-70kV/min→-5kV/min阶跃升压
・测量温度:90℃
脉冲绝缘介质击穿试验:
・试样结构:绝缘厚度约1mm的微型电缆
・升压方法:-100kV×3次→-5kV/min×升压三次
・测量温度:90℃
由于测量值存在变化,很难确定优缺点,但可以确认古河公司开发的产品性能至少不亚于市售品。因此,该公司开发的产品具有足够的可靠性能(图17)。


(三)机械强度~抗拉强度试验
电缆过硬将对安装和连接的可操作性产生不利影响。因此,作为对机械性能的代表性评估,古河公司还在抗拉强度试验中比较所开发的DC-XLPE绝缘材料和传统的AC-XLPE绝缘材料。试验条件如下。
・试样结构:冲压成1mm厚的片材,并根据JIS冲成3号哑铃形的孔。
・拉伸速度:200mm/min。
如下所示,传统的AC-XLPE绝缘材料和开发的DC-XLPE绝缘材料的机械性能几乎相同,并且可以获得与传统AC电缆相同的可操作性(图18)。


此外,经过客户要求的各种试验、公司内部试验和参考试验,古河公司能够制造满足所有这些要求的高性能DC绝缘材料。

直流525kV级电缆系统的长期通电试验

使用本文中开发的DC绝缘材料制造了一根实际的电缆,构建包括由诸如连接部件的各种部件组成的电缆系统的试验线,并进行以下长期通电试验。

根据CIGRE第496号技术手册中的试验建议,该公司对直流525kV电缆系统进行了资格预审。作为一种特高压海底电缆,该试验于2015年至2019年在新能源和产业技术综合开发机构(NEDO)的“下一代海上DC输电系统开发项目”中进行,而陆地电缆则由第三方进行。试验顺利完成。这些结果已经证明:古河公司制造的DC电缆具有较高的可靠性(图19)。


结束语

古河公司开发的可用于超高压DC电缆的绝缘材料具有如下特点:

・通过两种评估方法(Q(t)法和PEA法)确认了DC性能是优异的。
・开发品与市售的DC-XLPE相比,无论哪个性能都在同等以上,特别是体积电阻率占有优势
・还考虑到了原材料的供应,已经建立了稳定的供应链。
・使用开发的绝缘材料制造了电力电缆,并成功完成了在DC525kV级电缆系统上进行的长期通电试验。(来源:中国线缆网)
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