高压电缆在城市电网中的应用

高压电缆在城市电网中的应用

0高压电缆附件生产技术随着我国经济的快速发展和现代化城市水平的不断提高，供电作为城市电网的重要设备，发展速度快，年增长率35%。中国生产及运行的高压电缆以XLPE电缆为主,充油电缆不多,钢管电缆与压缩气体电缆几乎不生产。目前北京、上海、天津、广州等大城市和部分水电站仍有一定数量的充油电缆在运行。国内的电缆企业已经具有生产各种电压等级的电力电缆的实力,其中,110kV和220kVXLPE电缆已能批量生产,国网电科院电缆所正在推动500kV电缆系列的国产化。中国的高压及超高压电缆附件生产技术一直落后于其电缆本体。110kV等级的电缆附件,国产和进口并存,国产电缆附件正在逐步独占市场,但是能够生产220kV电缆附件的制造商却不多,且对附件关键技术掌握还不够。近年来,超高压电缆附件以安全环保型为主要发展趋势,因此,淘汰充油和六氟化硫气体的电缆附件产品成为大势所趋。欧洲一些企业正在力图实现500kV电缆附件的无油化,中国企业也正在努力研制安全环保型产品,目前已能生产110kV等级的插拔式和GIS干式终端。随着电力负荷的增加、电压等级的提高以及人们安全环保意识的增加,电力电缆的相关技术也在不断更新,包括超高压与特高压电缆、超导电缆、特高压直流电缆、电缆绝缘新材料、电缆绝缘厚度的减薄、外护套无卤化、终端无油化、电缆绝缘寿命评估、高压电缆在线监测及检测技术等。这些新技术的不断进步,对电力电缆的安全运行、保障供电可靠性、减少环境污染、降低制造及运行成本等方面都有重大意义。1高压电缆mlpe与充油电缆相比,XLPE电缆具有不需要供油设备、防火性能好、安装维护简单和机械电气性能好等优点,在世界范围内得到广泛应用,但其显著缺点是存在绝缘气隙和突起等局部缺陷,导致局部电场集中容易发生水树等绝缘老化现象,在长期运行时有些电缆可能会出现局部放电现象。XLPE电缆发展迅速,自从其20世纪60年代开始用于低压电缆后,经过近40年的研究,在高电压和大容量化方面取得了很大进展,东京电力公司已于2000年应用到500kV线路中。欧洲已经大量应用到400kV系统中,在近年国际上运行的400kV以上高压电缆中,绝大多数也为XLPE电缆。电力电缆经过了从充油电缆时代到XLPE电缆时代的转变,目前XLPE电缆逐渐向高电压化方向发展。今后将以XLPE电缆为主体,朝着小型化、安全环保化、接头安装简单化以及检测技术自动化等相关技术方向发展。2电缆在线监测系统电力电缆长期运行在高温环境,对电缆及其附件的老化数据积累还很少。为有效利用现有设备、节约成本,亟待对已敷设的电缆设备进行现代化的监测和管理。1998年,因电缆温度管理不善造成的电缆绝缘击穿而引起的新西兰奥克兰市大停电事故发生后,采用监测电缆温度方法进行负荷管理的国家和电力部门有所增加。意大利开发的监测系统,可对远距离电缆线路进行表面温度、负载、周边环境、回路参数等监测。韩国开发的在线诊断系统,可对线路的局部放电、负荷电流、隧道水位、有害气体进行实时监控。类似的在线监测系统在美国、日本、加拿大、英国、法国和新加坡都得到应用。其中,将光纤温度传感器敷设在电缆内部或者表面,进行实时温度测量,计算电缆导体温度,结合历史负荷状况,得到电缆的动态载流量的方法得到特别关注。目前,分布式光纤电缆温度监测系统可实现单线长达30km的在线监测,同时可精确计算出发热点位置,已成功在英、法、日等多国的电力系统中得到应用。随着设备管理水平的提高,电力设备管理的现代化,特别是配电容量计算有效利用快速发展的计算机技术,必将随它的进步而有新的突破和发展。3电力、电缆及其附件的技术随着长期运行电缆设备的更新换代,以及安全环保意识的提高,人们逐步开发出以降低成本、提高性能和安全环保为目的的新技术。3.1芯社区型直流电缆系统目前110kV及以上等级的电力电缆主要采用的是单芯电缆。三芯电缆与单芯电缆相比,具有价格低廉,敷设工作量少等优点。三芯XLPE电缆主要用于35kV及以下等级的中低压电缆中。最近,对于154kV等级电缆,为有效利用已铺设管道和减少电缆安装施工量,日本开发并应用了导体截面为1000mm2的大型三芯XLPE电缆。3个单芯大节距绞合方法,既方便了敷设,充分利用空间,又给分支供电创造了条件,逐渐被欧美等发达国家采用。随着直流输电事业的发展,直流电缆的研究被提上议事日程。研究表明直流电缆具有电缆长度不受充电电流限制、无需电抗性补偿装置、容易控制功率传输、制造安装简便、介质和导体损耗小、载流量大等优点,有着良好的市场前景,逐渐受到各国研究人员的重视。日本采用添加剂以减缓直流高压电缆绝缘中空间电荷累积的方法研制出传输容量为2800MW的500kV直流XLPE电缆及其附件,具有不易累积空间电荷、体积电阻率较高等优点。但是相对于交流电力系统而言,高压直流电力电缆的发展是滞后的,目前还有不少问题有待于进一步研究解决,如:空间电荷积累机理及其抑制方法,直流电压下的绝缘老化机理,新开发绝缘材料的长期稳定性,局部放电的影响等。3.2最高稳定性电缆接头电缆接头是电缆线路中绝缘的薄弱环节,容易发生局部放电现象。电缆接头质量关系到电缆系统供电的安全性和可靠性,目前主要采用的接头主要有绕包式、模塑式、组合预制式和全预制式接头。其中绕包式不适合110kV及以上等级的电缆接头,因而110kV及以上等级电缆的接头型式主要是模塑式和预制式。模塑式电缆接头采用和电缆相同的材料,没有异种材料界面,采用小型挤塑机在模具中挤出并注入与XLPE电缆相同的超净可交联料,并经加热加压固化形成与XLPE电缆绝缘成为一体的接头增强绝缘,是一种小型化、高质量接头。该类型接头存在的主要问题是接头质量几乎取决于现场施工。对安装工艺、现场质量监督管理以及施工操作人员技术素质要求很高,且施工时间长。为提高可靠性,使施工简单化,缩短安装时间,降低成本,意大利、英国等开发并推广使用了可以和组合预制式接头相媲美的全预制式接头。该接头可以有效利用原有设备,安装后可以移动和弯曲,且其内部结构致密,并不存在绝缘界面,只要安装完成后将电缆的切向电场强度控制在一个安全值内,就能确保电缆附件安全可靠运行。预制式接头从20世纪90年代以来,迅速普及,随着在275kV等级电缆的实用化发展,500kV等级电缆上的开发试验也已完成。另外,应用预制式接头技术开发的Y分支接头已被广泛应用在275kV以下等级电缆上。在欧洲各主要城市,225kV和400kV等级XLPE电缆设备量逐渐增加,组合预制式和全预制式接头成为主流。对于全预制式接头,一方面,要促进接头安装的简单化,缩短施工时间;另一方面,目前对于全预制式接头绝缘老化现象的研究报道还不多,为了更好地进行设备管理,分析研究其绝缘老化及绝缘击穿现象是目前的研究课题。电缆接头等附件的发展与材料和加工工艺有关,而电缆材料的发展又集中在更高的洁净度和更好的加工性能上。因此,改善加工工艺,开发允许挤出长度更长的材料,同时使安装简单化,是今后的发展趋势。3.3电缆终端电缆气密终端采用由环氧树脂和橡胶应力锥制成的预制式绝缘方式,日本正致力于开发小型化的预制式终端,以改善和电力系统其他部分的连接和安装。以前的气密终端,一般使用瓷套式绝缘套管。这种终端发生爆炸时,瓷套管碎片会发生二次危害,伤及人体和周围设备。随着高分子绝缘材料技术的发展,硅橡胶复合式绝缘套管已应用于66kV和154kV等级电缆,其优点是重量轻、抗污性强、耐震防爆性能优。但是硅橡胶材料老化寿命一般为20年,电缆终端设计寿命为30年,是否硅橡胶外绝缘需要在20年后进行更换需要进行深入研究。随着地球自然环境恶化和人类环保意识的提高,减少并逐步淘汰充油和SF6气体的电缆终端产品成为大势所趋。上述终端发生泄漏时会造成土壤或空气污染,此外,绝缘油废弃后,也不易处理。欧洲一些企业正在考虑实现500kV电缆附件的无油化,中国的电缆附件生产企业也在努力制造安全环保产品,已经有插拔式和GIS干式终端问世。此外,广东吉熙安公司开发出一种用硅凝胶代替硅油或异聚丁烯作为填充物的干式终端,硅凝胶具有优异的电绝缘性能,各项指标均优于硅油,其介质损耗因数和介电常数更适用于高压产品。该材料硫化后是一种不流动的粘稠软弹性体,具有良好的浸润性,与硅橡胶应力锥、XLPE等材料表面具有良好的粘接性和相容性,且无泄漏问题,是一种很有前途的干式安全环保型终端。为降低重量和成本,今后会更多地采用复合式绝缘套管。3.4kv电缆系统随着中国经济的持续高速发展,电力需求也成倍增加,形成了大容量集中性供电负荷中心,导致超高压XLPE电缆系统的需求也迅速增加。目前中国北京、上海、广州等大城市已经在运行220kV电缆线路,而500kV电缆主要还是作为水电站、抽水蓄能电站的高压端引出线使用,随着城市电网负荷的不断增加,北京、上海等地也正在建设500kV电缆系统。中国已经具备生产包括500kV等级的超高压电缆的能力,但是目前能提供220kV及以上等级电缆附件的厂家不多,500kV电缆附件还处于攻关开发阶段。国网电科院电缆所正在推动500kV电缆本体和220kV电缆附件的国产化。由于超高压电缆挤包绝缘的绝缘厚度减薄趋势的要求,将会使电缆本体绝缘的工作场强提高,如何评价在高场强下运行的电缆及其附件的绝缘性能非常重要。3.5电缆线性系统的运行可靠性超导电缆,由于采用超导体,具有载流能力大、损耗低和体积小等优点,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。有研究表明,高温超导电缆的传输损耗仅为常规电缆传输损耗的50%,而且在相同规格下,传输容量可提高3~5倍。文基于电磁场交流损失计算结果分析了高温超导电缆的运行可靠性,该方法可以用于设计高温超导系统并评估高温超导系统在额定工况下是否能稳定运行。日本研制成功的500m高温超导体电缆号称是目前世界上最长的超导电缆。2004年,中国35kV/2kA三相交流高温超导电缆在昆明普吉变电站挂网试运行成功。常温超导材料、超导线路的长距离化技术、短路电流峰值的处理技术、中间接头和长距离冷却技术是超导电缆技术的重要研究课题。今后,期待开发出轻型和低损耗电缆、电缆敷设和接头安装的自动化技术、对环境友好型电缆(完全可循环利用型)、信息型电缆(可跟踪敷设位置和老化状况的智能电缆)等产品和技术。4诊断技术的发展4.1充油电缆寿命检测充油电缆发生漏油现象主要是金属护套疲劳、供油系统不匹配和防腐层老化等因素造成的,是否发生漏油决定着充油电缆的寿命。铅护套充油电缆敷设超过40年后,发生漏油可能性比较大,需要逐次更换。研究人员从接头处提取绝缘油,分析油中气体成分,已经实现在线采油、测试,进而对充油电缆老化状况进行检测,并采取相应设备管理措施延长电缆寿命。今后,安装维护人员需要进行必要的诊断和采取相应的对策,对设备进行有效管理。4.2局部放电检测电缆缺陷电缆主绝缘中的缺陷造成的老化通常有水树、电树和局部放电等现象,水树老化是造成XLPE电缆老化的主要原因,时常发生在中低压等级的XLPE电缆中。目前,研究水树老化的诊断技术很多,其中损耗电流高次谐波成分法和残留电荷法等逐渐被采用,残留电荷法以未桥联水树为诊断对象,对于中低压等级电缆,是一种有效的水树检测方法,天津大学做了很多相关研究和工作。对已发生故障的XLPE电缆进行可视化观测,并结合运用其他诊断方法获得的数据,更好地检测水树和制定相应的环境标准以减少水树的产生条件。另外,水树修复技术受到人们的关注,该技术对延长水树老化电缆的寿命、降低成本有一定作用。局部放电检测法是一种备受关注的方法,国内外开发出多种在线或离线的诊断装置。其中基于振荡波的局放检测系统得到广泛应用,该系统能对中低压电缆的局放点进行定位,是一种比较有效的检测电缆缺陷的方法。此外,文研究了内置式电容传感器检测电缆局放,该方法受外界电磁干扰小,灵敏度明显高于电感耦合传感器,只是需要破坏电缆结构,目前离实际应用尚有一段距离。目前,局部放电检测所面临的主要问题是现场背景干扰严重、特征量难以提取等问题,因此,开发高效的抗干扰技术是局部放电检测研究的关键。在现有基础上,开发精度和自动化程度高的在线诊断技术和局部放电定位方法非常重要。4.3电缆终端内的热成像仪检测电缆附件由于安装的环境不理想和施工缺陷,接头中的绝缘气隙、污秽和内外半导电层突起等原因,经常会发生由绝缘劣化所引起的绝缘故障。电缆附件发生故障前,会有局部放电现象发生,因此可以通过监测电缆附件的局放状况来判断绝缘的好坏。目前,国内外的高压电缆系统主要采用电感耦合、电容耦合传感器监测接头,用超声、超高频传感器检测电缆终端的局放信号。在电缆终端绝缘体表面有析出物、电缆较细、造成导体与接头接触不良时,引起局部温升,导致硅油老化产生气体。因此,定期用红外热成像仪检测电缆终端,发现电缆终端的发热性缺陷,进而对油浸终端头的硅油气体成分进行分析十分重要。在接头和终端等电缆附件中,有不同绝缘材料的界面,而界面是绝缘强度的薄弱环节。人们研制出用界面测试的方法,用以考察接头和终端设计的合理性、可接受的缺陷水平、界面材料的协调性、温度、压力和污染程度的影响等,是非常重要的测试手段。此外,电缆终端故障与高压电缆终端中绝缘油老化有关,但目前还没有有效的解决方法,需要对绝缘油的老化规律进行研究。4.4应用氧化作用分析XLPE电缆绝缘的树枝状老化研究已持续多年,人们对电缆绝缘的树枝状老化机理提出了不同解释,如场致发光、空间电荷、低密度区原理等。电缆中的空间电荷改变了原有电场分布,增加了绝缘内部的能量,被认为是引起电缆老化的主要因素。目前,日本电力中央研究所和ABB等公司正试图将空间电荷的测试技术运用到现场运行的XLPE电缆中。氧化特征法是近几年由日本东京电力公司提出的,基于XLPE电缆及其包带型接头在过热状态下,对电缆绝缘层、半导电层、接头用包带各材质的耗氧量随时间变化,及其热物理性参数、材料的断裂性、体积电阻率等电气特性的测定,就材料在氧化作用期间的时效变化来评估其使用寿命,并提出依赖耗氧量等参数的解析算式。该公司对已运行11年撤换下的XLPE电缆与新电缆进行氧化作用测试对比,以推测前者残余寿命,其结果与解析算法结果相近。该方法的缺点是需要取下电缆对其部分材料进行测试,属于破坏性试验,且目前仅在中低压电缆系统中得到过应用,其评价体系还不够成熟。德国、日本等国提出对实际运行中已发生故障的电缆进行取样分析,以此来推断运行状态下其他电缆的绝缘状态。日本曾对运行4~19年的66kV级XLPE电缆多回路取样进行一系列材料试验如蝶形水树长度、水份含量等、非破坏性试验(局部放电、介损正切等)、破坏性试验(工频、冲击、直流各击穿场强;外护套冲击击穿)。德国也用该方法对运行6~23年66kV、115kV级XLPE电缆进行了检测。该方法是一种离线检测手段,当电缆受外力破坏或者出现故障时都会截取一段电缆,可以利用该方法对于截取下的电缆进