一种直流电缆绝缘厚度的计算方法及系统与流程

本发明涉及高端输电装备，并且更具体地，涉及一种直流电缆绝缘厚度的计算方法及系统。

背景技术：

1、新型电力系统建设中，西南大型水电、沙戈荒风光、深远海风电等清洁能源开发外送，面临地质条件复杂、输电通道紧张、架空线路跨距受限等技术难题。±800kv直流电缆系统凭借环境适应性强、无需刚性固定、输电容量大、占地空间小等优势，成为清洁能源远距离外送的核心装备。

2、目前，±800kv直流电缆在世界范围内属于空白，该电压等级直流电缆核心结构参数，尤其是绝缘厚度尚不掌握。电缆绝缘短时击穿特性、长时击穿特性及电压耐受指数，是绝缘结构设计的核心依据，绝缘厚度设计直接决定直流电缆绝缘性能、长期可靠性与使用寿命。现有技术主要通过绝缘压片试样实验室测试获取击穿强度、电压耐受指数等关键参数，但绝缘介质击穿场强随厚度增大呈非线性衰减，压片试样参数与大厚度真型电缆无法等效；同时，压片试样无法还原电缆挤包、交联等关键工艺及整体结构，尤其是直流电场下屏蔽层对绝缘的影响，导致参数直接应用于±800kv直流电缆设计时偏差较大，易出现绝缘性能不足、运行隐患，或过度设计造成散热性能差影响绝缘电场分布。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种直流电缆绝缘厚度的计算方法，包括：

2、针对根据直流电缆试验样品制备要求所制备的试验样品，分别进行短时击穿试验、冲击电压试验以及长期电压试验，并分别获取关键试验参数；

3、根据所述关键试验参数，分别计算出直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度；

4、取直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度两者的最大值，并向上取整，作为直流电缆的绝缘厚度。

5、可选的，试验样品，包括：试验电缆和试验终端；

6、所述试验电缆，至少包括：导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽四层结构，通过三层共挤工艺生产，且生产完成后进行脱气处理；

7、试验电缆设置4.5mm、6mm、9mm三种绝缘标称厚度；

8、所述试验终端，采用橡胶应力锥组件结构。

9、可选的，短时击穿试验，用于测定试验样品绝缘在短时高压作用下的击穿特性，试验规范，包括：

10、试验电压和要求：试验电压的交变电压波纹系数≤3%；

11、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

12、试验回路及试验样品处理：从试验电缆截取15m~20m长试样；根据绝缘厚度选配适配的试验终端应力锥组件，按试验终端型号确定试验电缆两端绝缘屏蔽层的剥切长度，试验电缆剥切后的绝缘层表面需光滑、无破损、无划痕；试验电缆两端通过金具连接，形成完整的试验回路；

13、升压方式：采用逐级升压方式，以5kv/s的速率按40kv增量逐级增压，每级电压保持2min；以试样能耐受2min而不击穿的最高电压为短时击穿强度判定依据；每种规格试验电缆仅开展负极性击穿试验；

14、试验步骤：

15、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，电缆外屏蔽层可靠接地，保证试验安全；

16、对试验电缆试样加热至70℃工作温度，并保持温度稳定；

17、按所述升压方式加压，直至电缆发生击穿，实时记录击穿电压，试验期间同步监测回路温度变化；

18、更换全新试验电缆重复试验，每种规格试验电缆采集5组有效试验数据；

19、试验结果及判定：

20、击穿数据有效性判定标准,包括：击穿位置发生在试验电缆本体，或距离屏蔽断口20cm以外的区域；

21、数据处理：对每种试验电缆的5组击穿电压数据取平均值，记为该型号电缆的最小击穿电压

u

dc，将

u

dc除以对应绝缘厚度，得到该规格电缆的最小击穿场强；

22、对比4.5mm、6mm、9mm三种绝缘厚度电缆的最小击穿场强，取三者最小值，将其95%取整后，作为±800kv直流电缆绝缘设计的短时击穿最小场强

e

dc。

23、可选的，冲击电压试验用于试验模拟雷电以及操作冲击电压工况，并基于直流电压叠加的实际运行场景，测定试验电缆的冲击击穿特性，试验规范，包括：

24、电压波形：冲击电压波形符合gb/t 3048.13-2007的规定，包括：雷电冲击电压与操作冲击电压两种波形；

25、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

26、试验回路及样品处理：从试验电缆截取25m长试样；去除样品端部外护套以及金属护套，每端处理后露出绝缘屏蔽的长度不小于 8m；试验电缆两端通过金具连接形成完整试验回路；

27、升压方式：分为无直流电压叠加、有直流电压叠加两种试验模式，每种试验模式均先开展雷电冲击电压试验，后开展操作冲击电压试验；

28、所述无直流电压的冲击电压试验：以

u

dc为初始冲击电压峰值，连续冲击3次，每次冲击间隔≥2min；若未击穿，按10%

u

dc逐级增加电压，以试验电缆能耐受3次冲击而不击穿的最高电压为冲击击穿强；

29、所述有直流电压的冲击电压试验：对电缆施加20×d的直流预加电压，d为绝缘厚度，并保持1天；再以

u

dc为初始冲击电压峰值，开展无直流电压的冲击电压试验；

30、冲击试验步骤：

31、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，外屏蔽层可靠接地；

32、对试验电缆加热至70℃并保持温度稳定；

33、按所述升压方式加压，直至电缆击穿，记录击穿电压，同步监测回路温度；

34、更换全新试验电缆重复试验；

35、数据处理：

36、对每种试验电缆的5组击穿电压数据取平均值，作为该绝缘厚度下的冲击击穿电压；

37、对比雷电、操作冲击击穿电压，分别确定对应型号试验电缆无直流叠加最小冲击击穿电压

u

i、有直流叠加最小冲击击穿电压

u

t；

38、将

u

i除以对应绝缘厚度，得到最小冲击击穿场强；

39、对比三种绝缘厚度电缆的最小冲击击穿场强，取三者最小值，将其95%取整后，作为±800kv直流电缆绝缘设计的冲击击穿最小场强

e

imp。

40、可选的，长期电压试验用于试验模拟电缆长期运行的电压工况，测定试验电缆绝缘的长时老化特性与电压耐受能力，试验规范，包括：

41、试验电压和要求：试验电压的交变电压波纹系数≤3%；

42、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

43、试验回路及样品处理：截取20m长试样，选配适配终端应力锥组件，剥切屏蔽层并保证绝缘表面完好，通过金具形成完整试验回路；

44、升压方式：采用快速升压方式，以30kv/s的速率升压至设定试验电压；长期耐压试验电压设置为90%

u

dc、85%

u

dc、80%

u

dc三档；每种型号试验电缆开展负极性耐压试验。

45、试验步骤：

46、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，外屏蔽层可靠接地；

47、对试验电缆加热至70℃并保持温度稳定；

48、按快速升压方式加压，直至电缆击穿，记录击穿电压与耐压时间，试验期间同步监测回路温度；

49、更换全新试验电缆重复试验，每种规格试验电缆采集5组有效数据；

50、试验结果及判定：仅试验电缆本体或距离屏蔽断口20cm以外区域的击穿数据为有效；

51、数据处理：对每种试验电缆的5组耐压时间数据取平均值，作为该绝缘厚度下的耐压击穿时间；以试验电压为横轴、击穿时间为纵轴，在双对数坐标轴上进行数据拟合并绘制拟合直线，所述直线的斜率即为该规格电缆的电压耐受指数；对比三种绝缘厚度电缆的电压耐受指数，取三者最小值，作为±800kv直流电缆绝缘设计的电压耐受指数

n。

52、可选的，关键试验参数，包括：短时击穿最小场强

e

dc，冲击击穿最小场强

e

imp以及电压耐受指数

n。

53、可选的，直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度的计算公式如下：

54、

55、其中，为±800kv直流电缆额定电压，为电压系数，为老化系数，为安全系数。

56、可选的，直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度的计算公式，如下：

57、

58、其中，为冲击试验电压，为避雷器残压，m为避雷器安全水平，k为巴德尔系数，分别为冲击耐受电压下的老化系数、温度系数和安全系数，为冲击击穿最小场强。

59、再一方面，本发明还提出了一种直流电缆绝缘厚度的计算系统，包括：

60、初始单元，用于针对根据直流电缆试验样品制备要求所制备的试验样品，分别进行短时击穿试验、冲击电压试验以及长期电压试验，并分别获取关键试验参数；

61、第一计算单元，用于根据所述关键试验参数，分别计算出直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度；

62、第二计算单元，用于取直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度两者的最大值，并向上取整，作为直流电缆的绝缘厚度。

63、可选的，试验样品，包括：试验电缆和试验终端；

64、所述试验电缆，至少包括：导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽四层结构，通过三层共挤工艺生产，且生产完成后进行脱气处理；

65、试验电缆设置4.5mm、6mm、9mm三种绝缘标称厚度；

66、所述试验终端，采用橡胶应力锥组件结构。

67、可选的，短时击穿试验，用于测定试验样品绝缘在短时高压作用下的击穿特性，试验规范，包括：

68、试验电压和要求：试验电压的交变电压波纹系数≤3%；

69、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

70、试验回路及试验样品处理：从试验电缆截取15m~20m长试样；根据绝缘厚度选配适配的试验终端应力锥组件，按试验终端型号确定试验电缆两端绝缘屏蔽层的剥切长度，试验电缆剥切后的绝缘层表面需光滑、无破损、无划痕；试验电缆两端通过金具连接，形成完整的试验回路；

71、升压方式：采用逐级升压方式，以5kv/s的速率按40kv增量逐级增压，每级电压保持2min；以试样能耐受2min而不击穿的最高电压为短时击穿强度判定依据；每种规格试验电缆仅开展负极性击穿试验；

72、试验步骤：

73、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，电缆外屏蔽层可靠接地，保证试验安全；

74、对试验电缆试样加热至70℃工作温度，并保持温度稳定；

75、按所述升压方式加压，直至电缆发生击穿，实时记录击穿电压，试验期间同步监测回路温度变化；

76、更换全新试验电缆重复试验，每种规格试验电缆采集5组有效试验数据；

77、试验结果及判定：

78、击穿数据有效性判定标准,包括：击穿位置发生在试验电缆本体，或距离屏蔽断口20cm以外的区域；

79、数据处理：对每种试验电缆的5组击穿电压数据取平均值，记为该型号电缆的最小击穿电压

u

dc，将

u

dc除以对应绝缘厚度，得到该规格电缆的最小击穿场强；

80、对比4.5mm、6mm、9mm三种绝缘厚度电缆的最小击穿场强，取三者最小值，将其95%取整后，作为±800kv直流电缆绝缘设计的短时击穿最小场强

e

dc。

81、可选的，冲击电压试验用于试验模拟雷电以及操作冲击电压工况，并基于直流电压叠加的实际运行场景，测定试验电缆的冲击击穿特性，试验规范，包括：

82、电压波形：冲击电压波形符合gb/t 3048.13-2007的规定，包括：雷电冲击电压与操作冲击电压两种波形；

83、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

84、试验回路及样品处理：从试验电缆截取25m长试样；去除样品端部外护套以及金属护套，每端处理后露出绝缘屏蔽的长度不小于 8m；试验电缆两端通过金具连接形成完整试验回路；

85、升压方式：分为无直流电压叠加、有直流电压叠加两种试验模式，每种试验模式均先开展雷电冲击电压试验，后开展操作冲击电压试验；

86、所述无直流电压的冲击电压试验：以

u

dc为初始冲击电压峰值，连续冲击3次，每次冲击间隔≥2min；若未击穿，按10%

u

dc逐级增加电压，以试验电缆能耐受3次冲击而不击穿的最高电压为冲击击穿强；

87、所述有直流电压的冲击电压试验：对电缆施加20×d的直流预加电压，d为绝缘厚度，并保持1天；再以

u

dc为初始冲击电压峰值，开展无直流电压的冲击电压试验；

88、冲击试验步骤：

89、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，外屏蔽层可靠接地；

90、对试验电缆加热至70℃并保持温度稳定；

91、按所述升压方式加压，直至电缆击穿，记录击穿电压，同步监测回路温度；

92、更换全新试验电缆重复试验；

93、数据处理：

94、对每种试验电缆的5组击穿电压数据取平均值，作为该绝缘厚度下的冲击击穿电压；

95、对比雷电、操作冲击击穿电压，分别确定对应型号试验电缆无直流叠加最小冲击击穿电压

u

i、有直流叠加最小冲击击穿电压

u

t；

96、将

u

i除以对应绝缘厚度，得到最小冲击击穿场强；

97、对比三种绝缘厚度电缆的最小冲击击穿场强，取三者最小值，将其95%取整后，作为±800kv直流电缆绝缘设计的冲击击穿最小场强

e

imp。

98、可选的，长期电压试验用于试验模拟电缆长期运行的电压工况，测定试验电缆绝缘的长时老化特性与电压耐受能力，试验规范，包括：

99、试验电压和要求：试验电压的交变电压波纹系数≤3%；

100、试验条件：试验环境空气湿度≤60%，试验电缆温度控制为70℃；试验前，试验电缆温度需达到设定温度±5k范围内并稳定1h；

101、试验回路及样品处理：截取20m长试样，选配适配终端应力锥组件，剥切屏蔽层并保证绝缘表面完好，通过金具形成完整试验回路；

102、升压方式：采用快速升压方式，以30kv/s的速率升压至设定试验电压；长期耐压试验电压设置为90%

u

dc、85%

u

dc、80%

u

dc三档；每种型号试验电缆开展负极性耐压试验。

103、试验步骤：

104、将试验电缆线芯与直流高压发生器连接，外屏蔽层可靠接地；

105、对试验电缆加热至70℃并保持温度稳定；

106、按快速升压方式加压，直至电缆击穿，记录击穿电压与耐压时间，试验期间同步监测回路温度；

107、更换全新试验电缆重复试验，每种规格试验电缆采集5组有效数据；

108、试验结果及判定：仅试验电缆本体或距离屏蔽断口20cm以外区域的击穿数据为有效；

109、数据处理：对每种试验电缆的5组耐压时间数据取平均值，作为该绝缘厚度下的耐压击穿时间；以试验电压为横轴、击穿时间为纵轴，在双对数坐标轴上进行数据拟合并绘制拟合直线，所述直线的斜率即为该规格电缆的电压耐受指数；对比三种绝缘厚度电缆的电压耐受指数，取三者最小值，作为±800kv直流电缆绝缘设计的电压耐受指数

n。

110、可选的，关键试验参数，包括：短时击穿最小场强

e

dc，冲击击穿最小场强

e

imp以及电压耐受指数

n。

111、可选的，直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度的计算公式如下：

112、

113、其中，为±800kv直流电缆额定电压，为电压系数，为老化系数，为安全系数。

114、可选的，直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度的计算公式，如下：

115、

116、其中，为冲击试验电压，为避雷器残压，m为避雷器安全水平，k为巴德尔系数，分别为冲击耐受电压下的老化系数、温度系数和安全系数，为冲击击穿最小场强。

117、再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；

118、处理器，用于执行一个或多个程序；

119、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。

120、再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。

121、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

122、本发明提供了本发明提出了一种直流电缆绝缘厚度的计算方法，包括：针对根据直流电缆试验样品制备要求所制备的试验样品，分别进行短时击穿试验、冲击电压试验以及长期电压试验，并分别获取关键试验参数；根据所述关键试验参数，分别计算出直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度；取直流电缆耐受直流电压的绝缘厚度以及直流电缆耐受冲击电压的绝缘厚度两者的最大值，并向上取整，作为直流电缆的绝缘厚度。本发明在试验过程充分考虑了短时击穿电压、长期运行电压、直流叠加冲击/操作电压等多种电压型式，同时结合真型电缆绝缘层的温度、电场梯度分布特性，基于试验数据完成±800kv直流电缆绝缘厚度的科学设计，基于此设计的±800kv直流电缆具有优异的长期运行可靠性。