Исследование, разработка и усовершенствование конструкций переходных соединительных муфт для кабелей на напряжение 110-220 кВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат наук Ветлугаев Сергей Сергеевич

• Ветлугаев Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Ветлугаев Сергей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ существующих конструкций переходных соединительных муфт. Методы расчета электрических полей в кабельной арматуре

1.1. Классификация кабельной арматуры высокого напряжения. Конструкции переходных соединительных муфт

1.2. Материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры

1.3. Методы расчета электрических полей, а также компьютерные программы, созданные на базе этих методов и их применение для конструирования кабельной арматуры

1.4 Основные задачи диссертационной работы

Глава 2. Исследование отказов муфт высокого напряжения в процессе эксплуатации с точки зрения надежности конструкций, распределения напряженности электрического поля. Постановка задачи электрического расчета

2.1. Анализ причин повреждения кабельных муфт высокого напряжения

2.2. Конструкция прототипа переходной соединительной муфты и определение ее расчетных областей

2.3 Регулирование напряженности электрического поля в переходной муфте

Глава 3. Исследование электрической прочности и разработка конструкции переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ. Рекомендации по разработке конструкции переходной муфты на напряжение 220 кВ

3.1. Исследование электрической прочности расчетных областей конструкции переходной соединительной муфты

3.2. Расчет конструктивных размеров переходной соединительной муфты. Методика электрического расчета

3.3 Особенности конструирования переходной муфты на напряжение 220 кВ для энергосистем РФ

Глава 4. Практическое применение результатов работы

4.1 Конструкция промышленного образца переходной соединительной муфты типа МПМНМ-МС-110

4.2. Рекомендации по монтажу и эксплуатации, разработанной конструкции

переходной муфты

4.3. Оценка надежности разработанной переходной муфты, основанная на опытных данных и эксплуатации в промышленных масштабах

Выводы по диссертационной работе

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для передачи электроэнергии в крупных городах России применяются высоковольтные кабельные линии (КЛ), в основном на напряжение 110 и 220 кВ. Неотъемлемым элементом любой кабельной линии является кабельная арматура (соединительные, концевые муфты). Муфты представляют собой сложные конструкции, имеющие внутреннюю и внешнюю изоляцию. Надежность и эффективность работы высоковольтных кабельных линий во многом определяется конструкцией и технологией монтажа кабельной арматуры.

Внедрение силовых кабелей высокого напряжения 110 и 220 кВ в России началось с разработки и монтажа маслонаполненных кабелей (МНК) и арматуры, которые, обладая высокой надежностью, работают уже более 70 лет, но в тоже время имеют ряд недостатков, связанных с эксплуатацией и монтажом. Протяженность существующих высоковольтных КЛ на основе МНК, в г. Москве составляет порядка 430 км в трехфазном исчислении (данные 2013 г.)

Давление кабельного масла внутри свинцовой оболочки МНК изменяется вследствие циклической нагрузки кабельной линии. Это приводит к ее механическому старению и появлению в ней трещин, через которые вытекает кабельное масло. Вытекающее в грунт масло наносит не только экономический, но и экологический ущерб. В этом случае требуется либо ремонт поврежденной строительной длины КЛ, либо ее замена.

Для замены строительных длин МНК на напряжение 110 и 220 кВ в настоящее время может быть использован кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), так как МНК в РФ не производится. Следовательно, возникает задача соединения строительных длин кабеля с различными видами изоляции. Для этих целей применяют специальный вид кабельной арматуры -переходные соединительные муфты. При строительстве новых объектов возникает необходимость перекладки с заменой существующей МН КЛ на кабель с изоляцией из СПЭ, и в этом случае также имеет смысл применения переходных

муфт. Использование при сооружении КЛ переходных соединительных муфт дает возможность постепенно, строительными длинами, заменить во всей КЛ МНК на кабель с изоляцией из СПЭ, повысив ее пропускную способность и исключив попадание масла в грунт.

В этой связи, особую актуальность приобретает вопрос разработки переходных соединительных муфт, так как эти муфты являются решением задачи частичной замены МН кабельных линий, а в перспективе дают возможность полностью заменить выработавший свой срок службы МНК кабелем нового поколения - с изоляцией из СПЭ. Настоящая диссертация посвящена проблемам проектирования переходных соединительных муфт на напряжения 110 кВ и 220 кВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, разработка и усовершенствование конструкций переходных соединительных муфт для кабелей на напряжение 110-220 кВ»

Цели работы.

1. Разработка методики электрического расчета изоляции переходных муфт для кабелей высокого напряжения.

2. Проектирование конструкции переходных соединительных муфт на напряжение 110 кВ.

3. Представление рекомендаций по проектированию переходных муфт на напряжение 220 кВ.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать существующие технологии изготовления изоляции муфт и выбрать технологическую схему формирования изоляции для разрабатываемой переходной муфты;

- провести анализ существующих численных методов расчета электрического поля и выбрать программу для электрического расчета кабельных муфт и адаптировать ее для конструирования переходной соединительной муфты;

- для определения критических в отношении электрической прочности областей переходной соединительной муфты провести анализ причин повреждения кабельной арматуры высокого напряжения;

- провести исследования электрической прочности материалов изоляции муфты и на их основе уточнить допустимые напряженности электрического поля в переходной соединительной муфте;

- разработать методику электрического расчета переходной соединительной муфты на напряжения 110 кВ и 220 кВ на основе дополнительного модуля к программе Б1еи1;;

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

- на основе проведенного анализа причин и механизмов повреждений кабельной арматуры определены расчетные области конструкции переходной муфты;

- впервые экспериментально обоснован выбор допустимых напряженностей электрического поля для многослойной электроизоляционной системы переходной муфты;

- разработана методика электрического расчета переходных соединительных муфт на основе дополнительного модуля к программе Б1еи1.

Практическая значимость. Разработанная автором методика электрического расчета применена при проектировании переходной соединительной муфты МПМНП-МС-110 на напряжение 110 кВ. Также даны рекомендации по конструированию муфт на напряжение 220 кВ. Данную методику расчета в дальнейшем можно использовать при проектировании высоковольтной кабельной арматуры.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в виде конструкции переходной соединительной муфты МПМНП-МС-110 по ТУ 16.К71-284-1999.

В настоящее время в энергосистеме г. Москвы эксплуатируются 159 переходных соединительных муфт, конструкция изоляция которых разработана на основе методики электрического расчета при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- на 3 конференциях молодых специалистов;

- на секции НТС ОАО «ВНИИКП».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи и получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Материал изложен на 112 страницах текста и иллюстрирован рисунками. Список литературы содержит 71 наименование.

Основные положения, представляемые к защите:

- результаты исследований различных конструкций вышедших из строя муфт и обоснованный подход к выбору допустимой напряженности электрического поля;

- методика электрического расчета переходной муфты, которая основывается на дополнительно разработанном автором диссертации модуле к программе Elcut;

- конструкция переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ;

- рекомендации по разработке конструкции переходной муфты на напряжение 220 кВ.

Глава 1. Анализ существующих конструкций переходных соединительных муфт. Методы расчета электрических полей в кабельной арматуре.

1.1. Классификация кабельной арматуры высокого напряжения. Конструкции переходных соединительных муфт.

Высоковольтная кабельная арматура предназначена для соединения строительных длин силового кабеля, присоединения кабельной линии к воздушной линии электропередачи (ЛЭП), трансформатору или устройству КРУЭ. Классификацию высоковольтной кабельной арматуры по ее назначению можно представить в виде следующей блок-схемы (рис.1.1.).

Рис.1.1. Классификация высоковольтной кабельной арматуры по назначению.

Соединительные муфты, предназначенные для соединения строительных длин высоковольтного кабеля с изоляцией из СПЭ, могут быть классифицированы по технологии изготовления изоляции (стресс-конуса) и способу их монтажа (блок-схема, рис.1.2.) [1].

Рис.1.2. Классификация соединительных муфт высокого напряжения по технологии изготовления изоляции (для СПЭ кабеля).

Существуют соединительные муфты и для МНК, их изоляция изготавливается на месте монтажа муфты намоткой бумажных роликов, пропитанных кабельным маслом размещенных в защитном кожухе. В маслонаполненых кабельных линиях с большим перепадом высот по длине линии возникает проблема перетекания масла из одной кабельной длины в другую. В результате этого возрастает давление в кабельной линии, увеличивая вероятность утечки масла. Для исключения перемотка масла используют стопорные муфты [2]. Конструкция стопорной муфты для МНК на напряжение 110 кВ была разработана в России в 70-х годах (рис.1.3.). Эта муфта принята в качестве прототипа при разработке переходной соединительной муфты.

1 2 3 45 б 5 78359321

Рис.1.3. Стопорная муфта для МНК низкого давления на напряжение 110 кВ. 1 -выравнивающий конус; 2 - эпоксидный стресс-конус; 3 - стопорный эпоксидный изолятор; 4 - масло; 5 - бумажно-масляная изоляция; 6 - штекерный соединитель; 7 - кожух из немагнитной стали; 8 - центральный электрод; 9 - масло.

В энергосистемах, в ряде случаев, возникает необходимость соединения классических кабельных линий, выполненных МНК низкого давления [3], и кабелей с изоляцией из СПЭ. В основном это связано с наличием текущих участков линии МНК, либо если необходимо изменить проект КЛ в связи с возведением строительных объектов.

Задача соединения кабелей с разнородной электрической изоляцией может быть решена путем использования переходных муфт [4, 5, 6].

Переходные муфты, относятся к специальному виду кабельной арматуры и применяются для соединения кабелей с различной изоляцией, например, кабеля с изоляцией из СПЭ и с бумажно-масляной изоляцией (БМИ). Соответственно, в переходной муфте используются различные изоляционные материалы и разные технологии их изготовления [7]. Иногда переходные муфты используют для соединения кабелей с одинаковой изоляцией, но с разным сечением токопроводящей жилы [8].

В переходных соединительных муфтах на напряжение 110 кВ и выше для регулирования электрического поля применяют систему электродов. Как правило, это центральный электрод, имеющий потенциал токопроводящей жилы, который

снижает напряженность в месте соединения жил; электрод с потенциалом земли -выравнивающий конус, снижает напряженность в месте перехода электропроводящего экрана кабеля и заземленного экрана муфты. Наиболее распространенная переходная соединительная муфта высокого напряжения (рис. 1.4.) состоит из эпоксидного изолятора (рис.1.4, поз.5), в центре которого находится металический электрод (рис.1.4, поз.7). Эпоксидный изолятор помещается в герметичный металлический кожух (рис.1.4, поз.6), сделанный из немагнитного материала. Данная конструкция имеет две герметичные камеры: со стороны маслонаполненного кабеля (рис.1.4, поз.1) и со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ (рис.1.4, поз.12). Камера маслонаполненного кабеля заполняется изоляционной жидкостью (рис.1.4, поз.2) под избыточным давлением, со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ камера остается сухой, необходимое давление эластомерной отливки (рис.1.4, поз.9) на поверхность кабеля обеспечивается за счет упругих свойств, предварительно сжатой стальной пружины (рис.1.4, поз.11). Такая конструкция обеспечивает большую заводскую готовность так, как центральная часть собирается и проходит электрические испытания в условиях цеха и поставляется на место монтажа в собранном виде

[9].

Рис.1.4. Переходная соединительная муфта на высокое напряжение. 1 - маслонаполненный кабель низкого давления; 2 - изоляционная жидкость; 3 -бумажно-масляная изоляция; 4 - стресс-конус (эпоксид); 5 - эпоксидный изолятор; 6 - защитный кожух муфты; 7 -центральный электрод; 8 - соединительная гильза; 9 - стресс-конус (эластомер); 10 - элемент регулирования электрического поля (эластомер); 11 - стальная пружина; 12 - кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

В данной конструкции применяется деталь из эластомерного материала, которая поджимается к пластмассовой изоляции кабеля с помощью стальной пружины (рис .1.4, поз .11). Электрическая прочность изоляции в данном случае зависит от давления эластомерного стресс-конуса на поверхность изоляции кабеля.

7 5 3 2 14 6

Рис .1.5. Переходная муфта на напряжение 110-161кВ (фирма TAIHAN). 1 - соединительная гильза; 2 - эпоксидный изолятор; 3 - предварительно отлитый стресс-конус; 4 - эпоксидный стресс-конус; 5 - стальная пружина; 6 - кожух со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ; 7 - кожух со стороны МНК.

В качестве примера на рис.1.5. приведена переходная муфта южнокорейской фирмы TAIHAN1 на напряжение 110 кВ. Длина такой муфты L1 составляет 2150 мм, а максимальный диаметр D равен 370 мм. Габаритные размеры делают невозможным применение этих муфт в существующих стандартных колодцах энергосистем РФ.

На рисунке 1.6. приведена еще одна подобная конструкция зарубежной переходной муфты на высокое напряжение фирмы PRYSMIAN2. Обе эти переходные муфты имеют изолятор, отлитый из эпоксидной смолы, в центральной части которого находится металлический электрод, экранирующий место соединения кабелей. Эпоксидный изолятор защищен металлическим кожухом, изготовленным из немагнитной стали. Для регулирования электрического поля со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ применен эластомерный стресс-конус,

1 URL:http://www.taihan.com.au/accessories.php

2 URL:http://prysmiangroup.com/en/business markets/markets/accessories-services/downloads/datasheets/ Transition Joints.pdf

который прижат к поверхности кабеля и эпоксидному изолятору стальной пружиной.

Рис.1.6. Переходная муфта на напряжение 123-145-170 кВ (PRYSMIAN) 1 - соединительная гильза; 2 - кабель с экструдированной изоляцией из СПЭ; 3 - кабель с бумажно-масляной изоляцией; 4 - предварительно отлитый стресс-конус; 5 - конденсаторный стресс-конус; 6 - эпоксидный изолятор; 7- внешний кожух (немагнитная сталь).

В муфте фирмы TAIHAN регулирование напряженности электрического поля со стороны МНК осуществляется при помощи стресс-конуса, отлитого из эпоксидной смолы (рис.1.5, поз.4). В отличии от вышеупомянутой муфты в муфте фирмы PRYSMIAN для регулирования электрического поля со стороны МНК применены метализированные обкладки - конденсаторный стресс-конус (рис.1.6, поз.5). Регулирование поля метализированными обкладками довольно сложно реализовать с технической точки зрения, так как требуется точно соблюдать величину выступа обкладок. Отсутствие возможности подпитки маслом со стороны МНК в этой муфте затрудняет ее применение в энергосистемах РФ.

Рис.1.7. Переходная муфта на напряжение до 500 кВ (фирма G&W) 1 - кабель заземления; 2 - разрыв экрана; 3 - стресс-конус; 4 - изоляционная жидкость; 5 - маслобарьерная изоляция; 6 - экран; 7- медный кожух; 8 -конденсаторный стресс-конус; 9 - экструдированный кабель; 10 -термоусаживаемая трубка; 11 - медный кожух; 12 - устройство компенсации изменения давления масла; 13 - кожух из нержавеющей стали; 14 - обжимной соединитель; 15 - эпоксдный конический изолятор; 16 - кабельное масло; 17 -пайка; 18 - МНК.

На рисунке 1.7. приведена переходная муфта американской фирмы G&W3 на широкий класс напряжений до 500 кВ, диапазон сечений соединяемых кабелей до 2000 мм2. В качестве основной изоляции здесь используется изоляционная жидкость (поз. 4), которая заполняет герметичный кожух из нержавеющей стали (поз.13). Для компенсации изменения давления масла внутри кожуха муфты служит специальное устройство (поз.12), которое представляет собой набор сильфонных элементов. Кожух со стороны маслонаполненного кабеля (поз.7) заполнен кабельным маслом и разделен эпоксидным коническим изолятором (поз. 15) от центрального стального кожуха (поз.13). Для исключения короны в месте соединения обжимного соединителя и экструдированного кабеля, служит экран (поз.6), установленный в маслобарьерной изоляции (поз.5). Для экранирования места соединения МНК и обжимного соединителя, в эпоксидный конический изолятор влит металлический электрод. Внешние размеры данной переходной муфты следующие: длина - 2484 мм; диаметр - 324 мм. Данная конструкция имеет очень большие габариты и применяемые в ней изоляционные жидкости несовместимы с кабельными маслами, используемыми в РФ.

3URL:http://www.gwelec.com/documents/pdfs/TJNT08rfs.pdf

Представленные переходные соединительные муфты зарубежных производителей имеют слишком большие габаритные размеры, и не умещаются в стандартный кабельный колодец. В большинстве конструкций отсутствует возможность подпитки маслом КЛ. В качестве изолирующей жидкости применяются масла, не совместимые с маслом, которое используется в отечественных МНК. Все эти недостатки, не позволяют применять зарубежные переходные муфты в энергосистемах РФ.

1.2. Материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры.

В 1.1. была приведена классификация соединительных муфт по технологии изготовления изоляции (рис.1.2). В этой главе приводится подробный анализ основных видов технологий, которые используются для формирования изоляции кабельной арматуры высокого напряжения, с целью ее выбора для переходной муфты.

Для формирования изоляции высоковольтных кабельных муфт для кабеля с изоляцией из СПЭ применяются четыре основных технологии.

Первая и наиболее старая из них - формирование изоляции, непосредственно на месте монтажа, намоткой самосклеивающими эластомерными лентами - рис.1.8. Большая трудоемкость, требование к высокой квалификации монтажного персонала и низкая надежность муфт ограничивает их применение на напряжение 110 - 220 кВ [10].

Рис.1.8. Соединительная муфта с изоляцией из самосклеивающихся лент. 1 - корпус муфты; 2 - ленточная изоляция; 3 - соединение жил кабелей.

Надежными считаются муфты, изоляция которых изготавливается на месте монтажа по технологии непосредственной экструзии полиэтилена (ПЭ) с добавкой сшивающего агента при помощи экструдера в прессформу, в которой происходит его вулканизация (рис.1.9). В качестве сшивающего агента может использоваться, например, перекись дикумила. Высокая надежность этих муфт обусловленна тем, что данная технология минимизирует риск попадания в изоляцию муфты инородных и воздушных включений, но она очень дорогостоящая, так как требует применения специальной прессформы и специального экструдера. Применение технологии непосредственной экструзии ПЭ оправданно, в основном, в муфтах сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше), где требования к надежности кабельной арматуре предельно высоки [9].

Рис.1.9. Технология непосредственной экструзии ПЭ.

1 - экструдер; 2 - прессформа; 3 - соединение жил кабелей; 4 - изоляция муфты.

Более подробно рассмотрим технологии, которые наиболее распространены в настоящее время в энергосистеме РФ:

- изоляция изготавливается путем намотки из лент ПЭ, сшиваемого с помощью пероксидов с последующей термообработкой и сшивкой в пресс-форме (отечественная разработка) [11];

- предварительноотлитая и испытанная в заводских условиях изоляция из эластомерного материала (зарубежная разработка).

В ОАО «ВНИИ Кабельной промышленности» (ВНИИКП) в 80-х годах была разработана технологическая схема получения монолитной сшитой ПЭ усиливающей изоляции муфты, полученной из ПЭ-лент, под давлением азота с использованием в качестве мембраны термоусаживаемой трубки [12].

Технология изготовления муфт с монолитной изоляцией предполагает намотку усиливающей изоляции из ПЭ-лент, изготовленных из композиций, применяемых для производства кабеля, с добавкой в них сшивающего агента, и установку предварительно изготовленного, выравнивающего электрическое поле конуса. Затем готовый узел муфты помещают в металлическую пресс-форму, в которой производят термообработку (плавление и вулканизацию) под избыточным давлением.

Разработаны специальные программируемые регуляторы температуры и давления, которые контролируют процесс нагрева, вулканизации и охлаждения по отработанному технологическому режиму, который исключает недовулканизацию изоляции и возможность образования воздушных включений.

Данная технология применима для муфт различного назначения: соединительной, концевой, кабельного ввода в трансформатор, причем для формирования изоляции подходит одна и та же пресс-форма, меняется только конструкции усиливающей изоляции (рис.1.9.-1.12.) [13].

Рис.1.9. Конструкция изоляции соединительной муфты (СМ) и устройство для прессования изоляции СМ.

1 - соединяемые кабели; 2 - дополнительная изоляция муфты; 3 -электропроводящий слой; 4 - прессформа; 5 - нагреватель; 6 - уплотнение прессформы.

Для регулирования напряженности электрического поля в изоляции концевых муфт и концевых вводов в трансформатор применяют предварительно отлитый в пресс-форме элемент регулирования электрического поля.

Ниже приведены конструкции усиливающей изоляции для концевой муфты а также конструкция элемента регулирования электрического поля (выравнивающего конуса).

125

Рис .1.10. Элемент регулирования электрического поля - выравнивающий конус (для концевой муфты, а также кабельного ввода в трансформатор).

Рис.1.11. Конструкция стресс-конуса концевой муфты на напряжение 110 кВ. 1 - электропроводящий экран по изоляции кабеля; 2 - изоляция кабеля; 3 -электропроводящая вулканизуемая лента; 4 - выравнивающий конус; 5 -дополнительная ленточная изоляция.

Применение одинаковых материалов в муфте и кабеле позволяет достичь оптимального совмещения усиливающей изоляции муфты и кабеля, что обеспечивает:

- равномерное распределение напряженности электрического поля (относительная диэлектрическая проницаемость не меняется в объеме изоляции);

- минимальные диэлектрические потери (в качестве изоляционного материала используют только ПЭ);

- минимальные размеры из-за высокой электрической прочности СПЭ;

- высокая нагревостойкость СПЭ;

- идеальные термомеханические характеристики из-за одинаковых коэффициентов расширения изоляции кабеля и материалов муфты.

Недостатком технологии намоткой лентами является влияние загрязнений на электрическую прочность изоляции, при этом загрязнения могут попадать в изоляцию в процессе намотки из атмосферы. Так, пятикратное увеличение концентрации частиц размером 100 мкм в изоляции приводит к снижению на 17% электрической прочности при напряжении промышленной частоты и на 14% при грозовом импульсе [14]. К недостаткам данной технологии также можно отнести высокую трудоемкость монтажа и высокие требования к квалификации монтажного персонала. Таким образом, представляется возможным применение этой технологии в конструкции переходной муфты на напряжение не выше 110 кВ.

Технология предварительно отлитой усиливающей изоляции муфты из эластомерных материалов очень широко применяется для изготовления высоковольтной кабельной арматуры за рубежом [15]. В последние 5-7 лет энергосистемы РФ все чаще стали применять муфты зарубежных производителей, изоляция которых изготовлена по этой технологии. Усиливающая изоляция таких муфт отливается на заводе в условиях чистой комнаты, после чего она проходит визуальный контроль, испытание напряжением промышленной частоты и измерение частичных разрядов (Ч.Р.). Таким образом, вероятность наличия инородных включений в таких муфтах очень мала [16].

Нужно понимать, что, в отличие от предыдущих технологий изготовления процесс изготовления изоляции стресс-конуса муфты по этой технологии и ее монтаж происходят в разное время.

В качестве эластомерного материала для усиливающей изоляции применяются как этилен-пропиленовая резина, так и тройной сополимер этилена, пропилена и диена.

В настоящее время для изготовления стресс-конуса муфт высокого напряжения широко используются жидкие (сметанообразные) кремнийорганические композиции типа RTV и LSR, которые отливают в соответствующие формы. Предпочтительное применение для муфт кабелей имеют композиции типа LSR из-за хорошей совместимости изоляционных материалов с электропроводящими материалами, простоты переработки (простоты перекачки исходных продуктов и короткого времени вулканизации). Готовый стресс-конус из такой кремнийорганической композиций обладает высокой степенью упругости [17]. Энергия связи основных цепей в полимере Si-O на 30% выше энергии связи цепи С-С, разрушение кремнийорганических эластомеров происходит при температурах выше 180 оС [18].

Проявление свойств упругой эластичной деформации кремнийорганическими резинами является одной из основных причин выбора этого материала для изготовления стресс-конуса кабельных муфт.

При добавлении сажи получают электропроводящие композиции полимера, из которых отливают элементы регулирования напряженности электрического поля: выравнивающий конус и центральный электрод. Основным показателем для электропроводящих элементов муфт на основе кремнийорганических резин является удельное объемное сопротивление pv. Стандартами МЭК установлено значение pv < 1000 Омм [19, 20]. Для элементов регулирования напряженности электрического поля в муфтах эту величину объемного сопротивления можно считать приемлемой.

Для концевой муфты предварительно отливают из электропроводящей композиции выравнивающий конус, затем его помещают в пресс-форму и заполняют изоляционной композицией, в результате чего получается «стресс-

конус» (рис.1.12). Аналогичным образом изготавливают стресс-конуса для кабельных вводов в трансформатор или КРУЭ, а также для переходных муфт.

Рис.1.12. Стресс-конус концевой муфты на напряжение 110 кВ. 1 -выравнивающий конус; 2 - изоляция.

Предпосылкой надежной эксплуатации муфт является отсутствие изменений электрической прочности кремнийорганических полимеров на переменном и импульсном напряжении при изменении температуры от 20 до 120 оС. Например, снижение электрической прочности при напряжении переменного тока для кремнийорганической изоляции муфт в зависимости от температуры при электрических расчетах учитывают коэффициентом не более 10% При этом электрическая прочность при грозовом импульсе на 35% выше прочности при напряжении промышленной частоты [21].

Высокие электрические характеристики муфт, изоляция которых предварительно отлита из кремнийорганической резины, обеспечивается технологией изготовления (рис.1.13.).

При изготовлении изоляции по этой технологии два основных компонента, и возможно, дополнительные компоненты (например, красители), подаются через статический смеситель, который представляет собой трубу с расположенными внутри смешивающими крыльями, и, следовательно, перемешиваются до получения однородной смеси.

Рис .1.13. Схема литьевой установки.

Давление материала, поставляемого насосами, снижается до 30 - 70 бар, пока он не достигает экструзионной установки, которая специально разработана для жидкой силиконовой резины. Для предотвращения преждевременной вулканизации LSR в сопле и цилиндре, эти узлы охлаждаются водой до температуры около 20°C.

Вулканизация смеси в прессформе происходит при температурах 140 -2300С в течение времени, определяемого для выбранных типов вулканизатов. Давление в процессе вулканизации в прессформе поддерживается давление равное 50 бар.

Как можно видеть из схемы литьевой установки (рис.1.13) попадание в изоляцию каких-либо инородных включений исключено. Образование воздушных

пузырьков также невозможно, так как вся система постоянно находится под избыточным давлением [22].

После извлечения из прессформы вулканизированное изделие в некоторых случаях подвергается дополнительной термической обработке в целях снижения количества летучих продуктов. При этом удаление первичных силоксанов изменяет массу изделия и увеличивает его упадку. Усадка должна быть учтена при выборе размеров готового изделия. Фирма Momentive Performance Materials Inc. приводит данные по термической усадке в 3,5% для листов из LSR 20504 толщиной 2 мм, которые вулканизировали течение 10 мин при температуре 175 °C и термически обрабатывались в течение 4 ч при температуре 200 °C. В случае отсутствия термической обработки после вулканизации усадка составила только 2,7%. При этом для тонкостенных изделий усадка была больше, чем для толстостенных изделий.

После того, как отлит стресс-конус для переходной муфты, для сохранения геометрии внутреннего выравнивающего конуса в исходном виде необходимо, чтобы усадка изделия была минимальна.

Таким образом, данная технология обеспечивает надежные электроизоляционные характеристики стресс-конуса, а, следовательно, и муфты в целом, и ее имеет смысл применять в переходной муфте на напряжение 220 кВ. Стресс-конус при этом изготавливается в заводских условиях, в которых могут быть обеспечены высокие требования по чистоте окружающего помещения. Кроме того он проходит приемосдаточные испытания [23], при которых отбраковываются некачественные изделия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ветлугаев Сергей Сергеевич, 2015 год

Список литературы.

1. Пешков И.Б. Кабели и провода. Основы кабельной техники. М.: Энергоатомиздат, 2009. 470 с.

2. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. М.: Л.: Госэнергоиздат, 1960. 327 с.

3. Привезенцев В. А. Основы кабельной техники: Учебное пособие для втузов. М.: Энергия, 1975. 472 с.

4. Liemans D. et al. Qualification of transition joint between oil-filled paper insulated cable and XLPE insulated cable for the 150 kV Belgian network: CIGRE В1-301. 2008. 10 p.

5. Head J.G. et al. Transition joints for connection of AC fluid filled to extruded cables from 33 kV to 400 kV: CIGRE В-108. 2010. 8 p.

6. Makovoz A., Ruth J. 138 kV Transition Joint between High-Pressure Fluid-Filled and XLPE Cables: CIGRE B1-109. 2014. 7 p.

7. Volker Aue, Dietmar Meurer. Transition technologies for HV-cable systems: 8 th International Conference on Insulated Power Cables. Versailles, 2011. p.p. 78-81.

8. Бронгулеева М.Н., Городецкий С.С. Кабельные линии высокого напряжения. М.: Л.: Госэнергоиздат, 1963. 512 с.

9. Accessories for HV with extruded cables: CIGRE 177. 2001. 63 pp.

10. E. Peschke, R. von Olshausen. Cable systems for high and extra high voltage: development, manufacture, testing, installation and operation of cables and their accessories. Berlin, 1999. 288 с.

11. Фурсов П.В. Разработка технологии получения монолитной полиэтиленовой изоляции соединительных и концевых муфт высоковольтных силовых кабелей: дис. на соискание ученой степени к.т.н. М., 2004. 162 с.

12 . Способ изготовления соединительной муфты силовых кабелей с пластмассовой изоляцией: пат. 2001383 Рос. Федерация. Заявлен 14.06.90: опубл. 24.03.93.

13. Концевая муфта силового кабеля с пластмассовой изоляцией: Свидет. РФ на полезную модель № 18022 (035160), кл.7 H 02G 15/02: действует с 28.12.00.

14. Bostrom J-O et al. Reliable HV and EHV XLPE cables: CIGRE, 21-105. 2002. pp.6.

15. Vogelsang R. et al. Silicon technology for reliable performance of joints and terminations for high voltage polymer power cables: 8 th International Conference on Insulated Power Cables. Versailles, 2011. p.p. 635-639.

16. Fukunaga S. et al. Development and commercial use of prefabricated joint for 220 kV XLPE cable: 8th international symposium on high voltage engineering. Japan, 1993. p.p. 217-220.

17. Niinobe H. Compact transition joints for up to 154 kV power cable: 7 th International Conference on Insulated Power Cables. Versailles, 2007. p.p. 641-647.

18. Симсон Г. Силиконы для кабельной арматуры: доклад на конференции Wacker Chemie. Москва, 2012. 23 стр.

19. Стандарт МЭК 60840 Силовые кабели с экструдированной изоляцией и арматура на рабочее напряжение выше 30 кВ (Um = 36 кВ) до 150 кВ (Um = 170 кВ).

20. Стандарт МЭК 62067 Силовые кабели с экструдированной изоляцией и арматура на рабочее напряжение выше 150 кВ (Um = 170 кВ) до 500 кВ (Um = 550 кВ).

21. Силиконовые резины для высоковольтного оборудования: каталог Dow Corning International. 10 стр.

22. David O. Kazmer. Injection Mold Design Engineering. Hanser, Munich, 2007.

23. Guidelines for Maintaining the Integrity of XLPE Cable Accessories: CIGRE 560: WG B1.29. 2013.

24. Geene H. et al. Interfaces in accessories for extruded HV and EHV cables: Electra No. 203. 2002. p.p. 53-59.

25. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. М.: Энергоатомиздат, 1996. 340 с.

26. E. De Ridder et al. Compact 170 kV transition joint: CIGRE 21-110. 2002. 5 p.

27. Шварцман Л.Г. Определение оптимального количества конденсаторных обкладок в концевых муфтах силовых кабелей высокого напряжения: Электротехника №12. М., 1988. 16 с.

28. Шварцман Л.Г. Новый подход к конструированию изоляции муфт силовых кабелей высокого напряжения. М.: Информэлектро, 1990. 54 с.

29. Колечицкий Е.С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983. 168 с.

30. Нейман Л.Р., Калантаров П. Л. Теоретические основы электротехники. М.: Л.: Госэнергоиздат, 1959. 231 с.

31. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физики. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 352 с.

32. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрофизики. М.: Наука, 1985.

33. Миролюбов Н.Н. и др. Методы расчета электростатических полей. М.: «Высшая школа», 1963. 415 с.

34. Колечицкий Е.С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983. 168 с.

35. Вага Н.А. Методика автоматизированного проектирования концевых муфт кабелей с пластмассовой изоляцией: Автореферат дис. к.т.н. М.,1998.

36. Колечицкий E.C. Применение метода интегральных уравнений для расчета потенциальных полей. М.: МЭИ, 1998. 40 с.

37. Ветлугаев С.С. и др. Соединение кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена: Энергетик №12. Москва, 2002. стр. 26-28.

38. Верналь А.Ф., Сизиков В.С. Методы решения интегральных уравнений с программами для ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1978.

39. Шевченко С.Ю., Окунь А. А. Анализ методов расчета электрических полей установок высоких напряжений: Электротехника и электромеханика №4. М., 2010.

40. Ветлугаев С.С. и др. Переходные соединительные муфты на напряжение 110 кВ: Электрические станции №10. М., 2001. стр. 55-59.

41. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез. М.: Наука, 1976. 332 с.

42. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев: «Наукова Думка», 1975. 248 с.

43. Макиенко Г.П., Попов Л.В. Масло-наполненные кабели на 110 кВ. М.: Энергия, 1979. 100 с.

44. Усовершенствование конструкции и технологии монтажа арматуры МНК среднего давления на напряжение 110 и 220 кВ (в части стопорных муфт): отчет №2332-78. Москва, 1978. 58 стр.

45. Akihisa Kuwaki et al. Development of 400 kV XLPE cable and accessories: 7th International Conference on Insulated Power Cables. Versailles, 2007.

46. Peschke E.F. et. al. A new generation of joints for XLPE-insulated extra-high voltage cables: CIGRE 21-204. 1996.

47. Oesterheld J. et al. Optimized design of accessories for 245 kV and 420 kV XLPE cables: CIGRE. 1992.

48. Vasseur E. Development of HV and EHV single piece pre-moulded joint: Jicable. 1995.

49. Резвых К. А. Расчет электростатических полей в аппаратуре высокого напряжения. М.: Энергия, 1967. 120 с.

50. Кучинский Г.С. и др. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

51. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В., Методы теории функции комплексного переменного. Москва, 1973.

52. Городецкий С.С. Испытания кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. М.: Л.: Госэнергоиздат, 1956. 192 с.

53. Грейсух М.А. и др. Бумажно-масляная изоляция в высоковольтных конструкциях, М.: Л.: Госэнергоиздат, 1963. 292 с.

54. Нырков E.C. Кабельные масла и составы: ЦИНТИ Электропром. 1962. 71 с.

55. Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. Л.: ЭНЕРГИЯ, 1972. 290 c.

56. Гинзбург Л.Д. Высоковольтные трансформаторы и дроссели с эпоксидной изоляцией. Л.: Энергия, 1978.

57. Вариводов В.Н. и др. Зависимость электрической прочности литой эпоксидной изоляции от размеров в слабонеоднородном электрическом поле: журнал Электротехника №1. Москва, 1983.

58. Гельман М.З., Мурович В.И. Методы расчета кратковременной электрической прочности изоляции. Новосибирск: Наука, 1974.

59. Филиппов А.А., Петерсон А.Л. Изоляторы элегазовых КРУ. М.: Энергоатомиздат, 1988. 88с.

60. Ostapenko E., Trifonov V., Varivodov V. Long-term dielectric strength of cast epoxy and composite insulators: report CIGRE A3-103. 2004.

61. Long-term performance of SF6 insulated systems: report CIGRE 15-301. 2002.

62. Anderson R.A. et al Pulsed dielectric breakdown of aluminum oxide filled epoxy: SANDIA REPORT. 2001.

63. Fudamoto К. et al. Development of one piece type joint (self pressurized joint) for 400 kV XLPE cable: 7 th International Conference on Insulated Power Cables. 2007. 11-14 p.p.

64. Hwa Jong Kim et al. Development of Pre-Molded Joint for 230 kV XLPE Power Cable: 7 th International Conference on Insulated Power Cables. 2007. 634-638 p.p.

65. Wang Wei et al. Study of 500 kV cable terminal insulation structure: 8th International Conference on Insulated Power Cables. 2011. 694-699 p.p.

66. Geene H. et al. Interfaces in accessories for extruded HV and EHV cables: Electra № 203. 2002. p.p. 98-107.

67. Yoshida S. et al. Development of prefabricated type joint for 275 kV XLPE cable: IEEE International Symposium on Electrical Insulation. Canada, 1990.

68. Hiroaki S. et al. Development of cold-shrinkable joint for 110 kV XPLE cables: Furukawa Review, No.19. 2000. p.p. 97-102.

69. Переходная соединительная муфта для соединения электрических кабелей: пат. на полезную модель 147096 Рос. Федерация. Заявлен 08.05.14: опубл. 27.10.14.

70. Бачурин Н.И. Литая изоляция высокого напряжения. М.: Л.: Госэнергоиздат, 1963. 139 с.

71. Anderson H.C. et al. Development and installation of 138 kV cable systems for tests at EEI Waltz Mill Station: IEEE International Symposium on Electrical Insulation. Portland, 1971.

Приложение 1.

Техническое Задание на разработку дополнительного модуля.

Согласовано Утверждаю

Заместитель заведующего Заведующий отделением кабелей и

отделения №1 проводов энергетического направления

ОАО «ВНИИКП» ОАО «ВНИИКП»

Ю.В. Образцов ^_ М.Ю. Шувалов

« » 2013 г. « » 2013 г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на разработку дополнительного модуля к программному пакету БЬСиТ для электрического расчета переходных соединительных и соединительных муфт

высокого напряжения.

Разработал научный сотрудник С.С. Ветлугаев

Москва 2013 г.

1. Наименование работ

Разработка дополнительного модуля к программному пакету БЬСиТ для оптимизированного электрического расчета переходных соединительных и соединительных муфт на высокое напряжение.

2. Сроки выполнения работы

Дата начала работ - сентябрь 2013 г.

Дата окончания работы - ноябрь 2013 г.

3. Цель и задачи выполнения работы

Данный модуль предназначен для ускорения процесса оптимизации конструкции переходных и соединительных муфт на высокое напряжение, в части электрического расчета.

Разрабатываемый модуль должен вычислять значения напряженности электрического поля в расчетных областях конструкции в зависимости от исходных данных. Расчетная область должна задаваться автоматически, при условии наличия базовой геометрии (рис.1-3).

4. Данные для переходных муфт:

1) и - номинальное рабочие напряжение, кВ;

2) Бж - сечение токопроводящей жилы, соединяемых кабелей, мм2

(таблицы 1,2);

3) А1, А2 - расстояния между электродами, мм (рис.1,2);

4) Я1, Я2, Я3 - радиусы профиля центрального электрода и

выравнивающего конуса, мм (рис.1,2);

5) ф- угол наклона выравнивающего конуса, °;

6) £1, £2, £3, £4 - диэлектрические проницаемости сред;

Длина центрального электрода (на рис.1,2 слева) остается неизменной, при этом радиусы R1 и R2 меняются.

Смещаем только лишь выравнивающий конус (на рис.1,2 справа).

Смещение происходит по оси X на длине L = 200 мм, а также по оси Y (зависит от Бж кабеля). При этом зазор h должен оставаться постоянным (h = const). Величина А будет меняться от А1 = 215 мм, А2 = 415 мм.

Необходимо также предусмотреть возможность изменения величины t1 = 10 мм до t2 = 60 мм, а также изменение угла наклона выравнивающего конуса ф от 1° до 10°.

Для переходной муфты предлагается работать с двумя диапазонами сечений: от 185 мм2 до 800 мм2 и второй от 1000 мм2 до 2500 мм2. В зависимости от выбранного сечения будет меняться диаметр жилы и толщина изоляции кабеля (таблица 1, 2).

Таблица 1

Бж, мм2 185 240 300 400 500 630 800

0ж, мм 16,1 18,3 20,7 23,4 23,4 30,0 34,2

А, мм 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 16,0

Таблица 2

Бж, мм2 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2500

0ж, мм 39,0 42,0 45,3 48,5 51,3 54,3 60,9

А, мм 16,0 15,0 15,0 15,0 14,0 14,0 14,0

Рис.1 Расчетная область переходной муфты для Б = 185 мм2 ^ 800 мм2.

Рис.2 Расчетная область переходной муфты для Б = 1000 мм2 ^ 2500 мм2.

5. Данные для соединительных муфт:

1) и - номинальное рабочее напряжение, кВ;

2) Бж - сечение токопроводящей жилы, соединяемых кабелей, мм2 (таблица

3);

3) А - расстояния между электродами, мм;

4) профиль центрального электрода и выравнивающего конуса должен задаваться 20-ью точками с координатами х и у;

5)81, £2 - диэлектрические проницаемости сред;

По аналогии с переходной муфтой смещать будем только лишь выравнивающий конус (на рис.3 справа). При этом расстояние между электродами будет меняться от А1 = 20 мм, А2 = 150 мм.

Таблица 3

и , кВ 110 220

Бж, мм2 185 400 800 1600 2000 2500 400 800 1600 2000 2500

0ж, мм 16,1 23,4 34,2 48,5 54,3 60,9 23,4 34,2 48,5 54,3 60,9

А, мм 18,0 18,0 16,0 15,0 14,0 14,0 26,0 26,0 24,0 24,0 24,0

0из, мм 52,1 59,4 66,2 78,5 82,3 88,9 75,4 86,2 96,5 102, 3 108, 9

У,мм

X г о т—1 II т—1 -р А1

ер52

>

ерэ! <3

100 200 1 1 1 1 1 1 1 300 400

Х,мм

ТОР

У,мм

- -- А2

Е Т О р^ II си 4-> ер52

N

ерз! У

1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 и

О 100 £00 300 400 ,,

Х,мм

Рис.3 Расчетная область соединительной муфты.

Исполнитель: ООО «Тор» Заказчик: ОАО «Тор»

Директор Генеральный директор