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光伏电站价值提升策略之直流电缆研究及经济性选型

   2014-08-08 世纪新能源网马金鹏、余进146350
直流电缆的绝缘特性

1, 交流电缆的场强应力分布是均衡的,电缆绝缘材料着重的是电介质常数,电介质是不受温度影响的;而直流电缆的应力分布是电缆绝内层为最大,受电缆绝缘材料的电阻系数影响,绝缘材料有负温度系数现象,即温度增高,电阻变小;电缆在运行时,线芯损耗会使温度升高,电缆的绝缘材料的电阻系数会随之变化,也将导致绝缘层的电场应力随之变化,也就是说,同样厚度的绝缘层,由于温度升高,其击穿电压随之变小。对于一些分布式电站的直流干线,由于环境温度的高低变化,电缆的绝缘材料老化的速度比地埋敷设的电缆大得多,这点尤其应得到注意。

2, 电缆绝缘层生产过程中,不可避免地会溶入一些杂质,它们具有相对较小的绝缘电阻率,沿绝缘层径向分布是不均匀的,这样也将导致不同部位的体积电阻率不同,在直流电压下,电缆绝缘层的电场也会不同,这样,绝缘体积电阻率最小处会老化更快,成为最先被击穿的隐患点。而交流电缆则不会有这种现象。通俗地说,交流电缆的材料受应力冲击是整体的均衡的,而直流电缆绝缘应力总是在最弱处冲击最大。所以,电缆制造环节中的交直流电缆应该有不同管理和标准。

3, 交联聚乙烯绝缘的电缆在交流电缆中已经广泛使用,它具有非常优良的介质性能和物理性能,性价比非常高,但作为直流电缆,其有一个很难解决的空间电荷问题,这点在高压直流电缆中备受重视。聚合物作直流电缆绝缘时,绝缘层中有大量的局部陷阱,造成绝缘内部空间电荷集聚,空间电荷对绝缘材料的影响,主要体现在电场畸变效应和非电场畸变效应两个方面,这两种影响对绝缘材料的危害很大。所谓空间电荷,是指宏观物质的一个结构单元中超过电中性的那部分电荷,在固体中,正或负空间电荷被束缚于某种局域能级而以束缚极化子态的形式提供极化效应。所谓空间电荷极化,就是当在电介质中含有自由离子时,由于离子移动,在正电极一侧的界面上积累负离子,在负电极一侧的界面上积累正离子过程。在交流电场中,材料正负电荷的迁移无法跟上工频电场的快速变化,因此不会产生空间电荷效应;而直流电场中,电场按电阻率大小分布,将形成空间电荷并影响电场分布,聚乙烯绝缘中有大量的局部态,空间电荷效应特别严重。交联聚乙烯绝缘层是化学交联而成,是整体型交联结构,属于非极性高聚物,从电缆整个结构上看,电缆本身就像一个较大的电容器,直流输电停止后,相当于已将一个电容器充电完成,虽然导体线芯有接地处理,但是,没能有效进行放电,大量的直流电能仍然存在于电缆中,也就是所谓的空间电荷,这些空间电荷不会像交流电力电缆那样随介质损耗而消耗掉,而是在电缆缺陷处富集;交联聚乙烯绝缘电缆,随着使用时间的延长或频繁断停以及电流强弱变化而聚集越来越多的空间电荷,加快绝缘层老化速度,从而影响使用寿命。

所以,直流电缆的绝缘性能和交流电缆差别还是很大。

国内光伏电站直流电缆现状


笔者曾经断言:8-10年后将是国内光伏电站直流电缆故障高发期。为什么这样说呢?理由如下:

1、 国内光伏系统工程师对直流干线电缆的重视度不够。由于认为电压低,且直流电无负荷传输,无磁感应损耗,固定敷设,因此,认为相比较交流电缆使用寿命更长。且德国光伏电站系统中也有很多使用普通交流电缆替代。(同样型号的电缆德国的绝缘材料要比我国的贵6、8千元每吨)

2、 除了少数专用电缆厂家外,大多数电缆制造企业对直流电缆的认识都不够,对直流电缆的制造工艺无相应的管理。用这些企业的普通交流电缆做直流使用,一定期限后,发生电缆故障是大概率的。

3、 光伏电站对经济性的追求,以及第三方采购使得更不能很好的掌控质量。国内大约有7、8千家电缆制造企业,且95%以上都是些小型加工企业,电缆产品的技术区分度本身就不高,因此招标采购大多数以价格定夺,比其他行业更为严重过剩的局面,使得很多产品的销售价格低于成本,这也就是电缆产品的历次国家抽查合格率不高的原因。由于光伏电站电缆的无负荷传输,电缆承载的电流并不大,电缆的安全故障不会立马发生,留下仅是很难防范的隐患。

4、 直流电缆的被击穿总是发生在绝缘最薄弱处或缺陷处,其缺陷除了外观上的缺陷外,还包括绝缘材料的物理性空间缺陷;光伏电站的特性总是日出而作日落而息,电缆的电容性,使得“缺陷”被不断放大,直到被击穿。我们来看看莱茵标准组件直流电缆的电性能试验值:电气性能

● 耐电压试验(成品电缆型式试验) -- 交流耐压

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:6.5kV/5min.不击穿。 或

-- 直流耐压(成品电缆型式试验)

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:15kV/5min.不击穿。

● 成品耐火花电压试验

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:10kV不击穿。

● 绝缘电阻试验(成品电缆型式试验)

试验方法: EN50395或GB/T5013.2

结果: 20℃时绝缘电阻≥1014Ω.cm,90℃时绝缘电阻≥1011Ω.cm

上面的电缆的耐压标准相当于交流电缆的18/30KV级别,绝缘电阻的要求值是对电缆缘材料电阻率的高标准要求,而0.6/1kv的交流电缆是没有上述要求的。

直流电缆绝缘缺陷改进



我们针对光伏电站的直流电缆绝缘特性,可做以下几种绝缘改良:

1、 采用乙丙橡胶绝缘。乙丙橡胶虽然没有交联聚乙烯那样高的电性能,但是其绝缘机理上能克服直流电缆的一些缺陷,且有较好机械性能防老化性能,但价格较高。

2、 对于分布式电站的直流电缆,可采用改性的辐照交联聚乙烯,除了有较高的机械性能、电性能外,材料耐温性能特出,最高可达120℃。该产品用电子加速器辐照电缆,是辐射加工,该技术它集合电子技术、高能核物理技术、真空技术、计算机技术、辐射化学技术和电线电缆制造技术于一体。由电子加速器生产的高能电子束,作用在聚合物内部,使聚合物的分子结构发生变化,由原来的线性大分子变成不溶的三维网状结构,改变了聚乙烯高分子的空间缺陷,从而使材料具有特殊的耐热性、耐化学性、耐辐射性、高阻燃性、高强度性。其产品的主要特点有:

a、产品耐热性好:辐照交联可显著提高电缆的耐热性。如聚乙烯材料经辐照交联后长期允许工作温度可从60~70℃提高到90~150℃,短路温度由160℃提高到250℃。

b、提高了电缆的载流量:辐照交联电线电缆比普通电线电缆的单位导体截面载流量提高20%左右。

c、 具有优良的绝缘性能和电气性能。

d、机械强度高,耐老化性和化学稳定性、耐环境应力开裂性能好。

e、安全性高,使用寿命延长,可达到40年。但是价格比较贵,设备投资大。

3、 地面电站电缆沟敷设的直流电缆,可采用纯净度高的聚乙烯交联料,电缆的绝缘厚度加厚0.2-0.3cm,如:



由于,地面敷设的电缆散热性能比较好,增大截面并不过多影响电缆的载流量的变化,而增大绝缘的厚度使电缆的耐受强度提高,延长使用寿命。优质的聚乙烯交联料,应该是在洁净度非常高的生产环境下制造,生产过程中防尘、防静电及其他污杂。目前国内聚乙烯电缆料的质量非常堪忧,大多是一些小型加工企业。国内优质电缆交联料企业有上海新上化高分子、浙江万马高分子等,其产品质量接近进口材料性能。

4、 对于分布式电站的电缆护套要求耐温90℃以上,地面或光伏农业电缆护套内加防水层。优质电缆护套对电缆绝缘的保护非常重要。

5、 直流电缆生产管理应注意三点,第一、原料投放时保持洁净,无杂物混入;第二、生产线温度和时间严格控制;第三、当出现故障报警时,应就故障点截断分头,绝不允许修补。

以上改进方案无疑会增大电缆的采购成本。

 
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