超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆

《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》涉及的是一种直流电缆，特别是用于VCS换流技术的柔性直流输电系统中大功率远距离海底输电，以及非周期运行的风力发电、潮汐发电等新能源交流系统之间的并网连接。

截至2012年12月，随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，中国大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。与高压交流输电相比较，直流输电具有线路造价低、损耗小、传输距离长、系统稳定性高、短路电流小，能实现交流电背靠背连接及可分期建设和增容扩建等优点，尤其适用不同频率或同频率非周期运行的交流系统（风能潮汐能等新能源）之间的联络和远距离大功率海底送电。常规高压直流输电或采用架空线或采用油纸绝缘、充油电缆等作为整个系统的输电线路，所采用的输电线路不仅对周围环境有影响，而且造价昂贵。而基于VSC换流技术的柔性高压直流输电采用交联聚乙烯绝缘柔性直流海缆，成功解决了直流场下聚合物空间电荷的影响及系统极性反转等问题，交联聚乙烯绝缘柔性直流海缆电气性能优越，运行温度高，一般埋于地下，对周围环境没有太大的影响。且没有传统的油纸绝缘直流海缆的传输电流小、不适宜海底大落差敷设、漏油老化、不环保等缺点。

图1是《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》的结构示意图。

图2是《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》的直流电缆结构示意图。

图3是《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》的光纤单元结构示意图。

图4是《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》的接地馈线结构示意图。

图中：1、直流电缆，2、光纤单元，3、接地馈线，4、填充条，5、总铠装层，6、外护层，1-1、直流导体，1-2、导体屏蔽层，1-3、绝缘层，1-4、绝缘屏蔽层，1-5、金属屏蔽层，1-6、非金属护层，1-7、防蛀层，1-8、分极铠装层，1-9、直流电缆外护层，2-1、光纤，2-2、阻水缓冲油膏，2-3、不锈钢松套管，2-4、内护套，2-5、金属加强层，2-6、外护套，3-1、地线导体，3-2地线绝缘层。

2021年6月24日，《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》获得第二十二届中国专利优秀奖。

参照附图1~4，《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》包括直流电缆1、光纤单元2、接地馈线3、填充条4、总铠装层5和外护层6，两根直流电缆1分别置于左侧和右侧，分别是正、负极直流电缆，光纤单元2置于两直流电缆1的中部上方，接地馈线3置于两直流电缆1的中部下方，通过平托非绞合方式成缆；成缆间隙采用圆弧形填充条4进行填充；直流电缆1、光纤单元2以及接地馈线3成缆后采用总铠装层5进行总铠装，在总铠装层5表面由1~3层聚丙烯绳缠绕组成外护层6，每层聚丙烯绳涂覆防腐绝缘胶，在聚丙烯绳外表面缠绕高强度自粘胶带。

所述直流电缆1从内到外依次由直流导体1-1、导体屏蔽层1-2、绝缘层1-3、绝缘屏蔽层1-4、金属屏蔽层1-5、非金属护层1-6、防蛀层1-7、分极铠装层1-8和直流电缆外护层1-9组成；所述的直流导体1-1为圆环异型线紧压绞合结构，在直流导体1-1外设置有导体屏蔽层1-2；导体屏蔽层1-2外部设置有绝缘层1-3；在绝缘层1-3外部设有绝缘屏蔽层1-4；在绝缘屏蔽层1-4外设有挤出的金属屏蔽层1-5，所述金属屏蔽层1-5采用合金铅套，铅套厚度根据柔性直流系统短路电流需求确定；金属屏蔽层1-5外设有连续挤出的非金属护层1-6，非金属护层1-6可采用半导电聚乙烯或者绝缘级聚乙烯；非金属护层1-6表面绕包防蛀层1-7；在防蛀层1-7外表设有绞合的分极铠装层1-8，在分极铠装层1-8设有直流电缆外护层1-9，直流电缆外护层1-9由1层聚丙烯绳缠绕。

所述光纤单元2从内到外依次由2~96芯光纤2-1、阻水缓冲油膏2-2、不锈钢松套管2-3、内护套2-4、金属加强层2-5和外护套2-6组成；光纤2-1外部采用不锈钢松套管2-3进行包裹保护，在不锈钢松套管2-3内填充有阻水缓冲油膏2-2；在不锈钢松套管2-3表面设有连续挤出的内护套2-4；内护套2-4外部设有绞合的金属加强层2-5；金属加强层2-5表面设有连续挤出的外护套2-6。

所述接地馈线3从里到外由地线导体3-1和地线绝缘层3-2组成，地线导体3-1由多根金属单丝紧压绞合而成，绞合方式为层绞式，导体截面由系统短路电流要求确定；在地线导体3-1表面设有连续挤出的地线绝缘层3-2。

所述光纤单元2外径与接地馈线3外径相等。

所述填充条4可采用聚乙烯类绝缘级塑料。

所述总铠装层5采用扁钢丝，分极铠装层1-8和总铠装层5组成两层复合铠装层。

所述绝缘层1-3厚度依据电场分布确定，绝缘厚度为5~35毫米。

所述绝缘层1-3采用环保型具有非热敏性电导特性及高阈值电场抑制空间电荷特性的交联聚乙烯材料。

所述防蛀层1-7为青铜带、镀鉻钢带，厚度为0.10~0.40毫米，绕包方式为无间隙重叠绕包，绕包层数为2~8层。

所述分极铠装层1-8采用镀锌钢丝铠装，铠装直径3.0~6.0毫米，分极钢丝铠装层表面均匀涂覆防腐沥青材料。

所述光纤2-1采用G652、G655、G651型光纤。

所述的内护套2-4采用高密度聚乙烯材料，内护套2-4的厚度为1.0~3.0毫米。

所述金属加强层2-5采用加强型金属丝，所述加强型金属丝为高碳磷化钢丝或高碳镀锌钢丝。

所述外护套2-6采用高密度聚乙烯材料，外护套2-6厚度为3.0~6.0毫米。

所述的地线导体3-1采用绞合铜导体，地线绝缘层3-2采用高密度聚乙烯绝缘层。

所述地线绝缘层3-2采用高密度聚乙烯绝缘，绝缘厚度为3~5毫米。

超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆专利目的

《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》目的是针对专利背景中VSC柔性直流输电系统需求和高压直流海缆产品功能的不足，提供一种超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆。该发明的高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆结构性能稳定，机械强度高，光纤、正负直流电缆一体可以节约路由资源，复合接地馈线可以有效提高系统安全性，具有很高的技术经济价值。

超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆技术方案

《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》包括直流电缆、光纤单元、接地馈线、填充条、总铠装层和外护层，两根直流电缆分别置于左侧和右侧，分别是正、负极直流电缆，光纤单元置于两直流电缆的中部上方，接地馈线置于两直流电缆的中部下方，通过平托非绞合方式成缆；成缆间隙采用圆弧形填充条进行填充；直流电缆、光纤单元以及接地馈线成缆后采用总铠装层进行总铠装，在总铠装层表面由1~3层聚丙烯绳缠绕组成外护层，每层聚丙烯绳涂覆防腐绝缘胶，在聚丙烯绳外表面缠绕高强度自粘胶带。

所述直流电缆从内到外依次由直流导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、非金属护层、防蛀层、分极铠装层和直流电缆外护层组成；所述的直流导体为圆环异型线紧压绞合结构，在直流导体外设置有导体屏蔽层；导体屏蔽层外部设置有绝缘层；在绝缘层外部设有绝缘屏蔽层；在绝缘屏蔽层外设有挤出的金属屏蔽层，所述金属屏蔽层采用合金铅套，铅套厚度根据柔性直流系统短路电流需求确定；金属屏蔽层外设有连续挤出的非金属护层，非金属护层可采用半导电聚乙烯或者绝缘级聚乙烯；非金属护层表面绕包防蛀层；在防蛀层外表设有绞合的分极铠装层，在分极铠装层设有直流电缆外护层，直流电缆外护层由1层聚丙烯绳缠绕。

所述光纤单元从内到外依次由2~96芯光纤、阻水缓冲油膏、不锈钢松套管、内护套、金属加强层和外护套组成；光纤外部采用不锈钢松套管进行包裹保护，在不锈钢松套管内填充有阻水缓冲油膏；在不锈钢松套管表面设有连续挤出的内护套；内护套外部设有绞合的金属加强层；金属加强层表面设有连续挤出的外护套。

所述接地馈线从里到外由地线导体和地线绝缘层组成，地线导体由多根金属单丝紧压绞合而成，绞合方式为层绞式，导体截面由系统短路电流要求确定；在地线导体表面设有连续挤出的地线绝缘层。

所述接地馈线外径与光纤单元外径相等。

所述填充条可采用聚乙烯类绝缘级塑料。

所述总铠装层采用扁钢丝，分极铠装层和总铠装层组成两层复合铠装层。

所述绝缘层厚度依据电场分布确定，绝缘厚度为5~35毫米。

所述绝缘层采用环保型具有非热敏性电导特性及高阈值电场抑制空间电荷特性的交联聚乙烯材料。

所述防蛀层为青铜带、镀鉻钢带，厚度为0.10~0.40毫米，绕包方式为无间隙重叠绕包，绕包层数为2~8层。

所述分极铠装层采用镀锌钢丝铠装，铠装直径3.0~6.0毫米，分极钢丝铠装层表面均匀涂覆防腐沥青材料。

所述光纤采用G652、G655、G651型光纤。

所述的内护套采用高密度聚乙烯材料，内护套的厚度为1.0~3.0毫米。

所述金属加强层采用加强型金属丝，所述加强型金属丝为高碳磷化钢丝或高碳镀锌钢丝。

所述外护套采用高密度聚乙烯材料，外护套厚度为3.0~6.0毫米。

所述的地线导体采用绞合铜导体，地线绝缘层采用高密度聚乙烯绝缘层。

所述地线绝缘层采用高密度聚乙烯绝缘，绝缘厚度为3~5毫米。

超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆改善效果

《超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆》中的直流电缆绝缘采用环保型具有非热敏性电导特性及高阈值电场抑制空间电荷特性的交联聚乙烯材料，可以有效抑制直流场下聚合物绝缘中的空间电荷，减少温度场对电导分布的影响，提高绝缘中的工作场强，减小绝缘厚度，节约生产制造资源。交联聚乙烯为热固性材料，对海缆使用环境影响小，而传统直流海缆都是采用油纸作为绝缘材料，存在漏油老化、不环保等缺点。成缆采用平托非绞合方式，填充采用特制圆弧形填充条，三个侧面及背面均设计成圆弧形，圆弧直径分别与电缆、光缆、成缆外径相同，结构性能稳定，避免在电缆弯曲时电缆内部错位造成的损伤，增加铜带绕包防蛀层，可以减少海洋生物对海缆的损坏。复合重型铠装完全能够满足深海敷设使用环境要求，并有效保护光缆单元不受机械损伤。该发明的高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆结构性能稳定，机械强度高，光纤、双极直流电缆一体可以将正极海缆、负极海缆、光缆敷设使用所需的三条海洋路由资源，减小为一条路由资源，极大的节约宝贵的海洋路由资源。光纤又可与DTS、BOTDR组成温度应力监测系统，复合接地馈线可以增加系统接地保护能力，极大的提高海缆运行的可靠性，具有很高的技术经济价值。

1.一种超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：包括直流电缆、光纤单元、接地馈线、填充条、总铠装层和外护层，两根直流电缆分别置于左侧和右侧，分别是正、负极直流电缆，光纤单元置于两直流电缆的中部上方，接地馈线置于两直流电缆的中部下方，通过平托非绞合方式成缆；成缆间隙采用圆弧形填充条进行填充；直流电缆、光纤单元以及接地馈线成缆后采用总铠装层进行总铠装，在总铠装层表面由1~3层聚丙烯绳缠绕组成外护层，每层聚丙烯绳涂覆防腐绝缘胶，在聚丙烯绳外表面缠绕高强度自粘胶带；所述直流电缆从内到外依次由直流导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、非金属护层、防蛀层、分极铠装层和直流电缆外护层组成；所述的直流导体为圆环异型线紧压绞合结构，在直流导体外设置有导体屏蔽层；导体屏蔽层外部设置有绝缘层；在绝缘层外部设有绝缘屏蔽层；在绝缘屏蔽层外设有挤出的金属屏蔽层，所述金属屏蔽层采用合金铅套，铅套厚度根据柔性直流系统短路电流需求确定；金属屏蔽层外设有连续挤出的非金属护层，非金属护层采用半导电聚乙烯或者绝缘级聚乙烯；非金属护层表面绕包防蛀层；在防蛀层外表设有绞合的分极铠装层，在分极铠装层设有直流电缆外护层，所述直流电缆外护层由1层聚丙烯绳缠绕；所述光纤单元从内到外依次由2~96芯光纤、阻水缓冲油膏、不锈钢松套管、内护套、金属加强层和外护套组成；光纤外部采用不锈钢松套管进行包裹保护，在不锈钢松套管内填充有阻水缓冲油膏；在不锈钢松套管表面设有连续挤出的内护套；内护套外部设有绞合的金属加强层；金属加强层表面设有连续挤出的外护套；所述接地馈线从里到外由地线导体和地线绝缘层组成，地线导体由多根金属单丝紧压绞合而成，绞合方式为层绞式，导体截面由系统短路电流要求确定；在地线导体表面设有连续挤出的地线绝缘层；所述总铠装层采用扁钢丝，分极铠装层和总铠装层组成两层复合铠装层；所述防蛀层为青铜带、镀铬钢带，厚度为0.10~0.40毫米，绕包方式为无间隙重叠绕包，绕包层数为2~8层。

2.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述接地馈线外径与光纤单元外径相等。

3.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述绝缘层厚度依据电场分布确定，绝缘厚度为5~35毫米。

4.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述绝缘层采用环保型具有非热敏性电导特性及高阈值电场抑制空间电荷特性的交联聚乙烯材料。

5.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述分极铠装层采用镀锌钢丝铠装，铠装直径3.0~6.0毫米，分极钢丝铠装层表面均匀涂覆防腐沥青材料。

6.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述光纤采用G652、G655、G651型光纤。

7.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述的内护套采用高密度聚乙烯材料，内护套的厚度为1.0~3.0毫米；所述外护套采用高密度聚乙烯材料，外护套厚度为3.0~6.0毫米。

8.根据权利要求1所述的超高压交联聚乙烯绝缘柔性直流光纤复合海底电缆，其特征在于：所述金属加强层采用加强型金属丝，所述加强型金属丝为高碳磷化钢丝或高碳镀锌钢丝。

内容简介

《柔性直流输电建模和仿真技术》针对柔性直流输电的控制策略、系统建模和仿真技术进行重点阐述，详细介绍了构造完整柔性直流输电闭环仿真系统所必备的相关策略。本书共8章，主要内容包括柔性直流输电的基本原理，两电平、三电平柔性直流输电的建模与仿真，MMC型柔性直流输电建模与仿真，多端柔性直流输电仿真，柔性直流输电的RTDS建模和仿真，具备直流故障穿越能力的MMC-HVDC系统和MMC-HVDC高速建模与仿真等。附录中还介绍了典型的柔性直流输电工程，以及VCSTrans程序和NPC型SVC-HVDC程序。 赵成勇，华北电力大学教授、博导。业研究方向为高压直流输电与柔性直流输电。主持或主要参与以下重点项目： 1.高压直流输电和柔性直流控制保护策略库开发，国家科技支撑重大项目“新型柔性交流电力控制关键技术与示范”（2010BAA01B01）子课题，2010.10-2013.9，40万，赵成勇负责。 2.Control&protectionstrategiesofHVDCbasedonsinglefull-bridgeconverter.韩国LSIndustrialSystemsCo.Ltd.12万美元，2011.1-2012.10，赵成勇负责。 3.基于电压源型换流器直流输电的柔性联网方法研究，国家自然科学基金项目（50577018），2006.1-2008.12，23万元，赵成勇负责。 4.基于RTDS的电磁－机电暂态混合实时仿真平台研究与实现，“十一五...(展开全部) 赵成勇，华北电力大学教授、博导。业研究方向为高压直流输电与柔性直流输电。主持或主要参与以下重点项目： 1.高压直流输电和柔性直流控制保护策略库开发，国家科技支撑重大项目“新型柔性交流电力控制关键技术与示范”（2010BAA01B01）子课题，2010.10-2013.9，40万，赵成勇负责。 2.Control&protectionstrategiesofHVDCbasedonsinglefull-bridgeconverter.韩国LSIndustrialSystemsCo.Ltd.12万美元，2011.1-2012.10，赵成勇负责。 3.基于电压源型换流器直流输电的柔性联网方法研究，国家自然科学基金项目（50577018），2006.1-2008.12，23万元，赵成勇负责。 4.基于RTDS的电磁－机电暂态混合实时仿真平台研究与实现，“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范”课题十七（2006BAA02A17）的子课题，150万元，2006.11-2009.12，负责人之一，排名第二。 5.多电平柔性直流输电系统的RTDS模型研究，北京网联直流工程技术有限公司科技项目，2011年1月完成。赵成勇负责 6.“一种双馈入直流输电系统”，发明专利，ZL200710185454.0发明人：赵成勇。 7.“一种高压直流输电启动和运行方式”，发明专利，ZL200810079471.0发明人：赵成勇，郭春义。 8.一种模块化多电平换流器直流输电损耗计算方法，发明专利申请号：201110074399.4发明人：赵成勇，陆翌等。 9.扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法，发明专利申请号：201110074466.2发明人：赵成勇，石岩等。2100433B

《柔性直流系统故障分析与保护》系统阐述了柔性直流系统的故障分析方法、故障限流与隔离方法以及新型继电保护原理等内容。首先，阐述了常规直流系统和柔性直流系统的基本结构、工作原理及其控制保护或控制策略，分析了柔性直流系统的短路故障暂态特征及含柔性直流的交直流系统中交流故障分析方法；然后，论述了柔性直流系统故障限流、隔离、断流的故障处理方法；最后，结合柔性直流系统故障识别与故障隔离的要求，介绍了柔性直流系统的保护配置方案，深入阐述了直流线路行波保护、暂态量保护原理与技术，分析了直流输电线路参数的频变特性，提出了直流线路电流差动保护等新型保护原理与技术。