高压交联聚乙烯直流电缆的绝缘厚度设计方法

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。

主权项

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U_dc、极性反转电压U_fz和直流电压上叠加暂态过电压U_pu；步骤2：计算设计电压的幅值，直流电压U_dc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U_dc＝U₀，极性反转电压U_fz取值为1.45U₀，即U_fz＝1.45U₀，而直流电压上叠加暂态过电压U_pu取值为(1.1K+1.9)U₀，即U_pu＝(1.1k+1.9)U₀，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＝(V_i-V_r)/V_dc    (1)其中，V_i——无直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为VV_r——有直流电压叠加时的冲击击穿电压，单位为VV_dc——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E_dc、极性反转设计场强E_fz和雷电冲击设计场强E_pu；步骤4：测试并计算步骤3所设计的直流设计场强E_dc、极性反转设计场强E_fz和雷电冲击设计场强E_pu的幅值，测试并计算直流设计场强E_dc，用式(2)计算：$E_{\mathrm{dc}}=\frac{E_{\mathrm{bd}}}{K_1·K_2·K_3}---\left(2\right)$式中，E_bd——高压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1.85U₀、8天与等值30min承受电压获得，即n为高压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，高压直流电缆交联聚乙烯绝缘在高温下的直流击穿强度E_bd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，测试高压直流电缆交联聚乙烯绝缘的电压寿命指数n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(t₁)，取电压的一半(V₁/2)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)，从而可得寿命指数测试并计算极性反转设计场强E_fz，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，获得高压直流电缆交联聚乙烯绝缘的击穿电压；用式(3)V^A×t＝C    (3)式中，V——试验电压，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E₁₀₀₀，引入安全因子1.2，获得极性反转设计场强E_fz＝E₁₀₀₀/1.2；测试并计算雷电冲击设计场强E_pu，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E_min，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E_pu＝E_min/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，d_dc＝U_dc/E_dc    (4)d_fz＝U_fz/E_fz    (5)d_pu＝U_pu/E_pu    (6)然后，从计算所得的d_dc、d_fz、d_pu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(d_dc，d_fz，d_pu)。