Из-за большого количества кабельных соединений в наземных кабелях HVDC (сверхвысокого напряжения, постоянного тока), которое может превышать тысячу в одной системе, частота отказов соединений играет важную роль в надежности системы. Распределение поля в соединении HVDC крайне чувствительно к температуре. Так как некоторые области внутри соединения могут испытывать гораздо более сильное электрическое поле во время работы, чем во время плановых испытаний, стандартные испытания постоянным током в соответствии с существующими стандартами не всегда могут гарантировать высокую надежность соединений во время эксплуатации. Поэтому чтобы правильно определить распределение электрического поля требуется провести дополнительные испытания.
В отличие от кабельных систем переменного тока, с использованием кабелей HVDC электрическая энергия может передаваться на большие расстояния. Однако из-за транспортных ограничений по весу, длина одного кабеля ограничена одним километром. Это означает, что стыки требуется устанавливать примерно через каждый километр, а для длинных кабельных систем HVDC необходимо установить около 1000 стыков. Основываясь на опыте использования высоковольтных кабельных систем для переменного тока, известно, что отказы комплектующих являются основной причиной незапланированных останов, в том числе из-за ошибок во время установки. Напротив, отказы, вызванные дефектами дополнительной изоляции (например, загрязнениями, пузырьками воздуха и т. д.) или ошибками во время производства, менее значительны.
Подобные отказы обычно можно обнаружить во время обычных испытаний, как того требуют стандарты IEC 60840 и 62067 для основной изоляции каждого соединения и вывода. Возникает вопрос, могут ли такие отказы быть обнаружены во время обычных испытаний соединений HVDC в соответствии с IEC 62895.
Повреждения кабельных муфт переменного тока высокого напряжения.
В соответствии с IEC 60840 и 62067 каждое кабельное соединение для высокого напряжения переменного тока проверяется в ходе стандартных испытаний с напряжением переменного тока 2,5 x U 0 в течение 30 минут и 2,0 x U 0 в течение одного часа. Кроме того, каждое соединение должно пройти испытание на частичный разряд при 1,5 x U 0. Аналогичные стандартные испытания для соединений переменного тока также требуются в соответствии со стандартом IEEE 404. Эти испытания гарантируют, что отказы основной изоляции соединений, вызванные примесями, пузырьками воздуха или ошибками при производстве, уже обнаружены во время проверок на заводе. Тем не менее, даже, несмотря на эти стандартные испытания, отказы компонентов по-прежнему являются основной причиной незапланированных отключений в кабельных системах переменного тока. Например, результаты исследования кабельных муфт переменного тока между 220 кВ и 500 кВ показывают, что годовая интенсивность отказов составляет 0,048 отказов на 100 стыков, то есть примерно одно из 2000 установленных стыков выходит из строя каждый год. Обычно время ремонта кабельной системы после такого отказа составляет около 25 дней для этого диапазона напряжений.
Вопрос в том, можно ли аналогичным образом оценить ожидаемую интенсивность отказов кабельных муфт HVDC. Поскольку большинство отказов на переменном токе вызвано ошибками установки, можно предположить, что такая частота отказов будет аналогичной для постоянного тока. Однако существуют различия в стандартных испытаниях, требуемых для кабельных муфт постоянного тока, и они могут привести к гораздо более высокой частоте отказов, чем для соединений переменного тока.
Распределение электрического поля в соединениях HVDC.
Согласно IEC 62895, для кабельных соединений HVDC требуется испытание напряжением постоянного тока при температуре окружающей среды с уровнем напряжения 1,85 x U 0 в течение одного часа. Дополнительное испытание частичного разряда не является обязательным, и параметры этого испытания должны быть согласованы между заказчиком и производителем. Но в отличие от напряжений переменного тока, распределение электрического поля в кабельных муфтах HVDC очень чувствительно к температуре и может увеличиваться локально на несколько порядков, если температура жилы кабеля увеличивается. На рис. 1 представлен пример такого изменения электрического поля, показывающий смоделированные распределения электрического поля в соединениях при различных температурах проводника. Моделирование методом конечных элементов, выполненное с помощью разработанного инструмента конечных элементов, учитывает изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры и электрического поля.
Рис. 1: Распределение электрического поля в соединении HVDC на 320 кВ при температуре проводника 20 ° C (вверху) и при температуре проводника 70 ° C (внизу) при приложенном напряжении 1,85 x U 0 . (Красный: высокое электрическое поле, синий: слабое электрическое поле, одинаковый масштаб электрического поля на обоих изображениях).
Рис. 1 показывает, что электрическое поле под дефлектором при температуре проводника 70 ° C намного выше, чем при 20 ° C. Это увеличение электрического поля также показано на рис. 2, где полное электрическое поле рассчитывается вдоль границы раздела между изоляцией стыка и изоляцией кабеля. Под дефлектором электрическое поле при температуре проводника 70 ° C примерно в пять раз выше, чем при температуре проводника 20 ° C.
Напряжения для этого расчета были такими же, как на рисунке 1, и соответствуют испытательным напряжениям для соединения 320 кВ постоянного тока высокого напряжения во время типовых испытаний в соответствии с IEC 62895.
Рис. 2: Электрическое поле в соединении 320 кВ постоянного тока высокого напряжения на границе между изоляцией соединения и кабелем при температуре жилы 20 ° C (красная линия) и 70 ° C (синяя линия) при приложенном напряжении 1,85 xU 0.
Сравнение электрического поля при плановых испытаниях и во время работы.
На рис. 3 сравнивается распределение электрического поля в соединении постоянного тока на 320 кВ во время плановых испытаний (592 кВ при температуре проводника 20 ° C) и во время работы (320 кВ при температуре проводника 90 ° C). На обоих изображениях используется один и тот же масштаб для электрического поля. Во время работы при высокой температуре проводника электрическое поле над средним электродом соединения ниже, чем во время стандартного испытания, но электрическое поле под дефлектором намного выше. Следовательно, во время работы при высокой температуре проводника электрическое поле под дефлектором выше, чем во время обычных испытаний. То же показано на рис. 4, где электрическое поле нанесено вдоль оценочной линии между изоляцией корпуса стыка и кабелем. На диаграмме сравнивается электрическое поле во время работы при трех различных температурах проводника с электрическим полем во время стандартного испытания.
Рис. 3: Распределение электрического поля в соединении HVDC во время типовых испытаний при 592 кВ (1,85xU 0 ) и при 20 ° C (вверху) и во время работы при 320 кВ при температуре проводника 90 ° C (внизу). (Красный: сильное электрическое поле, синий: слабое электрическое поле, одинаковый масштаб электрического поля на обоих изображениях).
Рис.4: Электрическое поле в соединении HVDC на границе между изоляцией соединения и кабелем во время типовых испытаний при 592 кВ при 20 ° C (синяя линия) и во время работы при 320 кВ при температурах проводника 70 ° C, 80 ° C и 90 ° С.
Тот факт, что электрическое поле под дефлектором в соединении выше во время работы, чем во время обычных испытаний, поднимает вопрос о том, можно ли обнаружить такие дефекты, как выступы на дефлекторе или включения в изоляционном материале, во время обычных испытаний. В зависимости от формы и размера таких дефектов, возможно, что они не приведут к проколу во время стандартного испытания. Однако во время работы при более высоких температурах и локально более высоком электрическом поле такие дефекты могут привести к выходу из строя соединения. Вывод состоит в том, что не все дефекты, которые могут стать критическими во время работы, могут быть обнаружены во время стандартных испытаний в соответствии с IEC 62895, и это приведет к увеличению частоты отказов соединений по сравнению с соединениями переменного тока, где такие дефекты обнаруживаются во время обычных испытаний. Для обеспечения надежности кабельной системы HVDC, содержащей большое количество соединений, рутинных испытаний по IEC 62895 может быть недостаточно.
Обычно стандартные испытания выполняются не на кабеле, а на адаптерах, имитирующих реальную конфигурацию кабеля. При постоянном токе распределение электрического поля в соединении зависит от удельного сопротивления изоляции кабеля, и поэтому это также необходимо учитывать при проектировании изоляционного материала адаптера во время типовых испытаний. На рис. 5 показаны рассчитанные электрические поля вдоль границы раздела между изоляцией соединения и кабелем для трех различных значений удельного сопротивления изоляции кабеля и показано, что распределение электрического поля в соединении изменяется с различным удельным сопротивлением изоляции кабеля. Чтобы обеспечить такое же распределение электрического поля, как и во время эксплуатации, объемное сопротивление изоляции адаптера, используемого для типовых испытаний, должно быть равно удельному сопротивлению изоляции кабеля, на котором будет установлено соединение.
Рис. 5: Электрическое поле в соединении HVDC на границе между изоляцией соединения и кабелем во время стандартного испытания при 592 кВ (при 20 ° C) для трех различных соотношений удельного объемного сопротивления изоляции кабеля и удельного сопротивления изоляции соединения.
Рекомендации по текущим испытаниям кабельных соединений HVDC.
Распределение электрического поля в кабельном соединении HVDC чрезвычайно чувствительно к температуре и во время работы может быть выше в некоторых частях соединения, чем во время стандартных испытаний. Таким образом, рекомендуется, чтобы обычное испытание проводилось не только при комнатной температуре, но и при более высоких температурах. Это гарантирует, что электрическое поле во всех частях соединения во время двух плановых испытаний будет выше, чем во время работы. Несмотря на то, что это испытание при более высоких температурах проводника не требуется в МЭК 62895, с точки зрения надежности рекомендуется проводить такие дополнительные стандартные испытания. Кроме того, для обеспечения соответствия распределения электрического поля в соединениях во время плановых испытаний распределению электрического поля во время эксплуатации рекомендуется использовать в испытательном адаптере изоляционный материал, имеющий такое же удельное сопротивление, как и изоляция кабеля, на который устанавливается соединение.
Выводы.
Моделирование показало, что электрическое поле в некоторых частях соединений HVDC может быть выше во время работы, чем во время обычных испытаний постоянного тока в соответствии с IEC 62895. Это означает, что не все критические дефекты в соединении могут быть обнаружены, что увеличит частоту отказов в поле. Поэтому рекомендуется проводить дополнительное стандартное испытание постоянным током при более высокой температуре. Без таких дополнительных испытаний во время стандартных испытаний на заводе существует риск того, что частота отказов для соединений HVDC во время работы будет выше, чем для соединений переменного тока. Учитывая большое количество стыков в наземных кабельных системах HVDC, это может иметь большое экономическое влияние на их работу.