一种直流海缆护层感应电压计算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种直流海缆护层感应电压计算方法及装置，包括电磁感应粗放模型与静电感应互补模型的设计方法，相较于传统对海缆护层感应电压的研究，本发明专利技术综合考虑了交直流共沟敷设海底电缆隧道段中交流海缆的电磁感应与直流海缆自身的静电感应对于直流海缆护层感应电压的影响

【技术实现步骤摘要】
一种直流海缆护层感应电压计算方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种直流海缆护层感应电压计算方法及装置，属于电力传输

。

技术介绍

[0002]海底电缆是海上风电场与陆上电网的重要连接设备，随着城市的蓬勃发展，电网负荷的压力也日益增大，为了提高电能传输效率与输电资源，通常采用交直流共沟的敷设方式，但这会导致处于交变磁场中的直流海缆护层上产生感应电压，对设备会产生一定影响，严重情况下甚至会产生几十千伏的过电压，击穿直流海缆的铠装层，从而使海缆系统陷入瘫痪
。
为了有效地保护设备安全，提高输电效率，感应电压的相关计算方法亟待掌握
。
[0003]目前对于海缆护层感应电压计算方法的研究主要着眼于海缆系统的交流部分，通常采用建立回路阻抗模型或端口方程法计算护层感应电压，这种方法计算过程复杂
、
计算量大
。
对于直流海缆的研究主要集中在载流量
、
非正常工况分析等方面，对于交直流共沟敷设情形下直流海缆护层感应电压的计算问题的研究较为欠缺
。
海缆护层上感应电压过大可能会造成护套击穿，从而导致海缆系统瘫痪，甚至危及人员安全，随着海缆在输电系统中承担的职责越来越重，这一问题对经济效益
、
安全问题等的影响也越来越严峻，能否有效地掌握一种针对直流海缆外护层感应电压的计算方法对于海缆系统的防护至关重要
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种直流海缆护层感应电压计算方法及装置，以有效地计算出针对直流海缆外护层感应电压
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种直流海缆护层感应电压计算方法，包括以下步骤：
[0007]获取感应电压电磁分量的影响因素和静电互补分量的影响因素；
[0008]基于所述感应电压电磁分量的影响因素，根据直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型，计算得到直流海缆感应电压的电磁分量有效值；
[0009]基于静电互补分量的影响因素，根据直流海缆护层上感应电压的静电感应互补模型，计算得到感应电压的静电互补分量；
[0010]根据所述直流海缆感应电压的电磁分量有效值和感应电压的静电互补分量，计算得到直流海缆护层感应电压
。
[0011]进一步的，所述感应电压电磁分量的影响因素包括交流海缆上电流的频率
、
幅值以及交直流海缆间的距离；
[0012]所述静电互补分量的影响因素包括直流海缆自身的物理特性，包括材料的电阻率
、
磁导率
、
介电常数以及内外径
。
[0013]进一步的，所述直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型的输入为感应电压电磁分量的影响因素，输出是直流海缆护层的感应电压的静电互补分量；
[0014]所述直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型的构建方法包括：
[0015]步骤
1.1
：考虑处于三相海缆通流线芯周围的某一导体受到交变磁场影响，得到导体与三相海缆通流线芯之间的磁通总和
。
当该导体作为海缆通流线芯的外护层时，得到海缆外护层上磁通表达式；依据正序三相海缆之间的相位关系，得到海缆外护层上磁通表达式的简化形式，得到交流海缆与直流海缆之间的互感的解析式
。
[0016]步骤
1.2
：计算某一相交流海缆的自感
、
三相交流海缆之间的互感
、
交流海缆与直流海缆之间的互感，推得海缆护层感应电势的计算公式
。
将等效电感转换为电抗，得到海缆护层的感应电压解析式
。
[0017]步骤
1.3
：基于交流海缆三相电流平衡性质对感应电压解析式作进一步化简，即可得到交直流共沟敷设海缆系统中直流海缆护层上感应电压计算的电磁感应粗放模型
。
[0018]进一步的，考虑处于三相海缆通流线芯周围的某一导体受到交变磁场影响，得到导体与三相海缆通流线芯之间的磁通总和
。
当该导体作为海缆通流线芯的外护层时，得到海缆外护层上磁通表达式；依据正序三相海缆之间的相位关系，得到海缆外护层上磁通表达式的简化形式，得到交流海缆与直流海缆之间的互感的解析式，包括：
[0019]考虑处于三相线芯周围的某一导体受到交变磁场影响，计算导体
P
与三相线芯电流
I
A
、I
B
、I
C
之间的磁通如下，单位为
W/m
：
[0020][0021][0022]其中，
B
为磁感应强度，单位为
T
；
μ0为真空磁导率，其值为4π
×
10
‑7H/m
；
i
＝
A,B,C
，
P
i
指导体
P
与第
i
相线芯电流之间的磁通；
Dis
为
i
相线芯与导体
P
之间的距离，
r
为导体
P
的几何平均半径
。
[0023]导体与三相线芯之间的磁通总和为：
[0024][0025]其中指三相线芯电流的矢量值；
y、by、ay
指导体与线芯
A、B、C
之间的中心距离
。
[0026]A、B、C
相为正序交流海缆，
D
代表直流海缆；
C
AD
、C
BD
、C
CD
为正常工作情况下交直流海缆之间的单位长互电容；
M
AD
、M
BD
、M
CD
为正常情况下交直流海缆之间的单位长互电感；
C
Dd
与
L
分别代指单位长度直流海缆对地等效电容与对地等效电感
。
[0027]当导体与线芯同心，即该导体作为线芯的外护层时，得到某相交流海缆外护层上磁通表达式：
[0028][0029]其中
x、nx
指
A
相海缆外护层与
B
相海缆
、C
相海缆之间的距离
。
[0030]依据正序三相海缆之间的相位关系，若三相线芯电流平衡，即：
[0031][0032]则可以得到某相交流海缆外护层上磁通表达式的简化形式：
[0033][0034]其中，指该相海缆上的电流矢量值
。
[0035]推得交流三相海缆护层的感应电势如下：
[0036][0037]其中，为三相海缆护层的感应电势，单位为
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取直流海缆的感应电压电磁分量的影响因素和直流海缆的静电互补分量的影响因素；基于所述感应电压电磁分量的影响因素，根据直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型，计算得到直流海缆感应电压的电磁分量有效值；基于静电互补分量的影响因素，根据直流海缆护层上感应电压的静电感应互补模型，计算得到感应电压的静电互补分量；根据所述直流海缆感应电压的电磁分量有效值和感应电压的静电互补分量，计算得到直流海缆护层感应电压
。2.
根据权利要求1所述的基于电磁
‑
静电感应互补模型的直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，所述感应电压电磁分量的影响因素包括交流海缆上电流的频率
、
幅值以及交直流海缆间的距离；所述静电互补分量的影响因素包括直流海缆自身的物理特性，包括材料的电阻率
、
磁导率
、
介电常数以及内外径
。3.
根据权利要求1所述的基于电磁
‑
静电感应互补模型的直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，所述直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型的输入为感应电压电磁分量的影响因素，输出是直流海缆护层的感应电压的静电互补分量
。4.
根据权利要求3所述的基于电磁
‑
静电感应互补模型的直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，所述直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型的解析式如下：所述直流海缆护层上感应电压的电磁感应粗放模型的解析式如下：式中
T
＝
‑2×
10
‑7ω
，其中，为三相海缆护层的感应电势，单位为
V/m
；
mx
指
B、C
两相海缆之间的距离；
x、nx、mx
呈比例关系，
n
与
x
为比例系数，与分别指第
i
相交流海缆上感应电势的值与直流海缆上感应电势的值，其单位为
V/m
；
X
S
＝2ω
(ln2S/D
S
)
，单位为
Ω
/m
；
X
D
＝
ω
L
SD
，单位为
Ω
/m
；与
U
SD
为交流海缆与直流海缆护层上感应电压，单位为
V/m。5.
根据权利要求1所述的基于电磁
‑
静电感应互补模型的直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，所述直流海缆护层上感应电压的静电感应互补模型的输入为静电互补分量的影响因素，输出为感应电压的静电互补分量
。6.
根据权利要求5所述的基于电磁
‑
静电感应互补模型的直流海缆护层感应电压计算方法，其特征在于，所述直流海缆护层上感应电压的静电感应互补模型的构建方法，包括：直流海缆的等值电路模型中，
R、D、M
分别表示线芯
、
屏蔽层与铠装层；
i
R
、i
D
、i
M
表示三导
体层首端电流；
u
R
、u
D
、u
M
表示线芯
、
屏蔽层
、
铠装层与海水之间的首端电压；
u1、u2、u3分别表示线芯与屏蔽层
、
屏蔽层与铠装层
、
铠装层与海水之间的电压差；
Y
RD
、Y
DM
、Y
ME
分别表示对应导体之间的互电容；
Δ
u
与
Δ
i
分别表示首端与末端之间的电压
、
电流变化量；海缆系统分为三个回路，回路1由线芯和屏蔽层组成，回路2由屏蔽层和铠装层组成，回路3由铠装层与海水组成，并分别有回路电流
i1、i2、i3；建立直流海缆的等值电路模型，依据传输线方程
(14)
，得到沿海缆轴向的回路压降频域方程；域方程；其中，
Z
为单位长度阻抗矩阵，
Y
为单位长度导纳矩阵且
Z
＝
R+j
ω
L
，
Y
＝
G+j
ω
C
；
Z
11
、Z
22
、Z
33
表示三个回路的单位长度自阻抗，回路自阻抗由两个导体的表面内阻抗以及两导体之间的绝缘介质发生时变磁通所表现的阻抗构成，
Z
12
、Z
21
与
Z
23
、Z
32
分别表示屏蔽层及铠装层的转移阻抗，
Z
12
＝
Z
21
，
Z
23
＝
Z
32
；以海水层作为参考点，将回路压降频域方程进行改写为下式：其中，
Z
AB
表示
A

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，曹京荥，孙蓉，杨景刚，谭笑，高超，李陈莹，张伟，李鸿泽，柏仓，张延龙，胡丽斌，张昱，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司江苏省电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：