CN105514919B - 一种高压直流电缆中间接头应力锥设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压直流电缆中间接头应力锥设计方法，该方法包括如下步骤：(1)确定电缆导体屏蔽半径a，电缆绝缘层交联聚乙烯外侧半径b，电缆绝缘层交联聚乙烯的电阻R1、增强绝缘硅橡胶的电阻R2；(2)计算电缆绝缘层与增强绝缘绝缘材料的界面处P点电势与导体电势之比；(3)计算应力锥端部到应力锥根部的垂直距离。本发明提供的技术方案根据不同的高压直流电缆附件的绝缘材料的电导率，使绝缘材料交界面的切向场强均匀分布。
Description
技术领域
本发明涉及交联聚乙烯高压直流电缆附件设计领域，具体讲涉及一种高压直流电缆中间接头应力锥设计方法。
背景技术
高压直流输电技术的输电线路一般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电缆绝缘材料的首选。
高压直流电缆通常需要与接头附件连接，连接时剥除绝缘屏蔽，从而使屏蔽末端电应力线集中，因此需要在附件中用装置应力锥消除应力。设置的应力锥增加了导体到屏蔽间的距离，使电力线展开并在高压区域增加了额外的绝缘。
高压电缆大多采用预制式应力锥，其中整体预制型接头的半导体内屏蔽、主绝缘和半导体外屏蔽及应力锥全都在工厂预制成型。应力锥对于附件降低电应力的功能至关重要。现有的应力锥的设计都沿用了交流电缆应力锥的设计方法，着眼于材料的介电常数，而没有考虑到直流电缆中附件电场分布主要和两种材料的电导率有关。
为解决高压直流电缆附件中使电场分布优化的目的，本发明提供了一种设计满足高压直流电缆附件要求的应力锥形状的方法。
发明内容
本发明的目的是设计出满足高压直流电缆附件要求的应力锥形状，优化高压直流电缆附件中电场分布。
为实现上述目的本发明提供一种高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法所述设计方法包括以下步骤：
(1)确定电缆导体的参数；
(2)计算电缆绝缘层与增强绝缘绝缘材料的界面处P点电势与导体电势之比；
(3)计算应力锥端部到应力锥根部的垂直距离。
进一步的，所述参数包括屏蔽半径a，电缆绝缘层交联聚乙烯外侧半径b，电缆绝缘层交联聚乙烯的电阻R1、增强绝缘硅橡胶的电阻R2。
进一步的，所述步骤(1)中，将连接有电缆的预制式附件等效为同心圆柱体，电缆导体屏蔽半径a等于导体轴心到导体屏蔽层的长度，电缆绝缘层交联聚乙烯外侧半径b等于导体轴心到电缆绝缘层屏蔽的距离。
进一步的，所述步骤(2)中，按下式计算单位长度交联聚乙烯的电阻R1和硅橡胶的电阻R2:
式中，R1、R2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电阻；γ1、γ2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电导率；y表示导体轴心到增强绝缘屏蔽的距离；
点P处电势UP与导体电势U之比如下式所述：
进一步的，所述步骤(3)，根据电缆绝缘层的交联聚乙烯和增强绝缘的硅橡胶电导率的不同，计算应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离x。
进一步的，如果交联聚乙烯的电导率γ1和硅橡胶的电导率γ2相同，即γ1＝γ2，则电势比如下式所示：
当要满足的电场优化条件即切向电场强度保持恒定时，电势如下式所示：
Up＝Etx
Et为需要满足的交界面的切向电场强度；
应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离x如下式所示：
U为电缆运行的额定电压，Et为需要满足的交界面的切向电场强度。
进一步的，如果交联聚乙烯的电导率γ1和硅橡胶的电导率γ2不相同，即γ1≠γ2，则应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离X如下式所示：
γ1、γ2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电导率。
进一步的，需要满足的交界面的切向电场强度Et取1～3kV/mm。
本发明的有益效果是：本发明的应力锥设计可以根据不同的高压直流电缆附件的交联聚乙烯绝缘和附件增强橡胶绝缘电导率，达到使应力锥下绝缘交界面切向场强均匀分布的目标。
附图说明
图1为设计方法的原理说明图；
图2为整体预制式附件结构示意图；
其中，1-应力锥半导电部分，2-增强绝缘，3-高压屏蔽管，4-连接金具，5-增强绝缘屏蔽，6-电缆绝缘层，7-电缆导体，8-电缆绝缘层屏蔽。
具体实施例
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
附图2为整体预制式附件结构示意图，该中间接头由外到内依次为增强绝缘屏蔽5，增强绝缘2，电缆绝缘层6；电缆之间连接处为剥去电缆绝缘层屏蔽8和电缆绝缘层6的电缆导体7通过连接金具4固定，在连接金具4的外面包有高压屏蔽管3；附件中的应力锥半导电部分1位于增强绝缘2中。
增强绝缘2所用材料为硅橡胶(SIR)，电缆绝缘层6所用材料为交联聚乙烯(XLPE)。
附图1为设计方法的原理说明图，将预制式附件结构等效为同心圆柱体，a为轴线到导体屏蔽(导体+导体屏蔽的厚度)的长度，b为轴线到电缆绝缘层屏蔽的半径长度，R1、R2分别为等效为同心圆柱体的电缆绝缘层6的电阻、电缆绝缘层6和附件增强绝缘2交界面到应力锥半导点部分1之间的电阻，界面处P点在电阻为R1和R2的交联聚乙烯和硅橡胶绝缘材料交界处。
按照同心圆柱电阻的计算方法计算单位长度电阻R1和R2，如下式所示
式中R1、R2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电阻；γ1、γ2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电导率。
两绝缘材料交界处的点P处电势UP与导体电势U之比由电阻的比值得出，如下式所示：
如果电导率γ1＝γ2，则
当要满足电场优化条件即切向电场强度保持恒定时，应有：
Up＝Etx
Et为需要满足的交界面的切向电场强度；
可以得到应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离x为
U为电缆运行的额定电压，Et为需要满足的交界面的切向电场强度，一般可取1～3kV/mm。
若交联聚乙烯的电导率γ1和硅橡胶的电导率γ2不相同，即γ1≠γ2，则有
上两式即为电导率相同和不同时的应力锥优化设计公式。
根据电缆绝缘层6和增强绝缘2的绝缘材料的电导率不同，计算出的应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行方向的垂直距离X可以确定应力锥的形状，确保高压直流电缆附件中电缆绝缘层和增强绝缘两绝缘材料交界面的切向场强均匀分布，优化电场分布。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
(1)确定电缆导体的参数；
(2)计算电缆绝缘层与增强绝缘绝缘材料的界面处P点间的电势与导体电势之比；
(3)确定应力锥端部到应力锥根部的垂直距离；
所述参数包括屏蔽半径a，电缆绝缘层交联聚乙烯外侧半径b，电缆绝缘层交联聚乙烯的电阻R1、增强绝缘硅橡胶的电阻R2；
所述步骤(1)中，将连接有电缆的预制式附件等效为同心圆柱体，电缆导体屏蔽半径a等于导体轴心到导体屏蔽层的长度，电缆绝缘层交联聚乙烯外侧半径b等于导体轴心到电缆绝缘层屏蔽的距离。
2.如权利要求1所述的高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，按下式计算单位长度交联聚乙烯的电阻R1和硅橡胶的电阻R2:
式中，R1、R2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电阻；γ1、γ2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电导率；y表示导体轴心到增强绝缘屏蔽的距离；
界面处P点处电势UP与导体电势U之比如下式所述：
3.如权利要求2所述的高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)，根据电缆绝缘层的交联聚乙烯和增强绝缘的硅橡胶电导率的不同，计算应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离x。
4.如权利要求3所述的高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，如果交联聚乙烯的电导率γ1和硅橡胶的电导率γ2相同，即γ1＝γ2，则电势比如下式所示：
当要满足的电场优化条件即切向电场强度保持恒定时，电势如下式所示：
Up＝Etx
Et为需要满足的交界面的切向电场强度；
应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离x如下式所示：
U为电缆运行的额定电压，Et为需要满足的交界面的切向电场强度。
5.如权利要求3所述的高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，如果交联聚乙烯的电导率γ1和硅橡胶的电导率γ2不相同，即γ1≠γ2，则应力锥端部到根部与同心圆柱体轴向平行的垂直距离X如下式所示：
γ1、γ2分别表示交联聚乙烯和硅橡胶的电导率。
6.如权利要求4所述的高压直流电缆中间接头应力锥的设计方法，其特征在于，需要满足的交界面的切向电场强度Et取1～3kV/mm。
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