CN118017316A - 海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力设施技术领域，尤其涉及海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，包括高压交流电缆，高压交流电缆设有金属护套，所述金属护套的表面设有外护套，所述高压交流电缆的底部设置有缆夹，所述外护套与缆夹之间设置有绝缘装置，所述绝缘装置将外护套高电位与缆夹低电位彼此断开，并实现绝缘隔离。通过在电缆外护套与电缆的缆夹之间增加一层绝缘装置或多层绝缘装置的方式实现电缆外护套高电位与缆夹低电位彼此断开，达到实现绝缘隔离的效果，能够有效解决海上柔性直流输电系统高压交流电缆线路中谐波电源、阶跃信号、直流分量所引起的电缆金属护层过电压及外护套的护层过电压、自放电、放电烧蚀等影响电缆长期运行的异常情况。
Description
技术领域
本发明涉及电力设施技术领域，尤其涉及海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法。
背景技术
单芯高压交联聚乙烯电力电缆的接地方式在相关的标准及相关书籍上介绍主要有三种：
1. 金属护套两端接地，适应于电缆线路很短、传输功率很小时。
2. 金属护套一端接地，当电缆线路长度在 500m 及以下时，电缆金属护套可以采用一端直接接地，另一端经保护器接地，此时需要设置回流线。
3. 金属护套交叉互联接地，当电缆线路很长时（大约在 1000m 以上时），可以采用金属护套交叉互联接地。
目前海上柔直输电系统仍然采用单芯交联聚乙烯电力电缆作为变压器阀厅侧与GIS 开关侧的电力输送通道。由于这一段电缆长度普遍不长（一般小于200m），所以从设计上采用金属护套一端接地的方式（上述第2种方式），其接地方式简图如图5所示；上述接地方式的具体做法为：在GIS 开关侧电缆终端处，将电缆的金属护套与终端的接地端子连接到一起然后通过接地电缆接到接地极，在阀厅侧电缆终端处，将电缆的金属护套与终端的接地端子连接到一起然后通过接地电缆接到保护器的一端，保护器另一端接到接地极。按电缆走向同时敷设一根“三.七开”回流线（通常为接地电缆），回流线两端导体分别连接到相应的接地极。整个中间部位的电缆不做其他处理。
而现有技术的路线是建立在交流输电系统内的，在水电、抽蓄、城网等交流输电模式下普通采用上述的接地方式，但在柔性直流输电系统内，特别是海上风电柔性直流输电系统内，继续采用这样的接地方式将带来高压交流电缆线路安全稳定运行的风险隐患。
主要是因为：海上风电柔性直流输电系统的前端为海上风机发电，而海上风机的风力发电，产生正弦交流电的同时，交流电内存在较大含量的高次谐波电流。这个电流也将作为输送源输入到变压器，输入到GIS，输入到高压交流电缆线路。使得高压交流电缆线路内不仅存在 50Hz的工频正弦交流电源，而且存在高次谐波电源。另外由于交直流转换的整流元件是大量的电子元器件，电子元器件的开断将产生较大的阶跃电源信号输入到阀厅侧的高压交流电缆内。同时整流元件会将交流电源转换成直流电源输送到直流海缆，交直流的转换使得阀厅侧的高压交流电缆线路侧同时存在了直流电源分量。
以上问题，在单一的交流输电系统中基本是不存在的，而普通的交流输电系统的接地方式无法应对上面这样复杂的工况。在柔性直流输电系统的工况下，如仍旧采用金属护套一端接地，电缆的金属护套与外护套之间将产生较大的感应电压并且外护套表面将积聚电荷。感应电压的大小取决于高压交流电缆系统内部输入的高频谐波源大小、直流偏置分量大小、阶跃电源信号强度。感应电压的常见形式有 2 种：静电感应、电磁感应。
静电感应
电缆导体中存在的运行电压使线路中分布着电荷，电缆护层处于线路电荷所产生的电场之中，从而使护层上感应出一个与空间其他点的电位差，静电感应模型如图6所示，图6中，Ca表示导体与屏蔽层之间的等效电容，。
电磁感应
电缆导体中流过负荷电流，在周围产生磁场，电缆护层处于变化的磁场中，产生感应电动势。同时，B相电缆护层和相邻 A、C 相电缆导体之间同样存在电磁感应现象，电磁感应模型如图7所示，图7中，A、B、C表示单芯电缆的导体，a、b、c表示单芯电缆的金属护套，MAa表示A相单芯电缆导体与a相金属护套之间的互感抗，MBb表示B相单芯电缆导体与b相金属护套之间的互感抗，MCc表示C相单芯电缆导体与c相金属护套之间的互感抗。此外，电磁感应电压与负荷电流的大小、频率及线路长度等相关。
正常运行的单一交流电缆系统的电缆外护套表面对地电压基准水平为 mV 级。无论是阶跃信号、直流分量、谐波源，其最终体现均是使得电缆金属护层及电缆外护层对地电压升高，而海上柔性直流输电系统中高压交流电缆线路仅在系统谐波含量较大时，电缆外护套表面就可达几百伏甚至更高的对地电压。
由于电缆外护套表面对地电压的提高，电缆外护套将不再安全，对于巡检运维人员人身安全影响很大。同时易引起电缆外护套与外护套缆夹之间的放电或对临近金属体的放电、间隙打火、外护套烧蚀等问题。这些问题将大大影响电缆线路的安全运行。
本发明的目的就是在海上柔直输电系统这样的运行工况条件下，通过设计一种系统的全新的接地方式来解决以上问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，包括高压交流电缆，高压交流电缆设有金属护套，所述金属护套的表面设有外护套，所述高压交流电缆的底部设置有缆夹，所述外护套与缆夹之间设置有绝缘装置，所述绝缘装置将外护套高电位与缆夹低电位彼此断开，并实现绝缘隔离，所述缆夹的底部支撑有支架；
其中金属护套与外护套径向之间的结构可等效为等效电容CA，外护套与缆夹径向之间的结构可等效为等效电容CB，耦合至绝缘装置上的电压UB为：
;
其中，US为金属护套的感应电压，UB为绝缘装置在该系统中的分电压，CA与CB为绝缘装置在该系统中的等效电容。
优选的，所述绝缘装置采用全绝缘材料制作，且该绝缘装置围绕在外护套表面，圈数至少为1圈，并采用抽紧结构，长度超出缆夹宽度单边10mm以上。
优选的，所述高压交流电缆外护套表面采用单段接地或分段接地方式，单段接地或分段接地采用金属材料绕包置于外护套表面。
优选的，当高压交流电缆外护套接地时，所述金属材料与绝缘装置区域不接触。
采用分段接地时，金属材料两端设置有单芯高压交流电缆，其中金属材料的间隔距离S按实际需求在0至整根高压交流电缆长度L之间取值。
优选的，所述金属材料的另一端连接至最近的接地排，钳制住高压交流电缆外护套表面的高电位，并引导高压交流电缆外护套表面电荷流入接地极。
优选的，所述高压交流电缆外护套上的电荷导入接地极时在金属材料上产生的温升不大于20K。
本发明的有益效果是：
通过在高压交流电缆外护套与电缆的缆夹之间增加一层绝缘装置或多层绝缘装置的方式实现高压交流电缆外护套高电位与缆夹低电位彼此断开，达到了实现绝缘隔离的效果，能够有效解决海上柔性直流输电系统高压交流电缆线路中谐波电源、阶跃信号、直流分量所引起的电缆金属护层过电压及外护套的护层过电压、自放电、放电烧蚀等影响电缆长期运行的异常情况。
通过在整段或部分电缆外护套上，布置金属材料接地装置，实现电缆外护套表面高电位的钳制及引导电缆外护套表面电荷流入接地极的效果。
附图说明
图1为本发明提出的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法的电缆与绝缘装置布置示意图；
图2为本发明提出的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法的电缆与绝缘装置连接等效原理图；
图3为本发明提出的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法的绝缘装置设计结构示意图；
图4为本发明提出的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法的铜网分段接地示意图；
图5为现有技术中的金属护套一端接地方式示意图；
图6为现有技术中的电缆静电感应模型示意图；
图7为现有技术中的电缆电磁感应模型示意图。
图中：
1、高压交流电缆；2、绝缘装置；3、支架；4、缆夹；1-1、金属材料；1-2、单芯电缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
实施例一
参照图1-图3，海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，包括高压交流电缆1，高压交流电缆1外设有金属护套，金属护套的表面设有外护套，高压交流电缆1的底部设置有缆夹4，外护套与缆夹4之间设置有绝缘装置2，绝缘装置2将外护套高电位与缆夹4低电位彼此断开，并实现绝缘隔离，缆夹4的底部支撑有支架3；
其中金属护套与外护套径向之间的结构可等效为等效电容CA，外护套与缆夹4径向之间的结构可等效为等效电容CB，在外护套未接地情况下，金属护套与外护套之间的电压为UA，耦合至绝缘装置2上的电压UB为：
;
其中，US为金属护套的感应电压，UB为绝缘装置2在该系统中的分电压，CA与CB为绝缘装置2在该系统中的等效电容。
绝缘装置2采用全绝缘材料制作，且该绝缘装置2围绕在外护套表面，圈数至少为1圈，并采用抽紧结构，长度超出缆夹4宽度单边10mm以上。
本实施方案中，通过在高压交流电缆1的外护套与高压交流电缆1的缆夹4之间增加了一层或多层绝缘装置2，从而可实现外护套高电位与缆夹4电位之间彼此断开，进而可实现绝缘隔离，解决了解决海上柔性直流输电系统高压交流电缆线路中谐波电源、阶跃信号、直流分量所引起的电缆金属护层过电压及外护套的护层过电压、自放电、放电烧蚀等影响电缆长期运行的异常情况。
进一步的，通过剥除电缆缆夹支撑部位电缆外护套表面导电层（石墨层）的方式或先剥除再二次增加绝缘装置的方式完成该处位置绝缘隔离的方案，同时包括更换金属缆夹为绝缘材料的方式进行阻断外护套对缆夹放电的方案。
实施例二
参照图4，在实施例一的基础上，提供海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法技术方案，高压交流电缆1外护套表面采用单段接地或分段接地方式，单段接地或分段接地采用金属材料1-1绕包置于外护套表面。
当高压交流电缆1外护套接地时，金属材料1-1与绝缘装置2区域不接触；
采用分段接地时，金属材料1-1两端设置有单芯电缆1-2，其中金属材料1-1的间隔其中金属材料1-1的间隔距离S按实际需求在0至整根高压交流电缆1长度L之间取值。
金属材料1-1的另一端连接至最近的接地排，钳制住高压交流电缆1外护套表面的高电位，并引导高压交流电缆1外护套表面电荷流入接地极。
高压交流电缆1外护套上的电荷导入接地极时在金属材料1-1上产生的温升不大于20K。
以原接地方案典型数据与新接地方案典型数据为对比，罗列如下表：
本实施方案中，金属材料1-1装置通过其他方式，如焊接、熔接等方案实现外护套接地。通过在整段或部分高压交流电缆1外护套上，布置金属材料1-1的接地装置，从而可实现高压交流电缆1外护套表面高电位的钳制及引导高压交流电缆1外护套表面电荷流入接地极。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，包括高压交流电缆（1），其特征在于，所述高压交流电缆（1）外设有金属护套，所述金属护套的表面设有外护套，所述高压交流电缆（1）的底部设置有缆夹（4），所述外护套与缆夹（4）之间设置有绝缘装置（2），所述绝缘装置（2）将外护套高电位与缆夹（4）低电位彼此断开，并实现绝缘隔离，所述缆夹（4）的底部支撑有支架（3）；
其中金属护套与外护套径向之间的结构可等效为等效电容CA，外护套与缆夹（4）径向之间的结构可等效为等效电容CB，耦合至绝缘装置（2）上的电压UB为：
;
其中，US为金属护套的感应电压，UB为绝缘装置（2）在该系统中的分电压，CA与CB为绝缘装置（2）在该系统中的等效电容。
2.根据权利要求1所述的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，其特征在于，所述绝缘装置（2）采用全绝缘材料制作，且该绝缘装置（2）围绕在外护套表面，圈数至少为1圈，并采用抽紧结构，长度超出缆夹（4）宽度单边10mm以上。
3.根据权利要求1所述的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，其特征在于，所述高压交流电缆（1）外护套表面采用单段接地或分段接地方式，单段接地或分段接地采用金属材料（1-1）绕包置于外护套表面。
4.根据权利要求3所述的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，其特征在于，当高压交流电缆（1）外护套接地时，所述金属材料（1-1）与绝缘装置（2）区域不接触；
采用分段接地时，金属材料（1-1）两端设置有单芯电缆（1-2），其中金属材料（1-1）的间隔距离S按实际需求在0至整根高压交流电缆（1）长度L之间取值。
5.根据权利要求3所述的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，其特征在于，所述金属材料（1-1）的另一端连接至最近的接地排，钳制住高压交流电缆（1）外护套表面的高电位，并引导高压交流电缆（1）外护套表面电荷流入接地极。
6.根据权利要求5所述的海上风电柔性直流输电系统中高压交流电缆接地方法，其特征在于，所述高压交流电缆（1）外护套上的电荷导入接地极时在金属材料（1-1）上产生的温升不大于20K。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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