近年來，高壓直流擠包絕緣電纜工程應(yīng)用快速發(fā)展。1999年，瑞典ABB公司在哥特蘭島建設(shè)完成了第一個(gè)±80kV直流擠包絕緣電纜工程，此后歐洲逐漸將直流電纜電壓等級(jí)提升至±400kV。2019年1月，英國－比利時(shí)NEMO-Link ±400kV直流擠包絕緣海底電纜工程投入運(yùn)行，是世界上首個(gè)該電壓等級(jí)的直流擠包絕緣電纜輸電工程。
目前，我國直流擠包絕緣電纜技術(shù)發(fā)展迅速。2013年—2015年，相繼在南澳±160kV多端柔性直流輸電工程、舟山±200kV多端柔性直流輸電工程、廈門±320kV柔性直流輸電工程中得到了應(yīng)用。2021年12月，如東±400kV柔性直流輸電海上風(fēng)電項(xiàng)目正式投運(yùn)，現(xiàn)為我國電壓等級(jí)最高的直流電纜輸電工程。目前，三峽陽江青洲五、青洲七海上風(fēng)電場海底電纜集中送出工程正在穩(wěn)步推進(jìn)中，該工程計(jì)劃采用±500kV柔性直流輸電技術(shù)，通過兩根+500kV直流海底電纜接入陸上集控中心。
隨著高壓直流擠包絕緣電纜輸電工程的陸續(xù)建設(shè)及絕緣新材料的不斷開發(fā)，直流電纜系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)方法體系也在不斷地發(fā)展與完善，目前已建立的直流擠包絕緣電纜系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范主要有國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）技術(shù)手冊(cè)、國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)。
國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)
國外標(biāo)準(zhǔn)
2003年3月，CIGRE發(fā)布了首個(gè)高壓直流擠包絕緣電纜系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)TB 219。隨著±320kV高壓直流擠包絕緣電纜系統(tǒng)工程的規(guī)劃建設(shè)，CIGRE于2012年4月發(fā)布了TB 496。2017年，CIGRE B1專委會(huì)考慮到±500kV及以上高壓直流擠包絕緣電纜系統(tǒng)工程的需求，成立了新的工作組來制定±800kV及以下高壓直流擠包絕緣電纜試驗(yàn)的技術(shù)手冊(cè)，同年IEC發(fā)布了其第一個(gè)高壓直流電纜標(biāo)準(zhǔn)IEC 62895：2019。2021年11月，CIGRE TB 852發(fā)布，替代了原有的CIGRE TB 496技術(shù)手冊(cè)。
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
2007年，國內(nèi)開始了高壓直流擠包絕緣電纜的設(shè)計(jì)和評(píng)估研究。2012年，為了響應(yīng)國內(nèi)新產(chǎn)品研發(fā)和工程應(yīng)用的需求，國家電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（TICW）參照CIGRE TB 496、IEC 62067：2011、IEC 60840：2011、CIGRE TB 171和CIGRE TB 490等技術(shù)文件，結(jié)合直流電纜的使用環(huán)境和條件，編制發(fā)布了TICW 7—2012《額定電壓500kV及以下直流輸電用擠包絕緣電力電纜系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。我國±160kV、±200kV和±320kV柔性直流輸電示范工程所采用的電纜和附件均將該技術(shù)規(guī)范作為試驗(yàn)依據(jù)，并通過了相關(guān)考核。
2015年5月，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31489.1—2015正式發(fā)布。2020年12月，GB/T 31489.2—2020、GB/T 31489.3—2020和GB/T 31489.4—2020進(jìn)一步完善了我國直流電纜系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系。
標(biāo)準(zhǔn)適用范圍
IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015所適用的電壓等級(jí)、產(chǎn)品類型見表1。
表1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍
為了滿足日益擴(kuò)大的電能傳輸需求，直流電纜系統(tǒng)也在向更高電壓等級(jí)、更大傳輸容量發(fā)展。由于電壓等級(jí)和產(chǎn)品類型的規(guī)定，相較于CIGRE TB 852 和GB/T 31489.1—2015，IEC 62895：2019在高電壓、大容量直流擠包絕緣電纜輸電工程中的應(yīng)用被限制。
標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容
IEC 62895：2019沿用了IEC 62067：2011的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，結(jié)合CIGRE TB 496中的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行編制，規(guī)定了直流陸地電纜系統(tǒng)的試驗(yàn)方法及要求。
GB/T 31489.1—2015規(guī)定了直流電纜系統(tǒng)的試驗(yàn)方法和要求；GB/T 31489.2—2020、GB/T 31489.3—2020和GB/T 31489.4—2020為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，分別規(guī)定了陸地電纜、海底電纜及其附件的使用特性、產(chǎn)品命名、技術(shù)要求、標(biāo)志、試驗(yàn)、驗(yàn)收規(guī)則、包裝、運(yùn)輸和貯存等內(nèi)容。其中，GB/T 31489.2—2020和GB/T 31489.3—2020根據(jù)絕緣材料性能，將電纜的工作溫度區(qū)分為70℃和90℃，并規(guī)定了電纜的關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)尺寸和性能要求等，為國內(nèi)直流電纜的研發(fā)制造及工程應(yīng)用提供參考。
CIGRE TB 852在CIGRE TB 496的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂和補(bǔ)充，對(duì)電纜系統(tǒng)的試驗(yàn)方法和要求進(jìn)行了規(guī)定。
CIGRE TB 852的主要變化之一就是根據(jù)電纜的額定電壓和設(shè)計(jì)電場將電纜系統(tǒng)分為高壓直流輸電（HVDC）電纜系統(tǒng)和超高壓直流輸電（EHVDC）電纜系統(tǒng)。當(dāng)電纜及其附件的電壓不大于400kV，且電纜的設(shè)計(jì)平均場強(qiáng)不大于20kV·mm-1時(shí)，稱為HVDC電纜系統(tǒng)，超出此范圍時(shí)，則稱為EHVDC電纜系統(tǒng)。
IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015等3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)預(yù)鑒定試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、例行試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)和安裝后試驗(yàn)做出了規(guī)定。另外，CIGRE TB 852 和GB/T 31489.1—2015還概括了電纜系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)應(yīng)涵蓋的內(nèi)容。
對(duì)于EHVDC電纜系統(tǒng)，CIGRE TB 852增設(shè)了熱穩(wěn)定試驗(yàn)。當(dāng)已鑒定合格的電纜系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，如電纜或附件的材料、制造過程、設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)）、設(shè)計(jì)場強(qiáng)水平，CIGRE TB 852提供了試驗(yàn)程序選擇指南以減少該電纜系統(tǒng)的上市時(shí)間和鑒定成本，同時(shí)新增預(yù)鑒定擴(kuò)展試驗(yàn)程序。考慮到直流電纜系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)的新型過電壓，CIGRE TB 852推出了特殊的暫態(tài)過電壓試驗(yàn)以研究和解決項(xiàng)目特定問題。
根據(jù) IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015，直流電纜系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)主要包括型式試驗(yàn)、預(yù)鑒定試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)和預(yù)鑒定擴(kuò)展試驗(yàn)。
型式試驗(yàn)
型式試驗(yàn)包括電氣試驗(yàn)和非電氣試驗(yàn)，驗(yàn)證電纜系統(tǒng)是否符合性能要求。
在電氣試驗(yàn)項(xiàng)目中，IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015均包括機(jī)械試驗(yàn)、負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)、疊加沖擊試驗(yàn)、隨后的直流電壓試驗(yàn)、附件的附加試驗(yàn)、半導(dǎo)電屏蔽電阻率試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，IEC 62895：2019增加了機(jī)械試驗(yàn)后的電纜外護(hù)套直流電壓試驗(yàn)；GB/T 31489.1—2015增加了導(dǎo)體直流電阻、絕緣空間電荷及電導(dǎo)率測試項(xiàng)目；CIGRE TB 852在附件的附加試驗(yàn)中增加了帶分段絕緣終端和復(fù)合套管終端的試驗(yàn)程序。
在非電氣試驗(yàn)項(xiàng)目中，IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015 規(guī)定的絕緣和護(hù)套的機(jī)械物理性能的試驗(yàn)項(xiàng)目和要求基本一致。除此之外，GB/T 31489.1—2015還規(guī)定了微孔、雜質(zhì)和突起試驗(yàn)，以及非金屬外護(hù)套的刮磨試驗(yàn)和鋁套的腐蝕擴(kuò)展試驗(yàn)；CIGRE TB 852增加了絕緣材料交聯(lián)副產(chǎn)物試驗(yàn)、熱塑性絕緣的高溫壓力試驗(yàn)。針對(duì)低交聯(lián)度交聯(lián)聚乙烯（LXLPE）絕緣材料，CIGRE TB 852、GB/T 31489.2—2020和GB/T 31489.3—2020中規(guī)定了其熱延伸試驗(yàn)的負(fù)荷條件為5N·cm-2，為目前使用較多的LXLPE絕緣材料提供了試驗(yàn)依據(jù)。
預(yù)鑒定試驗(yàn)
預(yù)鑒定試驗(yàn)的目的是證明某個(gè)電纜系統(tǒng)具有長期運(yùn)行性能。IEC 62895：2019、CIGRE TB 852和GB/T 31489.1—2015在預(yù)鑒定試驗(yàn)內(nèi)容上的規(guī)定保持一致，基本的試驗(yàn)程序包括長期電壓試驗(yàn)、疊加沖擊電壓試驗(yàn)和檢查，僅IEC 62895：2019規(guī)定在預(yù)鑒定試驗(yàn)前需要進(jìn)行機(jī)械預(yù)處理。
熱穩(wěn)定試驗(yàn)
熱穩(wěn)定試驗(yàn)用于考察EHVDC直流電纜系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。以下情況可能會(huì)導(dǎo)致電纜熱失效：①導(dǎo)體因負(fù)載電流產(chǎn)生的熱量多于電纜和周圍環(huán)境所能散發(fā)的熱量；②絕緣介質(zhì)損耗導(dǎo)致局部絕緣溫度升高，由于直流電導(dǎo)率和溫度、電場相互影響，溫度升高又進(jìn)一步加劇了介質(zhì)損耗。因此，為了指出電纜絕緣系統(tǒng)不會(huì)過熱所需的最小外部熱通量，CIGRE TB 852定義了電纜導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度（Tcond，max）和電纜內(nèi)最小絕緣溫差（△Tmin）。
熱穩(wěn)定性試驗(yàn)期間，首先，加熱試驗(yàn)電纜和參考電纜直至導(dǎo)體溫度到達(dá)Tcond，max并維持穩(wěn)定，可以在電纜周圍布置合適的隔熱層，將△Tmin控制在所需要的值。隨后，確保試驗(yàn)電纜和參考電纜加熱電流一致，僅在試驗(yàn)電纜上施加1.45倍的額定電壓，參考電纜的介質(zhì)損耗可以忽略不計(jì)。電流和電壓保持規(guī)定的時(shí)間后，比較試驗(yàn)電纜和參考電纜的護(hù)套溫度，當(dāng)試驗(yàn)電纜護(hù)套和參考電纜護(hù)套在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的溫差滿足要求時(shí)，則認(rèn)為完成了熱穩(wěn)定性試驗(yàn)?？梢酝ㄟ^提高△Tmin重復(fù)進(jìn)行該試驗(yàn)，直至滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過熱穩(wěn)定試驗(yàn)獲得避免電纜絕緣系統(tǒng)過熱的必要的熱通量數(shù)據(jù)，可作為直流電纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。
預(yù)鑒定擴(kuò)展試驗(yàn)
CIGRE TB 852規(guī)定了電流源換流器（LCC）系統(tǒng)和電壓源換流器（VSC）系統(tǒng)的預(yù)鑒定擴(kuò)展試驗(yàn)程序。當(dāng)電纜系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，保證被測電纜系統(tǒng)高可靠性的同時(shí)避免重復(fù)進(jìn)行太多耗時(shí)的鑒定試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟見表2，其中，U0為額定電壓；UP2，O為正（或負(fù)）極性直流電壓疊加異極性操作沖擊電壓；UP1為正（或負(fù)）極性直流電壓疊加異極性雷電沖擊電壓。
表2 預(yù)鑒定擴(kuò)展試驗(yàn)步驟
目前，國內(nèi)研發(fā)的直流陸地電纜系統(tǒng)的電壓等級(jí)已達(dá)±535kV，直流海底電纜系統(tǒng)的電壓等級(jí)也達(dá)到了±525kV，電纜的絕緣材料均采用交聯(lián)聚乙烯，主要來源于北歐化工。
型式試驗(yàn)
2017年7月和2018年8月，國內(nèi)分別完成了±525kV和±535kV直流陸地電纜系統(tǒng)的型式試驗(yàn)。2021年10月，國內(nèi)完成了導(dǎo)體正常工作溫度為90℃的±535kV直流電纜系統(tǒng)的型式試驗(yàn)。
2020年2月，國內(nèi)首次完成±400kV直流海底電纜系統(tǒng)（含工廠接頭）的型式試驗(yàn)。2022年10月，國內(nèi)首次完成了±525kV直流海底電纜系統(tǒng)（含工廠接頭）的型式試驗(yàn)。
以上型式試驗(yàn)中電纜及附件均由國內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)制造，試驗(yàn)信息見表3。
表3 型式試驗(yàn)的電纜及附件
±525kV直流海底電纜系統(tǒng)順利通過型式試驗(yàn)，標(biāo)志著我國直流海底電纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平邁入了世界先進(jìn)行列。
預(yù)鑒定試驗(yàn)
2022年11月，國內(nèi)研發(fā)的±525kV直流電纜系統(tǒng)首次完成了預(yù)鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)回路包括直埋敷設(shè)、穿管直埋敷設(shè)和空氣中敷設(shè)。附件包括復(fù)合套管終端、絕緣接頭、直通接頭等。試驗(yàn)回路示意圖見圖1。
圖1 ±525kV直流電纜系統(tǒng)
預(yù)鑒定試驗(yàn)回路示意圖
2022年7月，國內(nèi)首次完成了±400kV直流海底電纜系統(tǒng)的預(yù)鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)回路由海底電纜（含工廠接頭）、陸地電纜、復(fù)合套管終端、海陸過渡接頭和修理接頭組成。采用直埋敷設(shè)、穿管直埋敷設(shè)、空氣中敷設(shè)和模擬海水中敷設(shè)，試驗(yàn)回路示意圖見圖2。
圖2 ±400kV直流海底電纜系統(tǒng)
預(yù)鑒定試驗(yàn)回路示意圖
國內(nèi)研發(fā)的±525kV直流陸地電纜系統(tǒng)和±400kV直流海底電纜系統(tǒng)最大限度模擬工程實(shí)際敷設(shè)環(huán)境下的長期運(yùn)行性能均已得到了驗(yàn)證。目前，以±525kV直流海底電纜系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象的預(yù)鑒定試驗(yàn)正在進(jìn)行。
1）國內(nèi)已建成完整的±500kV及以下擠包絕緣高壓直流電纜系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐我國高壓直流電纜輸電工程從±160kV到±400kV的跨越式發(fā)展。國內(nèi)外制定直流擠包絕緣電纜系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的技術(shù)積累和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不盡相同，在部分試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置和細(xì)節(jié)處理的規(guī)定上有所差異，但核心部分內(nèi)容基本保持一致。CIGRE TB 852進(jìn)一步改進(jìn)和完善了直流電纜系統(tǒng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可在未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)指導(dǎo)更高電壓等級(jí)直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)與檢測評(píng)價(jià)。
2）國內(nèi)直流擠包絕緣電纜和附件的技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，直流電纜系統(tǒng)的開發(fā)已達(dá)到±500kV水平。目前，國內(nèi)正在集中解決海底電纜工廠接頭可靠性等關(guān)鍵問題，并向更高電壓等級(jí)開展研發(fā)工作。
《電線電纜》1958年正式創(chuàng)刊，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)的電工技術(shù)類科技期刊。及時(shí)、全面地刊載國內(nèi)外電線電纜行業(yè)專業(yè)領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，引導(dǎo)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究融會(huì)貫通，推動(dòng)學(xué)科交叉融合，為電線電纜的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面構(gòu)建學(xué)術(shù)交流和科技開放平臺(tái)。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)交流等。歡迎來稿!
來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 常 佳
審核 | 何曉芳
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