CN102480117A - 高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端 - Google Patents

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何维国
尹毅
柳松
张宇
江平开
彭嘉康
陈守直
周雁
杨玉智
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Shanghai Huapu Cable Co., Ltd.
Shanghai Jiejin Electric Power New Materials Co., Ltd.
Shanghai Jiaotong University
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Shanghai Municipal Electric Power Co
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SHANGHAI HUAPU CABLE CO Ltd
Shanghai Jiejin Electric Power New Materials Co Ltd
Shanghai Jiaotong University
Shanghai Municipal Electric Power Co
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Abstract

本发明公开了一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,它属于电力系统高压直流输电领域,其结构主要包括套于电缆本体外的伞裙护套、围于伞裙护套外的若干个伞裙以及设置于电缆本体与伞裙护套之间的应力控制管。伞裙和伞裙护套采用三元乙丙橡胶材料,伞裙的倾角为10°,下表面采用平面结构,伞裙边缘处不采用滴水沿结构;应力控制管采用符合三次贝塞尔曲线的全弧型结构,其长度确定考虑实测界面空间电荷、具体结构尺寸和电压等级。本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端中的电场分布达到最优,界面具有足够的安全裕度,且重量轻、体积小,结构简单等优点,在电力系统高压直流交联聚乙烯电缆输电领域具有重要的推广价值。

Description

高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统高压直流输电领域,尤其涉及一种高压直流输电技术领域的配合高压直流交联聚乙烯电缆使用的预制型终端。
背景技术
[0002] 随着煤炭等一次能源的日渐枯竭,各国正在大力研究发展风能、太阳能、潮汐能等二次新能源的发电和输电技术。国内外研究得比较热门的是风能的利用。不同地区不同时段风能的时刻变化性导致生产的电能的频率也是时刻变化的,因此风能产出的电能不能直接并入电网。切实可行的办法是采用高压直流输电方式,即将风能产出的电能在送端整流成直流电,经过直流输电线路将电能送往受端,而在受端再将直流电逆变为工频交流,继而并入电网。众所周知,高压直流输电在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个电网间的非同步互联等方面比高压交流输电具有更大的优势。然而,常规高压直流输电也存在着一些缺点,如受端必须有旋转电机,有换相失败的危险,难以应用到小功率的场合等。柔性高压直流输电(HVDC light)技术正是从根本上克服这些缺点而逐渐发展起来的输电技术。
[0003] 由于大城市的工商业发达,人口稠密、用电密度高,因此环境保护的要求在城市附近建设大型电站是不允许的,同时在这些地区选择高压架空线路的走廊也很困难。因而向大城市送电的发展方向是选择地下电缆送电。而柔性高压直流输电电缆是一种挤压式、单极电缆,具有体积小、强度高、重量轻、传输容量大、绝缘水平优越、环保和敷设容易等优点, 解决了传统电缆由于绝缘体中空间电荷积累导致的局部电场畸变而引起的绝缘老化甚至击穿,以及温度敏感引起的压力分配不均勻导致绝缘体外部过应力的问题。
[0004] 电缆终端是连接电缆与其他电力设备(如变压器等)不可或缺的元件。与电缆本体不同的是,电缆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。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,它具有结构简单、体积小、与电缆交界面上积累的空间电荷少的优点,且外绝缘爬电距离的设计完全满足高污秽地区的使用要求。
[0006] 实现上述目的的技术方案是:一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,包括电缆本体,其中,该终端所使用的电压等级包含中高压电压等级,它包括套于电缆本体外的伞裙护套、围于伞裙护套外的若干个伞裙以及设置于电缆本体与伞裙护套之间的应力控制管。[0007] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的伞裙护套及伞裙采用三元乙丙橡胶材料。
[0008] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的伞裙由若干个大伞和小伞沿着电缆本体的轴向方向交叉布置,每一个大伞或者小伞由伞面和伞面下部平行设置的下表面构成,伞面与水平的夹角为倾角,该倾角的范围为10°〜18°之间,下表面采用水平结构。
[0009] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的应力控制管形状采用全弧型结构。
[0010] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述应力控制管的全弧型结构的形状符合三次贝塞尔曲线,起始点为应力控制管根部,终点为应力控制管端部,方向点在弧线上。
[0011] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的在弧线上的方向点为不固定的点。
[0012] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的应力控制管长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。
[0013] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述电缆本体的端部处到应力控制管根部的距离为内爬距,内爬距允许切向电场强度为0. 6kV/mm。
[0014] 上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其中,所述的中高压电压等级为 IOkV 到 150kV。
[0015] 本发明的有益效果是:本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端中的电场分布达到最优,界面具有足够的安全裕度,且重量轻、体积小,结构简单,在电力系统高压直流交联聚乙烯电缆输电领域具有重要的推广价值。
附图说明
[0016] 图1是本发明的一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端的结构示意图;
[0017] 图2是本发明中伞裙护套所采用的三元乙丙橡胶材料在不同温度、不同电场强度下的电导率图;
[0018] 图3是应力控制管形状图;
[0019] 图4是交联聚乙烯与三元乙丙橡胶材料在设计电场强度下的界面空间电荷分布图;
[0020] 图5是预制型终端与电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图;
[0021] 图6是应力控制管曲线上轴向电场强度分布图;
[0022] 图7是应力控制管曲线上电场强度模值分布图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0024] 请参阅图1至图7,图中示出了本发明的一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,包括电缆本体4,该终端所使用的电压等级包含中高压电压等级,它包括套于电缆本体 4外的伞裙护套3、围于伞裙护套3外的若干个伞裙1以及设置于电缆本体4与伞裙护套3 之间的应力控制管2。
[0025] 伞裙护套3及伞裙1采用三元乙丙橡胶材料,伞裙1由若干个大伞11和小伞12 沿着电缆本体4的轴向方向交叉布置,每一个大伞11或者小伞12由伞面13和伞面下部平行设置的下表面14构成,伞面13与水平的夹角为倾角,该倾角的范围为10°〜18°之间, 下表面14采用水平结构。
[0026] 下面对伞裙护套3及伞裙1的各个部分做进一步说明。
[0027] 伞裙1形状:为使伞裙1表面的污秽状况与自清扫性能达到最优,倾角应控制在 10°〜18°之间。另外,为尽可能增大伞裙1直径,减少耗材以及减少伞裙1边缘效应引起的不明闪络,上倾角应选得尽量小,所以选择上倾角为10°为最优。为便于空气流通交换,避免伞裙1下表面堆积污秽空气,也便于有憎水迁移性表面的雾珠和水滴垂直下落,防止水珠流动降低下表面闪络电压,设计的伞裙1下表面14采用平面结构。为了减少伞裙1 边缘场强畸变,有效防止滴水沿处由于水带存在而显著降低边缘间隙闪络电压,伞裙1边缘不采用滴水沿,在上表面边缘处采取倒圆角措施。
[0028] 大伞11和小伞12的布置:采用大小伞裙1交叉布置的方式,这样可实现非均勻污染,提高闪络电压。一般要求大小伞伸出之差P2-P1应不小于15mm,所以在直流电缆终端的设计时,伞件伸出差定为25mm。
[0029] 伞径大小:由于直流电压没有交流电压的周期性极性转换,伞裙1表面长期存在离子定向迁移,外绝缘表面的局部电弧往往持续时间比较长,电弧容易桥接,所以直流电缆终端伞裙1的伞径要设计得比交流的大。具体伞径的大小需要根据电缆的结构尺寸来确定。
[0030] 伞间距:由于直流下的伞盘半径大,为防止闪络电压直接沿伞裙1边缘垂直贯穿, 伞间距要选得大些,一般认为伞宽和伞间距满足1 : 2的关系是较合理的,具体伞间距需要根据电缆结构尺寸和伞径大小来确定。
[0031] 爬电比距的确定:直流电压下,伞裙1的污闪电压不存在极性效应,两种极性的污闪电压基本一致,且伞裙1的直交比变化也比较小,在1.0左右。直流伞裙1爬电比距的计算公式如式(1)所示:
[0032]
Figure CN102480117AD00051
[0033] 式中,λ De为直流下伞裙护套1的爬电比距;λ Ae为交流下瓷绝缘子的爬电比距, 该值可根据交流线路中瓷绝缘子的运行经验得到选取,在设计中考虑污秽比较严重时的情况,选择λ = 31mm/kv ;KSE/P为复合绝缘护套与瓷绝缘子爬电比距的比值,根据93年电力部门推出的方案,可选择为0. 75 ;Kdcac为复合绝缘护套的直交比,选为1. 0。根据式(1)可以计算得到直流复合绝缘护套的爬电比距为40mm/kV。
[0034] 爬电距离的计算:当爬电比距确定后,爬电距离的计算如式(2)所示:
[0035]
Figure CN102480117AD00052
[0036] 式中,λΒ。为根据式(1)计算得到的爬电比距;Um为直流电缆的电压等级;L即为爬电距离。[0037] 伞裙1个数的确定:两大伞间的爬电距离可按式(¾进行计算:
[0038] Lp = 2 (PJP2) +S (3)
[0039] 式中,P1为大伞11的伞宽,其值等于大伞11伞径与直流电缆终端增强绝缘外径之差的一半;p2为小伞12的伞宽,其值为小伞12伞径与直流电缆终端增强绝缘外径之差的一半;S为两大伞间间距,其值为大小伞间距的两倍。结合式(2)计算得到的爬电距离L除以式(3)中的Lp可大致知道大小伞的个数。在此大小伞个数下,如果重新计算得到的爬电距离大于式(2)的值,则以此大小伞个数作为最终伞裙1个数;如果重新计算得到的爬电距离小于式O)的值,则在此大小伞个数的基础上适当增加,直至满足要求。
[0040] 过盈量的确定:电缆附件具有足够的过盈量才能保证预制绝缘件与电缆主绝缘的界面具有足够的压力,一般情况下,过盈量选为单边2-5mm。由于附件模具是可以修改的,过盈量开始可选得小点,这样可避免附件绝缘件发生撕裂,可以先定过盈量先为单边2mm,之后根据试验情况进行修改,确保界面压强达到0. 4MPa以上。
[0041] 伞裙护套3厚度的确定:电缆终端伞裙护套3厚度的确定依据主要有两个:① 保证径向不会发生绝缘击穿;②终端预制绝缘与电缆主绝缘的界面压强足够大,至少在 0. 4MPa以上。预制绝缘件与电缆主绝缘交界面上界面压强的计算如式(4)所示:
Figure CN102480117AD00061
[0043] 式中,k为三元乙丙橡胶的弹性模量;rXLPE为电缆主绝缘的外半径;rl,r2分别为预制橡胶件的内、外半径;r为预制橡胶件某一位置半径;r' =小2+2brl+b2 ,其中,b为过盈量。根据式(4)并给定必要条件,则可计算出伞裙护套3的厚度。
[0044] 本发明中的应力控制管2为预制半导电屏蔽层与三元乙丙橡胶增强绝缘的交界面,其形状符合三次贝塞尔曲线,为全弧型结构,应力控制管2的全弧型结构的起始点为应力控制管2根部,终点为应力控制管2端部,方向点在弧线上,方向点并不固定,以满足最优电场分布为基准,应力控制管2长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。其长度根据式(5)计算:
Figure CN102480117AD00062
[0046] 式中,£l、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;I^rpr2分别为电缆主绝缘内半径、双层绝缘交界面处半径和中间接头增强绝缘外半径;P (r)为绝缘层中不同位置点处的空间电荷屯为应力控制管2与电缆主绝缘交界面上的允许的切向电场强度值,为0. 6kV/mm。
[0047] 本发明中的内爬距为电缆终端处到应力控制管2根部的距离,内爬距的确定主要有两个方面的依据条件:①在直流电压下不会因内爬距3太短而击穿;②外绝缘对内绝缘起保护作用。根据条件①可计算得到一个内爬距3的基本要求,即内爬距3至少要大于直流电压除以界面的允许切向电场强度的值,本发明中取0. 6kV/mm。外绝缘表面闪络后,其绝缘强度是可恢复的,而内绝缘发生闪络会损伤其绝缘,因此外绝缘的安全系数应比内绝缘低, 这样外绝缘可对内绝缘起一定的保护作用。在污染比较严重的情况下,直流伞裙护套3的污闪梯度大致在lkv/mm。为达到上述保护要求,则需要满足如下关系(6):
[0048] 6Linner > 1. ILouter (6)
[0049] 即LimCT > 0. 183L0UterO式中,Linner即为内爬距3 ;Louter为爬电距离。再根据伞裙护套3和内爬距的结构配合,则可定出满足条件的内爬距值。
[0050] 本发明中,中高压电压等级为IOkV到150kV。 [0051 ] 下面将举一实施例来对本发明进行说明。
[0052] 以设计配合电压等级为士30kV,电缆线芯截面积为300mm2,主绝缘厚度为4mm的电缆使用的终端为例。
[0053] 伞裙护套3及伞裙1采用电导率如图2所示的的三元乙丙橡胶材料,伞裙1的倾角为10°,下表面14为平面,边缘处不采用滴水沿结构;采用大小伞交叉布置,大小伞伸出定差为25mm ;大伞11伞径为190mm,小伞12伞径为140mm ;根据电缆结构尺寸以及伞径大小,可计算得到,伞间距以130mm较宜,则两大伞之间的伞间距确定为130mm,大小伞伞间距为65mm ;爬电比距按照污秽比较严重的地区情况设计,定为40mm/kV ;所以,爬电距离也就可以计算得到为1200mm ;由上述计算结果,计算调整,得到最终采用3个大伞,4个小伞可满足要求;过盈量先定为2mm,后根据试验结果进行调整;伞裙护套3厚度计算值为15mm。
[0054] 应力控制管2形状采用全弧形结构,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Po,走向P1,并从P2的方向来到P3, 一般不会经过Pl或P2 (这两点只是在那里提供方向资讯);PO和Pl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,PO对应于应力控制管2根部位置,Pl在弧线上,P2对应于应力控制管2头部,P3与PO重合,只要调整Pl 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 (7)所示:
[0055] B(t) = t e [0,1] (7)
[0056] 式中,B(t)为曲线形状,t为参数。应力控制管2长度根据图4所示的界面空间电荷分布图,代入式(5),可计算得到应力控制管2长度为68mm。
[0057] 内爬距根据式(6)计算得到为220mm,但考虑伞裙护套3和内爬距3的结构配合, 最后内爬距3定为420mm。
[0058] 整体成型后,预制终端与电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图如图5所示;应力控制管2曲线上轴向电场强度分布图如图6所示;应力控制管2曲线上电场强度模值分布图如图7所示。满足条件的电场分布依据为:①应力控制管2与电缆主绝缘交界面切向电场强度不超过0. 6kV/mm,且比较均勻;②应力控制管2曲线上轴向电场强度值不超过0. 6kV/mm,且比较均勻;③应力控制管2曲线根部的电场强度模值最大,从根部到端部呈递减趋势,且应力控制管2根部的电场强度模值不超过3kV/mm。
[0059] 本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端结构具有重量轻、体积小、绝缘层电场分布情况达到最优的特点。
7

Claims (9)

1. 一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,包括电缆本体,其特征在于,该终端所使用的电压等级包含中高压电压等级,它包括套于电缆本体外的伞裙护套、围于伞裙护套外的若干个伞裙以及设置于电缆本体与伞裙护套之间的应力控制管。
2.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的伞裙护套及伞裙采用三元乙丙橡胶材料。
3.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的伞裙由若干个大伞和小伞沿着电缆本体的轴向方向交叉布置,每一个大伞或者小伞由伞面和伞面下部平行设置的下表面构成,伞面与水平的夹角为倾角,该倾角的范围为10°〜 18°之间,下表面采用水平结构。
4.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的应力控制管形状采用全弧型结构。
5.根据权利要求4所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述应力控制管的全弧型结构的形状符合三次贝塞尔曲线,起始点为应力控制管根部,终点为应力控制管端部,方向点在弧线上。
6.根据权利要求5所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的在弧线上的方向点为不固定的点。
7.根据权利要求4所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的应力控制管长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。
8.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述电缆本体的端部处到应力控制管根部的距离为内爬距,内爬距允许切向电场强度为0. 6kV/ mmD
9.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型终端,其特征在于,所述的中高压电压等级为IOkV到150kV。
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