一种同轴型集成回流线的高压直流电缆

1.本发明属于直流输电电缆技术领域，特别涉及一种同轴型集成回流线的高压直流电缆。


背景技术：

2.随着全球能源转型和清洁发展，我国对能源清洁低碳转型和高质量发展提出了更高的要求。实现能源清洁低碳转型的重要着力点是可再生能源的利用，以备受期待的风力发电为例，考虑到气象条件和环境因素，发电站多位于海上、荒漠等偏远地区，发电站与耗能地区的连接则需要长距离、大容量的高压输电线路。
3.高压直流电缆相比于高压交流电缆具有传输容量大、线路损耗低、调节方便灵活等优点高压直流电缆是直流输电技术中的关键装备之一，在实现远距离、大容量、低损耗、高效率的电力传输，以及风力、水力、太阳能发电等可再生新能源并网方面具有巨大的优势。
4.随着直流输电技术的大量应用，高压直流电缆的使用量与日俱增。与高压交流系统中三相电缆互为回流的组成不同，高压直流电缆的极线电流需要通过专门的中性点返回系统进行回流。早期直流电缆系统的接地极返回方式以接地极引线、接地极和大地/海水作为回流导体，极线中的电流全部通过大地/海水。杂散电流对电缆沿线埋地金属体会产生电解腐蚀效应，对线路周围的生物会带来影响，也有报道称引起地磁偏移，对航海、罗盘等产生干扰。目前，由于杂散电流的腐蚀效应以及对生态环境的影响，利用电极和海水或大地构成单极直流电缆系统回流通路的做法在许多国家已经被禁止。
5.金属回流线的返回方式则是为直流电缆线路设置专门的回流线，传统是和极线平行的绝缘导线，极线中的电流通过此绝缘导线进行回流。敷设时，要求回流线与极线电缆尽量靠近，从而减小电缆外部的磁场效应。这种方式增加了采购和敷设成本，系统造价显著增加，但减小了对外部环境的影响，符合环保及安全要求，在近年来获得广泛应用。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，具有环境友好、屏蔽性能佳、经济性高的特点，同时具有优异的阻水性、防腐性和抗拉性能。
7.本发明的技术方案如下：
8.本发明提供一种同轴型集成回流线的高压直流电缆包括主流层ⅰ、回流层ⅱ和金属护套，所述回流层ⅱ位于金属护套内侧，设置于金属护套和主流层ⅰ之间；所述主流层ⅰ和回流层ⅱ采用同轴式结构集成于电缆之中；所述主流层ⅰ包括主导体、在主导体外侧由内向外依次包覆的内半导电层、主绝缘和外半导电层；所述回流层ⅱ包括回流导体、在回流导体外侧由内向外依次包覆的回流内半导电层、回流绝缘和回流外半导电层。
9.进一步的，所述金属护套外侧由内向外依次包覆有内护套、内衬层、铠装和外护
套。
10.进一步的，所述主导体由多根铜线或铝线绞合紧压而成，铜线或铝线为圆形或预制线形，主导体的截面积根据电缆的输送电流确定。
11.进一步的，所述回流导体由多根铜线或铝线同向绕包在外半导电层的外表面而成，铜线或铝线为圆形或预制线形。
12.进一步的，所述主绝缘和回流绝缘均采用交联聚乙烯材料挤包而成，主绝缘的厚度根据电缆的额定电压水平确定。
13.进一步的，所述内半导电层和回流内半导电层均包括内层的半导电带和外层的挤出半导电层，挤出半导电层基材为聚乙烯，厚度为1mm。
14.进一步的，所述外半导电层和回流外半导电层为挤出半导电层，挤出半导电层基材基材为聚乙烯，厚度为1mm。
15.进一步的，内半导电层和回流内半导电层中的挤出半导电层、主绝缘和回流结缘、外半导电层和回流外半导电层均采用三层共挤工艺制得。
16.进一步的，所述金属护套采用金属铅挤包而成，厚度为2.4～3.2mm；所述内护套采用聚乙烯挤包而成，厚度为4～5mm；所述内衬层和外护套均采用涂敷沥青的聚丙烯绳同向紧密绕包而成；所述铠装由圆形或者扁形镀锌钢丝同向绕包在内衬层的外表面而成。
17.进一步的，所述金属护套内侧绕包缓冲阻水带；构成内衬层和外护套的聚丙烯绳之间填充沥青；构成铠装的钢丝之间填充沥青。
18.相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
19.(1)本发明提供了同轴型集成回流线的高压直流电缆，该同轴型集成回流线的高压直流电缆设计适用于额定电压等级为250kv及以下的海底电缆系统；将金属回流线集成于电缆本体结构中，将常规需由1条高压电缆，1条回流电缆完成的功能合并由1条电缆实现，同时明确了回流层在电缆中的具体位置，设置在金属护套内侧，明确了回流层包括回流导体、在回流导体外侧由内向外依次包覆的回流内半导电层、回流绝缘和回流外半导电层，不仅简化了系统构成，而且可节约系统购置及敷设成本，减小线路走廊所占用的土地面积；
20.(2)本发明提供的同轴型集成回流线的高压直流电缆同时适用于单极和双极的直流电缆系统，在双极运行条件下，运用本发明的点看对于电缆额定载流量的影响很小，而且，在某极发生故障时，方便切换成单极运行模式；
21.(3)本发明同轴型集成回流线的高压直流电缆的主导体中流通的主电流产生的磁场与回流导体中流通的回流电流产生的磁场相互抵消，电缆外部的磁场减小为零，有效减小了对外部的电磁干扰，避免了对周围金属体或地磁偏移的影响；
22.(4)本发明中确定了回流导体的材料及截面积设计方法，回流导体由圆形或预制形状的多根铜线或铝线构成，其截面积为主导体截面积的90％以上，按照截面积向上取整确定铜线或铝线根数，在电缆运行的温度场中，能够将主导体中的电流合理准确地通过回流导体部分进行返回，从而实现将金属回流线集成于一根电缆本体之中；
23.(5)本发明中限定了回流绝缘的材料为交联聚乙烯材料挤包而成，回流绝缘的厚度为5mm，对于零电位的回流导体，回流绝缘层可以保证电缆一定的机械强度。
附图说明
24.图1为本发明同轴型集成回流线的高压直流电缆的截面图；
25.附图中标号表示为：
26.1、主导体；2、内半导电层；3、主绝缘；4、外半导电层；5、回流导体；6、回流内半导电层；7、回流绝缘；8、回流外半导电层；9、金属护套；10、内护套；11、内衬层；12、铠装；13、外护套。
具体实施方式
27.下面结合附图和较佳实施例对本发明做进一步的说明，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
28.实施例1
29.在本实施例中，预设电缆用于额定电压为200kv、额定传输容量为200mw的单极直流输电系统，因此，设计同轴型集成回流线的高压直流电缆中各部分的尺寸；
30.本实施例中同轴型集成回流线的高压直流电缆包括主流层ⅰ、回流层ⅱ和金属护套，所述回流层ⅱ位于金属护套内侧，设置于金属护套和主流层ⅰ之间；所述主流层ⅰ和回流层ⅱ采用同轴式结构集成于电缆之中；所述主流层ⅰ包括主导体、在主导体外侧由内向外依次包覆的内半导电层、主绝缘和外半导电层；所述回流层ⅱ包括回流导体、在回流导体外侧由内向外依次包覆的回流内半导电层、回流绝缘和回流外半导电层；所述金属护套外侧由内向外依次包覆有内护套、内衬层、铠装和外护套。
31.所述主导体1由多根铜线或铝线绞合紧压而成，铜线或铝线为圆形或预制线形，主导体1的截面积根据电缆的输送电流确定，在本实施例中主导体1的截面积为1000mm2，在主导体1中可加入阻水粉、阻水胶或者阻水带等，满足线芯阻水要求。
32.所述回流导体5由多根铜线或铝线同向绕包在外半导电层4的外表面而成，铜线或铝线为圆形或预制线形，其中，铜线或铝线的根数按照回流导体5截面积为主导体1的90％向上取整确定，在本实施例中，回流导体5由直径5mm的镀锡铜丝46根同向绞合构成。
33.所述主绝缘3和回流绝缘7均采用交联聚乙烯材料挤包而成，主绝缘3的厚度根据电缆的额定电压水平确定，如200kv电缆为16～18mm，回流绝缘7的厚度为5mm。
34.所述内半导电层2和回流内半导电层6均包括处于内层的半导电带和外层的挤出半导电层，内层由0.2mm厚的半导电带以50％搭盖率重叠绕包而成，挤出半导电层基材为聚乙烯，厚度为1mm；所述外半导电层4和回流外半导电层8为挤出半导电层，挤出半导电层基材基材为聚乙烯，厚度为1mm。
35.内半导电层2和回流内半导电层6中的挤出半导电层、主绝缘3和回流结缘7、外半导电层4和回流外半导电层8均采用三层共挤工艺制得，三层共挤工艺在生产过程中，利用一次走线完成电缆绝缘挤包，使电缆的生产工艺更简单，性能更稳定。所述金属护套9采用金属铅挤包而成，厚度为2.4～3.2mm，在本实施例中金属护套9标称厚度为2.7mm，有效防止水分等物质进入到内层绝缘部分，金属护套9内侧绕包缓冲阻水带；
36.所述内护套10采用聚乙烯挤包而成，厚度为4～5mm，在本实施例中，内护套10标称厚度为4.5mm；
37.所述内衬层11和外护套13均采用涂敷沥青且单线直径为2mm的聚丙烯绳同向紧密
绕包而成，聚丙烯绳之间填充沥青；
38.所述铠装12由圆形或者扁形镀锌钢丝同向绕包在内衬层11的外表面而成，钢丝之间填充沥青，本实施例中，由单线直径为6mm的圆形镀锌钢丝绕包而成。
39.实施例2
40.将根据上述实施例提供的同轴型集成回流线的高压直流电缆在土壤中直埋敷设，埋深1m，土壤温度20℃、热导率1.0w/(m
·
k)为统一的电缆敷设环境条件，计算在线芯允许运行温度为70℃条件下，本实施例中电缆与传统结构电缆的额定载流量，并进行比较分析；
41.单极运行时，传统结构电缆中的线芯电流通过间隔为1m的外置回流线回流，本实施例提供的电缆通过集成回流导体5回流；
42.双极运行时，两根极线电缆之间的间距为1m，正常情况下，正负极电流大小相等完全抵消，回流导体5中电流为零；
43.根据iec-60287标准计算本实施例中电缆与传统结构电缆在不同运行条件下的额定载流量如下表1所示：
[0044][0045]
上述结果显示：本实施例中额定电压为200kv的同轴型集成回流线的直流电缆相比于对应的传统结构电缆，在单极运行条件下，其额定载流量降低了270.9a，偏差为19.55％，即在单极系统中应用时，该电缆的额定载流量可达到同电压同截面传统结构交联聚乙烯电缆的约80％，但可节约一根回流电缆的购置及敷设成本，整体上仍具有明显的经济优势；在双极运行条件下，其额定载流量仅降低了16a，偏差为1.15％，即该电缆的额定载流量可达到同电压同截面传统结构交联聚乙烯电缆的98％以上，对传输能力的影响基本可以忽略。
[0046]
这表明，单极运行条件下，相比传统结构电缆的载流量，同轴型集成回流线直流电缆的额定载流量将有一定程度的降低，但节约了单独购置及敷设一根回流线的成本，减小了线路走廊的占用面积，总体仍具有显著优势；在双极运行条件下，本实施例中设计的电缆对于电缆额定载流量的影响很小，而且，在某极发生故障时，很容易切换成单极运行模式。
[0047]
综上，本发明提供的同轴型集成回流线的高压直流电缆适用于深海电力传输、海上风力发电、石油平台供电、海岛供电等应用场合。
[0048]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：包括主流层ⅰ、回流层ⅱ和金属护套，所述回流层ⅱ位于金属护套内侧，设置于金属护套和主流层ⅰ之间；所述主流层ⅰ和回流层ⅱ采用同轴式结构集成于电缆之中；所述主流层ⅰ包括主导体、在主导体外侧由内向外依次包覆的内半导电层、主绝缘和外半导电层；所述回流层ⅱ包括回流导体、在回流导体外侧由内向外依次包覆的回流内半导电层、回流绝缘和回流外半导电层。2.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述金属护套外侧由内向外依次包覆有内护套、内衬层、铠装和外护套。3.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述主导体由多根铜线或铝线绞合紧压而成，铜线或铝线为圆形或预制线形，主导体的截面积根据电缆的输送电流确定。4.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述回流导体由多根铜线或铝线同向绕包在外半导电层的外表面而成，铜线或铝线为圆形或预制线形。5.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述主绝缘和回流绝缘均采用交联聚乙烯材料挤包而成，主绝缘的厚度根据电缆的额定电压水平确定。6.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述内半导电层和回流内半导电层均包括内层的半导电带和外层的挤出半导电层，挤出半导电层基材为聚乙烯，厚度为1mm。7.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述外半导电层和回流外半导电层为挤出半导电层，挤出半导电层基材为聚乙烯，厚度为1mm。8.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：内半导电层和回流内半导电层中的挤出半导电层、主绝缘和回流结缘、外半导电层和回流外半导电层均采用三层共挤工艺制得。9.根据权利要求1所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述金属护套采用金属铅挤包而成，厚度为2.4～3.2mm；所述内护套采用聚乙烯挤包而成，厚度为4～5mm；所述内衬层和外护套均采用涂敷沥青的聚丙烯绳同向紧密绕包而成；所述铠装由圆形或者扁形镀锌钢丝同向绕包在内衬层的外表面而成。10.根据权利要求9所述的一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，其特征在于：所述金属护套内侧绕包缓冲阻水带；构成内衬层和外护套的聚丙烯绳之间填充沥青；构成铠装的钢丝之间填充沥青。

技术总结
本发明公开了一种同轴型集成回流线的高压直流电缆，包括主流层Ⅰ、回流层Ⅱ和金属护套，所述回流层Ⅱ位于金属护套内侧，设置于金属护套和主流层Ⅰ之间；所述主流层Ⅰ和回流层Ⅱ采用同轴式结构集成于电缆之中；所述主流层Ⅰ包括主导体、在主导体外侧由内向外依次包覆的内半导电层、主绝缘和外半导电层；所述回流层Ⅱ包括回流导体、在回流导体外侧由内向外依次包覆的回流内半导电层、回流绝缘和回流外半导电层；本发明提供的电缆具有环境友好、屏蔽性能佳、经济性高的特点，同时具有优异的阻水性、防腐性和抗拉性。防腐性和抗拉性。防腐性和抗拉性。


技术研发人员：严有祥 刘永清 强伟 张世炼 徐子峻 林智雄 罗晨 徐宏斌 孙志鸿 蔡俊宇 曾麟 谢维 游小华 陈朝晖 洪志超 陈鸿 刘英 李文清 刘潇镁 韩雨轩
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司 西安交通大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/6