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    欢乐斗地主有挂吗:《High Voltage》文章导读 | HVDC电缆终端关键技术综述

    欢乐斗地主 www.233k3.com 高电压技术2019-07-23 08:30:06

    关注高电压技术,关注学科发展

    内容整理自《High Voltage》2018年第3卷第2期,叶翰宇,Tobias Fechner,雷宪章,罗艺等撰写的《Review on HVDC cable terminations.(点击阅读原文

    随着发电能源中可再生能源所占比例的逐步提高以及智能电网的发展,高压直流输电技术在电能传输领域起到越来越重要的作用。高压直流电缆在海底电力输送和风电接入领域具有不可替代性。作为电缆系统的重要组成部分,电缆终端的设计直接影响整个系统的运行可靠性。

    基于以上研究背景:

    • 本文对电缆终端中电场分布进行了理论分析;

    • 介绍了电缆终端的设计方法,并针对温度以及非线性电导率对电场分布的影响进行了讨论。

    • 详细介绍和总结了各种场分级的方法;

    • 针对电缆终端的重要组成部件应力锥,提出了优化设计方法;

    • 此外,本文还花章节讨论了电缆安装错误导致的终端故障以及电缆系统的试验方法。



    一、电缆终端的电场分布

    与高压交流电缆终端电场呈电容性分布不同,高压直流电缆终端中电场分布是由上电初始阶段的电容性分布逐渐发展成电阻性分布。电阻性分度的决定性因素为各绝缘材料的电导率。而电导率随温度及电场强度变化,这就导致了直流电缆中所谓的电场翻转现象,即电缆绝缘层中的高电场区域向外层转移?。


    图1 电缆终端中的电场分布

    (左:电容性电场分布?;右:电阻性电场分布)?

    图2 电缆终端中的电场分布

    (左:低温导体;右:高温导体)




    二、电缆终端设计

    电缆终端是将电缆连接到外设的装置,如传输线(室外终端)和气体绝缘开关设备(气体绝缘开关设备(GIS)等,不同的外部设备此对应不同种类的电缆终端,本节介绍了不同种类电缆终端的基本设计。


    1室外终端


    ?

    图3 聚合物电缆的室外终端典型设计


    它由以下组件组成:中空绝缘体、带有导流板的应力锥、绝缘化合物、电晕屏蔽、接线柱。

    除了电压水平、导体截面以及瓷质和复合绝缘子之间的选择问题外,爬电距离也是户外终端最重要的参数之一。要确定终端的适当爬电距离,必须知道终端安装地点的污染严重程度,然后确定标准统一的具体爬电距离(RUSCD)。


    2GIS终端




    图4?GIS电缆终端的截面


    GIS电缆终端外绝缘体由环氧树脂制成。该电缆与其应力锥和环氧树脂之间的空间绝缘体充满了一些介电液或气体,如油和SF6。

    这种终端的主要优点是它可以很容易地适各种电缆结构和尺寸,因此特别适用于现场电缆实际尺寸的应用。缺点是使用流体绝缘,要求非常小心地密封终端以避免任何可能导致电击穿的泄漏。


    3干式插入型终端



    图 5?干式插入式电缆终端

    (左:用于GIS; 右:用于变压器)


    该插件系统由两部分组成:

    • 插座,也称为“母头”,由环氧树脂组成,该部件可直接交付给GIS制造商,可以在工厂或现场连接到GIS;

    • 插头,也称为“公头”,由预先模制的硅胶应力锥组成。

    环氧树脂与硅树脂之间的界面应力锥通常是这种设计的薄弱环节。 为确保界面处的介电强度,接口处要保证有一定的接触压力。 这可以通过弹簧系统来实现。


    4端接采用非线性场分级材料



    图6 运用分级材料的挤塑式高压直流电缆终端示意图


    为了使电缆和终端的应力锥之间沿界面的切向电场均匀化,ABB建议使用连续层的非线性场分级材料将带电电极接地。?




    三、场分级方法


    为了将电缆连接到外部半导体的终端,必须移除电缆层。 如果没有场分级技术,半导体层的边缘产生很强的电场,导致部分放电,如图7所示。因此,本节列出并讨论了各种场分级方法。


    图8 没有采用任何场分级方法的电缆端等电位线的示意图


    场分级技术可分为两大类:电容场分级和电阻场分级。


    1电容场分级

    电容场分级技术包括:几何电极分级,介电常数分级冷凝器分级。


    图 8?具有不同电容场分级方法的电缆端等电位线的示意图


    2电阻场分级

    电阻场分级技术包括:电阻分级非线性场分级。


    图 9 采用电阻分级法的电缆终端等电位线示意图




    四、应力锥设计


    应力锥作为电缆终端最重要的部分,其优化设计可以借助多物理场有限元分析软件,对电场和热场进行耦合仿真而实现。通过调整几个重要的尺寸参数来达到优化电场分布的效果。


    图10 电缆终端应力锥优化设计中的重要尺寸参数


    在本节中,详细讨论了导流板的结构设计和关于界面行为的绝缘材料的选择。详细内容请见原文。

    特别地,电缆终端应力锥安装前后由于扩张变形导致的尺寸变化,也需要在设计过程中充分考虑。通过建立硅橡胶材料的超弹体模型可以相对准确地对这一变化过程进行仿真计算。


    图11?有膨胀和无膨胀情况下的变形例证

    (左:应力锥;右:偏转器)




    五、电缆终端的安装与测试


    1安装

    除了精心设计电缆终端,高品质安装过程也是确??煽啃缘闹匾糠?。安装过程中出现故障,即使是微小的灰尘或污垢或小电缆弯曲,也可以扭曲电场,导致电介质击穿。根据南方电网收集的数据,85.5%的故障是由电缆附件引起的,如图12所示。这些故障中共有49.33%是由于安装不当造成的。?


    图 12?110-220 kV电缆系统不同部件引起的故障统计分布


    虽然有几种类型的终端,但每种类型的安装的一般步骤都是类似的。主要步骤可以总结如图13所示。


    图 13 电缆终端安装步骤


    2测试

    电缆终端通常与电缆和接头一起作为系统进行测试,如图14。

    图 14 闭环测试配置示例



    总结


    • 与HVAC电缆终端不同,HVDC电场分布是由绝缘材料的导电性决定的。绝缘材料的电导性很大程度上取决于温度。在这种情况下,应评估温度分布,并在设计过程中应考虑不同电流负载下的电场分布。

    • 本文简要介绍了电缆终端场分级的几种方法。根据不同的应用场合,电缆终端的设计可能会有所不同。

    • 然而,应力锥是所有类型的终端最基本的部分。应力锥设计的两个重要方面是:(1)偏转板的形状;(2)应力锥的绝缘材料,与电缆绝缘材料的表面电荷积累相匹配。

    • 安装电缆终端也是非常重要的一个可靠的操作。安装过程中所犯的错误很可能导致弱电点击穿。因此,电缆终端必须由合格的人员安装,并应提供明确、准确和明确的安装说明。




    ? 团队简介

    叶翰宇2009年硕士毕业于德国伍珀塔尔大学电子专业,2009年底至2015年初继续在伍珀塔尔大学攻读博士学位,其博士论文和研究方向是非线性场控制材料在高压器件上的应用。2017年至今就职于全球能源互联网欧洲研究院,担任项目经理和研发工程师。研究领域涉及高压直流电缆系统。

    Tobias Fechner 2016年于柏林工业大学取得硕士学位,2017年至今就职于全球能源互联网欧洲研究院,研发工程师。主要研究领域为高压直流电力系统的绝缘诊断。

    雷宪章 全球能源互联网欧洲研究院院长,国家电网公司欧洲办事处负责人。德国柏林工业大学博士毕业,美国耶鲁大学博士后。曾就职于德国西门子集团。2010年以来任职于国家电网公司。国家“千人计划”专家。

    罗艺2015年硕士毕业于德国亚琛工业大学电气工程专业。2010至2011曾就职于南瑞继保公司,担任服务工程师。2016年至今就职于全球能源互联网欧洲研究院,任职研发工程师。研究内容主要涉及高压绝缘、电缆附件、有限元仿真和硅橡胶等内容。



    - 【 END 】 -

    编辑:严文豆

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