CN102437544B - 一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压屏蔽层端部附近接头，该接头套设在直流电缆外，其包含套设在直流电缆外的高压屏蔽层，套设在该高压屏蔽层外的增强绝缘，以及套设在该增强绝缘外的外半导电屏蔽层；增强绝缘的轴向方向的两端都设有应力锥。本发明只设有三层结构，结构简单，体积小，耗材少，便于制造，节省成本；高压屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料、增强绝缘采用三元乙丙橡胶材、外半导电屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料，使接头绝缘层的电场分布最优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统高压直流输电领域的配合高压直流交联聚乙烯电缆使用的接头，具体涉及一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头。
背景技术
目前，自从1954年世界上第1条连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的高压直流输电联络线投入商业运行以来，高压直流输电技术已经得到了极大的发展。但是传统的高压直流输电技术还存在很多缺点：换流站的投资大，移相换流器接线复杂，体积庞大，易发生换相失败，换流电压谐波含量高等。针对传统高压直流输电技术的不足，ABB公司研发了柔性高压直流输电系统。柔性高压直流输电技术是基于电压源换流器（VSC）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）的一种适用于小容量输电的新型高压直流输电技术。自1997年3月，世界上第1条柔性高压直流输电测试系统——Hellsjon-Grangesberg工程成功运行以来，柔性高压直流输电技术引起了各国的广泛关注。相继在澳大利亚，丹麦，美国等国建成了柔性高压直流输电工程，这极大地促进了柔性高压直流输电技术的发展。
柔性高压直流输电技术的输电线路采用的是以聚合物为绝缘的塑料电缆。交联聚乙烯（XLPE）以其优越的性能以及在高压交流电缆上的成功运用而成为直流塑料电缆绝缘材料的首选。然而，当交联聚乙烯绝缘材料应用在直流高压下时，会由于材料缺陷，离子离解，电荷注入等原因而在绝缘层内部积聚大量的空间电荷，此空间电荷的存在可能会极大地畸变绝缘层中局部电场，进而导致绝缘的损坏，最终导致电缆系统运行失败。各国学者为研究聚合物中空间电荷的测量，形成机理和抑制措施做了大量的工作，获得了很多有价值的交联聚乙烯材料配方。
电缆附件是连接电缆与电缆或电缆与其他电力设备不可或缺的元件。与电缆本体不同的是，电缆附件（包括电缆接头和终端）中存在双层绝缘介质，而这个交界面的存在更容易积聚空间电荷。双层介质交界面上的空间电荷量主要由各层绝缘材料的介电常数比值与电导率比值间的差值决定，差值越大，则积聚的空间电荷就大，反之，两者比较接近时，积聚的空间电荷就小甚至消除。在不同温度不同电场强度下，材料的介电常数变化非常小，也就是说两种材料的介电常数比值是基本固定的，但是材料的电导率却随着温度和电场强度的变化而显著变化，有时达几个数量级的变化。ABB公司的电缆接头是在交联聚乙烯与三元乙丙橡胶间加入一层具有非线性特性的应力控制层。此控制层保证在不同温度下两个界面上的介电常数比值与电导率比值一致，从而减小界面的空间电荷。然而，研发这样的非线性应力控制层的难度非常大，而且也使直流塑料电缆接头的结构复杂化。
发明内容
本发明提供一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，结构简单，体积小，耗材少，与电缆交界面上积累的空间电荷少。
为实现上述目的，本发明提供一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，该接头套设在直流电缆外，其特征是，该接头包含套设在直流电缆外的高压屏蔽层，套设在该高压屏蔽层外的增强绝缘，以及套设在该增强绝缘外的外半导电屏蔽层；
上述的增强绝缘的轴向方向的两端都设有应力锥。
上述的高压屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料。
上述的高压屏蔽层的端部采用半圆形结构。
上述的增强绝缘采用三元乙丙橡胶材料。
上述的应力锥采用全弧型结构，该结构的形状符合三次贝塞尔曲线。
上述的外半导电屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料。
本发明高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头和现有技术相比，其优点在于，本发明只设有三层结构，结构简单，体积小，耗材少，便于制造，节省成本；
本发明高压屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料、增强绝缘采用三元乙丙橡胶材、外半导电屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料，使各绝缘层之间的电场分布最优化。
附图说明
图1为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的结构示意图；
图2为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的增强绝缘的电导率分布图；
图3为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的应力锥的贝赛尔曲线图；
图4为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的应力锥的界面空间电荷分布图；
图5为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头与直流电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图；
图6为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的应力锥曲线上轴向电场强度分布图；
图7为本发明一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的应力锥曲线上电场强度模值分布图。
具体实施方式
以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。
本发明公开了一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，该接头套设在电压等级为±30kV，电缆线芯截面积为300mm2，主绝缘厚度为4mm的直流电缆3外，用于在直流电缆3和其他电力设备之间建立连接。
如图1所示，一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头包含套设在直流电缆3外的高压屏蔽层1，套设在高压屏蔽层1外的增强绝缘2，以及套设在增强绝缘2外的外半导电屏蔽层5。本发明的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其沿直流电缆3的方向为其轴向方向，增强绝缘2在其轴向方向的两端上，各设有一个应力锥4。
高压屏蔽层1采用三元乙丙半导电胶料，其电导率为2×10-3S/m。该高压屏蔽层1轴向方向上两个的端部都采用半圆形结构，高压屏蔽层1的厚度为5mm，长度按照GB 14315-93，保证高压屏蔽层1与直流电缆3的主绝缘搭接长度大于10mm，在本发明中高压屏蔽层1与直流电缆3主绝缘的搭接长度确定为160mm。
增强绝缘2采用三元乙丙橡胶材料，其玻璃化转变温度约在-43℃。在不同温度、不同电场强度下，增强绝缘2的电导率如图2所示，图2中横坐标为电场强度、纵坐标为电流密度，该图中显示了增强绝缘2分别在30℃、50℃和80℃的环境的电导率，可看出增强绝缘2的电导率随温度升高而增大。其厚度根据具体电压等级而定，正常运行时的平均电场强度设计值为3kV/mm，由电压等级和平均电场强度可确定增强绝缘的厚度，其关系式如下：
（1）
上述的式（1）中，30kV为电压等级，3kV/mm为平均电场强度。由上述的式（1）可得出，增强绝缘2的厚度须满足最小10mm，为保守起见，其厚度放大选取为12mm。
高压屏蔽层1轴向方向上的两端，分别到增强绝缘2两端的应力锥4的根部的距离，定为本发明接头的内爬距6。在保证足够过盈量的前提下，内爬距6处正常运行时切向电场强度设定值为0.6kV/mm，由电压等级和切向电场强度可确定内爬距6的大小，其关系式如下：
（2）
上述的式（2）中，30kV为电压等级，0.6kV/mm为切向电场强度，由上述的式（2）可得出，内爬距6须满足最小50mm，一般保守起见，设计内爬距6的安全裕度为100%，这本发明中，内爬距6可确定为100mm。
应力锥4为外半导电屏蔽层5与增强绝缘2的交界面，其采用全弧型结构，同时该结构的形状符合三次贝塞尔曲线。如图3所示。在平面或三维空间中，可由四点确定贝赛尔曲线。曲线起始于P0，走向P1，并从P2的方向来到P3，一般不会经过P1或P2（这两点只提供方向资讯）；P0和P1之间的间距决定了曲线在转而趋近P3之前，走向P2方向的长度有多长。在电缆接头的模型中，P0对应于应力锥4根部位置，P1在弧线上，P2对应于应力锥4头部，P3与P0重合，只要调整P1点的位置即可知道所确定的弧形曲线的坐标分布。将三次贝塞尔曲线表示为参数形式如式（3）所示：
（3）
式中，B(t)为曲线形状，t为参数。
本发明中的应力锥4的长度Lk如关系式（4）：
（4）
式中，ε 1 、ε 2 分别为交联聚乙烯和三元乙丙橡胶材料的介电常数；U为电缆系统的电压等级；r 1 、r i 、r 2 分别为直流电缆3主绝缘内半径、双层绝缘交界面处半径和接头的增强绝缘2外半径；ρ(r)为绝缘层中不同位置点处的空间电荷；Et为应力锥4与直流电缆3主绝缘交界面上的允许的切向电场强度值，取值为0.6kV/mm。
如图4所示，为界面空间电荷分布图，应力锥4长度根据图4，代入式（4），可计算得到本发明的应力锥4长度取为68mm。
本发明中，外半导电屏蔽层5采用三元乙丙半导电胶料，其电导率为2×10-3S/m，厚度为3mm。
本发明中的高压屏蔽层1、增强绝缘2、外半导电屏蔽层5根据设计完善的模具在工厂一次注塑成型，从而形成内爬距6与应力锥4。
整体注塑成型后，高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头与直流电缆3主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图如图5所示，应力锥4曲线上轴向电场强度分布图如图6所示，应力锥4曲线上电场强度模值分布图如图7所示。
电场分布情况达到最优的电场分布依据为：1）高压屏蔽层端部附近接头与直流电缆3主绝缘交界面轴向切向电场强度值不超过1.5kV/mm，2）应力锥4与直流电缆3主绝缘交界面切向电场强度不超过0.6kV/mm，且比较均匀，3）应力锥4曲线上轴向电场强度值不超过0.6kV/mm，且比较均匀，4）应力锥4曲线根部的电场强度模值最大，从根部到端部呈递减趋势，且应力锥4根部的电场强度模值不超过3kV/mm。
满足以上条件，说明本发明高压屏蔽层端部附近接头的电场分布情况达到最优的特点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，该接头套设在直流电缆（3）外，其特征在于，该接头包含套设在所述的直流电缆（3）外的高压屏蔽层（1），套设在所述的高压屏蔽层（1）外的增强绝缘（2），以及套设在所述的增强绝缘（2）外的外半导电屏蔽层（5）；
所述的增强绝缘（2）的轴向方向的两端都设有应力锥（4）；
所述的增强绝缘（2）采用三元乙丙橡胶材料；
增强绝缘（2）的厚度的最小值=电压等级/平均电场强度；正常运行时的平均电场强度设为3kV/mm，电压等级为30kV，增强绝缘（2）的厚度须大于等于10mm；
应力锥（4）的长度Lk关系式如下：
（4）
式（4）中，ε1、ε2分别为交联聚乙烯和三元乙丙橡胶材料的介电常数；U为电缆系统的电压等级；r1、ri、r2分别为直流电缆（3）主绝缘内半径、双层绝缘交界面处半径和接头的增强绝缘（2）外半径；ρ(r)为绝缘层中不同位置点处的空间电荷；Et为应力锥（4）与直流电缆（3）主绝缘交界面上的允许的切向电场强度值，取值为0.6kV/mm。
2.如权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的高压屏蔽层（1）采用三元乙丙半导电胶料。
3.如权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的高压屏蔽层（1）的端部采用半圆形结构。
4.如权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的应力锥（4）采用全弧型结构，该结构的形状符合三次贝塞尔曲线。
5.如权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的外半导电屏蔽层（5）采用三元乙丙半导电胶料。
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Effective date of registration: 20121112 Address after: 200002 Nanjing East Road, Shanghai, No. 181, No. Applicant after: Shanghai Electric Power Corporation Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 200002 Nanjing East Road, Shanghai, No. 181, No. Applicant before: Shanghai Electric Power Corporation |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |