本发明涉及一种预制式柔性直流电缆终端应力锥结构。
背景技术:
柔性直流输电作为一种新型输电方式,已越来越受到重视。柔性直流电缆系统为柔直输电系统的重要组成部分,由柔直电缆本体和柔直电缆连接件(接头和终端)组成。柔直电缆终端是是电缆系统的关键部分,也是较易发生故障的环节,因此制约着柔直电缆系统向更高电压等级发展。
在电缆终端设计过程中,必须考虑电缆应力锥中的电场分布。在交流电缆终端中,电场分布取决于绝缘材料的介电常数,与温度分布无关。在直流电缆终端绝缘中,电场分布取决于电阻率分布,而电阻率分布与温度和电场存在关系,因此其电场分布情况更为复杂。
目前,没有关于柔直电缆终端的设计理论和设计方法,更无基于直流电场分布提出的结构设计。在现有柔直电缆终端结构设计中,大部分套用交流终端结构设计并进行稍微调整,没有提出具体的设计理论和设计方法。
技术实现要素:
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足,提供了一种预制式柔性直流电缆终端应力锥结构。
为解决上述技术问题,本发明提供一种预制式柔性直流电缆终端应力锥结构,包括增强绝缘层、应力锥半导电层和应力锥曲线,其中所述应力锥半导电层置于直流电缆本体绝缘层上,所述增强绝缘层置于所述应力锥半导电层上,所述应力锥曲线为所述应力锥半导电层的下边缘,其中应力锥曲线的计算方法包括以下步骤:
步骤一,计算应力锥曲线y处径向电场强度E2(y);
其中,ρ2(y)为增强绝缘层y处的电阻率,U为增强绝缘层承受电压,R(y)为增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻;
步骤二,确定增强绝缘层的厚度;
增强绝缘层半径Rs处的径向电场强度E2(Rs)为电缆绝缘层最大工作电场强度E0的二分之一,表达式如下:
E2(RS)=0.5E0
结合应力锥曲线y处径向电场强度的表达式和上式,计算得Rs,从而计算得到增强绝缘层厚度Δn=Rs-R,R为电缆绝缘层半径;
步骤三,确定应力锥曲线方程;
应力锥曲线上任一点的轴向电场强度Et与该点的径向电场E2存在以下关系:
将上式积分得到令Et为常数,将径向电场E2 表达式带入并利用数值求解法得到若干组坐标(x,y),得到应力锥曲线方程。
其中,步骤一中,增强绝缘层y处的电阻率ρ2(y)的计算过程如下:
增强绝缘层r'处与电缆导体的温差:
即:
式中,θ2为增强绝缘层外径为r'处的温度,θR为电缆绝缘层外表面的温度,θc为电缆导体温度,R为电缆绝缘层半径,ρT2为增强绝缘层的热阻系数,ρT1为电缆绝缘层的热阻系数,Wc为电缆导体损耗;rc为电缆导体半径;
根据电阻率公式,增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式为:
其中,ρ2,0为增强绝缘层的电阻率系数;a2为增强绝缘层的电阻率温度系数;γ2为增强绝缘层的电阻率电场系数;E2(r')为增强绝缘层r'处的径向电场强度,根据欧姆定律:因此,I应力锥曲线y处的电流;由和增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式 得:将此式带入增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式得:
其中,
步骤一中,增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)的计算过程如下:
其中,强绝缘层r'处电阻率电缆绝缘层r处电阻率
由热路方程可知:
即:
根据欧姆定律:因此,I应力锥曲线y处的电流;由和电缆绝缘层r处电阻率ρ1(r)的表达式得:将此式带入电缆绝缘层r处电阻率ρ1(r)的表达式得:
因此得到增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)表达式如下:
结合增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)表达式和强绝缘层y处电阻率的表达式得到应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)为:
前述计算式中涉及的字母代表含义如下:
θc为电缆导体温度,θR为电缆绝缘层外表面的温度,θ1为电缆绝缘层外径r处的温度,θ2为增强绝缘层外径r'处的温度,R为电缆绝缘层半径,Wc为电缆导体损耗;rc为电缆导体半径;ρT2为增强绝缘层的热阻系数,ρT1为电缆绝缘层的热阻系数,ρ1,0为电缆绝缘层的电阻率系数,ρ2,0为增强绝缘层的电阻率系数,a1为电缆绝缘层电阻率温度系数,a2为增强绝缘层的电阻率温度系数,γ1为电缆绝缘层的电阻率电场系数,γ2为增强绝缘层的电阻率电场系数,E1(r)为电缆绝缘层半径r处的径向电场强度,E2(r')为增强绝缘层半径r'处的径向电场强度;
本发明所达到的有益技术效果:1.在考虑温度、电场因素对电阻率影响的基础上,提出预制式柔直电缆终端绝缘中的电场分布,为柔直电缆连接件设计提供理论基础;2.提供了一种预制式柔直电缆终端增强绝缘层厚度计算方法,确保电缆绝缘层-增强绝缘层界面电场在合理范围内;3.设计了合理的应力锥形状,解决了柔直电缆终端电位线集中现象,并确保整个应力锥电场均匀;4.满足整个柔直电缆系统对终端的电性能要求,保证柔直电缆系统的长期安全可靠。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述,以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种预制式柔性直流电缆终端应力锥结构,包括增强绝缘层、应力锥半导电层和应力锥曲线,其中所述应力锥半导电层置于直流电缆绝缘层上,所述增强绝缘层置于所述应力锥半导电层上,所述应力锥曲线为所述应力锥半导电层的下边缘,其中应力锥曲线的计算方法包括以下步骤:
步骤一,计算应力锥曲线y处径向电场强度E2(y);
其中,ρ2(y)为增强绝缘层y处的电阻率,U为增强绝缘层承受电压,R(y)为增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻;
一,增强绝缘层y处的电阻率ρ2(y)的计算过程如下:
增强绝缘层r'处与电缆导体的温差:
即:
根据电阻率公式,增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式为:
根据欧姆定律:因此,I应力锥曲线y处的电流;由和增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式得:将此式带入增强绝缘层r'处电阻率ρ2(r')的表达式得:
二,增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)的计算过程如下:
其中,强绝缘层r'处电阻率电缆绝缘层r处电阻率
由热路方程可知:
即:
根据欧姆定律:因此,I应力锥曲线y处的电流;由和电缆绝缘层r处电阻率ρ1(r)的表达式得:将此式带入电缆绝缘层r处电阻率ρ1(r)的表达式得:
因此得到增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)表达式如下:
结合增强绝缘层内表面到应力锥曲线y处的单位电阻R(y)表达式和强绝缘层y处电阻率的表达式得到应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)为:
前述计算式中涉及的字母代表含义如下:
θc为电缆导体温度,θR为电缆绝缘层外表面的温度,θ1为电缆绝缘层外径r处的温度,θ2为增强绝缘层外径r'处的温度,R为电缆绝缘层半径,Wc为电缆导体损耗;rc为电缆导体半径;ρT2为增强绝缘层的热阻系数,ρT1为电缆绝缘层的热阻系数,ρ1,0为电缆绝缘层的电阻率系数,ρ2,0为增强绝缘层的电阻率系数,a1为电缆绝缘层电阻率温度系数,a2为增强绝缘层的电阻率温度系数,γ1为电缆绝缘层的电阻率电场系数,γ2为增强绝缘层的电阻率电场系数,E1(r)为电缆绝缘层半径r处的径向电场强度,E2(r')为增强绝缘层半径r'处的径向电场强度;
步骤二,确定增强绝缘层的厚度;
增强绝缘层半径Rs处的径向电场强度E2(Rs)为电缆绝缘层最大工作电场强度E0的二分之一,表达式如下:
E2(RS)=0.5E0
结合应力锥曲线y处径向电场强度的表达式和上式,计算得Rs,从而计算得到增强绝缘层厚度Δn=Rs-R,R为电缆绝缘层半径;
步骤三,确定应力锥曲线方程;
应力锥曲线上任一点的轴向电场强度Et与该点的径向电场E2存在以下关系:
将上式积分得到令Et为常数,将径向电场E2表达式带入并利用数值求解法得到若干组坐标(x,y),得到应力锥曲线方程。
实施例一
采用额定电压±320kV预制式柔直电缆终端。
一,应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)计算
对于±320kV预制式柔直电缆终端,U=320kV;ρ1,0=ρ2,0=1016Ω.m;a1=0.06℃-1,a2=0.05℃-1;θc=90℃,wc=68W;ρT1=3.5K.m/W,ρT2=3.3K.m/W;rc=26.5mm,R=50.5mm;γ1=2.2,γ2=1.69,将上述数据带入应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)计算公式:
二,增强绝缘层厚度
柔直电缆本体绝缘厚度R=24mm,最大电场E0=18kV/mm,则E(Rs)=9kV/mm。
为留有足够的安全裕度取E(Rs)=7kV/mm代入式上式可得RS=71.5mm,可得到增强绝缘厚度Δn=RS-R=21mm。
三,确定应力锥曲线方程
经计算可得±320kV预制式柔直电缆终端应力锥曲线上若干组坐标(x,y),分别是:(0,50.5),(11.9,51.5),(23.4,52.5),(34.5,53.5),(45.2,54.5),(55.6,55.5),(65.6,56.5),(75.4,57.5),(84.9,58.5),(94.1,59.5),(103.1,60.5),(111.8,61.5),(120.3,62.5),(128.6,63.5),(136.7,64.5),(144.6,65.5),(152.3,66.5),(159.9,67.5),(167.3,68.5),(174.6,69.5),(181.7,70.5),(188.7,71.5)最终得到应力锥曲线形状。
实施例2
采用额定电压±200kV预制式柔直电缆终端。
一,应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)计算
对于±200kV预制式柔直电缆终端,U=200kV;ρ1,0=ρ2,0=1016Ω.m;a1=0.06℃-1,a2=0.05℃-1;θc=90℃,wc=66W;ρT1=3.5K.m/W,ρT2=3.3K.m/W;rc=20.4mm,R=36.4mm;γ1=2.2,γ2=1.69,将上述数据带入应力锥曲线y处径向电场强度E2(y)计算公式:
二,增强绝缘层厚度
柔直电缆本体绝缘厚度R=15mm,最大电场E0=20kV/mm,则E(Rs)=10kV/mm。
为留有足够的安全裕度取E(Rs)=7kV/mm代入式(22)可得RS=46.4mm,可得到增强绝缘厚度Δn=RS-R=10mm。
三,确定应力锥曲线方程
经计算可得±200kV预制式柔直电缆终端应力锥曲线上若干组 坐标(x,y),分别是:(0,36.4),(12.2,37.4),(23.7,38.4),(34.6,39.4),(44.9,40.4),(54.7,41.4),(64,42.4),(72.9,43.4),(81.4,44.4),(89.6,45.4),(97.6,46.4)最终得到应力锥曲线形状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。