Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Копырюлин, Петр Владимирович

• Копырюлин, Петр Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Копырюлин, Петр Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ 6-220 кВ.

1.1. Сравнительный анализ изоляционных материалов кабельных линий 6220 кВ

1.2. Физико-химические основы твердой полимерной изоляции

1.3. Химическая структура и ее влияние на свойства полимерной изоляции

1.4. Особенности сшивки полиэтилена для главной изоляции кабельных линий 6-220 кВ

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА.

2.1. Основы теплового расчета кабельных линий с изоляцией из сшитого

полиэтилена 6-220 кВ

2.2. Уравнения теплового баланса для кабельных линий 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена

2.3. Математическая модель тепловых процессов в кабельных линиях из сшитого полиэтилена 6-220 кВ

2.4. Математическая модель пропускной способности кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ В ЭКРАНАХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ 6-220 кВ.

3.1. О проблемах ограничения токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена

3.2. Симметричные и несимметричные режимы работы кабелей с изоляцией

из сшитого полиэтилена 6-220 кВ

3.3. Основные расчетные случаи кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ. Определение параметров прямой и нулевой последовательностей

3.4. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220

кВ

3.4.1. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для нормального режима

3.4.2. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для аварийного режима однофазного КЗ

3.4.3. Моделирование напряжений и токов в кабельных линиях с полимерной изоляцией 6-220 кВ

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА 6-220 КВ

4.1. Параметры кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6220 кВ

4.2. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линиях с односторонним разземлением экранов и изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ

4.3. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линий с транспонированными экранами и изоляцией

из сшитого полиэтилена и 6-220 кВ

4.4. Математическая модель коммутационных и дуговых перенапряже-

ний воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий 6-220

кВ

4.5. Феррорезонансные перенапряжения на полимерной изоляции кабельных линий 6-220 кВ

4.6. Выводы

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией»

Введение

Актуальность темы. Кабельные сети 6 ^ 220 кВ являются основой систем энергоснабжения промышленных предприятий, коммунального и бытового электропотребления, поэтому научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности их работы можно считать важной научно-технической проблемой, требующей тщательного исследования и корректного решения.

Повышение надежности кабельных линий (КЛ) с полимерной изоляцией во многом определяет совершенствование методов их проектирования, производства и эксплуатации, реализация которого позволит повысить их пропускную способность, снизить аварийность при воздействиях на изоляцию КЛ мощных электромагнитных помех, минимизировать потери в экранах, улучшить их эксплуатационные свойства и характеристики и т.д.

При совершенствовании эксплуатационных свойств КЛ с полимерной изоляцией наибольший интерес представляют проблемы обеспечения защиты изоляции К Л от грозовых перенапряжений при воздействиях токов молний, приходящих с воздушных линий (ВЛ), а также внутренних, связанных с работой коммутационных и защитных аппаратов. Их ограничение позволяет обеспечить необходимый ресурс полимерной изоляции КЛ и предотвратить возможный недоотпуск электроэнергии в жестких условиях по резервированию в системах электроснабжения.

Значительные проблемы возникают на этапах проектирования и эксплуатации КЛ в связи с необходимостью ограничения продольных токов и напряжений в экранах КЛ. Ограничение токов, индуцируемых в экранах с односторонним разземлением или их транспозицией, приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность оболочки, и тем самым представляют опасность для людей находящихся вблизи КЛ. Потому, необходимо уточнение математических моделей для определения токов и напряжений, индуцируемых в экранах, с целью корректного выбора сечения

экрана, необходимого количества его секций или циклов транспозиции. Углубленное изучение процессов связанных с возникновением продольных токов в экранах, позволит не допустить ввода в эксплуатацию КЛ с заниженным сечением экрана, наличие значительных потерь в котором приводит к ускоренному старению изоляции и снижению пропускной способности КЛ, а в случае не удовлетворения термической стойкости к выгоранию экрана по ходу трассы КЛ.

Не менее важно изучение тепловых процессов, проходящих в КЛ с полимерной изоляцией, учет которых при проектировании позволяет обеспечить требуемую пропускную способность при минимальном сечении жилы КЛ.

Сказанное выше определяет актуальность проблем и темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы разработка положений и рекомендаций, направленных на снижение аварийности, повышение экономичности, корректности проектирования и организации эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией.

Для реализации этой цели проведен анализ и обобщение физико-химических свойств, опыта производства и эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, а также аналитические исследования и компьютерные эксперименты электромагнитных процессов, выполненные с учетом специфики КЛ с полимерной изоляцией, построены математические модели, разработаны мероприятия для повышения их надежности и энергоэффективности работы. Задачи работы, сформулированные в соответствие с поставленной целью.

1. Совершенствование математической модели тепловых процессов в кабельных линиях с полимерной изоляцией.

2. Разработка уточненной математической модели продольных токов и напряжений в экранах в нормальном, аварийном симметричном и несимметричных режимах.

3. Определение параметров математической модели КЛ с полимерной изоляцией для анализа волновых процессов распространения импульсов перенапряжений.

4. Построение статистической модели дуговых и коммутационных перенапряжений, воздействующих на главную изоляцию КЛ 6-220 кВ.

5. Разработка математических моделей волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов К Л 6-220 кВ.

Научная новизна работы заключаются в следующем.

1. Описание волновых процессов импульсных перенапряжений в схеме с транспонированными экранами трехфазной системы с кабелями однофазного исполнения.

2. Создание математических моделей защиты изоляции экранов КЛ с полимерной изоляцией от дуговых, коммутационных и грозовых перенапряжений, а так же индуцируемых токами КЗ.

3. Упрощенная модель токов в экранах при КЗ вне КЛ. Практическая ценность.

1. Рекомендации по обеспечению защиты от перенапряжений, возникающих на полимерной изоляции КЛ.

2. Методика приближенного определения напряжений в узлах транспозиции и одностороннего разземления экранов КЛ с полимерной изоляцией.

3. Совершенствование методики выбора КЛ с полимерной изоляцией по допустимым тепловым воздействиям.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Уточненная математическая модель тепловых процессов в КЛ с полимерной изоляцией.

2. Совершенствование определения продольных токов и напряжений в экранах для нормальных и аварийных режимов.

3. Математическая модель волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.

Основные методы научных исследований. В диссертационной работе были использованы методы математического анализа, физического математического моделирования, теории матриц и математической статистики. Оценка корректности моделирования производилась с учетом опыта эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, данными эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, системным научным обоснованием принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов известных исследований и проведенных автором расчетов и экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах: «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.); «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Екатеринбург, 2010 г.); «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2011 г.); «Электроэнергетика глазами молодежи», (Самара, 2011 г.); «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», (Пенза, 2011-2013 г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по ограничению перенапряжений на полимерной изоляции КЛ переданы в подразделения ОАО «Роснефть», в частности, ОАО «Самаранефтегаз», а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проектэлектро» (г. Самара), ОАО «МРСК Волги» и

ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара). Разработанные методы моделирования процессов в кабельных электрических сетях и системах электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 12 публикациях, в том числе 2 публикации в рецензируемых научных журналах из Перечня, утверждённого ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 121 стр. основного текста и приложение.

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ 6-220 кВ.

1.1. Сравнительный анализ изоляционных материалов кабельных линий

6-220 кВ.

В настоящее время в электроэнергетике России все шире внедряются инновационные решения повышающие надежность, безопасность, энергосбережение и энергоэффективность электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Все перечисленные нововведения в полной мере относятся к КЛ, которые занимают основное место в обеспечении бесперебойного электроснабжения и при этом являются элементами с наибольшей аварийностью.

В последние годы сложилась тенденция замены традиционной твердой изоляции КЛ из кабельной бумаги пропитанной маслом (БПИ), полихлорвинила (ПХВ), полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) на перспективные виды полимерной изоляции. К ним можно отнести сшитый полиэтилен (СПЭ), этилен-пропиленовую резину (ЭПР), их модификации и др. В целом они успешно используются в мировой электроэнергетике и в отечественных ЭССЭ.

В настоящее время в промышленно развитых странах Европы и Америки практически 100% рынка силовых кабелей занимают кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Переход от кабелей с БПИ к кабелям с изоляцией из СПЭ, связан с всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей.

В этом отношении преимущества СПЭ очевидны, а наиболее значимые приведены ниже:

- высокая пропускная способность;

- низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;

- низкая повреждаемость;

- полиэтиленовая изоляция обладает малыми значениями плотности, относительной диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь;

- прокладка на сложных трассах;

- монтаж без использования специального оборудования;

- значительное снижение себестоимости прокладки [1,2].

Применение СПЭ по сравнению с традиционными в поливинилхлоридной изоляции позволяет:

- использовать жилы меньшего сечения при передаче того же потока мощности;

- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей до 90 °С;

- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при коротком замыкании до 250 °С [9].

С целью выявления наиболее актуальных и насущных проблем, как на этапе проектирования, так и эксплуатации и в последующем выбора объекта исследования был проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков традиционных и перспективных видов твердой полимерной изоляции, конструкций КЛ и особенностей их прокладки, монтажа и эксплуатации.

Анализ проводился, прежде всего, со стороны надежности, критериями которой является сравнение характеристик, таких как: стационарные, импульсные токи и напряжения; внешние и внутренние тепловые воздействия; разные виды излучений: световые, ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и др.; химически агрессивные газовые, жидкостные (в том числе вода) среды и грунты; взрывоопасные среды; общее внутреннее увлажнение структур изоляции; подверженность возникновения полостей и трещин в твердой полимерной изоляции; стойкость к механическим деформациям и ударам и др. Сравнение характеристик представлено в таблице 1.1.

Характеристики Виды Комментарии

ЭПР изоляция СПЭ изоляция Бумажная пропитанная изоляция

Температура жилы при работе в номинальном режиме, °С до 105 до 90 до 65-85 При использовании одинаковых сечений, токовая нагрузка КЛ с ЭПР изоляцией выше

Температура жилы при перегрузке, °С 105-140 105- 130 90 Важнейший показатель в стационарных послеаварийных режимах

Температура жилы при КЗ (до 5 сек), °С 250 250 200 Важнейший показатель в аварийных режимах КЗ

Минимальная температура прокладки без предварительного прогрева, °С -15 (выпускаются образцы предназначенные для -40) -15 0 Для СПЭ и ЭПР изоляции наружная оболочка Г1ВХ или безгалогенная композиция

Температурный диапазон эксплуатации, °С -60 -+50 -50-+50 -50-+50 Возможно использование в земле и на воздухе при климатических условиях ХЛ

Удельное термическое сопротивление Хорошее 0,95 м2-К/Вт Среднее 0,82 м2-К/Вт Удовлетворительное 0,75 м2-К/Вт Высокое термическое сопротивление снижает риск деформации в изоляции кабеля

Стойкость к излучениям (свет, УФ, ИК, РГ и др.) Дополнительных защит не требуется Специальные покрытия и экраны поставляются как дополнительные опции Нет данных Необходима при прокладке на открытых местах на воздухе и помещениях. При прокладке в грунте излучений нет

Стойкость к маслам 0,1 % 0,7 % 1,5 % Для «грязных» условий. Стойкость к набуханию и растворению

Радиусы изгибов небронированного не- экранированного кабеля. Гибкость (Он - наружный диаметр кабеля), 7-А, 15-Д, 25-Д, Высокая гибкость кабеля сокращает время установки и упрощает монтаж КЛ

Уровни прокладки Без ограничений Без ограничений Не более 15 м В кабелях с твердой изоляцией отсутству-

ют ограничения по уровням прокладки

Нераспространение горения («Кислородный индекс» КИ) Хорошее (КИ=19) Среднее (*) (КИ=18) Отличное (КИ=20,8 и более) (*)в оболочках типа «нг». Материалы с КИ<21 являются горючими материалами и могут самостоятельно гореть на воздухе после удаления источника зажигания

Тангенс угла ди-электри-ческих потерь (1§5) при температуре 80 °С 7-10"2 810"5 610"3 Потери активной мощности в диэлектрике пропорциональны

Водный триинг (триингостойкость) Хорошая устойчивость При использовании изоляции из СПЭ не необходимы присадки, обеспечивающие устойчивость к водному триингу и гер- метизация Средняя устойчивость Древовидные трещины и полости произвольной формы при наличии воды на поверхности изоляции, а также при наличии включений воды внутри ее из-за несовершенства технологии изготовления.

Применение в сетях с изолированной нейтралью - стойкость к разрушению при однофазном замыкании на зем-лю (033), особенно с дугой (ОДЗ). Хорошая Плохая Хорошая При возникновении ОЗЗ (ОДЗ) в сети с изолированной нейтралью возможно значительное повреждение изоляции СПЭ и возникновение КЗ: 2- фазного Кг и 2~ фазного на землю Ки

Применение во взрывоопасных зонах Да Нет (п.7.3.102 ПУЭ) Да Кабель с ЭПР изоляцией можно использовать во взрывоопасных зонах (есть разрешение Ростехнадзо-ра)

Срок службы не менее 40 лет не менее 30 лет не менее 30 лет Заявленный срок службы обеспечивается при недопущении высыхания БПИ и увлажнения изоляции из СПЭ.

Выносливость при деформациях и ударах да нет нет Снижает риск повреждения кабеля при транспортировке и прокладке

Преимущества кабелей с изоляцией из СПЭ перед кабелями с БПИ [64]:

- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15-30 % больше, чем у кабеля с БПИ);

- больший выдерживаемый ток КЗ;

- меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обеспечивает легкость прокладки кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в земле на любых сложных трассах;

- возможность вести монтажные работы при прокладке кабеля при температурах до -20 °С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;

- низкая удельная повреждаемость, обеспечивающая снижение затрат на ре-монтно-восстановительные работ и уменьшение недоотпуска электроэнергии.

- отсутствие жидких компонентов, что уменьшает время прокладки и стоимость монтажных работ;

- большая передаваемая мощность (однофазная конструкция имеет сечение 800+ 1000 мм2 и более);

- большие строительные длины (до 3 км);

- длительно допустимая температура (90 °С) в 1,5 раза, допустимый нагрев в аварийном режиме (130 °С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая температура при протекании тока КЗ (250 °С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с БПИ [2, 9, 11].

По сумме факторов, кабели с изоляцией из СПЭ более надежны в эксплуатации, требуют меньших расходов на монтаж, реконструкцию и содержание кабельных линий. Это подтверждено почти сорокалетним опытом эксплуатации таких кабелей в большинстве промышленно развитых стран. Например, по данным зарубежных источников, процент электрических пробоев кабелей с изоляцией из СПЭ на два-три порядка меньше, чем у кабелей с БПИ [3].

При сравнении, не малым по значимости фактором, является обеспечение пожарной безопасности и возможность применения во взрывоопасных зонах. В этом отношении наибольшее преимущество имеет ЭПР изоляция, при горении которой не выделяются продукты пиролиза а, следовательно, отсутствует дым и другие газовыделения, в том числе и ядовитые, опасные для людей и современных средств вычислительной техники, автоматики, управления и связи. Помимо превосходства в отношении пожарной безопасности ЭПР изоляция полностью нейтральна по отношению к влаге, что исключает водные триинги (ВТ), как один из самых пагубных дефектов присущих главному конкуренту ЭПР изоляции из СПЭ.

КЛ с БПИ, ПЭ и СПЭ практически не влагостойки и должны быть защищены влагонепроницаемыми полимерными оболочками или покрытиями в виде специального металлического слоя из алюмополимерной ленты, для того чтобы защитить главную изоляцию и предотвратить проникновение воды.

В отношении ограничений уровня прокладки полимерная изоляция имеет преимущества по отношению к БПИ, так как для обеспечения работы последней необходимо осуществлять выравнивание трассы или применять не стекающий маслоканифольный пропиточный состав.

Важнейший показатель изоляции КЛ - стойкость к тепловым длительным и кратковременным воздействиям. Именно она определяет самые существенные технологические, экологические и другие свойства КЛ и, прежде всего, пожарную безопасность. Она определяет допустимые длительные и кратковременные температуры, а также возгорание и выделения ядовитых дымов и газов. В отличие от кабелей с БПИ или маслонаполненной изоляцией, эти кабели обладают высокими электрическими и механическими свойствами и длительным сроком службы среди других типов кабелей выпускаемых серийно.

Отдельные виды ЭПР кабелей выпускаются с длительно допустимой температурой по жиле 105°С, что увеличивает пропускную способность еще на 1520% по сравнению со СПЭ. Однако наибольшее распространение получили

конструкции с температурой по жиле 90°С, как и у кабелей с СПЭ изоляцией, выпускаемых согласно МЭК 60502-2 [66].

Исходя из результатов сравнения характеристик различных видов изоляции, можно сделать вывод о преобладании в ближайшем будущем на рынке кабельной продукции образцов с изоляцией из ЭПР, которые обладают характеристиками превосходящими существующие аналоги внедренные в эксплуатацию электроэнергетики РФ, таких как изоляция из кабельной бумаги пропитанной маслом, полихлорвинила, полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката. Как изоляционный материал ЭПР уступает СПЭ, но имеет ряд преимуществ в отношении монтажа, прокладки, развитии дефектов и удобства эксплуатации [64].

Резиновая изоляция для кабельных линий не является новой, но ее разновидность ЭПР совсем не давно была внедрена в эксплуатацию и пока не получила столь широкого распространения как изоляция из СПЭ, потому кабельные линии с полиэтиленовой изоляцией, ввиду накопленного опыта и выявленного ряда задач требующих решения, представляют больший интерес в качестве объекта исследования.

Одной из них является уточнение математической модели импульсных грозовых перенапряжений приходящих с воздушных линий и внутренних перенапряжений возникающих в следствии коммутации выключателей, перенапряжений индуцируемых в экранах при возникновении КЗ в сети, методика защиты от которых так же требует доработки ввиду высокой статистики выхода из строя КЛ по причине преждевременного износа изоляции.

На этапе проектирования при выборе сечения экрана возникает необходимость минимизации в них потерь, которые, в ряде случаев, могут превосходить потери в жилах. Нагрев экрана, и как следствие главной изоляции, приводит к снижению пропускной способности всей КЛ ввиду ограничения нагрева изоляции до 90 °С, что приводит к удорожанию всей КЛ по причине заниженной пропускной способности или же выбранного сечения большего значения.

1.2. Физико-химические основы твердой полимерной изоляции.

Применение кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 6-220 кВ позволяет решить многие проблемы обеспечения надежного электроснабжения, оптимизировать, а в некоторых случаях даже изменить традиционные схемы сетей. В США и Канаде доля кабелей с изоляцией из СПЭ составляет 85%, в Германии и Дании - 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции в распределительных сетях среднего напряжения используется только кабель с изоляцией из СПЭ [3].

В качестве сырья для производства новых изоляционных материалов используют различные варианты полимерных соединений. Их получают из ненасыщенных углеводородов (мономеров), которые в свою очередь производятся из продуктов крекинга нефти.

Эти вещества относятся к классу полиолефинов. В основе производства по-лиолефинов лежит реакция полимеризации соответствующего исходного субстрата (мономера), относящегося к классу олефинов. За счет раскрытия двойной связи, имеющейся в молекуле мономера, происходит образование высокомолекулярного полимерного продукта:

пСН2=СН2 (- СН2-СН2-)п

мономер полимер

Наиболее известные представители полиолефинов: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полипропилен (ПП), сополимеры этилена с другими мономерами (ПП, винилацетатом), полибутен, полиизобутен (поли-изобутилен), поли-4-метилпентен и т.п. Полиолефины составляют около 60% от объема производимых в мире примерно 150 млн. тонн полимеров [13].

К ценным свойствам полиолефинов, позволяющим использовать их в качестве изоляционных материалов относятся:

• простота переработки;

• малый вес;

• высокая степень кристалличности, что гарантирует прочность и отличные диэлектрические свойства, так необходимые для создания надежной изоляции;

• хорошая ударная вязкость и сопротивление надрыву;

• гибкость (даже при низких температурах);

• выдающаяся стойкость к действию большинства агрессивных химических веществ;

• относительно низкая цена по сравнению с другими пластическими массами [14].

Однако практически все полиолефины характеризуются низким уровнем адгезии - возможностью создания устойчивого соединения с поверхностью металла или других материалов. Это является препятствием для использования их в качестве изоляции. Но данную проблему удается решить за счет улучшения адгезионных свойств путем ввода полярных групп в молекулы исходного вещества в условиях химических производств.

Ценным является тот факт, что комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, к усадке при нагреве, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориен-тационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий. Кроме того, они могут быть изменены с помощью широкого диапазона химических модификаторов: термостабилизаторов, пигментов, антистатиков, скользящих и антиблокирующих добавок, УФ стабилизаторов, и т.д.

Для расширения комплекса нужных свойств, полиолефины перерабатываются методом соэкструзии с различными полимерами, например барьерными -омыленным сополимером этилена с виниловым спиртом (ЕУОН), полиамидом, полиэфирами, адгезивами, соединяющими слои разных полимеров, получая многослойные изоляции со специальными, высокоэффективными свойствами [15].

Среди полиолефинов в качестве электроизоляционных материалов и их компонентов преимущественно используются полиизобутилен, полипропилен,

полиэтилен, которые отличаются структурой элементарных звеньев - мономеров (изобутилена, пропилена и этилена, соответственно).

Молекулярное строение мономеров и состав полимерной композиции воздействуют на ее способность к переработке и на свойства получаемого изделия.

Три основных свойства макромолекул обуславливают большинство свойств, важных для производства изоляции высокого качества:

• средняя молекулярная масса;

• распределение молекулярной массы;

• кристалличность или плотность [13].

Эти молекулярные свойства определяются характеристиками веществ, используемых для производства полиолефинов и условий, в которых они получаются.

Молекулярная масса

Каждый полиолефин состоит из смеси больших и малых цепей, то есть цепей с высокой и низкой молекулярной массой. Молекулярная масса полимерной цепи обычно оценивается тысячами. Среднее число их называется, весьма приблизительно, средней молекулярной массой полимера.

При увеличения средней молекулярной массы возрастает жесткость полимера, прочность при растяжении, и сопротивление к растрескиванию под влиянием напряжений окружающей среды (трещин, возникающих в случае, когда изоляция подвергнута напряжениям в присутствии жидкостей типа растворителей, масел, моющих средств, и т.д.) [16].

Распределение молекулярной массы

Относительное распределение больших, средних и малых молекулярных цепей в полиолефине важно для его свойств. Когда большинство молекулярных цепей в полимере обладают длиной близкой к средней длине, полимер, как считают, обладает "узким распределением молекулярной массы ".

Полиолефины с "широким распределением молекулярной массы" представлены более широкой разновидностью длин цепей. Обычно полимеры с уз-

ким распределением молекулярной массы обладают большим сопротивлением растрескиванию под напряжением и лучшими оптическими свойствами. Полимер с широким распределением молекулярной массы обычно обладает большей ударной вязкостью и большей легкостью переработки [17].

Кристалличность или плотность.

В процессе полимеризации мономеров создается смесь молекулярных цепей изменяющихся длин. Некоторые цепи короткие, в то время как другие чрезвычайно длинные, и содержат несколько сотен тысяч мономерных звеньев. В цепи полиэтилена имеются многочисленные боковые ответвления. На каждые 100 единиц этилена в молекулярной цепи существует приблизительно от одного до 10 коротких или длинных ответвлений. Чем более разветвленную структуру имеет полимер, тем больше его резиноподобные свойства, но ниже твердость [14].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Копырюлин, Петр Владимирович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зевин М.Б., Трифонов А.Н. Электромонтер кабельщик. М.: Высшая школа, 1989.

2. Зуев Э.Н. Основы техники подземной передачи электроэнергии: Учеб. пособ. Для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1999.

3. Канискин В. А., Михасев С.Ю., Троицкий Л.К., Халилов Ф.Х., Шилина H.A. Проблемы внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в сети средних классов напряжения // Электромагнитная совместимость в электроэнергетике, 2007.

4. Проспекты и инструкции фирмы «АББ Москабель»: кабельные системы с изоляцией из сшитого полиэтилена. 2007.

5. Проспекты и инструкции фирмы «Nexans»: кабельные системы высокого напряжения 110-500 кВ. 2007.

6. Силовые кабели фирмы Pirelli Cables and Systems Oy. Проспекты, 2005.

7. Каталог 2010/2011 фирмы «Tyco Electronics»: высоковольтная кабельная арматура. 2010.

8. Каталог 2011/2012 фирмы «Tyco Electronics»: кабельная арматура. 2011.

9. Войтович P.A., Кадомская К.П. Влияние конструктивных параметров кабельных линий на их эксплуатационные характеристики // Электричество. - 1995. -№ 11.-С. 8-14.

10. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г. Сравнительный анализ перспективных видов изоляции кабельных линий электропередачи // Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 20-22.

11. Копырюлин П.В., Поляков B.C., Косорлуков И.А. Зависимости тангенса дельта бумажно-масляной изоляции, использующегося при измерении под рабочим напряжением // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2011. - №3 - С. 96-99.

12. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996. С. 464.

13. Серебряков A.C. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы. - М.: Маршрут, 2005. С. 280.

14. Тутов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров.-М.:Химия, 1989. С. 432.

15. Электрические свойства полимеров. Под редакцией Сажина Б.И.-Л.:Химия, 1977. С. 192.

16. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. -М.:Химия, 1971. С. 344.

17. Бартенев Г.М., Френкель С .Я. Физика полимеров.-Л. :Химия, Лен.отд., А 1990. С. 432.

18. Казанцев А.П. Электротехнические материалы. Издательство Дизайн ПРО, 1998. С. 93.

19. Казаков A.B., Труфанова Н.М. Автоматизированное управление процессом экструзионного наложения многослойной полимерной изоляции Журнал «Вестник Ижевского государственного технического университета» Ижевск 2012 №2(54). С. 132-135.

20. Субботин Е.В., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Численное исследование процессов течения полимеров в условиях фазового перехода в винтовых каналах экструдеров при производстве пластмассовой изоляции Журнал «Известия Томского политехнического университета» Томск 2012 Т. 320. № 4. С. 171-177.

20. Казаков A.B., Труфанова Н.М. Численные исследования режимов стратифицированного течения и методика управления процессом экструзионного наложения многослойной изоляции Журнал «Известия Томского политехнического университета» Томск 2012 Т. 320. № 4. С. 167-171.

21. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Кандаков С.А. Кабели 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Требования к прокладке // Новости электротехники. -2005.-№6(36). С. 81-83.

22. Верюгин Д.П., Труфанова Н.М., Щербинин А.Г. Исследование процессов теплообмена кабельных линий, проложенных в земле Материалы III Междуна-

родной интернет-конференции «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика (Тш^есИ 2011) Пермь, ПНИПУ, 2012.

23. Навалихина Е.Ю., Труфанова Н.М. Влияние естественной и вынужденной вентиляции на процессы, протекающие в кабельном канале Журнал «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления» Пермь, 2012 №6, С. 136-142.

24. Кадомская К.П., Голдобин Д.А., Каплан Д.А. Координация изоляции высоковольтного кабельного электрооборудования 110-500 кВ // Состояние и перспективы электрической изоляции в кабельной технике : тез. докл. науч.-техн. совещ., Ташкент, 11-13 окт. 1977 г.-Ташкент, 1977. С. 58-61.

25. Таджибаев А.И., Титков В.В. Математические модели и оценка состояния электроустановок на основе анализа температурных пространств. СПб.: ПЭ-ИПК, 2005. С. 76.

26. Канискин В.А., Сажин Б.И. Основы кабельной техники (учебное пособие).-Л.-.ЛПИ им. М.И. Калинина, 1990. С. 87.

27. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования, СПб, 2008.

28. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. СПб.: Издательство Сизова М.П., 2004. С. 304.

29. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учебник для вузов и факультетов. М.: Энергия, 1970. С. 519.

30. Нейман Л.Р., Демирчян К.С., Теоретические основы электротехники. Т1,-Л.-.Энергия, 1967.

31. Кияткина М.Р. Расчет токов в экранах фазных кабелей трехфазной линии // XXXIX международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. С. 38-40.

32. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г. Ограниченйе токов короткого замыкания в экранах силовых кабелей // Сб. статей по 4 международной научно-

практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 17-20.

33. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г., Танаев А.К. Способы борьбы с индуктированными токами в экранах однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-110 кВ // Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 28-31.

34. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования, СПб, 2008.

35. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные кабели 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Расчет заземления экранов // Новости Электротехники. 2007. № 5(47).

36. Кадомская К. П., Лавров Ю.А., Долгина О. М. Ограничение токов короткого замыкания в экранах кабелей высокого напряжения с пластмассовой изоляцией / // Разработка, исследование и эксплуатационные испытания кабельных изделий : тез. докл. Всесоюз. науч. совещания. -М. : Информэлектро, 1986 - С. 20-22.

36. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция экранов кабелей // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. №2-1. С. 202-2.06.

37. Международный стандарт МЭК № 60287, 2006.

38. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ // Новости Электротехники. 2007. № 2(44).

39. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г. Анализ способов ограничения продольных токов в экранах однофазных кабелей трехфазной системы // Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» - Иваново, 2013. С. 254-256.

40. Дмитриев М.В., Кияткииа М.Р. Транспозиция однофазных кабелей и транспозиция их экранов // Энергетик. 2012. №4. С. 24-27.

41. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Хорошева О.М. Анализ эффективности мер ограничения токов в экранах при коротких замыканиях высоковольтных кабелей с пластмассовой изоляцией // Электротехника. - 1988. -№ 12. С. 2-5.

42. Кадомская К.П., Лигай Н.В., Хорошева О.М. Токи короткого замыкания в кабелях с пластмассовой изоляцией при внутренних коротких замыканиях // Изв. высш. учеб. заведений. Сер.: Энергетика. - 1992. -№ 3. С. 27-33.

43. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Кабельные линии 6-500 кВ. Транспозиция однофазных кабелей и их экранов // Новости электротехники. 2011. №1(67). С. 36-38.

44. Заболотников А.П., Кадомская К.П., Тихонов A.A. Математическое моделирование и перенапряжения в электрических сетях 6 ... 35 кВ // Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1993. С. 158.

45. Быкадоров В.Ф., Березкин Е.Д. Принципы автоматизации расчета удельных параметров силовых кабельных линий и токопроводов. Известия ВУЗов «Электромеханика», 1999, №1, С. 55-57.

46. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г., Севостьянова О.М. О проблемах обеспечения электромагнитной совместимости при передаче перенапряжений в электроустановках 0,4 - 35 кВ //Вестник СамГТУ. -2013. -№1 - С. 180-191.

47. Кадомская К. П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения : [монография] // Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1997. С. 141.

48.Дузкенова Ж.А., Кадомская К.П. Упрощённая математическая модель для исследования волновых процессов в кабельных линиях высокого напряжения // Техника и электрофизика высоких напряжений : сб. науч. тр. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1994. С. 21-30.

49. Инкин А.И., Кадомская К.П., Сахно В.В. Определение индуктивности корродирующего участка кабельной линии высокого напряжения // Науч. вестн, НГТУ. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2001. -№ 2 (9). С. 125-131.

50. Костенко М.В., Гумерова Н.И., Данилин А.Н. и др. Волновые процессы и перенапряжения в подземных линиях. СПб.: Энергоатомиздат Санкт-Петербургское отд-ние, 1991. С. 232.

51. Кадомская К.П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. С. 141.

52. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г., Танаев А.К. Импульсные перенапряжения на экранах кабелей 6-110 кВ в различных режимах работы // Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» — Пенза, 2013. С. 25-28.

53. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г. Анализ перенапряжений воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий 6-110 кВ // Международная научно-практическая конференция «Закономерности и тенденции развития науки в современном обществе» - Уфа, 2013. С. 154-157.

54. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г., Засыпкин И.С. Электромагнитная совместимость при передаче перенапряжений в электроустановках 0,4-35 кВ // Международная конференция «Инженерная поддержка инновации и модернизации» - Екатеринбург, 2010.-Выпуск 1 - С. 162-165.

55. Кадомская К. П., Лавров Ю.А. Анализ грозовых перенапряжений в типовых схемах использования кабелей с пластмассовой изоляцией 110-220 кВ // Перенапряжения и надёжность эксплуатации электрооборудования : материалы ме-ждунар. науч.-техн. конф., Минск, 5-9 апр. 2004 г. - СПб. : ПЭИПК, 2004. -Вып. 3. С. 305-313.

56. Кадомская К.П. Перенапряжения в энергосистемах. Ч. 1. Волновые процессы в ВЛ и КЛ : учеб. пособие // Новосибирск : НЭТИ, 1980. С. 100.

57. Костенко М.В. и др. Волновые процессы и перенапряжения в подземных линиях. Санкт-Петербург. Энергоатомиздат, 1991.

58. Голдобин Д.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Волновые процессы и перенапряжения в кабельных линиях высокого напряжения. Учебное пособие. Изд. Новосибирского электротехнического института. Новосибирск, 1987.

59. Копырюлин П.В., Гольдштейн В.Г., Алтунин М.В., Танаев А.К. Дуговые, коммутационные и феррорезонансные перенапряжения воздействующие на изоляцию кабельных линий 6-35 кВ // Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 22-25.

60. Половой И.Ф., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения. Энергоатом-издат, ЛО, 1986.

61. Костенко М.В. и др. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука: Ленингр. отделение, 1988. С. 302.

62. Кадомская К.П., Базуткин В.В., Костенко М.В., Михайлов Ю.А. Перенапряжения в электрических сетях и защита от них // СПб. : Энергоатомиздат, 1993. С. 600.

63. Труфанова Н.М., Навалихина Е.Ю. Математическое моделирование и управление пропускной способностью кабельных линий в подземном канале Журнал, «Электротехника» Москва 2012 №11. С. 10-14.

64. Копырюлин П.В., Горбушкин М.А., Косорлуков И.А., Рыгалов АЛО. Планирование ремонтов электрооборудования электроэнергетических систем //Сб. докладов по международной молодежной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» том 2. - Самара: СамГТУ, 2011. - С. 314-318.

65. Копырюлин П.В., Горбушкин М.А., Косорлуков И.А. Анализ диагностических параметров при оценке технического состояния электроустановок // Сб. тез.докл. семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва: Издатель-

ский дом МЭИ, 2011. - Т.З -С. 358-359.

66. Кадомская К.П., Сахно В.В. Диагностика скрытых дефектов в силовых кабелях с пластмассовой изоляцией // Электроэнергетика : сб. науч. тр. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002. - Ч. 2. - С. 138-148.

67. Колкунова И., Кадзов Г.Д., Титков В.В., Таджибаев А.И. Исследование тепловых режимов в ограничителях перенапряжения при различных повреждениях. Междунар. научн.-технич. конф. «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования». Выпуск 1, Междунар. конф. С.-Петербург, 2003.

68. Техника высоких напряжений. /Под ред. М.В. Костенко. М. Высшая школа, 1973.

69. Защита сетей 6-35 кВ. Под ред. Ф.Х. Халилова, Евдокунина Г.А., Таджибаева.

70. Техника высоких напряжений. Под ред. проф. Г.С. Кучинского. Учебное пособие для вузов. Энергоатомиздат, 2003.

71. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ РАО «ЕЭС России». Разработчики ОАО «Институт энерго-сстьпроект», ОАО «ВНИИЭ», НТК «Эл.-проект», Москва 2000.

72. Гольдштейн В.Г. О проблемах электромагнитной совместимости в электроснабжении, электротехнических комплексах и системах. Вестник СамГТУ. Серия "Технические науки". Выпуск 13. -Самара, 2001. - С. 219-224.

73. Гиндулин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон A.A., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. Энергоатомиздат, 1989.