一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄方法及系统

本发明涉及输电线缆，特别是涉及一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄方法及系统。

背景技术：

1、高压直流电缆是输电系统的重要设备，它的可靠运行对保证电力系统的安全稳定至关重要。挤出模塑式接头技术是制造高电压大容量长距离低损耗耐老化高压海底电缆的核心关键技术。挤出模塑式接头外径与海缆外径几乎相同，用于连接电缆。绝缘厚度作为电缆及其挤出模塑式接头结构设计中的关键参数，随着电压等级的增加而逐渐增加。合理优化降低高压电缆绝缘厚度，可以有效减少绝缘内部缺陷提升绝缘可靠性。现有电缆绝缘层厚度是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件来确定的，一般按工频电压、冲击电压两者均满足要求来计算，用击穿试验的结果作为绝缘厚度设计的参考指标。但是在直流电压下绝缘内部积聚空间电荷，积聚的空间电荷会引起局部电场畸变，加速绝缘老化与破坏过程。因此，空间电荷、电场和温度场的分布是设计绝缘厚度时要考虑的重要因素，亟需考虑一种结合空间电荷和电场分布的高压直流电缆及其挤出模塑式接头绝缘减薄方法，为高压直流电缆绝缘设计及运行提供理论指导。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄方法及系统，通过优化降低高压电缆绝缘厚度，提升绝缘可靠性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄方法，所述方法包括：

4、获取参数数据；所述参数数据包括电缆参数和材料参数；所述电缆参数包括：线芯导体半径、绝缘层厚度、内屏蔽层厚度和外屏蔽层厚度；所述材料参数包括：导热系数、热阻系数、比热容和密度；

5、根据所述参数数据构建全尺寸高压直流电缆几何模型；

6、基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立仿真计算模型；所述仿真计算模型包括：温度场计算模型和电场-空间电荷计算模型；

7、对按照预设形式的设定范围内的任一绝缘厚度，采用设定状态性质的电压数据，基于所述仿真计算模型计算电场数据；所述电场数据包括：电场值和电场畸变率；所述设定状态性质包括：稳态和暂态；所述电压数据包括：电压极性和电压幅值；所述预设形式为等差数列形式；

8、对按照预设形式的设定范围内的任一绝缘厚度，基于所述电场数据中的电场值采用数值比较的方法，确定电场最大值，并根据所述电场最大值和电场畸变率确定比较电场数据；

9、根据所有的绝缘厚度和对应的比较电场数据确定基准图；

10、根据所述基准图分别进行电场最大值和电场畸变率的比较选取，确定选取范围；

11、根据所述基准图和所述选取范围，确定对应的绝缘厚度范围，并将所述绝缘厚度范围确定为绝缘设计参数范围，以进行高压直流电缆绝缘及挤出模塑式接头的制备，实现绝缘减薄。

12、可选地，基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立仿真计算模型，具体包括：

13、基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立温度场计算模型，进行温度仿真；

14、基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立电场-空间电荷计算模型，进行空间电荷和电场仿真计算。

15、可选地，所述温度场计算模型的表达式，具体包括：

16、

17、其中，ρm为材料的密度；cp为比热容；t为时间；λ为导热系数；qc为热源密度；t为温度；为微分算子。

18、可选地，基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立电场-空间电荷计算模型，进行空间电荷和电场仿真计算，具体包括：

19、对所述尺寸高压直流电缆几何模型进行网格划分，得到有限元网格；

20、确定所述有限元网格的求解方程；所述求解方程包括温度场计算方程、载流子生成方程、泊松方程、连续性方程、传导方程、收敛条件和边界条件；所述边界条件包括：绝缘层电压边界、绝缘层温度边界和绝缘层电荷边界；

21、基于所述温度场计算模型和电场-空间电荷计算模型，采用有限元方法根据所述边界条件和所述收敛条件对所述温度场计算方程、载流子生成方程、泊松方程、连续性方程和传导方程进行迭代微分求解，得到求解结果；所述求解结果包括：载流子浓度、电场分布和温度场分布。

22、可选地，基于所述温度场计算模型和电场-空间电荷计算模型，采用有限元方法根据所述边界条件和所述收敛条件对所述温度场计算方程、载流子生成方程、泊松方程、连续性方程和传导方程进行迭代微分求解，得到求解结果，具体包括：

23、获取预设仿真时长和当前迭代步长下的电荷分布和温度场分布；根据当前迭代步长下的电荷数据，结合电压边界条件运用泊松方程计算当前迭代步长下的电场分布；

24、判断当前迭代步长是否满足所述预设仿真时长；

25、若是，则将当前迭代步长下的求解结果进行输出；

26、若否，则根据当前迭代步长下温度场分布、电场分布和电荷分布，基于所述温度场计算模型和电场-空间电荷计算模型，采用有限元方法根据所述边界条件和收敛条件对下一迭代步长下的温度场计算方程、载流子生成方程、泊松方程、连续性方程和传导方程进行微分求解，得到下一迭代步长下的求解结果。

27、可选地，所述电场畸变率的计算公式为：

28、

29、

30、其中，emax为径向电场的最大值；emean为径向平均电场值；u为直流电压的电压幅值；d为绝缘厚度；ce为电场畸变率。

31、一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄系统，所述系统包括：

32、获取模块，用于获取参数数据；所述参数数据包括电缆参数和材料参数；所述电缆参数包括：线芯导体半径、绝缘层厚度、内屏蔽层厚度和外屏蔽层厚度；所述材料参数包括：导热系数、热阻系数、比热容和密度；

33、模型构建模块，用于根据所述参数数据构建全尺寸高压直流电缆几何模型；

34、仿真计算模块，用于基于所述全尺寸高压直流电缆几何模型建立仿真计算模型；所述仿真计算模型包括：温度场计算模型和电场-空间电荷计算模型；

35、计算模块，用于对按照预设形式的设定范围内的任一绝缘厚度，采用设定状态性质的电压数据，基于所述仿真计算模型计算电场数据；所述电场数据包括：电场值和电场畸变率；所述设定状态性质包括：稳态和暂态；所述电压数据包括：电压极性和电压幅值；所述预设形式为等差数列形式；

36、处理模块，用于对按照预设形式的设定范围内的任一绝缘厚度，基于所述电场数据中的电场值采用数值比较的方法，确定电场最大值，并根据所述电场最大值和电场畸变率确定比较电场数据；

37、基准图确定模块，用于根据所有的绝缘厚度和对应的比较电场数据确定基准图；

38、选取模块，用于根据所述基准图分别进行电场最大值和电场畸变率的比较选取，确定选取范围；

39、确定模块，用于根据所述基准图和所述选取范围，确定对应的绝缘厚度范围，并将所述绝缘厚度范围确定为绝缘设计参数范围，以进行高压直流电缆绝缘及挤出模塑式接头的制备，实现绝缘减薄。

40、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

41、本发明提供了一种高压直流电缆及挤出模塑式接头绝缘减薄方法及系统，通过获取参数数据；根据参数数据构建全尺寸高压直流电缆几何模型；基于全尺寸高压直流电缆几何模型建立仿真计算模型；对按照预设形式的设定范围内的任一绝缘厚度，采用设定状态性质的电压数据，基于仿真计算模型计算电场数据，然后确定比较电场数据；根据所有的绝缘厚度和对应的比较电场数据确定基准图，进而根据基准图进行比较选取，确定选取范围，从而确定绝缘厚度范围，并将绝缘厚度范围确定为绝缘设计参数范围，以进行高压直流电缆绝缘及挤出模塑式接头的制备，实现绝缘减薄；本发明通过优化降低高压电缆绝缘厚度，提升绝缘可靠性。