本发明属于高压电力电缆技术领域，尤其是一种调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值的方法。
背景技术：
传统的圆柱形高压电力电缆通常由导体、绝缘层和接地金属屏蔽层构成。由于电场强度在导体与绝缘层的接触面上达到最大，其幅值随着半径的增大而递减，但是绝缘材料的击穿电场强度为一恒定值，这就导致绝缘材料不能得到充分利用。因此，如何在绝缘材料用量不变的前提下，提高绝缘材料利用率及高压电力电缆的耐压水平是目前迫切需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值的方法，解决绝缘材料利用率及高压电力电缆的耐压水平问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值的方法，包括以下步骤：
步骤1、在圆柱形高压电力电缆的绝缘层内设置内层金属套管，该内层金属套管的法向投影圆的圆心与电缆导体部分的圆心重合；
步骤2、计算导体与内层金属套管间电场强度极值、计算内层金属套管与接地金属屏蔽层间电场强度极值、电场强度极值比例和内层金属套管的长度；
步骤3、根据内层金属套管的长度与电场强度极值比例的关系，通过调节内层金属套管的长度，达到调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值比例的目的。
进一步，在步骤2中，所述导体与内层金属套管间电场强度极值E1max的计算公式为：
所述内层金属套管与接地金属屏蔽层间电场强度极值E2max的计算公式为：
所述电场强度极值比例x表示为：
所述内层金属套管的长度L为：
上式中，a为导体半径、b为接地金属屏蔽层半径、c为内层金属套管半径、l为电缆长度、U1max为导体与内层金属套管间电压极值、U2max为内层金属套管与接地金属屏蔽层间电压极值。
本发明的优点和积极效果是：
本发明在电力电缆绝缘层内添加一层内层金属套管，其法向投影圆的圆心与电缆导体部分的圆心重合，通过内层金属套管长度的计算方法来调节内层金属套管长度，进而控制内层金属套管两侧绝缘层内的电场强度极值的比例，提高绝缘材料利用率，可以在绝缘材料用量不变的前提下，显著提高电力电缆的耐压水平。可广泛用于3kV及以上电压等级的圆柱形高压电力电缆。
附图说明
图1是在电力电缆绝缘层内添加一层内层金属套管的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值的方法，包括以下步骤：
步骤1、在圆柱形高压电力电缆的绝缘层内设置内层金属套管，其法向投影圆的圆心与电缆导体部分的圆心重合。
如图1所示，本步骤是在现有圆柱形的高压电力电缆的绝缘层内设置内层金属套管，形成由内至外的导体3、绝缘层2、内层金属套管4、绝缘层2和接地金属屏蔽层1。
步骤2、计算导体与内层金属套管间电场强度极值、计算内层金属套管与接地金属屏蔽层间电场强度极值、电场强度极值比例和内层金属套管的长度。
在本步骤中，圆柱形高压电力电缆的参数包括：导体半径a、接地金属屏蔽层半径b、电缆长度l、绝缘层击穿电场强度EM、导体单位长度电荷τ、绝缘层介电常数ε、接地金属屏蔽层内表面电荷面密度σb。内置金属套管的参数包括：内层金属套管半径c、长度L、导体与内层金属套管间电压U1、内层金属套管与接地金属屏蔽层间电压U2和内层金属套管内表面电荷面密度σc。
计算原理如下：
(1)未设有内层金属套管时，计算电缆导体最大工作电压：
导体在半径为r处的电场强度为
其中，为单位方向矢量，其方向为由导体圆心指向无穷远处。
在导体边缘处获得电场强度极值：
电缆导体的电压：
为充分利用绝缘材料，使Emax＝EM，则导体最大工作电压为：
(2)设有内层金属套管后，计算电缆内电压分布：
由公式(1)可知，未设有内层金属套管前，电场强度极值出现在导体与绝缘层的接触面处，其幅值随着半径的增大而递减，但绝缘材料的击穿电场强度为一恒定值，绝缘材料未得到充分利用。通过调节内层金属套管的长度，可以控制内层金属套管两侧绝缘层内的电场强度极值的比例，具体计算算法如下：
导体与内层金属套管间电压极值U1max：
内层金属套管与接地金属屏蔽层间电压极值U2max：
(3)计算内层金属套管长度L：
联立式(1)、(6)，可得导体与内层金属套管间电场强度E1：
导体与内层金属套管间电场强度极值E1max：
同理可得内层金属套管与接地金属屏蔽层间电场强度E2：
内层金属套管与接地金属屏蔽层间电场强度极值E2max：
由于两层金属套管内表面上的总电荷相同，即：
2πcLσc＝2πblσb (15)
令联立式(10)、(12)、(13)、(14)、(15)，可得内层金属套管的长度L为：
步骤3、根据内层金属套管的长度与电场强度极值比例x成反比关系，通过调节L的长度，达到调节高压电力电缆绝缘层内电场强度极值比例的目的。
下面以铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆YJV-35kV-1×50为例，进行说明。该电力电缆的主要参数为：电力电缆导体半径a＝4mm；电力电缆接地金属屏蔽层半径b＝39mm；电力电缆的长度l＝150m。
为了充分利用绝缘材料，在绝缘层的中部设置套管，该套管半径c＝21.5mm。为使内层金属套管两侧绝缘材料中的最大电场强度相等，即x＝1，则由式(16)可得：
联立式(6)、(8)、(10)、(12)，可得：
其中，由式(4)可知：
综上，在电力电缆绝缘层内添加一层长为806.25m，半径为21.5mm的内层金属套管，可以使电力电缆的耐压水平由原来的35kV提升为75kV。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。