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全尺寸高压直流电缆控温梯度下PEA空间电荷测量系统及方法

申请号:
CN201410542800.6
专利权人:
中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心
发明人:
傅明利;侯帅;田野;任海洋;
专利类别:
发明专利
所属类目:
机械/加工/设备
权利状态:
有效
商品价格:
¥7,777,777.00
七弦琴官方服务:
七弦琴专利交割服务 ¥350.00
2020湾高赛 七弦琴自营
店 主:
13712165455
所在地:
广东省 珠海市
星 级:
弦 级:
1弦
客 服:
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  基础信息

  牵头参赛单位:中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心

  证照号码:91440000665041528U

  单位类型:企业

  项目规模:成长型

  参赛团队负责人:傅明利

  参赛项目技术介绍

  核心技术介绍:高压直流输电线路中采用的交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆,具有重量轻、传输容量大、敷设维护成本低、对环境影响小等一系列优点,已经在陆地和海底直流输电工程中得到了应用,更在海上风电接入、孤岛平台供电和城市中心增容供电等领域展现了广阔的前景,已经成为能源互联网发展的关键技术之一,并吸引了学术与工业界的持续关注与广泛研究。但目前XLPE绝缘高压直流电缆作为一种新的电网资产,其可靠性以及长期运行评估方法已成为电网用户和制造企业的重点关注问题。

  高压直流电缆主绝缘层所承受的温度及温度梯度对于其绝缘状态和使用寿命有着直接的影响,特别对于XLPE绝缘高压直流电缆来说,在直流电压下,(1)XLPE绝缘中的电场分布与其绝缘电导率有关,而电导率又是温度的函数;(2)XLPE绝缘高压直流电缆在运行中会有空间电荷的累积。空间电荷的聚集将引起电缆绝缘中电场分布的畸变,极端情况可以导致电缆绝缘的快速老化或击穿,而空间电荷的累积程度与XLPE绝缘承受的温度梯度有着直接的关系。因此,在研究考核XLPE绝缘高压直流电缆的绝缘性能与可靠性时,需要将电缆XLPE绝缘在可控制的温度梯度下进行试验评价,以准确掌握电缆绝缘中电场分布、空间电荷积累、绝缘老化等与温度梯度之间的关系,进而为XLPE绝缘高压直流电缆的研发与运行建立有效、科学的考核评估手段。

  目前对于高压直流电缆负荷循环试验绝缘依然采用交流电缆的试验方法只对电缆线芯进行加热实现温度控制,还没有一种对电缆外护层温度进行准确控制的方法,无法在XLPE绝缘层形成稳定可控的温度梯度已进行不同运行工况的状态评价。

  本发明专利的技术方案是:通过控制模拟回路中电缆的线芯电流和周围媒介温度,使电缆线芯温度和绝缘屏蔽层温度达到预定值;再以模拟回路为参考,调节试验回路中电缆的线芯电流和周围媒介温度与模拟回路相同,最终实现XLPE绝缘高压直流电缆负荷循环试验中绝缘层温度梯度控制。此方法可以有效控制全尺寸XLPE绝缘高压直流电缆在负荷循环试验期间的电缆线芯温度和绝缘屏蔽层温度,进而在XLPE绝缘上形成稳定可控的温度梯度,满足对XLPE绝缘高压直流电缆绝缘性能的研究需求。

  本项专利具有精确及灵活控制直流电缆线芯温度、绝缘层温度梯度条件下进行负荷循环和长期性能考核试验的功能,所涉及的系统具备开展直流电缆研发、长期可靠性评价、系统载流量校核和系统预鉴定试验的能力。该专利的应用,不仅可以掌握直流电缆在负荷变化下的温度分布和动态热性能,还能实现绝缘层温度梯度控制,为开展全尺寸直流电缆在不同温度梯度下绝缘性能的研究提供简便实用的试验方法,为未来直流电网的安全运行提供了试验技术保障。

  基于我国柔性直流输电工程发展的背景,以汕头南澳岛±160kV三端柔性直流输电示范工程为依托,本发明所涉及的高压直流电缆负荷循环试验系统已应用于中国南方电网有限责任公司特高压工程技术(昆明)国家工程实验室,是我国首套控制绝缘层温度梯度下的高压直流电缆负荷循环综合试验平台,如图3、图4所示,适用于200kV及以下电压等级的直流电缆系统进行长期带电考核试验。本试验系统的核心功能是实现直流电缆导体温度和绝缘层温差的灵活及精确控制,系统设计的电缆导体最高试验温度为70℃,电缆绝缘层最大试验温度梯度为40℃,控温精度±1℃,具备直流电缆系统预鉴定试验的能力,调试后的系统各项指标均满足设计要求。目前,本试验系统已针对南澳三端柔直工程用160kV直流电缆及附件开展了不同运行工况下的长期带电考核试验,该系统的投入使用为保证世界首个多端柔直工程的安全稳定运行提供了技术保证。

  同时,2016年国家重大科技项目“500kV直流电缆关键技术研究”已经将该专利的试验方法作为国产500kV挤出绝缘直流电缆研发环节与最终性能考核的基本方法,在相关的项目参与单位如南方电网科学研究院、中国电力科学研究院、国网舟山海洋输电研究中心等再建设本套试验平台。依照本专利的核心技术,专利持有单位已与中天科技海缆股份有限公司签订了成果转化合同,为其提供一套针对500kV直流电缆系统用全工况运行考核系统,中天科技公司正在研究开发500kV直流电缆,利用本试验系统可在厂内模拟开展500kV直流电缆实际不同运行工况下的试验考核。到时将建立最大导体截面(3200mm2),XLPE绝缘层厚度达32毫米的直流电缆长期考核评价装置。

  技术先进性:(一)技术原创性及重要性:

  本发明专利提出的一种高压直流电缆负荷循环试验绝缘温度梯度控制方法及系统,可以模拟直流电缆在不同运行工况和和负荷条件下对高压直流电缆绝缘性能进行全面的考核,在进行预鉴定试验时可利用升流器及水循环控制系统对电缆线芯导体温度和绝缘层内外表面温差控制,有效解决了直流电缆线芯温度和绝缘层温度梯度控制的问题,具有控温灵活、电缆试品敷设方便等特点。

  考虑到直流电缆及附件绝缘中电场分布由其绝缘材料电导决定,而电导又是温度的函数,加之在直流电压下绝缘中空间电荷的出现以及分布与温度的关系,使得直流电缆和附件中电场的分布变得异常复杂和多变。目前国内外的直流电缆预鉴定试验方法并未考虑这些特点,因此很难有效考核评价直流电缆在运行工况下的绝缘特性。

  (1)绝缘层温度梯度控制

  本专利不仅对高压直流电缆线芯温度进行控制,还对绝缘层温度梯度进行控制,包括对模拟回路和试验回路电缆线芯电流控制和周围媒介温度控制。在模拟回路中,持续调节电缆线芯电流和电缆周围媒介温度,直至电缆线芯温度和绝缘屏蔽层温度达到预定值;在试验回路中,持续调节电缆线芯电流和电缆周围媒介温度,直至与模拟回路中相同,此时认为试验回路中电缆线芯温度和绝缘屏蔽层温度与模拟回路中相同,同样达到预定值,从而在试验回路中电缆XLPE绝缘上形成稳定可控的温度梯度。

  (2)直流电缆周围媒介温度控制

  本发明专利针对直流电缆在敷设及运行环境中的实际运行情况所设计的高压直流电缆负荷循环试验绝缘温度梯度控制方法及系统,创新性的提出了一种科学合理的能够模拟实际运行工况的试验系统及方法,有效地发现了高压直流电缆系统实际运行情况下的潜在缺陷,保证了直流电缆系统运行的可靠性,具有重大的社会与经济效益,填补了国内外控制绝缘层温度梯度下的直流电缆系统综合性能研究与试验平台控制系统的空白。

  (二)技术优势:

  同类技术1:CIGRETB-496(《RecommendationsforTestingDCExtrudedCableSystemsforPowerTransmissionataRatedVoltageupto500kV》)。

  同类技术1为国际大电网于2012年4月推出的500kV挤包绝缘高压直流电缆的推荐试验方法,其技术方案是:公开了电压范围500kV及以下直流电缆系统的性能测试和试验方法,试验内容涵盖了开发试验、型式试验、预鉴定试验、例行试验、抽样试验和安装后试验,对长期试验的条件、程序和判据提出了明确的要求。

  本发明专利与同类技术1的区别:

  同类技术1提出了挤包绝缘直流电缆系统负荷循环试验的内容,但没有涉及具体的电缆回路形状和试验布置,也没有涉及直流电缆外部媒介温度控制和绝缘层温度梯度控制,即未公开本发明权利要求1-3的技术方案。CIGRE新近成立的预研工作组TF.62将针对经两年来欧洲直流电缆的运行故障以及人们对直流电缆运行可靠性的关切,将考虑检讨、修订CIGRETB.496试验内容,并将把在控制温度梯度下的预鉴定试验作为重点工作内容之一。

  同类技术2:CN201673132U(大功率电缆循环加热试验控制装置)。

  同类技术2为上海蓝波高电压技术设备有限公司在2010年01月14日申请的专利。其技术方案是:提供了一种大功率电缆循环加热试验控制装置,其特征在于:负载电缆形成穿心式变压器的次级线圈,穿心式变压器的原边连接控制电路。通过热电偶和电压互感器分别测量线芯温度和电流,自动调节感应电流来稳定线芯温度。

  本发明与同类技术2的区别:

  同类技术2针对交流电缆系统通过自动调节电缆回路感应电流来稳定线芯温度,但没有涉及电缆试验回路形状和试验布置,也没有针对直流电缆的电场分布特点对直流电缆外部媒介温度控制和绝缘层温度梯度控制,即未公开本发明权利要求1-3的技术方案。

  同类技术3:CN103323700A(一种高温超导电缆交流耐受试验系统及其试验方法)

  同类技术3为国家电网公司在2013年05月24日申请的专利。其技术方案是:提出一种高温超导电缆交流耐受试验系统及其试验方法,其特征在于:以液氮作为超导电缆冷却介质;把常规电力电缆与被试高温超导电缆首尾相连形成闭合回路;采用变压器作为电压源抬升超导电缆线芯的对地电压;升流器布置在常规电力电缆段,在闭合回路中感应产生大电流。

  本发明与同类技术3的区别:

  同类技术3提出了高温超导电缆长时间高压大电流交流耐受试验的试验系统和方法,但没有涉及直流电缆回路形状、模拟回路和试验回路布置,也没有涉及针对直流电缆电场分布特点的外部媒介温度控制和绝缘层温度梯度控制,即未公开本发明权利要求1-4的技术方案。

  (三)技术通用性:

  中天科技海缆有限公司已与本单位签订了成功转化合同,为其设计研发一套500kV直流电缆系统用全工况运行考核系统,利用本试验系统可在厂内模拟开展500kV直流电缆实际不同运行工况下的试验考核,为实现500kV直流电缆国产化奠定了坚实的基础。此外,国内多家直流电缆制造商对本发明所涉及的试验考核系统及试验咨询服务均有合作意向,本技术的推广应用正在逐步进行之中,本试验系统对电缆制造商开发设计更高电压等级的直流电缆及附件具有全面、可靠的技术支撑作用。

  同时,本发明持有单位承担的2016年国家重点研发计划课题“±500kV直流电缆技术研究”已明确提出需要研发搭建直流电缆全工况运行考核机电特性测试平台,随着我国高压直流柔性输电工程对直流电缆需求的增加和电压等级的提高,对高压直流电缆系统试验技术也提出了更高的要求,采用本专利所涉及的高压直流电缆负荷循环试验温度控制方法及其系统将在计划投运的多项多端柔直工程中直流电缆系统的试验验证方面发挥积极的作用并得到更为广泛的应用。

  本专利对我国特高压柔性直流输电工程中直流电缆的国产化起到了重要推动作用,极大的提高了国产直流电缆的市场占有率,同时对我国直流电缆制造商走出去,承接海外国际直流电缆工程具有积极的帮助,对增强我国电工制造企业的研发能力和国际竞争力具有重要意义。

  本专利技术得到了国内电力电缆行业标准委员会、国际IEEE国际标准委员会的高度认可,牵头编写的中电联团体标准《160kV-500kV挤包绝缘直流电缆系统运行维护试验导则》(T/CEC20160139)、电力行业标准《500kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆使用技术规范》(DL1888-2018)已正式发布,参与编制的IEEE国际标准“RecommendedPracticeforSpaceChargeMeasurementsinExtrudedHighVoltageDirectCurrentCablesforRatedVoltagesupto550kV”(IEEEP1732/D1)已发布,本专利技术引领了直流电缆行业的技术发展与进步。

  本专利技术具有良好的推广示范作用和广阔的应用前景及领域。

  技术壁垒:高压直流电缆产品在投入商业运行前需要进行长达12个月(8760小时)的预鉴定试验以考核验证产品长期运行性能,目前国内外依然采用类似于交流电缆预鉴定试验的方法对直流电缆进行长期运行考核评价,缺乏对电缆外护层温度进行准确控制的手段,无法真实反映直流电缆绝缘层温度梯度变化的事实。

  目前国外开展了一些直流电缆温度梯度条件下负荷试验的研究性试验,加拿大±500kV油纸绝缘直流电缆系统,采用电热丝包裹控温,温度梯度最大22℃;日本±250kVXLPE绝缘直流电缆系统,采用电热带包裹控温,未给出温度梯度控制方法;韩国±250kVXLPE绝缘直流电缆系统,玻璃棉包裹控温,未给出温度梯度控制方法。

  以上研究缺少长期性试验的考核内容,并且给出的试验信息较少,工程参考意义不强;使用保温材料对电缆包裹控温来实现温度梯度控制,试验敷设过程繁琐,灵活性较差,重复试验费时费力,温控均匀性和精确度有待商榷。国内在这方面的试验研究工作还处于空白阶段。CIGRETB-496中也未涉及直流电缆系统负荷循环试验中的电缆外部媒介温度控制和绝缘层温度梯度控制方法。

  本项目针对不同电压等级和载流量的直流电缆,模拟不同运行条件和负荷工况,研制开发了国内首个直流电缆全工况运行考核试验平台。该平台采用水循环系统控制电缆外护层温度,实现控制绝缘层温度梯度的要求。

  该试验平台设计的电缆导体试验温度70℃,电缆绝缘层内外最大试验温度梯度为40℃,控温精度±1℃,试验回路长度50m,可以掌握直流电缆在负荷变化下的温度分布和动态热性能,实现绝缘层温度梯度精确控制,具备开展直流电缆研发、系统载流量校核、系统预鉴定和试验长期可靠性评价的能力,具有控温灵活准确、电缆试品敷设方便等特点,为开展全尺寸直流电缆在不同温度梯度下绝缘性能的研究提供简便实用的试验方法,为未来直流电网的安全运行提供了试验技术保障。同时系统集成了全尺寸高压直流电缆电声脉冲法PEA空间电荷测量系统,实现在预鉴定和长期负荷循环试验时对绝缘厚度不大于30mm的直流电缆开展电缆绝缘层控制温度梯度下的空间电荷测量。为此CIGRE新近成立的预研工作组TF.62在总结近年来欧洲直流电缆系统运行故障的基础上,采纳了本项目研究成果,将控制温度梯度下的预鉴定试验作为重点工作内容之一。

  产品或技术成熟度:本技术属于量产阶段,采用本发明专利技术研发的国产±160kV、±200kV、±320kV高压直流电缆已在我国南澳、舟山、厦门多个柔性直流输电工程中得到了推广应用,依托本专利开发的±400kV高压直流电缆已经完成产品开发,即将投入到正在建设的国内电压等级最高、传输容量最大的±400kV江苏如东海上风电工程中。高压直流电缆,尤其是直流海底电缆在未来海上风电开发利用中将得到更大规模的应用,同时也为其可靠性提出了更高的要求。该专利技术为高压直流电缆材料开发、结构设计和试验提供了直接有效的技术手段,成功解决了高压直流电缆绝缘材料评价考核和试验检测的难题,对我国特高压柔性直流输电工程和远距离、大容量海上风电工程中高压直流电缆及附件的国产化起到了重要推动作用,并提升了国内高压直流电缆制造企业在国际上柔性直流输电工程成套设计和工程总承包的国际竞争力。

  此外,中天科技海缆有限公司已与本发明持有单位签订了成果转化合同,该公司依托本专利技术成功研发了国产±525kV直流电缆产品并获得了欧洲北海风电直流电缆工程供应商评价考核资格;宁波东方电缆股份有限公司委托本发明持有单位参与荷兰海上风电工程±525kV直流电缆产品供应商考核试验;借助本专利技术优势青岛汉缆股份有限公司成功中标美国通用电气阿尔斯通Bosch230kV直流海缆工程;显著增强了我国直流电缆制造企业的研发能力和国际竞争力。国内多家直流电缆制造商对本发明所涉及的高压直流电缆负荷循环试验绝缘温度梯度控制系统均有采购洽谈意向,本技术的推广应用正在逐步进行之中,本测量系统对电缆制造商开发设计更高电压等级的直流电缆及附件具有全面、可靠的技术支撑作用。

  随着我国海上风电发展和高压直流柔性输电工程对直流电缆需求的增加和电压等级的提高,对高压直流电缆系统试验平台提出了更高的要求,因此采用本专利技术的高压直流电缆负荷循环试验绝缘温度梯度控制系统将在接下来计划投运的国内外多项多端柔性直流输电工程和大规模海上风电接入工程中发挥积极的作用并得到更为广泛的应用。


       联系人:孙明达,  邮箱:sunmingda@7ipr.com,  电话:18618174056,  微信:18618174056

为贯彻落实习近平总书记关于建设粤港澳大湾区的重要战略部署,党中央、国务院和广东省委、省政府关于推动高质量发展的重大决策要求,积极推进知识产权融入粤港澳大湾区建设,广东省市场监督管理局联合港、澳发起举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”。

“2020年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”由广东省市场监督管理局、香港特别行政区政府知识产权署、澳门特别行政区政府经济局、珠海市人民政府、东莞市人民政府主办,珠海市市场监督管理局、东莞市市场监督管理局、横琴国际知识产权交易中心承办。

粤港澳大湾区是继美国纽约湾区和旧金山湾区、日本东京湾区之后的世界第四大湾区。建设粤港澳大湾区,是习近平总书记亲自谋划、亲自部署、亲自推动的国家战略,是新时代推动形成全面开放新格局的新举措,也是推动“一国两制”事业发展的新实践。举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”是推进内地和港澳科技创新创业创造交流合作的重要举措与尝试。

通过举办粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛(简称“湾高赛”),倡导高价值专利培育布局理念,展现高价值专利培育布局成果,树立高价值专利培育布局标杆,引导带动一批创新主体积极开展高价值专利培育布局工作;同时,通过大赛吸引高水平的创业团队和高成长性专利项目在粤港澳大湾区落地,为粤港澳大湾区的高质量发展提供支撑;通过广泛动员各类创新主体、知识产权服务机构、金融机构、风险投资机构参与大赛,营造粤港澳大湾区专利创新创业创造氛围,培育知识产权文化,引导全社会对高价值专利培育布局工作的关注和投入。

首届湾高赛(2019)初审通过项目438个,涵盖新一代信息技术、高端装备制造、绿色低碳、生物医药、数字经济领域、新材料、海洋经济、现代农业八大领域。初赛综合专家评审及网络投票结果,选出百强项目,其中内地项目83个,香港地区项目12个,澳门地区项目5个。复赛选出五十强(因两个参赛项目并列第50名,最终名单为51个项目)项目中,内地入围45个,香港地区入围4个,澳门地区入围2个。最终首届湾高赛决赛角逐出金奖、银奖、优秀奖、最佳分析评议奖、最具投资潜力奖等共计28个奖项。

11月12日,2020年第二届湾高赛以“高价值专利支撑大湾区高质量发展”为主题,在2019年粤港澳大湾区知识产权博览会上隆重启动。


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