专利名称：高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法
技术领域：
本发明涉及电缆绝缘厚度设计方法，具体涉及高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法。
背景技术：
高压交流电缆的绝缘厚度设计方法包括1)最大场强法电缆绝缘层中，最大场强出现在线芯表面，若采用绝缘材料的击穿强度大于最大场强，利用最大场强公式可计算出绝缘厚度，计算公式为τη γ {nR
C rC式中，E ^—理论上是时间趋于无穷大时的击穿强度值，对油浸纸绝缘，可取局部放电起始电压；对挤出绝缘，通常用理论外推值。m-安全裕度，通常取1.2 1.6。U——试验电压。长期工频试验电压通常取额定工作电压Utl的2. 5 3倍，雷电冲击试验电压为7 10倍的最大相电压。R、r。、Δ—分别为绝缘外径、导体外径和绝缘厚度。电缆绝缘厚度依据长期工频试验电压及雷电冲击试验电压来计算，然后取厚者。2)平均场强法绝缘层材料的击穿强度，受线芯半径的影响。线芯半径越大，材料的击穿强度越低。按照最大场强公式，线芯半径越大，电缆承受的最大场强越小，引起厚度减薄。但材料击穿强度的降低又将引起绝缘加厚。统一这一矛盾的方法就是采用平均场强公式来进行绝缘厚度的计算。特别对于塑料、橡皮电缆，绝缘材料的形状参数较小，习惯上采用平均场强法进行绝缘厚度设计。工频长期工作电压下A = ^ ^k2R3雷电冲击电压下X = ^1KKK式中，U。m——最大工作相电压；BIL——基本绝缘水平；Gl, G’ L——分别为绝缘材料在工频、冲击电压下的击穿强度；k1/2/3>k'1/2/3——击穿强度的温度、老化、安全系数。温度系数通过室温下与90°C时的击穿强度比值获得。老化系数由长期工作电压下的寿命与短时耐压试验持续时间获得。 安全系数一般取1.1。
电缆绝缘厚度依据长期工频试验电压及雷电冲击试验电压来计算，然后取厚者。目前尚无公认可应用的高压直流交联聚乙烯电缆的绝缘厚度设计方法。在交流输、配电系统中，交联聚乙烯电缆在中低压领域已几乎完全替代油浸纸绝缘电缆，而它在高压/超高压线路中的应用也日益广泛。在国内，交联聚乙烯绝缘交流电力电缆发展十分迅速。目前，35kV级以下除特种电缆外，已基本实现国产化；110kV、220kV电压等级已能批量生产，并获得广泛应用；500kV电缆的研发、试制及生产也在几个大的生产厂家先后开始进行。不少厂家都配备了生产高压/超高压交联聚乙烯电缆所需的悬链线或立塔生产线，具有相当的技术实力。近年来，直流输电在全球电力系统中获得大力发展，国际上直流电缆线路的投运数量呈现不断增长的趋势，最高运行电压已达到500kV。国内已建成并投运特高电压等级直流架空输电线路，尚没有直流电缆线路的运行经验。但在一些长距离电能传输、过江、跨海等应用场合，已有直流电缆线路的实际需求被提上议事日程。目前，国际上已有几家大型材料供应商可大量提供中压及高压交联聚乙烯直流电缆用聚乙烯绝缘料及屏蔽料，需要尽快开发研制出高压交联聚乙烯直流电缆产品。从生产设备以及工艺要求上说，交联聚乙烯绝缘直流电缆与交流电缆没有本质区别。因此，通过进口或者自行开发、生产原材料，国内完全具备生产IlOkV以及更高电压等级直流交联聚乙烯电缆的条件。关键问题在于，缺乏产品生产所需的相应电缆结构尺寸数据，以及进行直流电缆绝缘设计的理论方法。交联聚乙烯直流电缆在工作时承受的电压类型及幅度与交流电缆完全不同，长期的理论和实践经验证明，交流电缆设计时只需考虑长期工频运行电压、操作冲击电压和雷电冲击电压的作用，按照工频和雷电冲击电压进行绝缘厚度设计；而直流电缆在运行时可能承受的电压包括直流运行电压、短时交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压、极性反转直流电压、各种暂态内过电压。交联聚乙烯电缆在直流和交流电压下运行时绝缘的特性也显著不同，主要表现在1)电场分布不同。当电缆的绝缘层承受工频交流电压时，它的电场强度是按介电常数反比分配的。 而当绝缘材料承受直流电压时，它的电场强度按照绝缘电阻率正比分配。绝缘材料的介电常数，在一般工作温度下，可以认为是与温度无关的常数，因此，在交流电压作用下，电缆绝缘层中的电场分布几乎不受温度分布的影响。在直流电压作用下，情况大大不同，绝缘电阻率一般随温度呈指数式变化，温度分布的改变，将使电场分布相应改变，这就使得直流电缆绝缘层中的电场分布比交流电缆要复杂得多。2)击穿强度不同。电缆绝缘的直流击穿强度较高，它随电压作用时间增加而下降的趋势不像在交流工频电压下那样显著。长期工频作用下，绝缘击穿强度随电压作用时间增长而下降，这主要是在绝缘材料内部发生了局部放电所致。而在直流电压作用下，局部放电的问题相对没有那么严重。因此，交联聚乙烯绝缘直流电缆的结构尺寸和交流电缆完全不同，不能将交流电缆的结构尺寸照搬用于直流电缆。并且，交流电缆的绝缘设计方法也不适用于直流电缆。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法，按照本发明所提出的绝缘厚度设计方法所设计的高压交联聚乙烯直流电缆产品，其交联聚乙烯绝缘可以承受直流电力传输线路的长期运行电压，直流上叠加的工频交流电压、系统中电压、电流换向产生的极性反转电压，以及开关动作等产生的操作冲击电压和雷电冲击大气过电压的作用，满足对电缆绝缘的电性能要求，保证电缆的长期稳定运行，实现电能的可靠传输。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法，包括如下步骤步骤1 确定设计电压的形式，在进行高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计时，设计的电压形式为直流电压ud。、极性反转电压Ufz和直流电压上叠加暂态过电压Upu ；步骤2:计算设计电压的幅值，直流电压Ud。取值为待设计高压交联聚乙烯直流电缆的长期额定运行电压U0,即Udc = U0,极性反转电压Ufz取值为1. 45U0,即Ufz = 1. 45U。，而直流电压上叠加暂态过电压Upu取值为(1. 1K+1.9)UQ，即Upu= (1. 1K+1.9)Uq，K为巴德尔系数；其中巴德尔系数K的测试方法为在保证导体温度及绝缘温差不低于设计值，即导体温度不低于电缆长期运行的允许工作温度，同时绝缘在内屏蔽、外屏蔽处的温度差值不低于电缆输送额定负载时的温差，对高压交联聚乙烯直流模型电缆施加标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压进行击穿试验，随后在标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压上叠加正负直流预加电压继续对高压交联聚乙烯直流模型电缆进行击穿试验，以此分别获得无直流电压叠加时的冲击击穿电压和有直流电压叠加时的冲击击穿电压，高压交联聚乙烯直流电缆的巴德尔系数K用式⑴计算，K=(Vi-Vr)ZiVdc (1)其中，Vi——无直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为VVr——有直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为VVdc——正负直流预加电压，单位为V取所得各计算值中的最大值作为巴德尔系数K ；步骤3 确定与步骤1的设计电压形式相对应的设计场强的形式，相对应的设计场强为直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Efz和雷电冲击设计场强Epu ；步骤4 测试并计算步骤3所设计的直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Efz和雷电冲击设计场强Epu的幅值，测试并计算直流设计场强Ed。，用式(2)计算
式中，Ebd——高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘在高温下的直流击穿场强，kV/mm,K1——安全因子，取值为1.2，K2——由CIGRE型式试验要求的1. 85U。、8天与等值30min承受电压获得，即^=^/24x8/0.5，η为高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘的电压寿命指数，K3——型式试验电压与额定直流电压之比，取值为1.85，高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘在高温下的直流击穿强度Ebd利用高压交联聚乙烯直流模型电缆进行直流电压下的击穿试验获取，试验时应使高压交联聚乙烯直流模型电缆导体温度及绝缘温差不低于设计值，即导体温度不低于电缆长期运行的允许工作温度，同时绝缘在内屏蔽、外屏蔽处的温度差值不低于电缆输送额定负载时的温差，测试高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘的电压寿命指数η的方法如下对高压交联聚乙烯直流模型电缆，首先获得其短时击穿电压(V1)及击穿时间(、)，取电压的一半(义/2)施加到同样的高压交联聚乙烯直流模型电缆上，获得击穿时间(t2)，从而可得
电压寿命指数" = 1Og2^ ；
1I测试并计算极性反转设计场强Efz，具体方法如下对至少10根高压交联聚乙烯直流模型电缆，每隔10分钟进行一次历时2秒的极性反转，获得高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘的击穿电压；用式(3)VAXt = C (3)式中，V——击穿电压，V，A——老化因子，t——反转次数，C——常数，对试验数据进行拟合，可确定公式中的常数A和C，之后，根据拟合公式(3)推算出反转1000次，即t = 1000时的电压，换算成对应的击穿场强Ε·，引入安全因子1. 2，获得极性反转设计场强Efz = E1000/12 ；测试并计算雷电冲击设计场强Epu，具体方法如下对至少20根高压交联聚乙烯直流模型电缆，在保证导体温度及绝缘温差不低于设计值的情况下，分别施加正负极性的标准雷电冲击电压，获得交联聚乙烯绝缘的正负极性雷电冲击击穿场强，取两者中的较低值Emin，并引入安全系数1.2，确定交联聚乙烯绝缘的雷电冲击设计场强为Epu = Emin/1. 2 ；步骤5 计算并确定高压交联聚乙烯直流电缆绝缘的设计厚度，首先，根据步骤2中所计算的设计电压幅值以及步骤4中测试并计算的设计场强幅值，计算步骤1中各设计电压形式对应所需的绝缘厚度，用式(4)、(5)、(6)计算，ddc = Udc/Edc (4)dfz = Ufz/Efz (5)dpu = UpuZEpu (6)然后，从计算所得的dd。、dfz、dpu中选择最大值，作为高压交联聚乙烯直流电缆绝缘的设计厚度，即电缆绝缘的设计厚度为d = max(ddc, dfz，dpu)。按照本发明所提出的绝缘厚度设计方法所设计的高压交联聚乙烯直流电缆产品， 其交联聚乙烯绝缘可以承受直流电力传输线路的长期运行电压，直流上叠加的工频交流电压、系统中电压、电流换向产生的极性反转电压，以及开关动作等产生的操作冲击电压和雷电冲击大气过电压的作用，满足对电缆绝缘的电性能要求，保证电缆的长期稳定运行，实现电能的可靠传输。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作更详细的说明。利用本发明所提出的绝缘厚度设计方法对IlOkV单芯交联聚乙烯直流电缆进行绝缘厚度设计，包括如下步骤步骤1 确定设计电压的形式，在进行高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计时，设计的电压形式为直流电压Ud。、极性反转电压Ufz和直流电压上叠加暂态过电压Upu ；步骤2 计算设计电压的幅值，直流电压Ud。取值为IlOkV单芯交联聚乙烯直流电缆的长期额定运行电压Utl，为IlOkV,即Udc = U0= IlOkV,极性反转电压Ufz取值为1. 45U。， 即Ufz= 1. 45U0 = 160kV，而直流电压上叠加暂态过电压Upu取值为(1. lK+1.9)UQ，g卩Upu = (1. 1K+1. 9) U0, K为巴德尔系数，通过如下测试方法测试K值为0. 8，可计算出Upu = 310kV ；其中巴德尔系数K的测试方法为在保证导体温度及绝缘温差不低于设计值，即导体温度不低于电缆长期运行的允许工作温度，同时绝缘在内屏蔽、外屏蔽处的温度差值不低于电缆输送额定负载时的温差，对高压交联聚乙烯直流模型电缆施加标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压进行击穿试验，随后在标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压上叠加正负直流预加电压继续对高压交联聚乙烯直流模型电缆进行击穿试验，以此分别获得无直流电压叠加时的冲击击穿电压和有直流电压叠加时的冲击击穿电压，高压交联聚乙烯直流电缆的巴德尔系数K用式⑴计算K=(Vi-Vr)ZiVdc (1)其中，Vi——无直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为V，Vr——有直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为V，Vdc——正负直流预加电压，单位为V，取所得各计算值中的最大值作为巴德尔系数K ；步骤3 确定与步骤1的设计电压形式相对应的设计场强的形式，相对应的设计场强为直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Efz和雷电冲击设计场强Epu ；步骤4 测试并计算步骤3所设计的直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Edz和雷电冲击设计场强Epu的幅值，测试并计算直流设计场强Ed。，用式(2)计算^dc=(2)
A1-A2-A3式中，Ebd——高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘在高温下的直流击穿场强，kV/mm,K1——安全因子，取值为1.2，K2——用公式足2=农4><8/0.5计算，η为高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘的电压寿命指数，K3——型式试验电压与额定直流电压之比，取1. 85，高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘在高温下的直流击穿强度Ebd利用高压交联聚乙烯直流模型电缆进行直流电压下的击穿试验获取，试验时应使高压交联聚乙烯直流模型电缆导体温度及绝缘温差不低于设计值，即导体温度不低于电缆长期运行的允许工作温度，同时绝缘在内屏蔽、外屏蔽处的温度差值不低于电缆输送额定负载时的温差，测试高压交联聚乙烯直流电缆交联聚乙烯绝缘的电压寿命指数η的方法如下对高压交联聚乙烯直流模型电缆，首先获得其短时击穿电压(V1)及击穿时间(、)，取电压的一半(义/2)施加到同样的高压交联聚乙烯直流模型电缆上，获得击穿时间(t2)，从而可得寿命指数
权利要求
1. 一种高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法，包括如下步骤 步骤1 确定设计电压的形式，在进行高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计时，设计的电压形式为直流电压ud。、极性反转电压Ufz和直流电压上叠加暂态过电压Upu ；步骤2 计算设计电压的幅值，直流电压Udc取值为待设计高压交联聚乙烯直流电缆的长期额定运行电压U0,即Udc = U0,极性反转电压Ufz取值为1. 45U0,即Ufz = 1. 45U0,而直流电压上叠加暂态过电压Upu取值为(1. lK+1.9)UQ，g卩Upu= (1. lk+1.9)UQ，K为巴德尔系数;其中巴德尔系数K的测试方法为在保证导体温度及绝缘温差不低于设计值，即导体温度不低于电缆长期运行的允许工作温度，同时绝缘在内屏蔽、外屏蔽处的温度差值不低于电缆输送额定负载时的温差，对高压交联聚乙烯直流模型电缆施加标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压进行击穿试验，随后在标准操作冲击电压和标准雷电冲击电压上叠加正负直流预加电压继续对高压交联聚乙烯直流模型电缆进行击穿试验，以此分别获得无直流电压叠加时的冲击击穿电压和有直流电压叠加时的冲击击穿电压，高压交联聚乙烯直流电缆的巴德尔系数K用式(1)计算， K = (Vi-Vr)/Vdc (1)其中，Vi——无直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为V Vr—有直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为V Vdc—正负直流预加电压，单位为V 取所得各计算值中的最大值作为巴德尔系数K ；步骤3 确定与步骤1的设计电压形式相对应的设计场强的形式，相对应的设计场强为直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Efz和雷电冲击设计场强Epu ；步骤4 测试并计算步骤3所设计的直流设计场强Ed。、极性反转设计场强Efz和雷电冲击设计场强Epu的幅值，测试并计算直流设计场强Ed。，用式(2)计算
全文摘要
一种高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法，包括如下步骤确定设计电压的形式、计算设计电压的幅值、确定与设计电压形式相对应的设计场强的形式、测试并计算设计场强的幅值，计算并确定高压交联聚乙烯直流电缆绝缘的设计厚度；按照本发明所提出的绝缘厚度设计方法所设计的高压交联聚乙烯直流电缆产品，其交联聚乙烯绝缘可以承受直流电力传输线路的长期运行电压，直流上叠加的工频交流电压、系统中电压、电流换向产生的极性反转电压，以及开关动作等产生的操作冲击电压和雷电冲击大气过电压的作用，满足对电缆绝缘的电性能要求，保证电缆的长期稳定运行，实现电能的可靠传输。
文档编号H01B19/00GK102290155SQ20111022136
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月3日 优先权日2011年8月3日
发明者刘 英, 吴丽芳, 曹晓珑, 朱华英, 赵文明, 钟力生 申请人:无锡江南电缆有限公司, 西安交通大学