CN113765022B - 一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，包括：将交叉互联段接地单元划分为N1个小段，每小段的最大长度为L1；将单段接地单元划分为N2个小段，每小段的最大长度为L1；计算每小段金属护套的电容电流和电磁感应电压；计算外护层的接地点电阻；运用叠加定理建立电压约束方程；联立以上步骤的方程，求解出L1、N1的最小值和N2的最小值；基于步骤5求解出的L1、N1的最小值和N2的最小值，对海底电缆登陆段进行划分，将交叉互联段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，将单段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，完成海底电缆登陆段接地。

Description

一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法
技术领域
本发明属于输变电设备技术领域，具体涉及一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法。
背景技术
为解决长距离海底电缆输电交流感应环流过大的问题，目前海上风电等工程输电的海底电缆广泛采用半导电结构的外护层，从而使海底电缆在海洋环境下金属护套经过导电的外护层与海水连同，达到降低环流的目的。海底电缆自登陆端至陆上站，敷设及运行环境与海洋环境不同，无法保障电缆敷设沿线接地均接地，传统海底电缆登陆段在隧道、桥架及电缆沟等采用陆缆敷设方式和接地方法，在电缆接头或终端等位置接地，未考虑海缆导电外护层存在与邻近接地点放电或者触电伤人风险。
发明内容
发明目的：为了解决采用现有敷设方式和接地方法对具有半导电外护层结构的海缆登陆段进行接地时，存在与邻近接地点放电或者触电伤人风险，本发明提供了一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，可计算具有半导电外护层结构的海底电缆登陆段半导电点外护层最小接地点距离，可有效降低海地电缆登陆段半导电外护层的感应电压，避免对地放电引起火灾或人身触电事故，保障海底电缆运行安全。
技术方案：一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，包括以下步骤：
步骤1：将海底电缆登陆段的交叉互联段接地单元划分为N1个小段，每小段的最大长度为L1，将交叉互联段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地；将海底电缆登陆段的单段接地单元划分为N2个小段，每小段的最大长度为L1，将单段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地；其中，N1≥[L'/L1]，[L'/L1]为L'/L1的最小整数，L'为交叉互联段接地单元的总长度；N2≥[L”/L1]，[L”/L1]为L”/L1的最小整数，L”为单段接地单元的总长度；
步骤2：根据欧姆定律和电磁感应定律，计算得到每小段金属护套的电容电流和电磁感应电压；
步骤3：根据电阻率、体积及电阻的关系，计算外护层的接地点电阻；
步骤4：运用叠加定理，以磁场感应电压和电场感应电压的总和不超过海底电缆外护层允许电压或在轴向方向上外护层邻近接地点的最小距离所承受的击穿电压最小值，建立电压约束方程；
步骤5：联立以上步骤的方程，求解出L1、N1的最小值和N2的最小值；
步骤6：基于步骤5求解出的L1、N1的最小值和N2的最小值，对海底电缆登陆段进行划分，将交叉互联段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，将单段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，完成海底电缆登陆段接地。
进一步的，步骤2中，根据下式得到每小段金属护套的电容电流和电磁感应电压；
IC＝2×PI×50×U0×C0×L1 (1)
UL＝M0×I0×L1 (2)
其中，U0为海底电缆相电压，I0为海底电缆线芯额定电流，C0为海底电缆单位长度电容，M0为海底电缆线芯与金属护套互感。
进一步的，步骤3中，根据下式计算外护层的接地点电阻；
R0＝ρ×h0/S0 (3)
式中，ρ为海底电缆外护层的体积电阻率，h0为外护层的厚度，S0为外护层与接地点接触面积。
进一步的，步骤4中，所述的电压约束方程，表示为：
UL+IC×R0≤US (4)
US＝MIN{M,F(z)} (5)
式中，US为海底电缆外护层允许电压，M为设定的感应电压，F(z)为轴向方向上电缆外护层邻近接地点的最小距离所承受的击穿电压最小值，z为电缆半导电外护层沿轴每点距离邻近接地体最小值。
进一步的，所述的F(z)表示为：
F(z)＝3×z (6)。
有益效果：本发明将海底电缆登陆段接地系统最小接地单元设为N小段，并将每小段外护层中位点直接接地，运用欧姆定律、电磁感应定律以及电阻率、体积及电阻的关系，计算每段长度电缆金属护套电容电流、磁感应电压以及海底电缆外护层接地点电阻，考虑极端状态下海底电缆登陆段两侧相邻金属护套与接地装置接触不良、电阻无穷大，海底电缆外护层各接触点电容电流流入感应的电压与金属护套电磁感应电压同向，运用叠加定理建立电压约束方程，从而求解得出海地电缆登陆段最大L1或最小N值，可有效降低海地电缆登陆段半导电外护层的感应电压，保障运行、人员安全。
附图说明
图1为海地电缆登陆段交叉互联接地段、单段接地段最小接地单元示意图；
图2为最小接地单元划分N小段及每小段中位点接地示意图；
图3为最小接地单元划分N小段及每小段中位点接地磁感应等效电路图；
图4为最小接地单元划分N小段及每小段中位点接地电场感应等效电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的海缆登陆段由首尾两个单段接地单元和多个交叉互联段接地单元构成，多个交叉互联段接地单元设置在两个单段接地单元间，用于连接首尾两个单段接地单元；且具有半导电外护层结构的海缆登陆段为在海底电缆外包裹有金属护套，该金属护套经过导电的外护层与海水连通。
现以海底电缆登陆段长3公里，含一个交叉互联段接地单元和一个单段接地单元，其中交叉互联段接地单元的长度为2.4km，单段接地单元的长度为0.6km，线路系统各参数如下：U0＝128kV，I0＝500A，C0＝1.673×10-4μF/m，M0＝4.24×10-4mH/m，ρ＝200Ω×mm，h0＝5mm，S0＝100mm2，M＝50V，z＝6mm为例，现结合图1至图4，对本发明提出的一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法做进一步说明。
将交叉互联段接地单元划分成N1个小段，每小段的最大长度为L1；将单段接地单元划分成N2个小段，每小段的最大长度为L1；将每小段外护层的中位点直接接地。
运用欧姆定律和电磁感应定律，根据下式计算每小段电缆金属护套的电容电流、磁感应电压及接触电阻；
IC＝2×PI×50×U0×C0×L1 (1)
UL＝M0×I0×L1 (2)
其中，U0为海底电缆相电压，kV；I0为海底电缆线芯额定电流，A；C0为海底电缆单位长度电容，μF/m；M0为海底电缆线芯与金属护套互感，mH/m。
运用电阻率、体积及电阻的关系，计算海底电缆外护层接地点电阻；
R0＝ρ×h0/S0 (3)
式中，ρ为海底电缆外护层的体积电阻率，Ω×mm；h0为外护层的厚度，mm；S0为外护层与接地点接触面积，mm2。
考虑极端状态下海底电缆登陆段两侧相邻金属护套与接地装置接触不良导致电阻无穷大，以及海底电缆外护层各接触点电容电流流入感应的电压与金属护套电磁感应电压同向，运用叠加定理，以磁场感应电压、电场感应电压不超过设定电压或在轴向方向上电缆外护层邻近接地点最小击穿电压，建立如下电压约束方程：
UL+IC×R0≤US (4)
US＝MIN{M,F(z)} (5)
F(z)＝3×z (6)
L1≤50/{2×PI×50×U0×C0×(ρ×h0/S0)+M0×I0} (7)
N1≥[24000/L1] (8)
N2≥[800/L1] (9)
式中，US为海底电缆外护层允许电压，V；M为设定的感应电压，V，比如50V、36V；F(z)为轴向方向上电缆外护层邻近接地点的最小距离所承受的击穿电压最小值，V；z为电缆半导电外护层沿轴每点距离邻近接地体最小值，mm。
联立以上步骤的方程，计算得到L1＝70.85m，N1≥[2400/70.85]＝34段，N2≥[600/70.85]＝9段。
对于交叉互联段接地单元，将其划分为长度为70.85m的34个小段，将其每个小段外护层的中位点直接接地；对于单段接地单元，将其划分为长度为70.85m的9个小段，将其每个小段外护层的中位点直接接地。

Claims (5)

1.一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将海底电缆登陆段的交叉互联段接地单元划分为N1个小段，每小段的最大长度为L1，将交叉互联段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地；将海底电缆登陆段的单段接地单元划分为N2个小段，每小段的最大长度为L1，将单段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地；其中，N1≥[L'/L1]表示为N1取大于等于L'/L1的最小整数，L'为交叉互联段接地单元的总长度；N2≥[L”/L1]表示为N2取大于等于L”/L1的最小整数，L”为单段接地单元的总长度；
步骤2：根据欧姆定律和电磁感应定律，计算得到每小段金属护套的电容电流和电磁感应电压；
步骤3：根据电阻率、体积及电阻的关系，计算外护层的接地点电阻；
步骤4：运用叠加定理，以磁场感应电压和电场感应电压的总和不超过海底电缆外护层允许电压或在轴向方向上外护层邻近接地点的最小距离所承受的击穿电压最小值，建立电压约束方程；
步骤5：联立以上步骤的方程，求解出L1、N1的最小值和N2的最小值；
步骤6：基于步骤5求解出的L1、N1的最小值和N2的最小值，对海底电缆登陆段进行划分，将交叉互联段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，将单段接地单元的每小段外护层的中位点直接接地，完成海底电缆登陆段接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，其特征在于：步骤2中，根据下式得到每小段金属护套的电容电流和电磁感应电压；
IC＝2×PI×50×U0×C0×L1 (1)
UL＝M0×I0×L1 (2)
其中，U0为海底电缆相电压，I0为海底电缆线芯额定电流，C0为海底电缆单位长度电容，M0为海底电缆线芯与金属护套互感。
3.根据权利要求1所述的一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，其特征在于：步骤3中，根据下式计算外护层的接地点电阻；
R0＝ρ×h0/S0 (3)
式中，ρ为海底电缆外护层的体积电阻率，h0为外护层的厚度，S0为外护层与接地点接触面积。
4.根据权利要求1所述的一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，其特征在于：步骤4中，所述的电压约束方程，表示为：
UL+IC×R0≤US (4)
US＝MIN{M,F(z)} (5)
式中，US为海底电缆外护层允许电压，M为设定的感应电压，F(z)为轴向方向上电缆外护层邻近接地点的最小距离所承受的击穿电压最小值，z为电缆半导电外护层沿轴每点距离邻近接地体最小值。
5.根据权利要求4所述的一种具有半导电外护层结构的海缆登陆段接地方法，其特征在于：所述的F(z)表示为：
F(z)＝3×z (6)。
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