CN111324975B - 确定中低压直流xlpe电缆用中间接头最大场强的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强的方法，包括如下步骤：首先对接头的结构及运行参数进行收集；接着通过直流电导率试验确定所用电缆主绝缘与接头增强绝缘材料的电导率随温度及场强变化关系式中的特征参数；之后对电缆主绝缘与接头增强绝缘处的温度与场强进行计算，从而确定两种绝缘材料的电导率，并最终求出接头中最大场强值；本发明方法避免了复杂的仿真建模，节约了计算时间；电导率特性参数，易于获得；为XLPE电缆线路由交流改造为直流运行工程中载流量与运行电压的确定提供了有力参考，对增强电网的安全可靠性具有重要意义。

Description

确定中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强的方法

技术领域

本发明涉及一种对电缆接头进行最大场强计算的简化方法，具体涉及中低压直流XLPE电缆用中间接头的最大场强简化计算方法。

背景技术

随着我国城市化的推进和可再生能源的发展，直流电缆在电力系统中起着越来越重要的作用。相比于交流电缆，直流电缆有着损耗更小、绝缘强度更高、电能输送距离更长、重量更轻等优势。当城市中心负荷需求不断增长时，若在城区扩建或新增电缆线路，将受制于建设周期长、资金花销大、城市建设规划空间有限等因素，因此，充分挖掘现有电缆线路的潜在输电容量尤为重要。随着柔性直流输电技术的发展，现役交流电缆线路改为直流运行已被实践证实是提升电缆系统输送容量的一个有效手段，该方法能最大限度利用现有线路并节约成本，已成为当下研究的热点。

中间接头是电缆线路必备附件之一，其性能的好坏直接关系到电缆线路的安全稳定运行。图1为典型中低压XLPE电缆用中间接头的剖面图，由图1可看出中间接头相比于电缆本体结构更加复杂，绝缘更厚，加上导体连接位置存在接触电阻，导致在传输电流时接头的发热高于电缆本体，过高的温度会加速接头内绝缘材料老化，增大接头发生电击穿事故的概率，缩短接头的使用寿命；同时在制作接头的过程中，需将应力锥处电缆本体XLPE绝缘的外半导电屏蔽层剥除，导致该处发生电场畸变，更易发生电击穿。从设计及运行经验来看，中间接头是电缆线路中的薄弱环节，应重点考虑。

相对于电缆本体而言，中间接头由于其三维结构，且存在复合绝缘界面，电场分布较难分析。而相比于交流，中间接头在直流电压下的电场分布就更加复杂，这是因为交流下绝缘中电场分布取决于介电常数，在电缆线路运行温度、场强范围内变化较小；而直流下绝缘电场按电导率分布，受温度和场强的影响显著；当电缆主绝缘两侧温差过大时，还会导致其内部电导率梯度过大，引起场强反转，使接头增强绝缘内最大场强过高，超过其绝缘耐受场强，引发击穿。因此，直流电缆中间接头内的电场和热场是相互耦合作用关系，单纯的热场或者电场的分析并不能准确描述接头的运行状态。同时在应力锥根部，即对应图1中A点位置，该点为应力锥、电缆主绝缘与接头增强绝缘三种材料的交界处，在接头运行时该点电导率变化梯度较大，导致电应力集中，易于发生电击穿，因此在接头设计时应着重考虑此处场强。

目前计算中低压直流XLPE电缆用中间接头中的场强分布时多采用有限元法，其思路为借助相关仿真软件如ANSYS或者COMSOL Multiphysics等，对所求的问题进行仿真模型的搭建，合理的设计边界条件，并运用电-热耦合模块进行迭代法求解。在该方法的实际应用过程中，由于接头结构的三维特性，前期建模较为复杂；设定边界条件时需要对电磁场及有限元相关知识具有一定了解，掌握难度较大；且电-热耦合分析对研究人员以及计算机配置的要求都很高，迭代过程通常也很耗时。

实际上，考虑到电缆接头在运行中，应力锥根部最容易发生击穿，因此，若不关心中间接头中的整体电场分布，而仅是校核接头中的最大电场，那么只需对这一点进行场强计算即可，可以大大减少计算工作量，节省时间；与此同时，在仅需获得这一点处场强值的情况下，也可以寻求更为简单的计算方法，来代替复杂繁琐的有限元模拟，这对于一般设计研发及工程技术人员而言无疑具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单快捷的计算中低压直流XLPE电缆用中间接头中最大场强的方法，该方法避免了复杂的仿真建模，节约了计算时间；所需数据为接头的结构参数、电缆主绝缘与接头增强绝缘材料的电导率特性参数，易于获得；对于不同厂家设计制造的中低压电缆XLPE接头均可应用，普适性强；考虑了不同的运行状况，符合工程实际，实用性强。为直流XLPE电缆用中间接头的设计和校核提供了技术支持，为XLPE电缆线路由交流改造为直流运行工程中载流量与运行电压的确定提供了有力参考，对增强电网的安全可靠性具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种确定中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强的方法，包括如下步骤：

步骤1：收集所需相关数据

1)确定接头尺寸参数

在接头内高压屏蔽管和应力锥之间的中间位置对接头做径向剖面图，确定导体半径r₁、导体屏蔽半径r₂、电缆主绝缘半径r₃、接头增强绝缘半径r₄、外护套半径r₅，单位均为mm。

2)根据测量得到的电缆主绝缘与接头增强绝缘材料的电导率，通过对该电导率随温度及场强变化关系式(1)进行函数拟合，得到参数A、

B；

式中，σ——电导率，单位为S/m；

A——材料特性参数，单位为V/(Ω·m²)；

——活化能，单位为eV；

k_b——玻尔兹曼常数，单位为1.38×10^-23J/K；

T——温度，单位为K；

B——场强系数，单位为m/V；

E——场强，单位为V/m；

3)电缆线路稳定运行后，通过温度传感器测得接头的线芯温度T_r1与外表面温度T_r5；

步骤2：确定电缆主绝缘温度

1)确定电缆主绝缘内侧及外侧温度

利用式(2)，计算电缆主绝缘内侧温度T_r2；利用式(3)，计算电缆主绝缘外侧温度T_r3；

式中，T_r1——接头线芯温度，单位为℃；

T_r5——接头外表面温度，单位为℃；

2)确定电缆主绝缘温度

以T_r2和T_r3的平均值作为电缆主绝缘温度T_dl，如式(4)所示，并以T_r3作为接头增强绝缘温度T_jt；

步骤3：确定电缆主绝缘场强

以电缆本体平均场强作为电缆主绝缘场强E_dl，如式(5)所示，并以E_dl作为接头增强绝缘场强E_jt；

式中，U——电缆上所加直流电压，kV；

步骤4：确定绝缘材料的电导率

将电缆主绝缘温度T_dl和电缆主绝缘场强E_dl代入式(6)，计算电缆主绝缘电导率σ₁，如式(6)所示；将接头增强绝缘温度T_jt和接头增强绝缘场强E_jt代入式(7)，确定接头增强绝缘电导率σ₂，如式(7)所示；

式中，A——材料特性参数，单位为V/(Ω·m²)；

——活化能，单位为eV；

k_b——玻尔兹曼常数，单位为1.38×10^-23J/K；

T_dl——电缆主绝缘温度，单位为℃；

T_jt——接头增强绝缘温度，单位为℃；

E_dl——电缆主绝缘场强，单位为kV/mm；

E_jt——接头增强绝缘场强，单位为kV/mm；

B——场强系数，单位为m/V；

步骤5：计算接头最大场强

以式(8)计算接头最大场强E_max

本发明提出了一种确定中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强的简化计算方法，该方法具有以下优点：

1)计算过程中所需的数据量少且易于获得，计算方法简便且易于推广；

2)本发明方法可应用于不同尺寸、材料的中低压电缆中间接头，同时还可根据接头实际运行状况对相关参数进行调整，具有较强的普适性；

3)相对于有限元精确仿真模拟所得的结果，本发明简化算法所得场强值误差不超过5％，且偏于安全，满足工程应用需求。

附图说明

图1为本发明中典型中低压XLPE电缆用中间接头的轴向剖面图。

图2为本发明中典型中低压XLPE电缆用中间接头的径向剖面图。

图3为本发明计算接头最大场强的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。

利用本发明所提出的方法计算中低压电缆线路由交流改造为直流运行后的10kV直流XLPE电缆用中间接头在不同负载下运行时的最大场强，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1：收集所需相关数据

1)确定接头尺寸参数

如图1和图2所示，采用YJV22-8.7/15-3×240mm² 10kV XLPE电缆接头作为计算对象，接头增强绝缘材料为硅橡胶(SIR)。根据厂家提供的数据可知导体半径r₁＝9.15mm、导体屏蔽半径r₂＝9.95mm、电缆主绝缘半径r₃＝14.45mm、增强绝缘半径r₄＝24.45mm、外护套外径r₅＝25.45mm。

2)对电缆主绝缘XLPE和接头增强绝缘SIR进行直流电导率测试，并按照式(1)对得到的电导率数据进行函数拟合，获得参数A、

B的值如表1所示。

表1

3)通过温度传感器测得的接头在不同负载下满载运行时的温度数据，本实施例计算时将线芯温度T_r1固定为70℃，而接头外表面温度T_r5则分别为65℃、60℃、55℃与50℃。

步骤2：确定电缆主绝缘温度

由公式(2)和式(3)可计算得不同负载情况下电缆主绝缘内、外侧温度T_r2与T_r3的值，从而由式(4)获得电缆主绝缘温度T_dl，并确定接头增强绝缘温度T_jt，结果见表2。

表2

步骤3：确定电缆主绝缘场强

由式(5)计算得电缆主绝缘场强E_dl，电缆上所加直流电压取额定电压10kV。接头增强绝缘场强E_jt等于E_dl。

步骤4：确定绝缘材料的电导率

由式(6)和式(7)计算得电缆主绝缘电导率σ₁与接头增强绝缘电导率σ₂的值，如表3所示。

表3

步骤5：确定接头中最大场强

利用公式(8)可得不同负载情况下接头最大场强E_max。为了将本发明方法所得解析计算结果与用软件COMSOL Multiphysics仿真得出的数值计算结果进行对比，将两种方法的结果同时列于表4中，并计算了两者的相对偏差。

表4

由上表可知，解析计算结果与仿真计算结果误差很小，偏差未超过4％，证明该方法虽然简单，但准确性高；而且该方法的计算结果总是比仿真结果偏大，说明它偏于安全，满足工程实际应用需求。

总之，本发明所提出的中低压直流XLPE电缆用中间接头的最大场强简化计算方法，包括对接头结构及运行参数的收集，对所用电缆主绝缘与接头增强绝缘材料的电导率随温度及场强变化关系式中特征参数的确定，之后对电缆主绝缘与接头增强绝缘的温度与场强进行计算，从而确定两种绝缘材料的电导率，并最终求出接头中最大场强。

本发明所需数据量少、计算过程简单、易于推广；可应用于不同尺寸、材料的中低压电缆中间接头，还可根据接头实际运行状况对相关参数进行调整，具有较强的普适性；相对于有限元精确仿真模拟所得的结果，本简化算法所得场强值误差不超过5％，且偏于安全，满足工程应用需求。为直流XLPE电缆用中间接头的设计和校核提供了技术支持，为XLPE电缆线路由交流改造为直流运行工程中载流量与运行电压的确定提供了有力参考，对增强电网的安全可靠性具有重要意义。

Claims (1)

1.一种确定中低压直流XLPE电缆用中间接头最大场强的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：收集所需相关数据

1)确定接头尺寸参数

在接头内高压屏蔽管和应力锥之间的中间位置对接头做径向剖面图，确定导体半径r₁、导体屏蔽半径r₂、电缆主绝缘半径r₃、接头增强绝缘半径r₄、外护套半径r₅，单位均为mm；

2)根据测量得到的电缆主绝缘与接头增强绝缘材料的电导率，通过对该电导率随温度及场强变化关系式(1)进行函数拟合，得到参数A、

B；

式中，σ——电导率，单位为S/m；

A——材料特性参数，单位为V/(Ω·m²)；

——活化能，单位为eV；

k_b——玻尔兹曼常数，单位为1.38×10^-23J/K；

T——温度，单位为K；

B——场强系数，单位为m/V；

E——场强，单位为V/m；

3)电缆线路稳定运行后，通过温度传感器测得接头的线芯温度T_r1与外表面温度T_r5；

步骤2：确定电缆主绝缘温度

1)确定电缆主绝缘内侧及外侧温度

利用式(2)，计算电缆主绝缘内侧温度T_r2；利用式(3)，计算电缆主绝缘外侧温度T_r3；

式中，T_r1——接头线芯温度，单位为℃；

T_r5——接头外表面温度，单位为℃；

2)确定电缆主绝缘温度

以T_r2和T_r3的平均值作为电缆主绝缘温度T_dl，如式(4)所示，并以T_r3作为接头增强绝缘温度T_jt；

步骤3：确定电缆主绝缘场强

以电缆本体平均场强作为电缆主绝缘场强E_dl，如式(5)所示，并以E_dl作为接头增强绝缘场强E_jt；

式中，U——电缆上所加直流电压，kV；

步骤4：确定绝缘材料的电导率

将电缆主绝缘温度T_dl和电缆主绝缘场强E_dl代入式(6)，计算电缆主绝缘电导率σ₁，如式(6)所示；将接头增强绝缘温度T_jt和接头增强绝缘场强E_jt代入式(7)，确定接头增强绝缘电导率σ₂，如式(7)所示；

式中，A——材料特性参数，单位为V/(Ω·m²)；

——活化能，单位为eV；

k_b——玻尔兹曼常数，单位为1.38×10^-23J/K；

T_dl——电缆主绝缘温度，单位为℃；

T_jt——接头增强绝缘温度，单位为℃；

E_dl——电缆主绝缘场强，单位为kV/mm；

E_jt——接头增强绝缘场强，单位为kV/mm；

B——场强系数，单位为m/V；

步骤5：计算接头最大场强

以式(8)计算接头最大场强E_max

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