高壓直流電纜直流載流量計算和驗證

李 棟， 王傳博， 陳龍嘯， 朱智恩， 楊黎明， 高 凱， 曾 浩

（南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），南京211106）

0 引 言

高壓直流輸電纜作為直流輸電系統的關鍵裝備，與交流電纜相比具有傳輸距離長、輸送容量大、線路損耗低等優點，可有效地解決電力能源大規模遠距離傳輸和新能源消納等問題［1?3］。近年來，我國在高壓直流電纜研發和應用方面不斷取得突破，先后開發了±160，±200，±320，±400 kV的高壓直流電纜并實現工程應用，近期又開發出±535 kV高壓直流電纜系統，輸送容量達到了3 GW［4?5］。隨著電壓等級的提高和絕緣厚度增大，電纜系統熱量損耗和熱阻產生變化，導致載流量與導體截面并非線性變化［6］。掌握高壓直流電纜直流載流量，能夠最大限度的利用電纜的輸送能力，對直流電纜工程設計、狀態監測和運行維護等方面具有重要意義。

目前，電纜系統載流量的理論計算方法主要有解析法和數值法［7?8］。解析法是根據國際電工委員會（IEC）制定的IEC 60287進行電纜載流量的計算，通過建立簡化的電纜熱路模型求得在各種不同敷設工況下的電纜載流量，數值法是采用有限元模型模擬各敷設情況下載流量和溫度場分布，它的計算是基于有限元分析商業軟件，這些軟件有很強的前后處理能力和豐富的計算能力，可以實現對電纜溫度場和載流量的建模仿真。解析法和數值法計算電纜載流量，因邊界條件眾多，真實的參數難以獲取，計算往往是基于假設值或者經驗值，導致理論計算結果與實際試驗結果有一定的偏差。

影響載流量的因素有電纜結構、材料熱阻、運行溫度、敷設環境、敷設方式以及周圍介質熱阻系數等［9?10］。為了準確獲得高壓直流電纜的直流載流量，本工作采用理論計算與試驗相結合的方式，先是依據IEC 60287計算了±535 kV高壓直流海底電纜直流載流量，然后通過搭建試驗回路實際測量了高壓直流電纜在不同運行條件下的直流載流量，從而使理論計算與試驗結果相互驗證。

1 載流量理論計算

1.1 電纜結構

試驗采用±535 kV高壓直流海底電纜，型號為DC?HYJ（90）Q41?F?±535 1×3000＋2×12B1，其結構見圖1。

圖1 ±535 kV高壓直流海底電纜的結構示意圖

由圖1可知：±535 kV高壓直流海底電纜由阻水導體、半導電包帶、擠包內屏、交聯聚乙烯（XLPE）絕緣、擠包外屏、繞包阻水緩沖層、鉛套、內護套、光單元＋聚乙烯（PE）棒、繞包內襯層、鎧裝鋼絲、聚丙烯（PP）繩和軟接頭標志等組成。各層的結構參數和外徑見表1。

表1 ±535 k V高壓直流海底電纜結構參數表

1.2 直流載流量的計算

IEC 60287給出電壓等級5 kV以下直流電纜載流量的計算公式見公式（1），IEC 60287中，不僅包含交流載流量的計算方法，也包含了5 kV以下直流電纜載流量；對于電壓等級5 kV以上直流電纜載流量的計算還沒有標準的方法，本工作提出對于電壓等級較高的電纜必須考慮電纜絕緣泄漏損耗。

對于電壓等級較高的電纜必須考慮電纜絕緣泄漏損耗按式（2）計算：

式中：I為穩態載流量（A）；Δθ為導體溫升（℃）；Wd為絕緣泄漏電流損耗（W／m）；RDC為導體運行溫度下單位長度直流電阻（Ω／m）；T1、T2、T3和T4分別為導體與鉛套之間的熱阻、鉛套與鎧裝層之間的熱阻、外護層的熱阻以及周圍介質的熱阻（K·m／W），T1、T2和T3的計算可按照表1中給出的電纜結構參數進行，T4的計算按照自由空氣中敷設的電纜，不受日光直接照射。

導體直流電阻按式（3）計算：

式中：R0為20℃的直流電阻（Ω／m）；α為導體溫度系數（1／℃）；θ為導體運行溫度（℃）。

單位長度的絕緣泄漏電流損耗按式（4）計算：

式中：Ri為單位長度絕緣電阻（Ω／m）；U0為電纜的額定電壓（V）。

單位長度電纜的絕緣電阻按式（5）計算：

式中：t為絕緣厚度（mm）；Dc為電纜導體直徑（mm）；ρ絕緣體積電阻率（Ω·m），70℃時的平均體積電阻率1.52×1012Ω·m，90℃時的平均體積電阻率8.01×1011Ω·m。

高壓直流電纜有兩種技術路線，一是以北歐化工為代表的超凈路線，其交聯度低，額定運行溫度為70℃；二是以陶氏化學為代表的接枝或者納米改性路線，其交聯度與交流電纜相同，額定運行溫度為90℃。本工作中高壓直流電纜的額定運行溫度為90℃，為了對比分析，同時計算了運行溫度分別為70℃和90℃時的載流量，計算結果見表2。

表2 載流量計算結果

由表2可知：電纜運行溫度為70℃時，未考慮絕緣損耗下的載流量為與考慮絕緣損耗下的載流量分別為3 282，3 249 A；電纜運行溫度為90℃時，未考慮絕緣損耗下的載流量為，與考慮絕緣損耗下的載流量分別為3 686，3 658 A。

2 高壓直流電纜載流量試驗

2.1 試驗回路

取電纜樣品20 m組成如圖2所示的載流量試驗回路，設置3個測溫點分別是標記為a、b和c點，測溫點距離電纜端部5 m，測溫點之間距離為5 m，電纜樣品距離地面30 mm。每個測溫點設置3個熱電偶，分別測試導體、絕緣屏蔽表面和PP繩外表面的溫度，同時采用油瓶法測試與電纜相同高度的環境溫度。

圖2 試驗回路布置示意圖

2.2 試驗方法

參照TICW 15—2012《單根電纜空氣中敷設載流量測試方法》中的熱電偶測量方式，但進行導體加熱的電流類型不同，采用的是直流電流。采用直流溫升試驗系統向電纜回路施加電流使導體溫度維持在一定溫度，每隔0.5 h記錄各點的溫度及環境溫度，直至電纜溫度穩定，溫度穩定的標志是a、b和c點的平均值在0.5 h內變化均不超過1℃。

2.3 不同運行溫度下的直流載流量

2.3.1 導體溫度為70℃時的載流量

導體溫度為70℃時的溫度曲線見圖3。

圖3 導體溫度為70℃時的溫度曲線

由圖3可知：起始階段以3 800 A的電流加熱7.5 h后，導體溫度達到70℃，此時降低電流以使導體溫度維持在70℃，在隨后的4 h內，電纜導體、絕緣屏蔽、和電纜外表面溫度趨于穩定，整個試驗回路達到熱平衡狀態。穩定后導體的溫度為71.5℃，絕緣屏蔽溫度為46.2℃，電纜表面溫度為24.9℃，環境溫度為12.7℃，絕緣溫差25.3℃，穩定后的電流為3 266 A。

2.3.2 導體溫度為90℃時的載流量

導體溫度為90℃時的溫度曲線見圖4。

圖4 導體溫度為90℃時的溫度曲線

以4 200 A的電纜對電纜加熱6.5 h，導體溫度接近90℃時，加熱電流降到4 000 A，導體溫度達到90℃，調整電流以使導體溫度維持在90℃以上。試驗回路穩定后導體的溫度為90.2℃，絕緣屏蔽溫度為56.3℃，電纜表面溫度為27.1℃，環境溫度為11.3℃，絕緣溫差33.9℃，穩定后的電流為3 682 A。

3 理論計算與試驗結果分析

由1.2節的計算可知，電纜運行溫度為70℃時，未考慮絕緣損耗下的載流量，比考慮絕緣損耗下的載流量提升1.0%；電纜運行溫度為90℃時，未考慮絕緣損耗下的載流量，比考慮絕緣損耗下的載流量提升0.8%。電纜導體損耗W＝I2×R，求出70℃時的導體損耗為74.4 W／m，絕緣損耗占比2.6%；90℃時的導體損耗為100 W／m，絕緣泄漏損耗占比3.7%。

直流載流量試驗過程中沒有施加電壓U0，載流量的試驗結果應未考慮絕緣損耗下的載流量理論計算結果比較，電纜運行溫度為70℃時，載流量的實測值比理論計算值高17 A，兩者相差0.5%；電纜運行溫度為90℃時，載流量的實測值比理論計算值高4 A，兩者相差0.1%，高壓直流電纜載流量理論計算結果與實測結果基本一致，90℃運行與70℃運行相比，載流量提高12.7%。

4 結束語

本工作提出了5 kV以上直流電纜載流量的計算方法，計算了±535 kV高壓直流電纜的載流量，并通過試驗進行了驗證，同時比較了70℃和90℃時的載流量，為工程運行提供了數據支撐。