Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ известных конструкций концевых и соединительных муфт, технологии их изготовления, опыта монтажа, испытаний и эксплуатации муфт. Формулирование целей и задач диссертационной работы 13
1.1. Анализ известных конструкций соединительных муфт, факторов, влияющих на их характеристики и технологии изготовления 13
1.2. Конструкции концевых муфт для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена 29
1.3. Опыт испытаний, монтажа и эксплуатации муфт силовых кабелей с пластмассовой изоляцией 36
1.4. Анализ надежности муфт 40
1.5. Анализ опыта монтажа, испытаний и эксплуатации. Цели и задачи диссертации 42
Глава 2. Расчет технологического процесса изготовления соединительной муфты 47
2.1. Физические процессы и химическая кинетика процесса сшивания молекул полиэтилена с применением перекиси дикумила 47
2.2. Условия роста газовых включений 50
2.3. Экспериментальные исследования образования газовых включений в процессе сшивания молекул полиэтилена 54
2.4. Особенности процесса охлаждения полиэтилена после проведения процесса сшивания
2.5. Расчет процесса кондиционирования изоляции муфты 63
2.6. Тепловой расчет технологического процесса изготовления соединительной муфты для кабеля высокого напряжения со сшитой полиэтиленовой изоляцией (стационарный тепловой режим) 68
2.7. Расчет процесса охлаждения изоляции муфты после ее термообработки 77
2.8. Основные выводы по главе 2 85
Глава 3. Практическая разработка технологии монтажа муфт 86
3.1. Соединение жил кабелей 89
3.2. Восстановление электропроводящего экрана по жилам кабелей в месте их соединения 91
3.3. Намотка ленточной изоляции соединительной муфты 94
3.4. Термообработка муфты 99
3.4.1. Общие положения по выбору температурных режимов... 99
3.4.2. Процесс плавления ПЭ лент и вытеснения воздуха 100
3.4.3. Химическая сшивка материала изоляции муфт 102
3.4.4. Охлаждение изоляции муфты 104
3.4.5. Кондиционирование изоляции муфты 105
3.5. Оценка качества получаемой изоляции СМ 107
3.6. Разработка концевых муфт с монолитной изоляцией из сшитого полиэтилена 110
3.7. Разработка переходной соединительной муфты для соединения кабелей ПО кВ с изоляцией из СПЭ с маслонаполненными кабелями низкого давления 117
3.8. Основные выводы по главе 3 125
Глава 4. Исследование электрической прочности монолитной полиэтиленовой изоляции и оценка надежности СМ 127
4.1. Общие положения 127
4.2. Исследования характеристик ЧР в изоляции СМ 128
4.3. Исследование технологических факторов, влияющих на электрическую прочность СМ
4.4. Исследования импульсной электрической прочности монолитной изоляции соединительных муфт 140
4.5. Оценка допустимой напряженности электрического поля в монолитной изоляции СМ
4.6. Расчеты электрических полей при разработке конструкций муфт 147
4.7. Оценка надежности соединительных муфт 151
4.8. Основные выводы по главе 4 153
Глава 5. Разработка комплекса оборудования для монтажа СМ, КМ, КМ элегазовых вводов, КМ кабельных вводов в трансформаторы и соединительных переходных муфт на напряжение 110 кВ 155
5.1. Общие требования к оборудованию для монтажа муфт 155
5.2. Разработка оборудования для монтажа СМ 155
5.3. Разработка оборудования для монтажа соединительных переходных муфт предназначенных для соединения маслонаполненных кабелей низкого давления с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110 кВ 157
5.4. Разработка оборудования для монтажа КМ, КМ элегазовых вводов и КМ кабельных вводов в трансформаторы на напряжение ПО кВ 158
5.5. Основные выводы по главе 5 158
Выводы 159
Список литературы 162
- Конструкции концевых муфт для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
- Экспериментальные исследования образования газовых включений в процессе сшивания молекул полиэтилена
- Восстановление электропроводящего экрана по жилам кабелей в месте их соединения
- Исследования характеристик ЧР в изоляции СМ
Введение к работе
Актуальность темы. Важным элементом всех кабельных линий электропередачи высокого напряжения являются концевые и соединительные муфты. Муфты зачастую представляют собой самостоятельные сложные конструкции, имеющие внутреннюю и внешнюю изоляцию. Муфты монтируют в полевых условиях, и одной из их особенностей является неоднородное электрическое поле в изоляции. Надежность и эффективность работы кабельных линий электропередачи на напряжение И 0 кВ и выше во многом определяется конструкцией и технологией монтажа соединительных и концевых муфт. При этом решающее значение условия монтажа муфт приобретают в случае монтажа муфт на высоковольтных кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена, электрическая прочность которых в значительной степени зависит от загрязнений и пустот.
В нашей стране разработка первых концевых и соединительных муфт была начата в 80 - х годах. На начало 2002 г. протяженность кабельных линий на напряжение ПО кВ, выполненных кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена, составляет более 300 км (в том числе в системе Мосэнерго 163,6 км) с общим количеством концевых и соединительных муфт более 2200 единиц.
Практически изоляция всех первых муфт в нашей стране выполнялась путем намотки из полиэтиленовых лент с введенной перекисью дикумила; намотка из лент затем термически обрабатывалась в прессформах с подвижным вкладышем до получения монолита. Технология соединения кабелей с использованием прессформ с подвижным вкладышем и конструкции первых соединительных муфт обладали рядом существенных недостатков. Перемещение подвижного элемента прессформы, который устанавливался на поверхности кабеля, приводило к деформации изоляции кабеля, а иногда и к разрыву изоляции и (или) электропроводящих экранов кабеля.
Поверхность муфты после прессования получалось неровной, и требовалась ее ручная обработка режущим инструментом и шлифовальной шкуркой, что приводило к значительным трудозатратам и требовало высокой квалификации монтажного персонала.
Кроме того, наружный электропроводящий экран муфт выполнялся из электропроводящей эмали со сложной технологией его нанесения и нестабильными характеристиками, что проявилось при эксплуатации первых муфт. Эти недостатки потребовали нового подхода к технологии монтажа арматуры.
Как показывает анализ состояния вопроса с арматурой для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, в настоящее время в ФРГ, Японии, Франции и других странах имеется множество конструкций соединительных и концевых муфт. При многообразии конструкций, в литературе полностью отсутствует описание процесса их изготовления и технологии монтажа. Очевидно, что фирменные решения содержат «ноу-хау» и не подлежат открытым публикациям. Проведенный анализ существующих конструкций арматуры показал, что требуется обоснованный выбор оптимальной технологической схемы и режимов термической обработки усиливающей изоляции муфт. Необходима разработка научно обоснованных методов расчета технологических режимов монтажа муфт.
Актуальным вопросом является не только разработка оптимальной технологической схемы, но и ее практическое воплощение - создание комплекса оборудования, обеспечивающего возможность проведения монтажа концевых и соединительных муфт на наиболее массовых кабелях на напряжение 110 кВ.
Имеется ряд публикаций по электрическим характеристикам полиэтиленовой изоляции кабеля, получены интересные в научном и практическом отношении данные о воздействии импульсного напряжения, влиянии и видах загрязнений, температуры на импульсную прочность и т.п.
7 Однако к настоящему времени не исследованы электрические характеристики усиливающей монолитной полиэтиленовой изоляции муфт, отсутствует методика расчета соединительных муфт с такой изоляцией.
Особое место в этом списке занимает специальная арматура - кабельные вводы в элегазовые распределительные устройства или трансформаторы, которые позволяют производить прямое соединение кабеля с шиной распределительного устройства и обмоткой трансформатора. В последние годы появилась потребность в особом виде соединительных муфт - переходных соединительных муфт.
В энергосистемах в ряде случаев возникает необходимость замены участков старых кабельных линий, выполненных маслонаполненным кабелем низкого давления, на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Иногда такая замена связана с наличием участков маслонаполненного кабеля, в которых имеются течи масла. По экономическим или другим соображениям не всегда имеется возможность полной замены всей длины маслонаполненной кабельной линии на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена. Поэтому энергосистемы вынуждены менять маслонаполненный кабель по участкам (по строительным длинам). Решающее значение приобрела проблема соединения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и маслонаполненного кабеля при перекладке линий на напряжение 110 кВ в г. Москве в связи со строительством третьего транспортного кольца. В этой связи возникла задача соединения кабелей с разнородной электрической изоляцией, которая может быть решена путем! использования переходных соединительных муфт.
При проведении исследований по технологии вулканизации изоляции муфт под давлением азота в рамках настоящей работы были предложены конструктивные и технологические решения по изготовлению усиливающей изоляции для специальной арматуры - вводов в элегазовые распределительные устройства и трансформаторы. На технологическое решение «Способ
8 изготовления соединительной муфты силовых кабелей с пластмассовой изоляцией» в 1993 г. был получен патент Российской федерации.
Таким образом, проблема выбора конструкции муфт и связанной с ней технологической схемы монтажа, теоретическое и экспериментальное обоснование выбранной технологии монтажа является актуальной задачей, решение которой обеспечит устойчивость и надежность работы существующих кабельных линий, а также возможность разработки новых кабельных линий электропередачи на напряжение свыше 110 кВ.
Комплекс работ, положенных в основу диссертации направлен на выполнение решения ОАО «Мосэнерго» №54-44/2225 от 25.10.1999 г об организации производства муфт для кабеля с пластмассовой изоляцией на напряжение 110 кВ на базе отечественных комплектующих.
Цели работы. Целями работы являются:
разработка технологической схемы получения монолитной сшитой ПЭ усиливающей изоляции муфты, сформированной из ПЭ лент под давлением газообразного азота с использованием в качестве мембраны термоусаживаемой трубки;
разработка конструкции КМ, КМ элегазовых вводов и кабельных вводов в трансформаторы для кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение ПО кВ;
разработка конструкции соединительной переходной муфты, предназначенной для соединения маслонаполненных кабелей низкого давления с кабелями с изоляцией из СПЭ на напряжение 110 кВ;
разработка комплекса оборудования для монтажа СМ, КМ, КМ элегазовых вводов, КМ кабельных вводов в трансформаторы и соединительных переходных муфт на напряжение 110 кВ.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
провести экспериментальные и теоретические исследования технологических режимов формирования из ПЭ лент монолитной сшитой изоляции СМ;
разработать методы расчета технологических режимов нагрева и охлаждения при прессовании изоляции СМ;
провести экспериментальные исследования импульсной электрической прочности СМ и на их основе, для разработанной технологии, уточнить допустимую толщину монолитной усиливающей изоляции СМ;
оценить влияние технологических факторов на увеличение напряженности электрического поля в изоляции СМ;
экспериментально оценить эффективность применения условий «чистых» помещений при изготовлении ПЭ лент и намотке изоляции для снижения размера и количества инородных включений в изоляции СМ;
оценить влияние толщины изоляции и температуры жилы кабеля на импульсную электрическую прочность СМ;
разработать конструкцию элемента регулирования электрического поля для монолитной усиливающей изоляции КМ, КМ элегазовых вводов, КМ кабельных вводов в трансформаторы и соединительных переходных муфт.
Научная новизна. Предложена физико-математическая модель процесса нагрева изоляции СМ в условиях стационарного теплового режима и разработан численный метод расчета режима вулканизации изоляции СМ.
Теоретически показано, что при охлаждении монолитной изоляции СМ под давлением азота, находящимся в пределах 0,6 - 0,8 МПа, условием отсутствия газовых включений в изоляции является превышение температуры центральных слоев изоляции (при температуре фазового перехода) над температурой внешнего слоя изоляции не более чем на 15-20С.
Предложена физико-математическая модель процесса охлаждения изоляции СМ и разработан метод расчета охлаждения в условиях нестационарного теплового режима с учетом зависимости температуры прессформы от времени охлаждения.
Теоретически и экспериментально оценено влияние технологических факторов на электрическую прочность, и увеличение напряженности электрического поля в изоляции СМ.
На основе экспериментальных данных по определению импульсной электрической прочности СМ уточнена допустимая толщина изоляции СМ, изготовленных по разработанной технологии газовой вулканизации.
Экспериментально показано, что при увеличении толщины изоляции и температуры жилы кабеля импульсная электрическая прочность СМ приближается к электрической прочности кабеля.
Практическая ценность. Разработанная технологическая схема получения монолитной сшитой полиэтиленовой усиливающей изоляции под давлением азота применена при монтаже СМ, КМ, КМ вводов в элегазовые устройства и трансформаторы и переходных соединительных муфт для кабеля на напряжение 110 кВ с изоляцией из СПЭ.
Разработанная технологическая схема получения монолитной усиливающей изоляции может быть использована при разработке усиливающей изоляции СМ для кабелей на напряжение до 400 кВ включительно.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены :
- в виде конструкций СМ, соединительных переходных муфт, КМ, КМ
элегазовых вводов и КМ кабельных вводов в трансформаторы для кабелей с
изоляцией из СПЭ на напряжение 110 кВ;
- при осуществлении монтажа более 360 соединительных и 160
переходных соединительных муфт на напряжение 110 кВ в системе Мосэнерго;
-в инструкции по монтажу переходных соединительных муфт ИМП-1-К110 - разработана в 1998 г. для предприятий ОАО «Мосэнерго», ЗАО «АББ Москабель», Киевэнерго;
-в инструкции по монтажу соединительных муфт типа SSJ - 400 -разработана в 1997 г. для фирмы SIEMENS (г. Берлин, Германия);
-в инструкции по монтажу концевых и соединительных муфт по газовой технологии вулканизации ИКВП-Г-110, ИСВП-Г-110 разработаны в 2002 г. для предприятий ОАО «Мосэнрго», ОАО «Экспокабель»;
-в инструкции по монтажу ввода в КРУЭ по газовой технологии вулканизации ИКВП-Г-110 - разработана для предприятий ОАО «Севкабель», НПО «Электроаппарат» в 2002 г;
-в виде технических условий: ТУ 16.К71-284-1999 «Муфты переходные соединительные на напряжение 110 кВ»; ТУ 16.К71.301-2000 «Муфта концевая для кабеля силового с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110 кВ», ТУ 16.К71.318-2002 «Муфты соединительные для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ»;
- в 2002 году на заводе «Серп и Молот» смонтировано 6 кабельных вводов
в трансформаторы типа КВТП-М-110, в 2003 году смонтированы семь КМ типа
МКПв-Г-110;
- продана лицензия на технологию монтажа соединительных муфт,
предназначенных для соединения кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение
132 и 220 кВ (Индия, фирма CCI);
разработанная технология использована при выполнении кооперационного соглашения с фирмой Siemens (Германия) по разработке СМ для кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 400 кВ.
Основные положения, представляемые к защите: результаты экспериментальных и теоретических исследований технологических режимов формирования монолитной сшитой полиэтиленовой изоляции муфт из полиэтиленовых лент;
результаты экспериментальных и теоретических исследований
электрических характеристик соединительных муфт с монолитной полиэтиленовой изоляцией на напряжение ПО кВ;
методы расчета режимов вулканизации и охлаждения усиливающей
изоляции соединительных муфт;
конструкции концевых муфт, концевых муфт элегазовых вводов и
концевых муфт кабельных вводов в трансформаторы на напряжение 110 кВ.
конструкция соединительной переходной муфты, предназначенной для
соединения маслонаполненных кабелей низкого давления на напряжение 110 кВ с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена;
комплекс оборудования для монтажа соединительных, соединительных
переходных муфт, концевых муфт и муфт вводов в элегазовые устройства и трансформаторы на кабеле на напряжение 110 кВ. Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- секции НТС ВНИИКП «Кабели и провода энергетического назначения»
в 1998 г и в 2002 г.;
- заседании секции электрических сетей НТС АО «Ленэнерго» в 2002 г.;
Основные результаты работы опубликованы в 10 статьях. По результатам
работы получен патент Российской Федерации и свидетельство на полезную модель.
Структура и _объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, содержащих результаты работы, заключения и списка литературы. Материал изложен на 138 страницах текста и иллюстрирован 44 рисунками. Список литературы содержит 76 наименований.
Конструкции концевых муфт для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
Чтобы иметь представление о технологии изготовления арматуры для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена целесообразно рассмотреть конструкции концевых муфт таких кабелей.
Необходимость вывода жилы для присоединения к токовому наконечнику в концевой муфте приводит к неоднородности электрического поля в изоляции муфты и появлению продольной составляющей электрического поля. Исследования [34] показывают, что простое увеличение длины изоляции при разделке кабеля, по которой происходит развитие разряда, начиная с некоторой величины не дает существенного эффекта, так как напряженность электрического поля в месте среза экранов по изоляции кабеля практически не зависит от длины изоляции.
В конструкции дополнительной (усиливающей) изоляции концевых муфт для снижения напряженности электрического поля применяются различные способы регулирования, обеспечивающие необходимый допустимый уровень напряженности электрического поля в изоляции [2, 8, 13]: 1. с помощью наружных и внутренних электродов; 2. с использованием конденсаторных обкладок или конденсаторных элементов; 3. при помощи слоя изоляции с высокой диэлектрической проницаемостью (еД В этой связи все конструкции концевых муфт, включая муфты кабельных вводов в комплектные распределительные устройства и трансформаторы, по способу регулирования электрического поля можно разделить в основном на три типа: 1) муфты с выравнивающим конусом и наружным изолятором; 2) муфты с конденсаторным конусом и наружным изолятором; 3) муфты со вспомогательным отклоняющим слоем, имеющим высокую диэлектрическую проницаемость є,., который накладывается у края экрана по изоляции кабеля в концевой муфте.
Третий тип муфт в основном применяется на кабелях среднего напряжения 6-35 кВ, а в концевых муфтах на напряжение 110-190 кВ этот вид регулирования, по данным опроса подкомитетом СИГРЭ энергосистем, применялся в 1992 г только в 0,3% концевых муфт [13].
Наиболее распространенная концевая муфта на напряжение ПО кВ (до 65% всех муфт в мире) имеет выравнивающий конус, который, как показано на рис. 1.7, устанавливается внутри изолятора на подготовленный конец кабеля. Изолятор может изготавливаться из фарфора, термореактивной смолы или иметь композитную конструкцию с жестким сердечником цилиндрической или конической формы, на который устанавливают или отливают юбки из эластомерного материала.
Выравнивающий конус может быть изготовлен на заводе в виде одной детали, например, из эластомерного материала [1, 32], или в виде двух деталей (изоляционного конического элемента и раструбного экранирующего элемента) [13, 47]. Сердечник кабеля может обматываться полимерной или бумажной лентой до определенного диаметра, необходимого для установки выравнивающего конуса. Вопрос установки выравнивающего конуса на изоляции кабеля так же, как и в случае соединительных муфт, является шМ » 1 - клапан для контроля давления в расширителе; 2; 3 - наружный экран муфты; 4 - фарфоровый изолятор; 5,6,9 - элементы уплотнения муфты. наиболее важным этапом монтажа муфт. Отмечаются технические трудности при разработке муфт с эластомерным выравнивающим конусом:[11]: 1. обеспечение давления эластомерного элемента на ПЭ изоляцию кабеля (на уровне 0,4 МПа) и высоких электроизоляционных свойств на границе раздела изоляции кабеля и эластомерной изоляции; 2. создание условий для регулирования напряженности электрического поля в осевом и радиальном направлениях при выборе соответствующего профиля электропроводящего электрода выравнивающего конуса концевой муфты; 3. снижение влияния температурного расширения изоляции кабеля; 4. обеспечение простоты монтажа. Для устранения этих трудностей в некоторых конструкциях муфт эластомерныи выравнивающий конус устанавливают в изоляторе в конической отливке из термореактивной (например эпоксидной) смолы (рис. 1.8) [4]. Давление выравнивающего конуса на кабель при этом поддерживается с помощью металлических пружин. Отмечается, что при циклическом изменении нагрузки в кабеле давление на границе изоляции кабеля и выравнивающего конуса может изменяться от 0,3 до 0,5 МПа.
Все концевые муфты, которые были смонтированы в энергосистемах России [36], в основном относятся к муфтам с выравнивающим конусом и наружным изолятором. Концевые муфты, в том числе для вводов в трансформаторы и распределительные устройства с элегазовой изоляцией, предназначались для первых кабелей типа АПвП с алюминиевыми жилами сечением 350 и 500 мм .
Экспериментальные исследования образования газовых включений в процессе сшивания молекул полиэтилена
В стальной цилиндрический дилатометр 6 с нагревателем 7 погружали образец 5 определенного объема. Свободный объем дилатометра заполняли предварительно отвакуумированной кремнийорганической жидкостью 4. Изменение объема образца регистрировалось по перемещению мениска в калиброванной стеклянной трубке. Избыточное давление, создаваемое азотом, регулировалось с помощью редуктора с точностью ±0,7-104 Па.
Предварительно измерялись сжимаемость кремнийорганической жидкости и ее термическое расширение. Исследовалось образование пор в процессе вулканизации при 160С и различном содержании перекиси дикумила. Нужно отметить, что до этого снималась такая же зависимость для обычного полиэтилена. Сравнивая две эти зависимости, можно говорить о порообразовании в полиэтилене.
Для определения величины критического давления, необходимого для устранения газовых включений, в зависимости от количества перекиси дикумила и температуры вулканизации, дилатометр с полиэтиленом нагревался до температуры вулканизации при определенном избыточном давлении, и наблюдалось изменение уровня жидкости при постоянной температуре от времени. Азот 1 - калиброванная стеклянная трубка; 2 - переходник; 3 - гайка; 4 - кремнийорганическая жидкость; 5 - образец полиэтилена; 6 - дилатомето: 7 - нагоеватель. В начальный период процесса происходит увеличение объема вследствие термического расширения жидкости. В дальнейшем изменение объема при фиксированном внешнем давлении прекращается, по-видимому, внешнее давление в данном состоянии больше давления газовых включений. Для определения критического давления внешнее давление постепенно уменьшалось, при этом происходило скачкообразное изменение уровня в трубке вследствие расширения жидкости, затем уровень опять устанавливался. Минимальное значение внешнего давления, соответствующее критическому, можно найти следующим образом: при последовательном уменьшение внешнего давления достигается некоторое значение давления, при котором уровень начинает непрерывно возрастать. Аналогичным образом проводились эксперименты при температуре вулканизации 180 и 200С.
Результаты экспериментов показаны на рис. 2.3, 2.4, 2.5. С увеличением температуры вулканизации и количества ПДК значение критического давления повышается. С увеличением количества ПДК увеличивается концентрация растворенных продуктов разложения ПДК, что приводит к возрастанию равновесного давления.
Надо отметить, что охлаждение под давлением выше критического следует проводить до определенной температуры, после которой можно полностью снять давление. Значение указанной температуры определено следующим образом: после окончания процесса вулканизации дилатометр охлаждали до определенной температуры, при этом снижали избыточное давление до нуля и наблюдали рост уровня жидкости в стеклянной трубке вследствие расширения газовых включений в полиэтилене.
Зависимость коэффициента расширения fi от температуры показана на рис. 2.6 [67]. Выше температуры Т2 = И5С коэффициент р = З-КҐЧ/ Си слабо зависит от температуры. Ниже температуры Ті = 85С Р 7-10"41/С и также слабо зависит от температуры. В области 85 Т П5С коэффициент расширения существенно возрастает. Общая усадка при охлаждении в этой области температур составляет приблизительно ау « 0,05.
В начале процесса охлаждения образуется кольцо с внутренним радиусом г, (температура TR), (модель на рис. 2.7). Вначале толщина кольца A = R r} мала, и под действием внешнего давления Рн оно теряет устойчивость и переходит в овал. Внутреннее давление Р0 меньше Рн, так как по мере охлаждения изоляции внутри области r происходит ее сжатие. Если область охлаждения распространилась до глубины г г2,- то внешняя трубка становится устойчивой, и далее происходит ее сжатие. Предполагаем, что при температуре меньше Tj = 85С сжатие происходит однородно (коэффициент ft не зависит от температуры). Тогда конечная цель охлаждения - температура Т\. При снижении температуры изоляции внутри области г г2 до Т] происходит уменьшение объема: Величину г2 получим из (2.4.2). Если это условие не выполняется, то молено рассчитать зазор 3 = д} - 82. При дальнейшем охлаждении до рабочей или комнатной температуры толщина этого зазора уменьшается, и зазор может быть ликвидирован полностью. Однако это относится к условиям эксплуатации кабеля. Для выполнения неравенства (2.4.7) необходимо уменьшать Е и а . Конечная расчетная температура охлаждения Тх = 85 С. Она определяет модуль упругости Е на внешней поверхности изоляции. Для получения этой температуры для г = rQ на определенной стадии охлаждения неизбежно снижение температуры при г = R. Приближенно этот момент времени соответствует получению условия (2.4.2).
Восстановление электропроводящего экрана по жилам кабелей в месте их соединения
Неровность поверхности электропроводящего экрана по жиле кабелей в месте их соединения в значительной мере влияет на электрическую прочность СМ. В основном для экранирования мест соединения жил кабелей применяется намотка лент из электропроводящей композиции, применяемой при производстве кабеля. В случае многопроволочной жилы, для предотвращения вдавливания электропроводящей композиции в межпроволочные промежутки, на жилу, до намотки лент из электропроводящей композиции, накладываются 1-2 слоя термостойкой электропроводящей полимерной тканевой ленты.
Выравнивание и сварка намотки с электропроводящими экранами по жиле кабелей выполняется нагретым до температуры 120-130С утюгом через полиимидную пленку или путем термообработки в прессформе, устанавливаемой поверх намотки электропроводящих лент. В последнее время в России и за рубежом освоено производство электропроводящих термоусаживаемых трубок с соотношением исходного диаметра к конечному диаметру 3 и более. Наличие таких термоусаживаемых трубок на рынке позволило значительно упростить технологию экранирования мест соединения жил кабелей.
На рис. 3.2, в качестве примера, представлена схема экранирования места соединения жил кабелей АПвП - 64/110 - 1 х 300 с использованием электропроводящей термоусаживаемой трубки.
Поверх соединенных жил 1 устанавливается электропроводящая термоусаживаемая трубка 2, предварительно, до соединения жил кабелей, установленная поверх изоляции одного из кабелей 5, размером 20x60 мм. Края термоусаживаемой трубки 2 и края экранов по жиле кабелей 4 разделываются на конус на длине 15-20 мм. Для удаления с поверхности термоусаживаемой трубки 2 окисленного слоя, образовавшегося при ее «усадке» пламенем газовой горелки, она обрабатывается наждачной шкуркой. На конусы термоусаживаемой трубки 2 и экранов по изоляции кабелей 4 накладывается намотка из электропроводящей вулканизуемой ленты, изготовленной из материала, применяемого при производстве кабеля. Поверхность намотки выравнивается путем приглаживания утюгом, нагретым до температуры 120-130С, через полиимидную пленку.
Вышеописанный метод экранирования мест соединения жил кабелей, по сравнению с другими, обеспечивает наилучшее качество поверхности экрана над местом соединения жил кабелей и требует наименьших трудозатрат.
При намотке изоляции СМ применяются ленты шириной 10-12 мм и шириной 25-30 мм. Толщина лент в центре составляет 0,2-0,3 мм. Щелевые прессующие головки, разработанные для изготовления лент, имеют серповидную форму щели, т.е. толщина получаемой ленты в центре равна 0,2-0,3 мм, а на краях 0,02-0,04 мм. Такая форма лент обеспечивает минимальное остаточное количество воздуха между лентами после намотки изоляции муфты.
Электрическая прочность изоляции СМ в значительной степени зависит от размера и количества инородных включений. Это становится особенно актуально при разработке СМ на напряжение 220 кВ и 400 кВ.
Наибольшее негативное влияние на длительную электрическую прочность полиэтиленовой изоляции муфты по исследованию [27] оказывают волокнистые включения натурального происхождения и, в первую очередь, хлопчатобумажные волокна. По результатам исследования на электронном микроскопе такие волокна имеют в своей структуре скрытые полости, поперечное сечение которых имеет размер 1x10 мкм, а протяженность до 100 мкм. Хлопчатобумажные волокна, в отличие от других инородных включений, не обнаруживаются при рентгенографическом анализе изоляции. При попадании волокон в электрическое поле волокно, расположенное вдоль силовых линий поля соединительной муфты, создает частичный разряд, который при длительной эксплуатации может приводить к пробою изоляции. Наличие хлопчатобумажных волокон в изоляции соединительной муфты кабельной линии 275 кВ в энергосистеме Японии привело к пробою соединительной муфты после нескольких лет эксплуатации кабельной линии. Для исключения возможных загрязнений изоляции соединительных муфт, повышения чистоты полиэтиленовых лент, из которых наматывается изоляция, было принято решение об использовании в технологии изготовления муфт технологических принципов "чистых" помещений, которые широко применяются в приборостроении, электронной и других отраслях промышленности.
В связи с тем, что загрязнение полиэтиленовых лент может происходить как при их изготовлении, так и при намотке изоляции муфт, необходимо обеспечить условия "чистой" комнаты в обоих случаях.
При этом рассматривались два отдельных этапа технологии изготовления муфты: первый - изготовление лент из полиэтиленовой электроизоляционной композиции и второй - намотка лент для последующей термообработки с целью получения монолитной изоляции. Условия «чистой» комнаты были внедрены на двух участках.
Первый участок предназначен для намотки лент после их экструзии из полиэтиленовой композиции, а также упаковки лент. Второй участок - место непосредственного монтажа муфты. Для усовершенствования технологии изготовления лент и муфты на первом и втором участках для создания обеспыленной атмосферы были использованы четыре фильтрующие ячейки типа БП-4, которые обычно применяются при проведении технологических операций по изготовлению изделий электронной техники. Такие ячейки содержат фильтр, над которым расположен блок вентиляционного агрегата с двумя центробежными вентиляторами. Для освещения рабочего места в нижней части корпуса ячейки имеются две светорассеивающие решетки и две люминесцентные лампы. Установленный в металлическом каркасе фильтр состоит из фильтра грубой очистки, выполненного из фильтрующего материала ФРНК-1, и фильтра тонкой очистки из высокоэффективного фильтрующего материала, разделенных между собой гофрированными сепараторами.
Исследования характеристик ЧР в изоляции СМ
Исследования характеристик частичных разрядов проводились на семи образцах соединительных муфт, два из которых были смонтированы на кабелях типа 2XSY 1 х 630 мм на напряжение 110 кВ, два образца - на кабелях 2XSY 1 х 1600 мм - 400 кВ (производства фирмы «Siemens», Германия).
Два образца были смонтированы на кабелях АПвП 64/110 (1 х 350 мм ) и один образец на кабеле АПвП 127/220 (1 х 500 мм2) (производства завода "Экспокабель"). Соответственно измерения частичных разрядов были проведены в двух лабораториях: фирмы «SIEMENS» (Берлин) и ВНИИКП (Москва), при непосредственном участии в измерениях автора настоящей работы. Чувствительность схемы измерения в первом случае была на уровне 0,5 10 12 Кл, во втором случае - на уровне 10 12 Кл.
Характеристики испытываемых соединительных муфт приведены в табл. 4.1, а результаты испытаний в табл. 4.2. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования разработанной технологии для формирования усиливающей изоляции соединительных муфт на рабочее напряжение до 400 кВ включительно, т.к. уровень частичных разрядов в изоляции всех муфт при испытаниях был ниже 5 пКл при 1,5 Со , что удовлетворяет требованиям международных стандартов [38,40].
По результатам исследований большую опасность представляют включения в изоляции муфт в виде хлопчатобумажных волокон, т.к. такие волокна содержат в своей структуре скрытые полости, поперечное сечение которых может достигать размера 1x10 мкм, а протяженность до 100 мкм.
Волокна представляют наибольшую опасность при расположении их по силовым линиям электрического поля муфты, т.к. в протяженных полостях волокон возникают частичные разряды, которые при длительной эксплуатации могут приводить к пробою изоляции. В этом случае попадание хлопчатобумажных волокон в гранулят полиэтиленовой композиции и последующая экструзия изоляции соединительной муфты с большей вероятностью может привести к радиальной ориентации волокон, чем при намотке изоляции из полиэтиленовых лент, так как толщина лент не превышает 0,3 мм. В настоящем разделе оценивается влияние основных технологических факторов на изменение напряженности электрического поля в изоляции СМ. В качестве технологических факторов, влияющих на увеличение напряженности электрического поля в изоляции муфт, следует учитывать: а) неровности накладываемого на изоляцию муфты электропроводящего экрана [76]; б) возможность смещения соединяемых жил в изоляции соединительной муфты при термической обработке в прессформе с образованием эксцентриситета [24]. Все приведенные ниже численные результаты исследования этих факторов относятся к соединительным муфтам для кабелей типа АПвП 64/110 с жилами сечением 350 и 500 мм , но общие выводы могут быть использованы и при разработке других муфт. Особенностью восстановления наружного экрана муфты является выполнение своеобразной перемычки 2 (рис 4.1.) между основным экраном по изоляции муфты и разделанным на конус экраном по изоляции кабеля 1. Такая перемычка наматывается четырьмя - пятью слоями ленты из электропроводящей вулканизуемой композиции шириной 10-12 мм и толщиной 0,2-0,3 мм. В концевой или переходной соединительной муфте такая перемычка накладывается между элементом регулирования электрического поля и экраном по изоляции кабеля. В соединительной муфте такая перемычка является продолжением основного экрана по изоляции муфты. В перемычке 2 ленты из электропроводящей композиции накладываются частично на тонкий слой 4, ленты из электроизоляционной композиции толщиной 0,25 мм, растянутой до величины 150-200%, участок изоляции кабеля 3 и конусный участок экрана по изоляции кабеля 1. Таким образом, после термической обработки дополнительной изоляции и электропроводящего экрана муфты обеспечивается хорошее соединение экрана муфты с электропроводящим экраном и изоляцией кабеля.
В связи с тем, что температура фазового перехода материала электропроводящих экранов (-90 С) ниже, чем у материала дополнительной изоляции (-105С), в наружном экране муфты, в зоне перехода на участок намотанной изоляции 4, после проведения термообработки изоляции появляется ступенчатый выступ, связанный с переходом от изоляции кабеля к дополнительной изоляции муфты. Высота выступа определяется толщиной края ленты дополнительной изоляции муфты. После термообработки изоляции муфты выступ имеет радиус закругления гэ. По проведенным на срезах изоляции измерениям гэ изменяется от 1,0 до 1,5 мм.
