專利名稱：一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)高壓直流輸電領(lǐng)域，尤其涉及一種電力系統(tǒng)高壓直流輸電領(lǐng)域的配合高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜使用的接頭，它是一種中高壓等級(jí)的直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭。
背景技術(shù)：
自從1卯4年世界上第1條連接哥特蘭島與瑞典大陸之間的高壓直流輸電聯(lián)絡(luò)線投入商業(yè)運(yùn)行以來，高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。但是傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)還存在很多缺點(diǎn)換流站的投資大，移相換流器接線復(fù)雜，體積龐大，易發(fā)生換相失敗， 換流電壓諧波含量高等。針對(duì)傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的不足，ABB公司研發(fā)了柔性高壓直流輸電系統(tǒng)。柔性高壓直流輸電技術(shù)是基于電壓源換流器(VSC)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 的一種適用于小容量輸電的新型高壓直流輸電技術(shù)。自1997年3月，世界上第1條柔性高壓直流輸電測(cè)試系統(tǒng)——Hellsjon-Grangesberg工程成功運(yùn)行以來，柔性高壓直流輸電技術(shù)引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注。相繼在澳大利亞，丹麥，美國(guó)等國(guó)建成了柔性高壓直流輸電工程，這極大地促進(jìn)了柔性高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。柔性高壓直流輸電技術(shù)的輸電線路采用的是以聚合物為絕緣的塑料電纜。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)以其優(yōu)越的性能以及在高壓交流電纜上的成功運(yùn)用而成為直流塑料電纜絕緣材料的首選。然而，當(dāng)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料應(yīng)用在直流高壓下時(shí)，會(huì)由于材料缺陷，離子離解，電荷注入等原因而在絕緣層內(nèi)部積聚大量的空間電荷，此空間電荷的存在可能會(huì)極大地畸變絕緣層中局部電場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣的損壞，最終導(dǎo)致電纜系統(tǒng)運(yùn)行失敗。各國(guó)學(xué)者為研究聚合物中空間電荷的測(cè)量，形成機(jī)理和抑制措施做了大量的工作，獲得了很多有價(jià)值的交聯(lián)聚乙烯材料配方。電纜附件是連接電纜與電纜或電纜與其他電力設(shè)備不可或缺的元件。與電纜本體不同的是，電纜附件(包括中間接頭和終端)中存在雙層絕緣介質(zhì)，而這個(gè)交界面的存在更容易積聚空間電荷。雙層介質(zhì)交界面上的空間電荷量主要由各層絕緣材料的介電常數(shù)比值與電導(dǎo)率比值間的差值決定，差值越大，則積聚的空間電荷就大，反之，兩者比較接近時(shí)，積聚的空間電荷就小甚至消除。在不同溫度不同電場(chǎng)強(qiáng)度下，材料的介電常數(shù)變化非常小，也就是說兩種材料的介電常數(shù)比值是基本固定的，但是材料的電導(dǎo)率卻隨著溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而顯著變化，有時(shí)達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。ABB公司的電纜接頭是在交聯(lián)聚乙烯與三元乙丙橡膠間加入一層具有非線性特性的應(yīng)力控制層。此控制層保證在不同溫度下兩個(gè)界面上的介電常數(shù)比值與電導(dǎo)率比值一致，從而減小界面的空間電荷。然而，研發(fā)這樣的非線性應(yīng)力控制層的難度非常大，而且也使直流塑料電纜接頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，耗材少的優(yōu)點(diǎn)，與電纜交界面上積累的空間電荷少。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中， 所述的預(yù)制型接頭所使用的電壓等級(jí)包含中高壓等級(jí)，該預(yù)制型接頭包括高壓屏蔽層、設(shè)置于高壓屏蔽層外的外半導(dǎo)電屏蔽層、夾設(shè)于高壓屏蔽層和外半導(dǎo)電屏蔽層之間的增強(qiáng)絕緣，所述外半導(dǎo)電屏蔽層與增強(qiáng)絕緣的交界面為應(yīng)力錐，所述高壓屏蔽層端部到所述應(yīng)力錐根部的距離為內(nèi)爬距。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的高壓屏蔽層端部采用半圓形結(jié)構(gòu)，采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的增強(qiáng)絕緣采用三元乙丙橡膠材料。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的內(nèi)爬距處允許的切向電場(chǎng)強(qiáng)度為0. 6kV/mm，設(shè)計(jì)裕度為100%。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的應(yīng)力錐形狀采用全弧型結(jié)構(gòu)。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的全弧型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錐形狀符合三次貝塞爾曲線，起始點(diǎn)為應(yīng)力錐根部，終點(diǎn)為應(yīng)力錐端部，方向點(diǎn)在弧線上。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的弧線上的方向點(diǎn)為不固定點(diǎn)。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的全弧型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錐長(zhǎng)度以實(shí)測(cè)界面空間電荷、具體結(jié)構(gòu)尺寸及電壓等級(jí)為依據(jù)。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的外半導(dǎo)電屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。上述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其中，所述的中高壓電壓等級(jí)的范圍為 IOkV 到 150kV。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明中的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭中的電場(chǎng)分布達(dá)到最優(yōu)，界面具有足夠的安全裕度，且重量輕、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在電力系統(tǒng)高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜輸電領(lǐng)域具有重要的推廣價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是所采用的三元乙丙橡膠材料在不同溫度、不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的電導(dǎo)率圖；圖3是應(yīng)力錐形狀圖；圖4是交聯(lián)聚乙烯與三元乙丙橡膠材料在設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度下的界面空間電荷分布圖；圖5是預(yù)制接頭與電纜主絕緣交界面軸向切向電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；圖6是應(yīng)力錐曲線上軸向電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；圖7是應(yīng)力錐曲線上電場(chǎng)強(qiáng)度模值分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前
4提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。請(qǐng)參閱圖1至圖7，圖中示出了本發(fā)明的一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，預(yù)制型接頭所使用的電壓等級(jí)包含中高壓等級(jí)，該預(yù)制型接頭包括高壓屏蔽層1、設(shè)置于高壓屏蔽層1外的外半導(dǎo)電屏蔽層5、夾設(shè)于高壓屏蔽層1和外半導(dǎo)電屏蔽層5之間的增強(qiáng)絕緣2，外半導(dǎo)電屏蔽層5與增強(qiáng)絕緣2的交界面為應(yīng)力錐4，高壓屏蔽層1端部到應(yīng)力錐4根部的距離為內(nèi)爬距3。高壓屏蔽層1采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，其電導(dǎo)率為2 X 10_3S/m，高壓屏蔽層端部呈半圓形，厚度為5mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參考GB 14315-93，需保證高壓屏蔽層1兩端與電纜主絕緣搭接長(zhǎng)度都大于IOmm ；增強(qiáng)絕緣2采用三元乙丙橡膠材料，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約在-43 °C，其在不同溫度、不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的電導(dǎo)率如圖2所示，其厚度根據(jù)具體電壓等級(jí)而定，正常運(yùn)行時(shí)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為3kV/mm，由電壓等級(jí)和平均電場(chǎng)強(qiáng)度可確定增強(qiáng)絕緣的厚度，可適當(dāng)放大。內(nèi)爬距3在保證足夠過盈量的前提下，內(nèi)爬距3處的正常運(yùn)行時(shí)切向電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0. 6kV/mm，由電壓等級(jí)和切向電場(chǎng)強(qiáng)度可確定內(nèi)爬距的大小，一般保守起見，設(shè)計(jì)安全裕度為100%。應(yīng)力錐形4狀采用全弧型結(jié)構(gòu)，全弧型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錐4形狀符合三次貝塞爾曲線， 起始點(diǎn)為應(yīng)力錐根部，終點(diǎn)為應(yīng)力錐端部，方向點(diǎn)在弧線上，方向點(diǎn)為不固定點(diǎn)，以滿足最優(yōu)電場(chǎng)分布為基準(zhǔn)，應(yīng)力錐4長(zhǎng)度以實(shí)測(cè)界面空間電荷、具體結(jié)構(gòu)尺寸及電壓等級(jí)為依據(jù)。 本發(fā)明中的應(yīng)力錐4其長(zhǎng)度根據(jù)式(1)計(jì)算
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JJjy11 廣廠，Qi^Lk=-——-'-—+—} (-1 ^-rdr)df⑴
η式中，￡l、ε 2分別為交聯(lián)聚乙烯和三元乙丙橡膠材料的介電常數(shù)；U為電纜系統(tǒng)的電壓等級(jí)；I^rpr2分別為電纜主絕緣內(nèi)半徑、雙層絕緣交界面處半徑和中間接頭增強(qiáng)絕緣外半徑；P (r)為絕緣層中不同位置點(diǎn)處的空間電荷屯為應(yīng)力錐4與電纜主絕緣交界面上的允許的切向電場(chǎng)強(qiáng)度值，為0. 6kV/mm。外半導(dǎo)電屏蔽層5采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，其電導(dǎo)率為2X10_3S/m，其厚度為 3mm ο本發(fā)明中的中高壓電壓等級(jí)的范圍為IOkV到150kV。本發(fā)明中的高壓屏蔽層1、增強(qiáng)絕緣2、外半導(dǎo)電屏蔽層5根據(jù)設(shè)計(jì)完善的模具在工廠一次注塑成型，從而形成內(nèi)爬距3與應(yīng)力錐4。下面將舉一個(gè)實(shí)施例來進(jìn)行說明。以設(shè)計(jì)配合電壓等級(jí)為士30kV，電纜線芯截面積為300mm2，主絕緣厚度為4mm的電纜使用的接頭為例。高壓屏蔽層1采用電導(dǎo)率為2X10_3S/m的三元乙丙半導(dǎo)電膠料，端部采用半圓形結(jié)構(gòu)，厚度為5mm，長(zhǎng)度按照GB 14315-93，并保證高壓屏蔽層1與電纜主絕緣搭接長(zhǎng)度大于
510mm，可確定為160mm。增強(qiáng)絕緣2采用電導(dǎo)率如圖2所示的三元乙丙橡膠材料，其厚度計(jì)算值為 30kV/3kV/mm = 10mm，為保守起見，其厚度可放大為12mm。內(nèi)爬距3計(jì)算值為30kV/0. 6kV/mm = 50mm，取100%的安全裕度，則內(nèi)爬距可確定為 IOOmm0應(yīng)力錐4形狀采用全弧形結(jié)構(gòu)，符合三次貝塞爾曲線，如圖3所示。在平面或三維空間中，可由四點(diǎn)確定貝賽爾曲線。曲線起始于Po，走向P1，并從P2的方向來到P3，一般不會(huì)經(jīng)過Pl或P2 (這兩點(diǎn)只是在那里提供方向資訊)；PO和Pl之間的間距決定了曲線在轉(zhuǎn)而趨近P3之前，走向P2方向的長(zhǎng)度有多長(zhǎng)。在電纜接頭的模型中，PO對(duì)應(yīng)于應(yīng)力錐根部位置，Pl在弧線上，P2對(duì)應(yīng)于應(yīng)力錐頭部，P3與PO重合，只要調(diào)整Pl點(diǎn)的位置即可知道所確定的弧形曲線的坐標(biāo)分布。將三次貝塞爾曲線表示為參數(shù)形式如式(2)所示B(t) =t e
(2)式中，B(t)為曲線形狀，t為參數(shù)。應(yīng)力錐長(zhǎng)度根據(jù)圖4所示的界面空間電荷分布圖，代入式(1)，可計(jì)算得到應(yīng)力錐長(zhǎng)度為68_。外半導(dǎo)電屏蔽層5采用電導(dǎo)率為2X 10_3S/m的三元乙丙半導(dǎo)電膠料，厚度為3mm。整體成型后，預(yù)制接頭與電纜主絕緣交界面軸向切向電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖如圖5所示；應(yīng)力錐曲線上軸向電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖如圖6所示；應(yīng)力錐曲線上電場(chǎng)強(qiáng)度模值分布圖如圖7所示。滿足條件的電場(chǎng)分布依據(jù)為①高壓屏蔽層端部附近預(yù)制接頭與電纜主絕緣交界面軸向切向電場(chǎng)強(qiáng)度值不超過1. 5kV/mm ；②應(yīng)力錐與電纜主絕緣交界面切向電場(chǎng)強(qiáng)度不超過0. 6kV/mm，且比較均勻；③應(yīng)力錐曲線上軸向電場(chǎng)強(qiáng)度值不超過0. 6kV/mm，且比較均勻；④應(yīng)力錐曲線根部的電場(chǎng)強(qiáng)度模值最大，從根部到端部呈遞減趨勢(shì)，且應(yīng)力錐根部的電場(chǎng)強(qiáng)度模值不超過3kV/mm。本發(fā)明中的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型結(jié)構(gòu)具有重量輕、體積小、絕緣層電場(chǎng)分布情況達(dá)到最優(yōu)的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的預(yù)制型接頭所使用的電壓等級(jí)包含中高壓等級(jí)，該預(yù)制型接頭包括高壓屏蔽層、設(shè)置于高壓屏蔽層外的外半導(dǎo)電屏蔽層、夾設(shè)于高壓屏蔽層和外半導(dǎo)電屏蔽層之間的增強(qiáng)絕緣，所述外半導(dǎo)電屏蔽層與增強(qiáng)絕緣的交界面為應(yīng)力錐，所述高壓屏蔽層端部到所述應(yīng)力錐根部的距離為內(nèi)爬距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的高壓屏蔽層端部采用半圓形結(jié)構(gòu)，采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的增強(qiáng)絕緣采用三元乙丙橡膠材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的內(nèi)爬距處允許的切向電場(chǎng)強(qiáng)度為0. 6kV/mm，設(shè)計(jì)裕度為100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的應(yīng)力錐形狀采用全弧型結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的全弧型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錐形狀符合三次貝塞爾曲線，起始點(diǎn)為應(yīng)力錐根部，終點(diǎn)為應(yīng)力錐端部， 方向點(diǎn)在弧線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的弧線上的方向點(diǎn)為不固定點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的全弧型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力錐長(zhǎng)度以實(shí)測(cè)界面空間電荷、具體結(jié)構(gòu)尺寸及電壓等級(jí)為依據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的外半導(dǎo)電屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的中高壓電壓等級(jí)的范圍為IOkv到150kV。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，它屬于電力系統(tǒng)高壓直流輸電領(lǐng)域，它包括高壓屏蔽層、設(shè)置于高壓屏蔽層外的外半導(dǎo)電屏蔽層、夾設(shè)于高壓屏蔽層和外半導(dǎo)電屏蔽層之間的增強(qiáng)絕緣，所述外半導(dǎo)電屏蔽層與增強(qiáng)絕緣的交界面為應(yīng)力錐，所述高壓屏蔽層端部到所述應(yīng)力錐根部的距離為內(nèi)爬距。本發(fā)明中的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭中的電場(chǎng)分布達(dá)到最優(yōu)，界面具有足夠的安全裕度，且重量輕、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜輸電領(lǐng)域具有重要的推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)H02G15/068GK102480116SQ20101055477
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者何維國(guó), 周雁, 尹毅, 張宇, 彭嘉康, 楊玉智, 柳松, 江平開, 陳守直 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海華普電纜有限公司, 上海市電力公司, 上海捷錦電力新材料有限公司