专利名称：一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统高压直流输电领域，尤其涉及一种电力系统高压直流输电领域的配合高压直流交联聚乙烯电缆使用的接头，它是一种中高压等级的直流交联聚乙烯电缆预制型接头。
背景技术：
自从1卯4年世界上第1条连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的高压直流输电联络线投入商业运行以来，高压直流输电技术已经得到了极大的发展。但是传统的高压直流输电技术还存在很多缺点换流站的投资大，移相换流器接线复杂，体积庞大，易发生换相失败， 换流电压谐波含量高等。针对传统高压直流输电技术的不足，ABB公司研发了柔性高压直流输电系统。柔性高压直流输电技术是基于电压源换流器(VSC)和绝缘栅双极晶体管(IGBT) 的一种适用于小容量输电的新型高压直流输电技术。自1997年3月，世界上第1条柔性高压直流输电测试系统——Hellsjon-Grangesberg工程成功运行以来，柔性高压直流输电技术引起了各国的广泛关注。相继在澳大利亚，丹麦，美国等国建成了柔性高压直流输电工程，这极大地促进了柔性高压直流输电技术的发展。柔性高压直流输电技术的输电线路采用的是以聚合物为绝缘的塑料电缆。交联聚乙烯(XLPE)以其优越的性能以及在高压交流电缆上的成功运用而成为直流塑料电缆绝缘材料的首选。然而，当交联聚乙烯绝缘材料应用在直流高压下时，会由于材料缺陷，离子离解，电荷注入等原因而在绝缘层内部积聚大量的空间电荷，此空间电荷的存在可能会极大地畸变绝缘层中局部电场，进而导致绝缘的损坏，最终导致电缆系统运行失败。各国学者为研究聚合物中空间电荷的测量，形成机理和抑制措施做了大量的工作，获得了很多有价值的交联聚乙烯材料配方。电缆附件是连接电缆与电缆或电缆与其他电力设备不可或缺的元件。与电缆本体不同的是，电缆附件(包括中间接头和终端)中存在双层绝缘介质，而这个交界面的存在更容易积聚空间电荷。双层介质交界面上的空间电荷量主要由各层绝缘材料的介电常数比值与电导率比值间的差值决定，差值越大，则积聚的空间电荷就大，反之，两者比较接近时，积聚的空间电荷就小甚至消除。在不同温度不同电场强度下，材料的介电常数变化非常小，也就是说两种材料的介电常数比值是基本固定的，但是材料的电导率却随着温度和电场强度的变化而显著变化，有时达几个数量级的变化。ABB公司的电缆接头是在交联聚乙烯与三元乙丙橡胶间加入一层具有非线性特性的应力控制层。此控制层保证在不同温度下两个界面上的介电常数比值与电导率比值一致，从而减小界面的空间电荷。然而，研发这样的非线性应力控制层的难度非常大，而且也使直流塑料电缆接头的结构复杂化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，它具有结构简单，体积小，耗材少的优点，与电缆交界面上积累的空间电荷少。
实现上述目的的技术方案是一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中， 所述的预制型接头所使用的电压等级包含中高压等级，该预制型接头包括高压屏蔽层、设置于高压屏蔽层外的外半导电屏蔽层、夹设于高压屏蔽层和外半导电屏蔽层之间的增强绝缘，所述外半导电屏蔽层与增强绝缘的交界面为应力锥，所述高压屏蔽层端部到所述应力锥根部的距离为内爬距。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的高压屏蔽层端部采用半圆形结构，采用三元乙丙半导电胶料。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的增强绝缘采用三元乙丙橡胶材料。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的内爬距处允许的切向电场强度为0. 6kV/mm，设计裕度为100%。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的应力锥形状采用全弧型结构。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的全弧型结构的应力锥形状符合三次贝塞尔曲线，起始点为应力锥根部，终点为应力锥端部，方向点在弧线上。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的弧线上的方向点为不固定点。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的全弧型结构的应力锥长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的外半导电屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料。上述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其中，所述的中高压电压等级的范围为 IOkV 到 150kV。本发明的有益效果是本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头中的电场分布达到最优，界面具有足够的安全裕度，且重量轻、体积小，结构简单，在电力系统高压直流交联聚乙烯电缆输电领域具有重要的推广价值。
图1是本发明的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头的结构示意图；图2是所采用的三元乙丙橡胶材料在不同温度、不同电场强度下的电导率图；图3是应力锥形状图；图4是交联聚乙烯与三元乙丙橡胶材料在设计电场强度下的界面空间电荷分布图；图5是预制接头与电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图；图6是应力锥曲线上轴向电场强度分布图；图7是应力锥曲线上电场强度模值分布图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前
4提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。请参阅图1至图7，图中示出了本发明的一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，预制型接头所使用的电压等级包含中高压等级，该预制型接头包括高压屏蔽层1、设置于高压屏蔽层1外的外半导电屏蔽层5、夹设于高压屏蔽层1和外半导电屏蔽层5之间的增强绝缘2，外半导电屏蔽层5与增强绝缘2的交界面为应力锥4，高压屏蔽层1端部到应力锥4根部的距离为内爬距3。高压屏蔽层1采用三元乙丙半导电胶料，其电导率为2 X 10_3S/m，高压屏蔽层端部呈半圆形，厚度为5mm，长度设计参考GB 14315-93，需保证高压屏蔽层1两端与电缆主绝缘搭接长度都大于IOmm ；增强绝缘2采用三元乙丙橡胶材料，其玻璃化转变温度约在-43 °C，其在不同温度、不同电场强度下的电导率如图2所示，其厚度根据具体电压等级而定，正常运行时的平均电场强度设计值为3kV/mm，由电压等级和平均电场强度可确定增强绝缘的厚度，可适当放大。内爬距3在保证足够过盈量的前提下，内爬距3处的正常运行时切向电场强度设计值为0. 6kV/mm，由电压等级和切向电场强度可确定内爬距的大小，一般保守起见，设计安全裕度为100%。应力锥形4状采用全弧型结构，全弧型结构的应力锥4形状符合三次贝塞尔曲线， 起始点为应力锥根部，终点为应力锥端部，方向点在弧线上，方向点为不固定点，以满足最优电场分布为基准，应力锥4长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。 本发明中的应力锥4其长度根据式(1)计算
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η式中，￡l、ε 2分别为交联聚乙烯和三元乙丙橡胶材料的介电常数；U为电缆系统的电压等级；I^rpr2分别为电缆主绝缘内半径、双层绝缘交界面处半径和中间接头增强绝缘外半径；P (r)为绝缘层中不同位置点处的空间电荷屯为应力锥4与电缆主绝缘交界面上的允许的切向电场强度值，为0. 6kV/mm。外半导电屏蔽层5采用三元乙丙半导电胶料，其电导率为2X10_3S/m，其厚度为 3mm ο本发明中的中高压电压等级的范围为IOkV到150kV。本发明中的高压屏蔽层1、增强绝缘2、外半导电屏蔽层5根据设计完善的模具在工厂一次注塑成型，从而形成内爬距3与应力锥4。下面将举一个实施例来进行说明。以设计配合电压等级为士30kV，电缆线芯截面积为300mm2，主绝缘厚度为4mm的电缆使用的接头为例。高压屏蔽层1采用电导率为2X10_3S/m的三元乙丙半导电胶料，端部采用半圆形结构，厚度为5mm，长度按照GB 14315-93，并保证高压屏蔽层1与电缆主绝缘搭接长度大于
510mm，可确定为160mm。增强绝缘2采用电导率如图2所示的三元乙丙橡胶材料，其厚度计算值为 30kV/3kV/mm = 10mm，为保守起见，其厚度可放大为12mm。内爬距3计算值为30kV/0. 6kV/mm = 50mm，取100%的安全裕度，则内爬距可确定为 IOOmm0应力锥4形状采用全弧形结构，符合三次贝塞尔曲线，如图3所示。在平面或三维空间中，可由四点确定贝赛尔曲线。曲线起始于Po，走向P1，并从P2的方向来到P3，一般不会经过Pl或P2 (这两点只是在那里提供方向资讯)；PO和Pl之间的间距决定了曲线在转而趋近P3之前，走向P2方向的长度有多长。在电缆接头的模型中，PO对应于应力锥根部位置，Pl在弧线上，P2对应于应力锥头部，P3与PO重合，只要调整Pl点的位置即可知道所确定的弧形曲线的坐标分布。将三次贝塞尔曲线表示为参数形式如式(2)所示B(t) =t e
(2)式中，B(t)为曲线形状，t为参数。应力锥长度根据图4所示的界面空间电荷分布图，代入式(1)，可计算得到应力锥长度为68_。外半导电屏蔽层5采用电导率为2X 10_3S/m的三元乙丙半导电胶料，厚度为3mm。整体成型后，预制接头与电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度分布图如图5所示；应力锥曲线上轴向电场强度分布图如图6所示；应力锥曲线上电场强度模值分布图如图7所示。满足条件的电场分布依据为①高压屏蔽层端部附近预制接头与电缆主绝缘交界面轴向切向电场强度值不超过1. 5kV/mm ；②应力锥与电缆主绝缘交界面切向电场强度不超过0. 6kV/mm，且比较均勻；③应力锥曲线上轴向电场强度值不超过0. 6kV/mm，且比较均勻；④应力锥曲线根部的电场强度模值最大，从根部到端部呈递减趋势，且应力锥根部的电场强度模值不超过3kV/mm。本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型结构具有重量轻、体积小、绝缘层电场分布情况达到最优的特点。
权利要求
1.一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的预制型接头所使用的电压等级包含中高压等级，该预制型接头包括高压屏蔽层、设置于高压屏蔽层外的外半导电屏蔽层、夹设于高压屏蔽层和外半导电屏蔽层之间的增强绝缘，所述外半导电屏蔽层与增强绝缘的交界面为应力锥，所述高压屏蔽层端部到所述应力锥根部的距离为内爬距。
2.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的高压屏蔽层端部采用半圆形结构，采用三元乙丙半导电胶料。
3.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的增强绝缘采用三元乙丙橡胶材料。
4.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的内爬距处允许的切向电场强度为0. 6kV/mm，设计裕度为100%。
5.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的应力锥形状采用全弧型结构。
6.根据权利要求5所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的全弧型结构的应力锥形状符合三次贝塞尔曲线，起始点为应力锥根部，终点为应力锥端部， 方向点在弧线上。
7.根据权利要求6所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的弧线上的方向点为不固定点。
8.根据权利要求5所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的全弧型结构的应力锥长度以实测界面空间电荷、具体结构尺寸及电压等级为依据。
9.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的外半导电屏蔽层采用三元乙丙半导电胶料。
10.根据权利要求1所述的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，其特征在于，所述的中高压电压等级的范围为IOkv到150kV。
全文摘要
本发明公开了一种高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头，它属于电力系统高压直流输电领域，它包括高压屏蔽层、设置于高压屏蔽层外的外半导电屏蔽层、夹设于高压屏蔽层和外半导电屏蔽层之间的增强绝缘，所述外半导电屏蔽层与增强绝缘的交界面为应力锥，所述高压屏蔽层端部到所述应力锥根部的距离为内爬距。本发明中的高压直流交联聚乙烯电缆预制型接头中的电场分布达到最优，界面具有足够的安全裕度，且重量轻、体积小，结构简单等优点，在电力系统高压直流交联聚乙烯电缆输电领域具有重要的推广价值。
文档编号H02G15/068GK102480116SQ20101055477
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者何维国, 周雁, 尹毅, 张宇, 彭嘉康, 杨玉智, 柳松, 江平开, 陈守直 申请人:上海交通大学, 上海华普电缆有限公司, 上海市电力公司, 上海捷锦电力新材料有限公司