擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，所述增強絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的材料相同，從而避免了因電纜本體絕緣材料和增強絕緣材料的電阻率不匹配問題引起兩者交界面處的場強積聚；在應力錐曲線計算中，同時考慮溫度、電場因素對電阻率的影響；提供了擠出式柔直電纜終端增強絕緣厚度的計算方法，確保電纜本體絕緣層?增強絕緣層界面電場在合理范圍內；結構合理，解決了柔直電纜終端電位線集中現象，并確保整個應力錐電場均勻；滿足整個柔直電纜系統對終端的電性能要求，保證柔直電纜系統的長期安全可靠。
【專利說明】
擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構
技術領域
[0001] 本發明設及一種擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構。
【背景技術】
[0002] 隨著太陽能、風能等清潔能源的興起，加上擁有輸送效率高，線路損失小，功率方 向控制的簡單性，經濟性能優越等優勢，柔性直流輸電技術受到越來越多的關注，近年來也 在多個工程中得到應用。直流電纜終端是柔性直流輸電系統中必不可少的電纜連接件，其 性能的好壞直接關系著整個柔性直流輸電系統能否正常運行。
[0003] 直流電纜終端按照工藝種類劃分為擠出式和預制式兩種。根據電流場理論，直流 電纜終端內的電場分布主要與材料的電阻率相關，由于擠出式直流電纜終端中電纜本體絕 緣與連接件增強絕緣是同種材料，從而避免了預制式直流電纜終端中因電纜本體絕緣與連 接件絕緣材料種類的差異引起的兩種材料電阻率不匹配帶來的電場分布不均的問題。
[0004] 由于交流電纜終端內的電場呈容性分布，它的電場強度是按絕緣介電常數反比分 配的，介電常數不隨溫度、電場的變化而改變，而直流電纜終端內的電場呈阻性分布，它的 電場強度是按絕緣電阻率正比分配的，電阻率隨著溫度、電場的改變發生改變，因此，直流 電纜終端的電場分布呈高度非線性。相較于交流電纜終端，直流電纜終端的研發相對滯后， 所W對直流電纜終端的核屯、部件應力錐進行結構設計顯得尤為緊迫。

【發明內容】

[0005] 本發明為了解決現有技術中存在的上述缺陷和不足，提供了一種擠出式柔性直流 電纜終端應力錐結構，能夠有效的均化應力錐根部及直流電纜本體絕緣層與增強絕緣層交 界面處的電場，保證直流電纜終端的長期穩定運行，實現電能的可靠傳輸。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明提供一種擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，包 括增強絕緣層、應力錐半導電層和應力錐曲線，其中所述應力錐半導電層置于直流電纜本 體絕緣層上，所述增強絕緣層置于所述應力錐半導電層上，所述應力錐曲線為所述應力錐 半導電層的下邊緣，其中應力錐曲線的計算方法包括W下步驟：
[0007] 步驟一，計算直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差；
[000引由熱路方程可知：
[0009]
[0010]其中，0-直流電纜導體外表面溫度，即直流電纜本體絕緣層內表面溫度；
[0011] 0S-直流電纜本體絕緣層外表面溫度；
[0012] Wc-直流電纜導體發熱產生的熱流；
[001引 R-直流電纜本體絕緣層外表面半徑；
[0014]。一直流電纜導體半徑；
[001引 PT廣直流電纜絕緣層導熱系數；
[0016] 直流電纜終端內導體發熱產生的熱流w。的計算公式如下：
[0017] Wc=I2Rq
[001引其中，I-直流電纜的額定電流；
[0019] Rn-直流電纜導體的單位長度電阻值；
[0020] 步驟二，計算直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度E，計算公式為：
[0021]
[0022] 其中，Ii-直流電纜本體絕緣層中漏電流;Ri-直流電纜本體絕緣層電阻;U-直流 電纜本體絕緣層承受電壓;P-直流電纜本體絕緣層電阻率；
[0023] 步驟=，計算增強絕緣層的厚度An;
[0024] 設直流電纜本體絕緣層最大電場強度Eo的二分之一為增強絕緣層外表面徑向電 場強度Es(Rn)，則
從而得到A H = Rn-R ,Rn表示增強絕緣層外徑；
[0025] 步驟四，確定應力錐曲線方程；
[0026] 應力錐曲線上的任一點的軸向電場強度Et與該點的徑向電場強度E2之間的關系如 下：
[0027]
[0028] 其中，a-沿應力錐面切向電場強度與軸向電場強度之間的角度，將上述公式積分 得：
[0029]
[0030] 令Et為常數，得到應力錐曲線方程。
[0031] 其中，對于絕緣材料，絕緣體的電阻系數隨溫度的上升而呈指數曲線下降，則直流 電纜本體絕緣層的電阻率P表達式如下：
[0032] P二Po ? e-aQ
[0033] 其中，Po-溫度為(TC時的直流電纜本體絕緣層電阻系數；
[0034] a-直流電纜本體絕緣層的電阻率溫度系數；
[0035] 0-距離直流電纜本體絕緣層中屯、點r處的溫度；
[0036] 電纜發熱處于穩定狀態，直流電纜本體絕緣層中的損耗忽略，則距離直流電纜本 體絕緣層中屯、點r處的溫度表達式為：
[0037]
[0038] 其中，直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差由 步驟一計算得出；
[0039] 將溫度表達式帶入電阻率表達式得：
[0040]
[0041] 導到直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度 E的表達式為：
[0042]
[0043] 另外，對于絕緣材料，絕緣體的電阻系數不僅與溫度有關，而且還與所加電場強度 有關，則直流電纜本體絕緣層的電阻率P表達式如下：
[0044]
[0045] 其中，丫一直流電纜本體絕緣層的電阻率電場系數，0-距離直流電纜本體絕緣層 中屯、點r處的溫度；
[0046] 4
，則直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處 的電場強度E的表達式為：
則應力錐曲線方程為：
[0047]
[004引整理后得
，即應力錐長￡
[0049]進一步，直流電纜本體絕緣層的電阻率溫度系數a測得方法為，在電場強度為 20kV/mm的情況下，分別測試直流電纜本體絕緣層在30°C、50°C、70°C、90°C下的電阻率，然 后對電阻率數據進行擬合，得到電阻率溫度系數。
[0050] 進一步，直流電纜本體絕緣層的電阻率電場系數丫的測得方法為，在溫度為50°C 的情況下，分測試直流電纜本體絕緣層在3kV/mm、5kV/mm、7kV/mm、10kV/mm、15kV/mm、20kV/ mm、25kV/mm的電阻率，然后對電阻率數據進行擬合，得到電阻率電場系數。
[0051] 進一步，所述增強絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的材料相同。
[0052] 進一步，所述增強絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的材料均為交聯聚乙締。
[0053] 本發明所達到的有益技術效果：1.所述增強絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的 材料相同，從而避免了因電纜本體絕緣材料和增強絕緣材料的電阻率不匹配問題引起兩者 交界面處的場強積聚；2.在應力錐曲線計算中，同時考慮溫度、電場因素對電阻率的影響； 3.提供了擠出式柔直電纜終端增強絕緣厚度的計算方法，確保電纜本體絕緣層-增強絕緣 層界面電場在合理范圍內；4.結構合理，解決了柔直電纜終端電位線集中現象，并確保整個 應力錐電場均勻；5.滿足整個柔直電纜系統對終端的電性能要求，保證柔直電纜系統的長 期安全可靠。
【附圖說明】
[0054] 圖1本發明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。W下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能W此來限制本發明的保護范圍。
[0056] 如圖1所示，本發明提供一種擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，包括增強絕緣 層4、應力錐半導電層3和應力錐曲線5,其中所述應力錐半導電層3置于直流電纜本體絕緣 層2上，所述增強絕緣層2置于所述應力錐半導電層3上，所述應力錐曲線5為所述應力錐半 導電層3的下邊緣，所述增強絕緣層4與所述直流電纜本體絕緣層2的材料相同，均為交聯聚 乙締;其中，應力錐曲線5的計算方法包括W下步驟：
[0057] 步驟一，計算直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差；
[005引由熱路方程可知：
[0化9]
[0060]其中，0C-直流電纜導體外表面溫度，即直流電纜本體絕緣層內表面溫度；
[0061 ] 0S-直流電纜本體絕緣層外表面溫度；
[0062] W。一直流電纜導體1發熱產生的熱流；
[0063] R-直流電纜本體絕緣層外表面半徑；
[0064] 。一直流電纜導體半徑；
[0065] PTi-直流電纜絕緣層導熱系數；
[0066] 直流電纜終端內導體發熱產生的熱流W。的計算公式如下：
[0067] Wc=I2Rq
[006引其中，I-直流電纜的額定電流；
[0069] Rn-直流電纜導體的單位長度電阻值；
[0070] 步驟二，計算直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度E，計算公式為：
[0071]
[0072] 其中，Ii-直流電纜本體絕緣層中漏電流;Ri-直流電纜本體絕緣層電阻;U-直流 電纜本體絕緣層承受電壓;P-直流電纜本體絕緣層電阻率；
[0073] A.對于絕緣材料，絕緣體的電阻系數隨溫度的上升而呈指數曲線下降，則直流電 纜本體絕緣層的電阻率P表達式如下：
[0074] P = PO . e-ae
[0075] 其中，PO-溫度為(TC時的直流電纜本體絕緣層電阻系數；
[0076] a-直流電纜本體絕緣層的電阻率溫度系數；
[0077] 0-距離直流電纜本體絕緣層中屯、點r處的溫度；
[0078] 電纜發熱處于穩定狀態，直流電纜本體絕緣層中的損耗忽略，則距離直流電纜本 體絕緣層中屯、點r處的溫度表達式為：
[0079]
[0080] 其中，直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差
由 步驟一計算得出；[0081 ]將溫度表達式帶入電阻率表達式得：
[0082]
[0083] 宣流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度 E的表達式為：
[0084]
[0085] B.在實際應用時，絕緣體的電阻系數不僅與溫度有關，而且還與所加電場強度有 關，則直流電纜本體絕緣層的電阻率P表達式如下：
[0086]
[0087] 其中，丫一直流電纜本體絕緣層的電阻率電場系數，0-距離直流電纜本體絕緣層 中屯、點r處的溫度；
[0088]
，則直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處 的電場強度E的表達式為：
，則應力錐曲線方程為：
[0089]
[0090] 整理后得：
W應力錐長走
[0091] 直流電纜本體絕緣層的電阻率溫度系數a測得方法為，在電場強度為20kV/mm的情 況下，分別測試直流電纜本體絕緣層在30°C、50°C、70°C、90°C下的電阻率，然后對電阻率數 據進行擬合，得到電阻率溫度系數。
[0092] 直流電纜本體絕緣層的電阻率電場系數丫的測得方法為，在溫度為50°C的情況 下，分測試直流電纜本體絕緣層在3kV/mm、化V/mm、7kV/mm、10kV/mm、l^V/mm、20kV/mm、 25kV/mm的電阻率，然后對電阻率數據進行擬合，得到電阻率電場系數。
[0093] 步驟=，計算增強絕緣層的厚度An;
[0094] 設直流電纜本體絕緣層最大電場強度Eo的二分之一為增強絕緣層外表面徑向電 場強度Es(Rn)，則
，從而得到A H = Rn-R ,Rn表示增強絕緣層外徑；
[00M]步驟四，確定應力錐曲線方程；
[0096] 應力錐曲線上的任一點的軸向電場強度Et與該點的徑向電場強度E2之間的關系如 下：
[0097]
[0098] 其中，a-沿應力錐面切向電場強度與軸向電場強度之間的角度，將上述公式積分 得：
[0099]
[0100] 令Et為常數，得到應力錐曲線方程。
[0101] 實施例1
[0102] 采用額定電壓為±320kV擠出式柔直電纜終端，U = 320kV;Po = l〇i6Q ? m;a = 0.1 sVc; 丫 =2.2;；Tc = 26.5mm;R=50.5mm;PTi = 3.5TQ ? m;Wc = 55W;
[0103] 將上述數值代入式
，可得表達式：
[0104] E2 = 0.166ri'2
[0105] 電纜本體絕緣層的厚度為24mm，最大電場強度Eo= 18kV/mm，貝化2(Rn) =9kV/mm，由 上式得Rn=83mm，A H = Rn-R=32.5mm;
[0106] 并將上式代 >
巧得應力錐曲線方程：
[0107；
[010引將增強絕緣層的厚度A n = 32.5mm代入應力錐曲線方程得X值即為應力錐長度Lk = 192mm0
[0109] 實施例2
[0110] 采用額定電壓為±200kV擠出式柔直電纜終端，U = 200kV;Po = l〇i6Q ? m;a = 0.15^c; 丫 =2.2;；Tc = 20.4mm;R=35.4mm;PTi = 3.5TQ ? m;Wc = 58W;
[0111] 將上述數值代入
可得表達式：
[0112] E2 = 0.245ri'2
[011引電纜本體絕緣層的厚度為15mm，最大電場強度E0=18kV/mm，貝化2(Rn)=9kV/mm，由 上式得Rn=55.5mm，A H = Rn-R=21mm;
[0114] 并將上式代 >
可得應力錐曲線方程：
[0115]
[0116] 將增強絕緣層的厚度A n = 21mm代入應力錐曲線方程得應力錐長度Lk= 129mm。
[0117] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可W做出若干改進和變形，運些改進和變形 也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:包括增強絕緣層、應力錐半導電 層和應力錐曲線，其中所述應力錐半導電層置于直流電纜本體絕緣層上，所述增強絕緣層 置于所述應力錐半導電層上，所述應力錐曲線為所述應力錐半導電層的下邊緣，其中應力 錐曲線的計算方法包括W下步驟： 步驟一，計算直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差； 由熱路方程可知：其中，Θ。一直流電纜導體外表面溫度，即直流電纜本體絕緣層內表面溫度； 9s-直流電纜本體絕緣層外表面溫度； Wc-直流電纜導體發熱產生的熱流； R-直流電纜本體絕緣層外表面半徑； 。一直流電纜導體半徑； PT1-直流電纜絕緣層導熱系數； 直流電纜終端內導體發熱產生的熱流W。的計算公式如下： Wc = i2Rq 其中，I-直流電纜的額定電流； Κω-直流電纜導體的單位長度電阻值； 步驟二，計算直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度Ε， 計算公式為：其中，Ii-直流電纜本體絕緣層中漏電流;虹一直流電纜本體絕緣層電阻;U-直流電纜 本體絕緣層承受電壓;P-直流電纜本體絕緣層電阻率； 步驟Ξ，計算增強絕緣層的厚度Δ η; 設直流電纜本體絕緣層最大電場強度Εο的二分之一為增強絕緣層外表面徑向電場強度 Ε2 (Rn)，則公2化,)二i斬，從而得到A η = Rn-R，Rn為增強絕緣層外徑； 步驟四，確定應力錐曲線方程； 應力錐曲線上的任一點的軸向電場強度Et與該點的徑向電場強度E2之間的關系如下：其中，α-沿應力錐面切向電場強度與軸向電場強度之間的角度，將上述公式積分得：令Et為常數，得到應力錐曲線方程。2. 根據權利要求1所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:對于絕緣 材料，絕緣體的電阻系數隨溫度的上升而呈指數曲線下降，則直流電纜本體絕緣層的電阻 率P表達式如下： P = Po · e-aQ 其中，Po-溫度為〇°C時的直流電纜本體絕緣層電阻系數； α-直流電纜本體絕緣層的電阻率溫度系數； Θ-距離直流電纜本體絕緣層中屯、點r處的溫度； 電纜發熱處于穩定狀態，直流電纜本體絕緣層中的損耗忽略，則距離直流電纜本體絕 緣層中屯、點r處的溫度表達式為：其中，直流電纜本體絕緣層內表面和外表面的溫差由步驟 一計算得出； 將溫度表達式帶入電阻率表達式得：其中，剛得到直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電場強度E的表 達式為：3. 根據權利要求1所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:對于絕緣 材料，絕緣體的電阻系數不僅與溫度有關，而且還與所加電場強度有關，則直流電纜本體絕 緣層的電阻率P表達式如下：其中，丫一直流電纜本體絕緣層的電阻率電場系數，Θ-距離直流電纜本體絕緣層中屯、 點r處的溫度； 4，則直流電纜本體絕緣層距離中屯、點r處的電 場強度E的表達式為：，則應力錐曲線方程為：整理后得：4. 根據權利要求2所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:直流電纜 本體絕緣層的電阻率溫度系數α測得方法為，在電場強度為20kV/mm的情況下，分別測試直 流電纜本體絕緣層在30°C、50°C、70°C、90°C下的電阻率，然后對電阻率數據進行擬合，得到 電阻率溫度系數。5. 根據權利要求3所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:直流電纜 本體絕緣層的電阻率電場系數γ的測得方法為，在溫度為50°C的情況下，分測試直流電纜 本體絕緣層在 3kV/mm、5kV/mm、7kV/mm、lOkV/mm、15kV/mm、20kV/mm、25kV/mm 的電阻率，然后 對電阻率數據進行擬合，得到電阻率電場系數。6. 根據權利要求1-5任一項所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于： 所述增強絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的材料相同。7. 根據權利要求6所述的擠出式柔性直流電纜終端應力錐結構，其特征在于:所述增強 絕緣層與所述直流電纜本體絕緣層的材料均為交聯聚乙締。
【文檔編號】H02G15/064GK106099826SQ201610776648
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月30日
【發明人】陳龍嘯, 楊黎明, 朱智恩, 李棟
【申請人】南京南瑞集團公司