320kVXLPE高压直流电缆及终端仿真分析和优化设计

摘要

柔性直流输电是智能电网的重要组成部分，与传统的输电方式相比，柔性直流输电在孤岛送电、海底电缆、远距离送电、交直流并网、新能源并网等方面得到了广泛的应用。高压直流电缆系统作为柔性直流输电的一部分也具有十分重要的研究价值。
　　为促进高压直流电缆国产化进程，推进高压直流电缆输电的发展，本文从理论分析和仿真优化的角度，以实验测试为基础，对320kV交联聚乙烯直流电缆及其终端附件结构进行了设计和分析。理论分析方面，本文对320kV高压直流电缆本体各层结构的尺寸参数和设计要求进行了理论分析，并重点分析了交联聚乙烯绝缘层厚度的设计，对绝缘层的稳态设计场强和脉冲设计场强进行了计算，依据国产纳米交联聚乙烯设计出绝缘层的尺寸;同时，本文对终端附件的结构尺寸进行了优化设计，从理论角度分析了应力锥、伞裙等结构的参数设计要求。实验测试方面，使用三电极法研究了国产纳米交联聚乙烯和硅橡胶的电导率特性，通过对数据的拟合得出了两者电导率之间的关系;使用电声脉冲法研究了国产纳米交联聚乙烯在不同场强和温度下材料内部空间电荷的分布情况，实验结果表明国产材料满足标准要求。依据设计结构，使用有限元仿真软件计算出320kV交联聚乙烯电缆本体稳态运行下和绝缘内部“场强反转”下的电场分布，并对冲击电压作用下电缆本体内部的电场分布进行了仿真分析;终端仿真分析方面，通过对应力锥、增强绝缘、绝缘屏蔽层搭接长度的优化设计，使得终端附件内部的界面切向场强满足设计要求。
　　论文从理论分析、实验测试和仿真优化三个方面对320kV交联聚乙烯直流电缆及其终端附件进行了分析，成功设计出320kV直流电缆本体的结构参数，并设计出与之配合的终端附件结构。论文的研究成果可以为我国高压直流电缆的的设计提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

第2章 高压XLPE直流电缆及终端的研究内容及研究难点

2．1 高压直流电缆发展前景及应用概述

2．2 高压直流电缆及终端的关键问题

2．2．1 绝缘材料内部的空间电荷问题

2．2．2 绝缘材料的电导率问题

2．3 研究内容

第3章 320kV高压直流XLPE电缆及终端结构的理论分析及优化设计

3．1 320kV高压直流XLPE陆缆的结构设计

3．1．1 线芯选择及设计

3．1．2 半导电屏蔽层的材料及厚度

3．1．3 交联聚乙烯绝缘层的厚度计算

3．1．4 阻水层的机构和厚度

3．1．5 金属护套层的材料及尺寸

3．1．6 外护层的材料及厚度

3．2 XLPE绝缘层的电场和温度场分析

3．2．1 XLPE绝缘层中电场分布的理论分析

3．2．2 XLPE的电导率模型

3．2．3 XLPE绝缘层中温度场的分布

3．3 电缆终端附件的绝缘材料及比较

3．3．1 终端附件绝缘材料的类型及其性能

3．3．2 终端附件的类型及选择

3．4 320kV_XLPE电缆终端附件结构与尺寸设计

3．4．1 不同介质界面空间电荷理论分析

3．4．2 320kV_XLPE直流终端结构设计与优化

3．5 本章小结

第4章 320kV_XLPE直流电缆及终端的仿真计算及优化

4．1 COMSOL Multiphysics仿真软件的介绍

4．2 仿真计算模型的参数

4．2．1 320kV_XLPE直流陆地电缆结构尺寸与仿真模型

4．2．2 320kV_XLPE直流陆地电缆终端结构尺寸与仿真模型

4．3 320kV_XLPE直流电缆电场与温度场的仿真计算

4．3．1 稳态运行状态下电缆内部的电场与温度场分布

4．3．2 暂态运行下下电缆内部的电场和温度场分布

4．4 320kV_XLPE直流电缆终端附件的优化仿真

4．4．1 应力锥角度和轴向长度的优化

4．4．2 直流电缆终端增强绝缘的仿真优化

4．4．3 不同载流量作用下终端内部电场与温度场的仿真

4．4．4 暂态作用下终端内部电场分析

4．5 本章小结

第5章 320kV_XLPE直流电缆及终端绝缘材料的实验研究

5．1 XLPE绝缘材料比较及材料研制

5．2 基于电导电流的绝缘材料电导率测量

5．3 XLPE绝缘材料空间电荷的测量

5．4 XLPE绝缘材料击穿场强的测量

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢