高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法
2023-07-12 15:06:16 2
專利名稱：高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法
技術領域：
本發明涉及電纜絕緣厚度設計方法，具體涉及高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法。
背景技術：
高壓交流電纜的絕緣厚度設計方法包括1)最大場強法電纜絕緣層中，最大場強出現在線芯表面，若採用絕緣材料的擊穿強度大於最大場強，利用最大場強公式可計算出絕緣厚度，計算公式為τη γ {nR
C rC式中，E ^—理論上是時間趨於無窮大時的擊穿強度值，對油浸紙絕緣，可取局部放電起始電壓；對擠出絕緣，通常用理論外推值。m-安全裕度，通常取1.2 1.6。U——試驗電壓。長期工頻試驗電壓通常取額定工作電壓Utl的2. 5 3倍，雷電衝擊試驗電壓為7 10倍的最大相電壓。R、r。、Δ—分別為絕緣外徑、導體外徑和絕緣厚度。電纜絕緣厚度依據長期工頻試驗電壓及雷電衝擊試驗電壓來計算，然後取厚者。2)平均場強法絕緣層材料的擊穿強度，受線芯半徑的影響。線芯半徑越大，材料的擊穿強度越低。按照最大場強公式，線芯半徑越大，電纜承受的最大場強越小，引起厚度減薄。但材料擊穿強度的降低又將引起絕緣加厚。統一這一矛盾的方法就是採用平均場強公式來進行絕緣厚度的計算。特別對於塑料、橡皮電纜，絕緣材料的形狀參數較小，習慣上採用平均場強法進行絕緣厚度設計。工頻長期工作電壓下A = ^ ^k2R3雷電衝擊電壓下X = ^1KKK式中，U。m——最大工作相電壓；BIL——基本絕緣水平；Gl, G』 L——分別為絕緣材料在工頻、衝擊電壓下的擊穿強度；k1/2/3>k'1/2/3——擊穿強度的溫度、老化、安全係數。溫度係數通過室溫下與90°C時的擊穿強度比值獲得。老化係數由長期工作電壓下的壽命與短時耐壓試驗持續時間獲得。 安全係數一般取1.1。
電纜絕緣厚度依據長期工頻試驗電壓及雷電衝擊試驗電壓來計算，然後取厚者。目前尚無公認可應用的高壓直流交聯聚乙烯電纜的絕緣厚度設計方法。在交流輸、配電系統中，交聯聚乙烯電纜在中低壓領域已幾乎完全替代油浸紙絕緣電纜，而它在高壓/超高壓線路中的應用也日益廣泛。在國內，交聯聚乙烯絕緣交流電力電纜發展十分迅速。目前，35kV級以下除特種電纜外，已基本實現國產化；110kV、220kV電壓等級已能批量生產，並獲得廣泛應用；500kV電纜的研發、試製及生產也在幾個大的生產廠家先後開始進行。不少廠家都配備了生產高壓/超高壓交聯聚乙烯電纜所需的懸鏈線或立塔生產線，具有相當的技術實力。近年來，直流輸電在全球電力系統中獲得大力發展，國際上直流電纜線路的投運數量呈現不斷增長的趨勢，最高運行電壓已達到500kV。國內已建成並投運特高電壓等級直流架空輸電線路，尚沒有直流電纜線路的運行經驗。但在一些長距離電能傳輸、過江、跨海等應用場合，已有直流電纜線路的實際需求被提上議事日程。目前，國際上已有幾家大型材料供應商可大量提供中壓及高壓交聯聚乙烯直流電纜用聚乙烯絕緣料及屏蔽料，需要儘快開發研製出高壓交聯聚乙烯直流電纜產品。從生產設備以及工藝要求上說，交聯聚乙烯絕緣直流電纜與交流電纜沒有本質區別。因此，通過進口或者自行開發、生產原材料，國內完全具備生產IlOkV以及更高電壓等級直流交聯聚乙烯電纜的條件。關鍵問題在於，缺乏產品生產所需的相應電纜結構尺寸數據，以及進行直流電纜絕緣設計的理論方法。交聯聚乙烯直流電纜在工作時承受的電壓類型及幅度與交流電纜完全不同，長期的理論和實踐經驗證明，交流電纜設計時只需考慮長期工頻運行電壓、操作衝擊電壓和雷電衝擊電壓的作用，按照工頻和雷電衝擊電壓進行絕緣厚度設計；而直流電纜在運行時可能承受的電壓包括直流運行電壓、短時交流電壓、雷電衝擊電壓、操作衝擊電壓、極性反轉直流電壓、各種暫態內過電壓。交聯聚乙烯電纜在直流和交流電壓下運行時絕緣的特性也顯著不同，主要表現在1)電場分布不同。當電纜的絕緣層承受工頻交流電壓時，它的電場強度是按介電常數反比分配的。 而當絕緣材料承受直流電壓時，它的電場強度按照絕緣電阻率正比分配。絕緣材料的介電常數，在一般工作溫度下，可以認為是與溫度無關的常數，因此，在交流電壓作用下，電纜絕緣層中的電場分布幾乎不受溫度分布的影響。在直流電壓作用下，情況大大不同，絕緣電阻率一般隨溫度呈指數式變化，溫度分布的改變，將使電場分布相應改變，這就使得直流電纜絕緣層中的電場分布比交流電纜要複雜得多。2)擊穿強度不同。電纜絕緣的直流擊穿強度較高，它隨電壓作用時間增加而下降的趨勢不像在交流工頻電壓下那樣顯著。長期工頻作用下，絕緣擊穿強度隨電壓作用時間增長而下降，這主要是在絕緣材料內部發生了局部放電所致。而在直流電壓作用下，局部放電的問題相對沒有那麼嚴重。因此，交聯聚乙烯絕緣直流電纜的結構尺寸和交流電纜完全不同，不能將交流電纜的結構尺寸照搬用於直流電纜。並且，交流電纜的絕緣設計方法也不適用於直流電纜。
發明內容
為了克服上述現有技術存在的缺點，本發明的目的在於提供一種高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法，按照本發明所提出的絕緣厚度設計方法所設計的高壓交聯聚乙烯直流電纜產品，其交聯聚乙烯絕緣可以承受直流電力傳輸線路的長期運行電壓，直流上疊加的工頻交流電壓、系統中電壓、電流換向產生的極性反轉電壓，以及開關動作等產生的操作衝擊電壓和雷電衝擊大氣過電壓的作用，滿足對電纜絕緣的電性能要求，保證電纜的長期穩定運行，實現電能的可靠傳輸。為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法，包括如下步驟步驟1 確定設計電壓的形式，在進行高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計時，設計的電壓形式為直流電壓ud。、極性反轉電壓Ufz和直流電壓上疊加暫態過電壓Upu ；步驟2:計算設計電壓的幅值，直流電壓Ud。取值為待設計高壓交聯聚乙烯直流電纜的長期額定運行電壓U0,即Udc = U0,極性反轉電壓Ufz取值為1. 45U0,即Ufz = 1. 45U。，而直流電壓上疊加暫態過電壓Upu取值為(1. 1K+1.9)UQ，即Upu= (1. 1K+1.9)Uq，K為巴德爾係數；其中巴德爾係數K的測試方法為在保證導體溫度及絕緣溫差不低於設計值，即導體溫度不低於電纜長期運行的允許工作溫度，同時絕緣在內屏蔽、外屏蔽處的溫度差值不低於電纜輸送額定負載時的溫差，對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜施加標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓進行擊穿試驗，隨後在標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓上疊加正負直流預加電壓繼續對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜進行擊穿試驗，以此分別獲得無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓和有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，高壓交聯聚乙烯直流電纜的巴德爾係數K用式⑴計算，K=(Vi-Vr)ZiVdc (1)其中，Vi——無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為VVr——有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為VVdc——正負直流預加電壓，單位為V取所得各計算值中的最大值作為巴德爾係數K ；步驟3 確定與步驟1的設計電壓形式相對應的設計場強的形式，相對應的設計場強為直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Efz和雷電衝擊設計場強Epu ；步驟4 測試並計算步驟3所設計的直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Efz和雷電衝擊設計場強Epu的幅值，測試並計算直流設計場強Ed。，用式(2)計算
式中，Ebd——高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣在高溫下的直流擊穿場強，kV/mm,K1——安全因子，取值為1.2，K2——由CIGRE型式試驗要求的1. 85U。、8天與等值30min承受電壓獲得，即^=^/24x8/0.5，η為高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣的電壓壽命指數，K3——型式試驗電壓與額定直流電壓之比，取值為1.85，高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣在高溫下的直流擊穿強度Ebd利用高壓交聯聚乙烯直流模型電纜進行直流電壓下的擊穿試驗獲取，試驗時應使高壓交聯聚乙烯直流模型電纜導體溫度及絕緣溫差不低於設計值，即導體溫度不低於電纜長期運行的允許工作溫度，同時絕緣在內屏蔽、外屏蔽處的溫度差值不低於電纜輸送額定負載時的溫差，測試高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣的電壓壽命指數η的方法如下對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜，首先獲得其短時擊穿電壓(V1)及擊穿時間(、)，取電壓的一半(義/2)施加到同樣的高壓交聯聚乙烯直流模型電纜上，獲得擊穿時間(t2)，從而可得
電壓壽命指數" = 1Og2^ ；
1I測試並計算極性反轉設計場強Efz，具體方法如下對至少10根高壓交聯聚乙烯直流模型電纜，每隔10分鐘進行一次歷時2秒的極性反轉，獲得高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣的擊穿電壓；用式(3)VAXt = C (3)式中，V——擊穿電壓，V，A——老化因子，t——反轉次數，C——常數，對試驗數據進行擬合，可確定公式中的常數A和C，之後，根據擬合公式(3)推算出反轉1000次，即t = 1000時的電壓，換算成對應的擊穿場強Ε·，引入安全因子1. 2，獲得極性反轉設計場強Efz = E1000/12 ；測試並計算雷電衝擊設計場強Epu，具體方法如下對至少20根高壓交聯聚乙烯直流模型電纜，在保證導體溫度及絕緣溫差不低於設計值的情況下，分別施加正負極性的標準雷電衝擊電壓，獲得交聯聚乙烯絕緣的正負極性雷電衝擊擊穿場強，取兩者中的較低值Emin，並引入安全係數1.2，確定交聯聚乙烯絕緣的雷電衝擊設計場強為Epu = Emin/1. 2 ；步驟5 計算並確定高壓交聯聚乙烯直流電纜絕緣的設計厚度，首先，根據步驟2中所計算的設計電壓幅值以及步驟4中測試並計算的設計場強幅值，計算步驟1中各設計電壓形式對應所需的絕緣厚度，用式(4)、(5)、(6)計算，ddc = Udc/Edc (4)dfz = Ufz/Efz (5)dpu = UpuZEpu (6)然後，從計算所得的dd。、dfz、dpu中選擇最大值，作為高壓交聯聚乙烯直流電纜絕緣的設計厚度，即電纜絕緣的設計厚度為d = max(ddc, dfz，dpu)。按照本發明所提出的絕緣厚度設計方法所設計的高壓交聯聚乙烯直流電纜產品， 其交聯聚乙烯絕緣可以承受直流電力傳輸線路的長期運行電壓，直流上疊加的工頻交流電壓、系統中電壓、電流換向產生的極性反轉電壓，以及開關動作等產生的操作衝擊電壓和雷電衝擊大氣過電壓的作用，滿足對電纜絕緣的電性能要求，保證電纜的長期穩定運行，實現電能的可靠傳輸。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作更詳細的說明。利用本發明所提出的絕緣厚度設計方法對IlOkV單芯交聯聚乙烯直流電纜進行絕緣厚度設計，包括如下步驟步驟1 確定設計電壓的形式，在進行高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計時，設計的電壓形式為直流電壓Ud。、極性反轉電壓Ufz和直流電壓上疊加暫態過電壓Upu ；步驟2 計算設計電壓的幅值，直流電壓Ud。取值為IlOkV單芯交聯聚乙烯直流電纜的長期額定運行電壓Utl，為IlOkV,即Udc = U0= IlOkV,極性反轉電壓Ufz取值為1. 45U。， 即Ufz= 1. 45U0 = 160kV，而直流電壓上疊加暫態過電壓Upu取值為(1. lK+1.9)UQ，g卩Upu = (1. 1K+1. 9) U0, K為巴德爾係數，通過如下測試方法測試K值為0. 8，可計算出Upu = 310kV ；其中巴德爾係數K的測試方法為在保證導體溫度及絕緣溫差不低於設計值，即導體溫度不低於電纜長期運行的允許工作溫度，同時絕緣在內屏蔽、外屏蔽處的溫度差值不低於電纜輸送額定負載時的溫差，對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜施加標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓進行擊穿試驗，隨後在標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓上疊加正負直流預加電壓繼續對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜進行擊穿試驗，以此分別獲得無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓和有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，高壓交聯聚乙烯直流電纜的巴德爾係數K用式⑴計算K=(Vi-Vr)ZiVdc (1)其中，Vi——無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為V，Vr——有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為V，Vdc——正負直流預加電壓，單位為V，取所得各計算值中的最大值作為巴德爾係數K ；步驟3 確定與步驟1的設計電壓形式相對應的設計場強的形式，相對應的設計場強為直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Efz和雷電衝擊設計場強Epu ；步驟4 測試並計算步驟3所設計的直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Edz和雷電衝擊設計場強Epu的幅值，測試並計算直流設計場強Ed。，用式(2)計算^dc=(2)
A1-A2-A3式中，Ebd——高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣在高溫下的直流擊穿場強，kV/mm,K1——安全因子，取值為1.2，K2——用公式足2=農4><8/0.5計算，η為高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣的電壓壽命指數，K3——型式試驗電壓與額定直流電壓之比，取1. 85，高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣在高溫下的直流擊穿強度Ebd利用高壓交聯聚乙烯直流模型電纜進行直流電壓下的擊穿試驗獲取，試驗時應使高壓交聯聚乙烯直流模型電纜導體溫度及絕緣溫差不低於設計值，即導體溫度不低於電纜長期運行的允許工作溫度，同時絕緣在內屏蔽、外屏蔽處的溫度差值不低於電纜輸送額定負載時的溫差，測試高壓交聯聚乙烯直流電纜交聯聚乙烯絕緣的電壓壽命指數η的方法如下對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜，首先獲得其短時擊穿電壓(V1)及擊穿時間(、)，取電壓的一半(義/2)施加到同樣的高壓交聯聚乙烯直流模型電纜上，獲得擊穿時間(t2)，從而可得壽命指數
權利要求
1. 一種高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法，包括如下步驟 步驟1 確定設計電壓的形式，在進行高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計時，設計的電壓形式為直流電壓ud。、極性反轉電壓Ufz和直流電壓上疊加暫態過電壓Upu ；步驟2 計算設計電壓的幅值，直流電壓Udc取值為待設計高壓交聯聚乙烯直流電纜的長期額定運行電壓U0,即Udc = U0,極性反轉電壓Ufz取值為1. 45U0,即Ufz = 1. 45U0,而直流電壓上疊加暫態過電壓Upu取值為(1. lK+1.9)UQ，g卩Upu= (1. lk+1.9)UQ，K為巴德爾係數;其中巴德爾係數K的測試方法為在保證導體溫度及絕緣溫差不低於設計值，即導體溫度不低於電纜長期運行的允許工作溫度，同時絕緣在內屏蔽、外屏蔽處的溫度差值不低於電纜輸送額定負載時的溫差，對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜施加標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓進行擊穿試驗，隨後在標準操作衝擊電壓和標準雷電衝擊電壓上疊加正負直流預加電壓繼續對高壓交聯聚乙烯直流模型電纜進行擊穿試驗，以此分別獲得無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓和有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，高壓交聯聚乙烯直流電纜的巴德爾係數K用式(1)計算， K = (Vi-Vr)/Vdc (1)其中，Vi——無直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為V Vr—有直流電壓疊加時的衝擊擊穿電壓，單位為V Vdc—正負直流預加電壓，單位為V 取所得各計算值中的最大值作為巴德爾係數K ；步驟3 確定與步驟1的設計電壓形式相對應的設計場強的形式，相對應的設計場強為直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Efz和雷電衝擊設計場強Epu ；步驟4 測試並計算步驟3所設計的直流設計場強Ed。、極性反轉設計場強Efz和雷電衝擊設計場強Epu的幅值，測試並計算直流設計場強Ed。，用式(2)計算
全文摘要
一種高壓交聯聚乙烯直流電纜的絕緣厚度設計方法，包括如下步驟確定設計電壓的形式、計算設計電壓的幅值、確定與設計電壓形式相對應的設計場強的形式、測試並計算設計場強的幅值，計算並確定高壓交聯聚乙烯直流電纜絕緣的設計厚度；按照本發明所提出的絕緣厚度設計方法所設計的高壓交聯聚乙烯直流電纜產品，其交聯聚乙烯絕緣可以承受直流電力傳輸線路的長期運行電壓，直流上疊加的工頻交流電壓、系統中電壓、電流換向產生的極性反轉電壓，以及開關動作等產生的操作衝擊電壓和雷電衝擊大氣過電壓的作用，滿足對電纜絕緣的電性能要求，保證電纜的長期穩定運行，實現電能的可靠傳輸。
文檔編號H01B19/00GK102290155SQ20111022136
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月3日 優先權日2011年8月3日
發明者劉 英, 吳麗芳, 曹曉瓏, 朱華英, 趙文明, 鍾力生 申請人:無錫江南電纜有限公司, 西安交通大學