现存电缆升等升级

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1、5. 技术升级：提高传输功率从基本方程可知，要提高功率，取决于以下三个变量电压水平电流等级交流系统中电压和电流的移相 改变以上三个参数中的任何一个都可以提高传输功率。 第四个可行的方法是交流到直流的转换5.1.1. 提高电压水平如果电流强度是个连续变量，从 0 到允许的最大值（从空载到满载），电压等级是个分散量而整个电网要控制在一个稳定的值。提升地下线缆的电压等级常包括升级5.1.3 改善电压电流的移相：补偿 电缆如同分散的电容器，会产生无功功率。当电缆的长度增加时，其电容也线性增加。产生 的无功功率和电流相应地增加。电缆在连接的两点之间必须传输和交换有功和无功功率。随着电缆长度增加，无功电流

2、会达 到电缆的额定电流值，这时，电缆将不能传输有功功率。理论上可以定义电缆的临界长度。在这个长度是在电缆没超过发热限制而有功功率不能再传 输，在传送端电流达到最大值而接收端电流为零。另一个影响是电压的升高，比如，电缆沿线的最高电压可能比最低电压高出很多。一般可以 接受的电压升高是原来峰值电压的1.1 倍。在电源频率（49-61 Hz）用电报方程对电缆建立正确的模型。如图5-12所示。用来求解电压和 电流值的方程在附录A列表中给出。S kmPi+jQiP?+jQ2Figure 5-12. Single line diagram of a cable with references for act

3、ive and reactive power flows.S代表电缆长度，U.分别表示两端电压，I.表示两端电流，P.表示两端的有功功率，Q.iiii表示两端的无功功率图 2 是一些电缆临界长度以及由此产生的电压上升的例子。当达到临界长度时，有功功率不 能再传输，只剩下电缆消耗的无功功率。在实际情况中，电缆长度小于电流限制的长度（临界长度），通常也在电压限制之内。在图5-13中给出了 245kV电缆的最大长度（100km）Figure 5-13. Critical length.Cuirent limitationVoltage limitation图例所示的是水平敷设的电缆。图中绿色部分所示

4、的是245 kV 1600 mm2铜缆的实际最大长 度。电缆产生无功功率，问题是，这些无功功率必然要在某处消耗掉。例如，当其大部分消耗在 输送端时，那输送端的电流就会高于接收端。这样电缆沿线所加负载就会不均匀从而达不到 最佳利用率。当电缆两端消耗的无功功率（或电流大小）相等时，就可以达到最佳状态。这样，电缆就是 “调谐的”。图 3 显示了可传输的最大功率，这取决于发送端和接收端所消耗的无功功率。 图中所示的是100km长的245 kV 1600 mm2铜缆。所得的结论是，当对电缆回路补偿使其发送端和接收端所消耗的无功功率相等时，可获得最 大的有功功率传输量。2502001501005001 M

5、varFigure 5-14. Maximum power at receiving end P2发送端和接收端消耗的无功功率函数例中所用电缆为245 kV 1600 mm2铜缆，平行敷设，cross-bonded，回路长100km对于现存的电缆回路，无功功率不大可能只消耗在某一端。没调谐的电缆经常在某一端消耗 一小部分，另一端消耗大部分。就像图3中的绿色箭头（50 MVAR消耗在接收端，200 MVAR 消耗在接收端）。用补偿能提高有功功率的增益在完全平衡和实际情况有所不同。不同之处 小于55MW，在图中用绿色虚线表示。下面是使这个概念和补偿作用形象化的另一个方法：图 5-15 所示的是带补

6、偿和无补偿两种电缆可传输的有功功率和回路长度之间的函数。无补 偿是在发送端完全没有无功功率的极端情况。而带补偿的情况则代表了平衡的系统。注意到 420kV的例子，在75km的回路可得的最大有功增益大约为wi260MW。这个增益体现了对 补偿投资带来的经济效益。例中是一条420kV 2500 mm2的铜缆和一条170 kV 1000 mm2的铜缆。电缆是水平敷设和cross-bonded对电缆系统进行补偿是否有必要取决于所提高的传输的有功功率在经济上带来的效益跟对 补偿装置的投资是否匹配。推荐的评估步骤如下：收集电缆系统热限电流的信息。收集实际发送端和接收端所消耗无功功率的信息。 计算平衡状态下

7、的电缆系统（两端消耗的无功功率相等）。这些信息决定补偿装置的必要性。对传输功率增益产生的经济效益和投资成本做评估。一般情况下，安装补偿装置对系统产生的所有影响都应当考虑进去。5.1.3.1 两种补偿装置：静态和动态的无功补偿器 无功功率可以是静态或动态属性。静态无功功率和固定部件有关，比如电缆所产生的无功功 率。接入的机器以及其它各种负载引起变化的动态无功功率。并联电抗器就是固定补偿装置 的一个例子。动态补偿的一个例子是发电机或SVC （静态无功功率补偿器）。有时静态补偿就 足够了，但有时需要用动态补偿来控制地的无功功率的波动。这里只讨论并联电抗器和 SVC。5.1.3.1.1 并联电抗器 并

8、联电抗器有几种类型。通常我们按有无铁心来分，例如油绝缘和空气绝缘并联电抗器。油绝缘 比空气绝缘较少辐射磁场它们更紧凑（占用空间更小），可以用在拥挤的环境中。另一个因素是 噪声，在两种情况下都需要改善。损耗也是一个在两种情况下都需要完善的方面。最后一个比较重要的因素是铁心和空心电抗器价格差异。5.1.3.1.2静态无功功率补偿器，SVC 将一个并联电抗器和一个电力电子开关串联，延迟电子开关的开断就可以控制无功功率。这样可 以连续动态地控制无功功率。电容器组也可以连接到相同的母线，从而可以对电感和电容区域进 行一系列的的操作。这个操作会产生谐振，所以SVC经常带有谐波滤波器来消除这些后果。5.1.

9、2.45.1.4 利用直流取代交流来提高性能 提高线路传输性能可能的方法之一就是将运行电压电流从交流改为直流。这个方法是否可行 取决于几个方面，在改交流为直流时，至少下面几个问题需要考虑 就以下几方面而言，性能的增益都有哪些：现存电缆及其附件是否适合直流运行 在传送有功功率方面有何增益？系统性能和环境方面有何改善？5.1.4.1 现存电缆系统及其附件对直流运行的适宜性现存电缆系统在将来是否用直流来操作？在做这个决定前，应该考虑到每个附件是否可以 用来运行直流。目前，关于交流电缆处于直流应力下的经验非常有限。通常，电缆系统必须 对直流有专门的绝缘体系。交流电缆设计时一般没考虑直流应力。聚合物的电

10、缆系统更是如此。5.1.4.2 可传输的实际功率一般情况下，用直流可以传送更大的功率，理由如下：首先，没感应损耗。交流电缆缆芯具有集肤效应和临近效应。它们在标准IEC 60287-1-1中 用y和y来表示。而直流流过时，这些值减小至0。另外，当交流流过时，电缆的护套和 sp铠装中也存在感应损耗。这些附加损耗被计入标准IEC 60287-1-1，并用片和九2。这些值在 直流下也趋于 0.。而且即便没电流流过是，交流电缆仍存在介质损耗，而直流电缆几乎不存 在介质损耗这意味着直流电缆不同于交流电缆，可以传输更大的电流。其次，直流电缆不需要电容性充电电流。交流电缆传送的有功功率随着电缆的长度而减小。

11、由于结构和电压的限制，到了某个长度后，交流电缆甚至不能再传输有功功率。而从理论上 来说，直流电缆可以传输无限远的距离。再次，一般来说，直流电缆系统允许的平均电场强度高于交流电缆系统。交流电缆可以承受 的直流电压等级取决于很多因素，如：几何结构，绝缘材料的种类，之前电缆系统在交流电 压下运行的时间等等。在交流应力下已老化过的交流电缆在直流应力下老化的经验现在还不 多。所以，直流电压下的安全等级应该根据具体情况而定，粗略的数值还是可以给出的。对 于聚合物基直流电缆，其平均场应力在12到20 kV/mm之间。油纸绝缘的直流电缆平均工 作场应力为20-24 kV/mm。复合物基交流电缆工作在平均应力5

12、-10 kV/mm下，而油纸绝缘 的交流电缆平均工作应力大概为7-11 kV/mm。这些数据及它们之间的关系如表5.7所示：Table 5-7. Mean electrical stresses for AC and DC operationMean stress under AC working voltage(kV/nnnn)Mean stress under DC working voltage (kV/mm)Mean DC/meanAC stressPolymer u自ble5-1012-20Ca.2Paper/oil cable7-1120-24Ca.2.5所以，可以直观地看出直流工

13、作电压几乎可以达到交流工作电压的两倍。交流电缆已运行过 一段时间，考虑到其老化参数以及随后在直流下运行经验的缺乏而需要的安全系数，可以得 到一个参数，比如说1.5。但必须指出的是，这些数字只是粗略的例子。另一个必须考虑的重要参数是传输方式。我们会提到两种典型例子： 用三相电缆(或三-一相电缆)的话，可以用一相直流正极，一相做直流负极，剩下的一相 做第三极。另一个方案是一相做直流的正极，另外两相平行地均做负极。这样的话，总的电 阻损耗会进一步减小。我们现在回到第一种情况，会有如下方程：Pac - 31皿5皿日ndPDC 二 2IdcUo dc (plus one reserve)Equation

14、 1现在我们考虑用到两条三相电缆的双回路的情况。此时，所有电缆相都用来进行直流传输。 换句话说，两条交流回路可用于三条直流回路。这时，方程变为：PDC = 6IdcUo dc (no reserve)Equation 2当然还有其它例子，但我们只讨论这两种典型情况。参看图5-16。ACFigure 5-16. Converting from AC to DCDGDC+ DC-AC. circuit 2DC+ DC- reserveAC. circuit 15.1.4.2.1 计算功率增益在这部分将展示如何计算可传输功率的的增益。会详细阐明下面的步骤：1. 计算最大交流传输电流2. 计算同一电缆

15、系统中最大直流传输电流3. 确定最高交流电压4. 确定最高直流电压5. 分别计算交流和直流情况下的传输功率第一步：电缆消耗的电缆是纯容性的。但原则上负载可以从纯容性到纯感性以及任何中间情况。为了 能计算负载“消耗的”交流电流，负载的性质应当是已知的。在这个简单的例子中，负载电 流和负载电压间的角度应该是已知的。见图5.17：0ACU|o 日 dmaxFigure 5-17 Relation between Usable current and total current其中，I代表电缆的设计电流，IAC表示负载电流（最大交流传输电流），I代表电缆损耗maxACcap电流，9代表负载电流和电压的夹角。I和I可由以下方程得出:max cap方程3中所有的符号在IEC 60287-1-1中都有定义。L表示电缆回路的长度，c代表电缆单 位长度的电容，e表示径向功率频率。在理想的平衡系统中，电容电流不包含在两边的电缆 回路里。也就是说方程两边只出现负载电流的一部分。此时是令p=1/2的。方程1中可传输和用作消耗功率的交流电流IAC可以由以下方程解出IaC + 2lAclcap sin （p + leap _ Imax = Equation 5