Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор и анализ литературных.данных.цель и задачи диссертации 12
1.1. Анализ работ по старению высоковольтной внутренней изоляции.и.методам.определения ее ресурса 12
1.2. Диэлектриче ские. потери. в. маслонаполнен-ных кабелях 36
1.3. Анализ воздействующих напряжений на.кабельные линии высокого напряжения 40
1.4. Анализ рабочих и испытательных напря-женностей в современных конструкциях маслонаполненных кабелей.высокогонапряжения 45
1.5. Цель и задачи диссертации 50
Глава 2. Разработка математической модели старения изоляции маслонаполненных.кабелей.и.оценка. ресурса 53
2.1. Основные закономерности процессов старения изоляции. маслонаполненных. кабелей 53
2.2. Оценка ресурса маслонаполненных кабелей в зависимости от значений основных характеристик кабелей 63
2.2.1. Зависимость температуры. изоляции. от. времени эксплуатации 65
2.2.2. Влияние диэлектрических потерь в изоляции на.ре суре.маслонаполненных.ка-белей ... 69
2.2.3. Зависимость ресурса от.напряженности электрического поля 73
2.3. Влияние условий теплоотвода на ресурс кабеля. Проверка.достоверности.модели, старения 76
2.4. Определение показателей долговечности, маслонаполненных кабелей 82
Глава 3. Исследование влияния электропроводящих экранов на. электрические характеристики маслонаполненных кабелей 88
3.1. Экспериментальные данные 98
3.2. Расчетные данные 92
Глава 4. Электрическая прочность изоляции масло наполненных кабелей и выбор допустимых . напряженности электрического поля 104
4.1. Постановка вопроса 104
4.2. Экспериментальные исследования импульсной прочности изоляции маслонаполненных кабелей и выбор допустимых. им-.. пульсных напряженностей
4.3. Электрическая прочность изоляции масло- наполненных кабелей при напряжении про мышленной частоты. Разработка методики ускоренных испытаний и определение.до- пустимой рабочей напряженности. 118
Глава5. Разработкаусовершенствованных.конструкций,маслонаполненных кабелей 135
5.1. Постановка вопроса 135
5.2. Выбор испытательных импульсных напряжений для маслонаполненных кабелей, применяемых в.городских.распределительных.. системах 136
5.3. Выбор допустимых импульсных, напряженнос-тей и расчет толщины изоляции.по.ИМТ... пульсному воздействию 137
5.4. Выбор структуры изоляции кабелей.усовер-г шенствованных конструкций 139
5.5. Проверка рабочих напряженностей по ре-. зультатам ускоренных испытаний кабелей.. 143
5.5.1. Экспериментальная проверка основных положений модели старения.изоляции.. маслонаполненных кабелей 145
5.5.2. Расчет допустимых токов нагрузки и ресурсов маслонаполненных кабелей усовершенствованных конструкций 148
5.5.3. Расчет допустимых температур и ресурсов с учетом режимов эксплуатации кабелей 152
5.6. Экономические показатели маслонаполнен-ных кабелей.усовершенствованных.конст-г рукщй 160
Выводы 162
Список литературы 164
пршюжние
- Диэлектриче ские. потери. в. маслонаполнен-ных кабелях
- Оценка ресурса маслонаполненных кабелей в зависимости от значений основных характеристик кабелей
- Экспериментальные исследования импульсной прочности изоляции маслонаполненных кабелей и выбор допустимых. им-.. пульсных напряженностей
- Выбор допустимых импульсных, напряженнос-тей и расчет толщины изоляции.по.ИМТ... пульсному воздействию
Введение к работе
Производство и потребление электроэнергии в 1985 году в соответствии с принятыми ХХУІ съездом КПСС "Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 года" предусмотрено довести до 1550-1600 млрд. кНг.ч, в том числе на гидроэлектростанциях до 230-235 млрд. кВт.ч. Одним из важных звеньев Энергетической программы является разработка рациональных способов передачи больших мощностей электроэнергии.
Большая роль в передаче и распределении электроэнергии на высоком напряжении принадлежит кабельным линиям. Они являются наиболее компактными средствами передачи электроэнергии и в отличие от воздушных линий не требуют значительных изоляционных промежутков и зон отчуждения для обеспечения требований электробезопасности. Электрическое поле кабелей высокого напряжения, замкнутое внутри объема электрической изоляции, не воздействует на окружающую среду. Эти особенности и определили основные области применения кабелей высокого напряжения в народном хозяйстве страны.
Глубокие вводы электроэнергии к центрам потребления нагрузок в условиях плотной городской застройки осуществляются наиболее экономично с применением подземных кабельных линий высокого напряжения. В СССР кабельные линии на напряжение НО и 220 кВ в крупных городах и районах плотной промышленной застройки возникли 30-40 лет назад и в настоящее время развиваются быстрыми темпами. В последнее время кабельные линии высокого напряжения проектируются для высвобождения территорий, занятых под полосы отчуждения воздушных ЛЭП в черте крупных городов СССР и, прежде всего, г.Москвы, для развития жилищного и гражданского строитель-
ства.
Выдача мощностей с ГЭС на воздушные ЛЭП во многих случаях осуществляется но кабельным линиям на напряжение 220-500 кВ. СССР занимает ведущее место как по приоритету применения сверхвысоковольтных кабелей на напряжение 500 кВ для выдачи мощностей с крупных ГЭС, так и по числу кабельных линий, примененных для этих целей.
Кабельные линии высокого напряжения нашли широкое применение, начиная с 60-х годов, для электроснабжения крупных промышленных предприятий химической промышленности, машиностроения, металлургии и других энергоемких производств, обеспечивая надежное питание электроэнергией важных для народного хозяйства объектов по подземным кабельным линиям, условия эксплуатации которых не зависят от внешней атмосферы в районе предприятий.
Основным типом кабелей высокого напряжения для указанных выше областей применения является маслонаполненный кабель, работающий постоянно под избыточным давлением масла в установившихся и переходных режимах эксплуатации, что обеспечивает отсутствие ионизационного старения изоляции при достаточно высоких напряженностях электрического поля. Последнее обстоятельство обеспечивает высокие показатели надежности маслонаполненных кабелей.
При всех несомненных преимуществах маслонаполненных кабелей, подтвержденных обширным отечественным и зарубежным опытом эксплуатации, эти кабели обладают одним недостатком - высокой стоимостью, обусловленной применением в конструкциях кабелей высококачественных дорогих материалов и высокой трудоемкостью . изготовления. Поэтому работы, направленные на снижение материало-
емкости и трудоемкости изготовления кабелей, имеют важное значение для расширения объемов их производства и областей применения, что приведет в итоге к обеспечению высокого народнохозяйственного эффекта.
Маслонаполненные кабели относятся к изделиям с высоким сроком службы (до 35 лет) и предназначены для передачи больших мощностей электроэнергии от 60 до 630 МВ'А при напряжениях НО -- 500 кВ, а в перспективе передаваемые мощности по.кабелям могут возрасти до 2-3 ГВ'А.при напряжениях 750 - 1150 кВ. Поэтому обеспечение высоких показателей надежности при разработке, изготовлении и эксплуатации кабелей является не менее важной задачей.
Оба аспекта задачи (снижение стоимости и обеспечение высоких показателей надежности) являются по существу противоречивыми и могут быть решены только на основе научных исследований по установлению взаимосвязи между техническим ресурсом кабеля, его основными параметрами и условиями эксплуатации, т.е. на основе разработки достоверной физико-математической модели старения изоляции маслонаполненных кабелей. Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методы по оценке и расчету ресурса маслонаполненных кабелей. Поэтому, разработка модели старения, устанавливающей связь между ресурсом кабеля, его электрическими, конструктивными и тепловыми характеристиками является одной из главных задач настоящей работы.
Выбор допустимых напряженностей электрического поля при кратковременных и длительных воздействиях определяет.основные конструктивные размеры кабеля и его материалоемкость. Существующий подход к определению допустимых напряженно стей основан на достаточно произвольном выборе коэффициентов запаса по отношению
к пробивным напряженностям, причем пробивные напряженности при бесконечно длительном приложении напряжения являются условными величинами, определение которых не представляется возможным. Поэтому современная практика конструирования маслонаполненных кабелей ставит методическую задачу по определению допустимых напряженностей электрического поля при кратковременных и длительных воздействиях напряжений. Составной частью решения задачи по выбору допустимых рабочих напряженностей является разработка методик ускоренных испытаний кабелей и экспериментальное определение параметров модели старения.
Научная новизна работы и основных ее результатов заключается в следующем:
разработана математическая модель старения изоляции маслонаполненных кабелей, устанавливающая зависимость между техническим ресурсом кабеля, его электрическими и тепловыми параметрами;
на основе исследований электрической прочности изоляции маслонаполненных кабелей предложен подход к определению допустимых напряженностей при импульсных воздействиях и напряжении промышленной частоты и предложены методики по выбору допустимых напряженностей;
разработаны методики ускоренных испытаний, позволяющие определить допустимые рабочие напряженности и технические ресурсы маслонаполненных кабелей;
разработаны научно-обоснованные методы по основным видам расчетов маслонаполненных кабелей - конструктивному,.электрическому, тепловому и расчетам показателей надежности.
В соответствии с изложенным, на защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты работы.
. I) Установлено, что определяющим механизмом старения изоляции маслонаполненных кабелей является механизм термической деструкции, вызывающий увеличение во времени диэлектрических потерь изоляции и приводящий к повышению ее температуры вплоть до предельно допустимой. Математическая модель старения описывает кинетику изменения основных свойств изоляции и устанавливает зависимость между ресурсом изоляции, электрическими и те-ловыми параметрами кабеля.
Разработанная модель старения изоляции маслонаполненных кабелей потребовала пересмотра существующих представлений о выборе допустимых рабочих напряженностей. Величина последних по результатам работы непосредственно связана с нормируемым ресурсом, условиями нагрузки и теплоотвода от кабеля.
Импульсные допустимые напряженности предлагается определять на основе вероятностно-статистических методов.
Предложена методика ускоренных испытаний по определению ресурсных характеристик кабелей, основанная на определяющем механизме старения изоляции. Пересчет результатов испытаний на номинальные условия эксплуатации.производятся в соответствии с разработанной моделью старения.
Методы расчета маслонаполненных кабелей должны базироваться на комплексном подходе к определению ресурсных, электрических и нагрузочных характеристик.
Достоверность полученных результатов основывается на использовании подтвержденных закономерностей, которые положены в основу разработки математической модели старения изоляции маслонаполненных кабелей, и согласии полученных результатов с экспериментальными данными. Результаты оценки электрической прочности
изоляции маслонаполненных кабелей основаны на обширных экспериментальных данных, накопленных за последние 20 лет и обобщенных в данной работе.
Практическая ценность. Результаты работы служат методологической основой для конструирования маслонаполненных кабелей с повышенными значениями основных технических параметров и показателей надежности, а также применимы при решении прикладных задач по эксплуатации кабелей и проектировании кабельных линий.
Реализация в народном хозяйстве. Внедрение результатов работы осуществляется во ВНИИ КП, Камском кабельном заводе имени 50^летия СССР, ПО "Севкабель" и связано с разработкой усовершенствованных конструкций маслонаполненных кабелей низкого и высокого давления на напряжение НО и 220 кВ с целью уменьшения материалоемкости.(темы K0I80003833, K0I83034-3K7I плана Мин-электротехпрома), а также с разработкой элементов кабельной линии на напряжение 500 кВ для Рогунской ГЭС (тема K0I840I2--3K7I плана Минэлектротехпрома). Экономический эффект за счет снижения себестоимости маслонаполненных кабелей усовершенствованных конструкций низкого.давления на напряжение НО кВ составляет 665 тыс.руб. в год. Ожидаемый эффект от разработки усовершенствованных кабелей высокого.давления на напряжение 220 кВ составит около 400 тыс.руб. в год.
Диэлектриче ские. потери. в. маслонаполнен-ных кабелях
Диэлектрические потери изоляции определяют основные конструктивные и эксплуатационные показатели МЕЖ, такие как нагрузочную способность, величину рабочей напряженности и,.как следствие, толщину изоляции и материалоемкость кабеля в целом. Доля диэлектрических потерь, возрастающая пропорционально квадрату номинального напряжения при прочих равных условиях достигает значительной величины (для кабелей на напряжение 500 кВ до 50 %. общих потерь) и тем самым ограничивает возможности создания кабелей на сверхвысокие напряжения 750-1150 кВ.
Величина диэлектрических потерь кабелей выражается извест 9 ной зависимостью вида Ру = У0 ш С ічії в случае однородного диэлектрика. Если изоляция МНК выполнена градированной из нескольких слоев N с разными значениями коэффициентов диэлектрических потерь Є і дЯс в слоях, то суммарные потери в изоляции выражаются следующим образом: где If С ) Сі j ifffc - напряжение, емкость и тангенс угла диэлектрических потерь по слоям.
В общем случае величина диэлектрических цотерь в изоляции одножильного:", кабеля, представляющего собой цилиндрический конденсатор с многослойной изоляцией, может быть представлена выражением: где to и 1(4 - радиусы по экрану токопроводящей жилы и наружному слою изоляции; Е ( V), ( ) и Ц$ ( ) - функции распределения по радиусу изоляции напряженности электрического поля, диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь; г5 - дополнительные диэлектрические потери, обусловленные проводящими экранами.
Первая часть выражения (1.38) определяет значение диэлектрических потерь, выделяющихся непосредственно в материале диэлектрика, качество которого характеризуется коэффициентом диэлектрических потерь Є i j Снижение коэффициента диэлектрических потерь является одним из главных направлений по повышению технических характеристик кабелей, особенно для кабелей на сверхвысокие напряжения. В этом направлении постоянно ведутся активные работы и достигнуты определенные результаты. В большинстве зарубежных работ, связанных.с разработкой МНК на повышенные напряжения и.пропускные мощности, отражены вопросы по применению маслонаполненной изоляции с пониженными потерями (см. библиогра фига в таблице 1.2 раздела 1.4). Обзорная информация по разработке новых изоляционных бумаг на основе синтетических волокон по отечественным и зарубежным работам приведена в [25.] С учетом специфики проблемы по созданию новых электроизоляционных материалов с низкими потерями, которая представляет собой отдельное направление исследований, в данной работе не предусмотрено его отражение.
Цомимо потерь, выделяющихся непосредственно в диэлектрике изоляции, в МНК имеют место дополнительные электрические потери в электропроводящих экранах, прилегающих к изоляции,[2б] и на границе раздела между экранами и изоляцией [27,28] "
В 60-х годах отрицательный эффект дополнительного приращения потерь в изоляции МНК, обусловленный применением в конструкциях кабелей электропроводящих экранов, проявился неожиданным феноменом в практике производства как отечественных, так и зарубежных МНК. Величина дополнительных потерь достигала до 50 % от основных, а общая величина потерь превосходила нормированные значения.
В работах [27,28] экспериментально показано, что повышение потерь с ростом напряженности электрического поля в МНК обусловлено диэлектрическими являениями, протекающими.на границе раздела между электропроводящим экраном и изоляцией. Величина масляных прослоек на границе раздела и вязкость масла существенно влияют на ход кривых - /( Е )» который тем круче, чем больше объем масляного включения и ниже величина вязкости масла. Тип электропроводящей бумаги, процентное содержание сажи, физическая структура поверхности экранов влияют количественно на величину дополнительных диэлектрических потерь на границе раздела экрана и изоляции. Величина удельного электрического сопротивления электропроводящей бумаги практически не оказывает влияния на увеличение потерь, если она не превышает значения 1.10 Ом.м.
В основу объяснения механизма дополнительных потерь на границе раздела электропроводящих экранов и изоляции .авторы [28 положили концепцию о подвижности заряженных частиц в масле. Экран из электропроводящей.бумаги обеспечивает во много раз лучший поверхностный контакт с заряженными частицами, находящимися в масле, чем неэкранированный металлический .электрод. Это существенно увеличивает перенос заряда между частицами и экраном за счет механизма электрофореза. Вязкость масла влияет на подвижность частиц. Малая вязкость увеличивает подвижность частиц и увеличивает дополнительные потери. Увеличение вязкости масла значительно ослабляет механизм электрофореза или делает его невозможным, когда время пробега частицы через масляную прослойку будет меньше полупериода напряжения промышленной частицы. В соответствии с докладом Технического комитета 20А МЭК [29j тангенс угла диэлектрических потерь для МНК выражается следующей формулой:
Оценка ресурса маслонаполненных кабелей в зависимости от значений основных характеристик кабелей
Уравнение теплового баланса кабеля, приведенное в форме записи (2.20), позволило в компактном виде выразить математическую модель старения изоляции маслонаполненннх кабелей в соответствии с (2.25). Для оценки взаимосвязи ресурса с электрическими и тепловыми характеристиками кабеля запишем параметры Н и в уравнении (2.20) через значения этих характеристик.
В полном виде уравнение теплового баланса кабеля, применяемое для расчетов нагрузочной способности, имеет следувдий вид, например, для кабеля высокого давления, проложенного в стальной трубе: где У - ток нагрузки кабеля; &го - электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля на переменном токе, приведенное к температуре 20 С; оС - температурный коэффициент сопротивления металла жилы; г, $г з» у - тепловые сопротивления элементов кабеля и окружающей среды; А Л г- коэффициенты потерь в металлических экрана и стальном трубопроводе; Л - температура окружающей среды.
М0шСэ а.. величина диэлектрических потерь, которая может быть представлена через величину максимальной рабочей напряженности кабеля при двухслойном градировании: Введем обозначения: (2.30) где Zs, Ъ± , rt - радиусы по экрану жилы, границе раздела слоев и по наружной поверхности изоляции; 65
Таким образом, соотношения (2.28-2.33) устанавливают связь максимальной температуры изоляции на токопроводшцей жиле кабеля со значениями электрических и тепловых характеристик МНК. Электрические характеристики О, &гь, оС, ЛА, А&, , м, Сэ , tyS определяют тепловыделение в кабеле за счет тока нагрузки и диэлектрических потерь. Тепловые характеристики оі,огУ зу о v, v0 определяют теплоотвод от кабеля.
Температура изоляции кабеля при постоянном токе нагрузки и стабильных условиях теплоотвода в процессе эксплуатации определяется изменениями во времени ift$ изоляции за счет процессов термического старения. Увеличение Ы& приводит к повышению температуры и, соответственно, к интегсификации процессов старения изоляции, которые вызывают дальнейший рост CQS И температуры изоляции.
Функциональная зависимость температуры изоляции от времени эксплуатации при постоянной нагрузке и неизменных условиях тепло отвода может быть получена с использованием выражения (2.24) и (2.20). Задаваясь текущими значениями tgSi - ХІ и вычисляя интеграл с переменным верхним пределом интегрирования по (2.24), получим зависимость Хс ( Vc ) и по (2.20) зависимость
На рис.2.2 и 2.3 приведены расчетные зависимости & ( Ее), І4$ ( с) для кабелей на напряжение НО и 500 кВ при значениях расчетных параметров кабелей, указанных в таблице 2.1.
В основной период времени эксплуатации вплоть до 0,9 Г скорость повышения температуры изоляции во времени невелика, и температура изменяется в пределах от рабочего значения до 90 С. Это обстоятельство позволяет не учитывать в математической модели старения зависимость if$ ( ), так как в этом диапазоне температур tyP для изоляции МНК, используемой в настоящее время, изменяется незначительно. За оставшийся период времени до отказа ( 0,1 ) скорость повышения температуры резко возрастает, и при температуре изоляции выше 120 С график зависимости & ( ) представляет собой практически вертикальную линию. На этом участке нарушается тепловое равновесие, и происходит отказ кабеля.
Таким образом, отказ кабеля по модели старения в соответствии с (2.24) и (2.34) может быть классифицирован как электротепловой пробой, развивающийся с течением времени и обусловленный кинетикой протекания процессов термической деструкции компонентов изоляции с соответствующим повышением во времени диэлектрических потерь и температуры изоляции МНК.
Экспериментальные исследования импульсной прочности изоляции маслонаполненных кабелей и выбор допустимых. им-.. пульсных напряженностей
В настоящее время в СССР находится в эксплуатации около 2500 км маслонаполненных кабелей в однофазном исчислении на напряжение НО, 220, 330 и 500 кВ, из которых 75 % составляют кабели на напряжение НО кВ. Первые кабели были проложены в I940-I94I гг., а наиболее значительный рост выпуска МНК начался с I960 г. Общая наработка кабелей составляет более 20000 км.лет. В процессе эксплуатации МНК не было зафиксировано ни одного случая отказа кабелей из-за импульсных (грозовых) перенапряжений. Известно, что нормированный уровень импульсной прочности в большинстве случаев определяет радиальную толщину электрической изоляции.кабелей, а следовательно, и их технико-экономические показатели.
. Параллельно с промышленным выпуском МНК за последние 20 лет в высоковольтных лабораториях ВНИИКП, ПО "Севкабель" и Камского кабельного завода им. 50-летия СССР были проведены многочисленные испытания образцов маслонаполненных кабелей, в том числе с доведением до пробоя при импульсном напряжении. Данные испытаний характеризуют импульсную прочность кабелей в исходном состоянии и охватывают практически весь объем указанного выше выпуска кабелей. Анализ этих данных представляет определенный интерес при конструировании кабелей и выборе защиты кабельных линий от грозовых перенапряжений.
Пробивные напряжения изоляции маслонаполненных кабелей определялись при воздействии импульсов стандартной формы волны отрицательной полярности на образцах кабелей длиной 10-15 м при температурах жил кабелей 70-85 С. Значения импульсной прочности анализировались по величине максимальных напряженностей на поверхности экранов токопроводящих жил, так как теория максимальной напряженности электрического поля при импульсном пробое подтверждена многочисленными исследованиями. В анализируемый статистический ряд вошло 76 значений напряженно стей Ел ь при пробое изоляции маелонаполненных кабелей (из рассмотрения были исключены случаи пробоев в арматуре и охранных кольцах).
Предварительный анализ статистического ряда импульсных напряженно стей. при пробое показал, что несмотря на большое различие времени изготовления кабелей (до 20 лет), разные завод-изготовители и разные типы кабелей (низкого и высокого давления), полученные значения пр принадлежат к одной генеральной совокупности. В частности, был рассмотрен случай независимых выборок для кабелей низкого и высокого давления и проверена гипотеза, о равенстве средних значений с помощью двойного t - критерия, применимого и в том случае, когда распределение генеральной совокупности отлично от нормального,, но не слишком ассиметрично. Для данного распределения коэффициент асиметрии, определяемый отношением третьего центрального момента к кубу среднеквадратичного отклонения, составляет около 0,2. Величина t - критерия для указанных выборок определяется выражением [бо] :
Полученное значение модуля і значительно меньше табличных значений квантилей распределения Огьюдента при числе степеней свободы tt-f + Пг - 2 а 74 при уровне значимости до 0,001 (с вероятностью 0,999), что свидетельствует о принадлежности независимых выборок л/з для кабелей низкого и высокого давления к одной генеральной совокупности. В связи с некоторым различием в среднеквадратических отклонениях Sf и (что является возможным, так как объемы выборок М1 и r\t различны) требуется проверка по критерию Фишера о равенстве дисперсий независимых выборок. Критическое табличное значение критерия Фишера FoC с уровнем значимости cL = 0,01 и степенями свободы / =/7 - I, /г s Пг -і [50] превышает расчетное значение р = --J- =1,2, что не прдтиворечит утверждению о равенстве дисперсий выборок для пробивной импульсной прочности кабелей низкого и высокого давления.
Таким образом, статистические данные подтверждают независимость пробивного импульсного напряжения от величины давления масла в маслонаполненннх кабелях. Испытания проводились при минимально допустимых давлениях: для кабелей низкого давления - около 0,025, для кабелей высокого давления - около I Ща.
Сделана попытка выравнять статистическое распределение . . с. помощью нормального закона и распределения Вейбулла. На рис.4.1 приведены результаты проверки нормального распределения /ь графическим методом. По оси абсцисс нанесены значения Епь в порядке их возрастания, а по оси ординат - значения вероятностей P(EJty9 определяемые накопленной частотой -ттт" вариационного ряда и соответствующие им квантили стандартного нормального распределения UCL . Нанесенные точки располагаются близко к прямой линии нормального распределения, особенно при значениях Я ( ) - 0,9. Мера расхождения между нормальным законом и статистическим распределением Ety в области больших вероятностей Р () 0,9 оценена с помощью критерия Колмогорова [50] . Максимум модуля разности D между теоретическим и статистическим распределением составляет 0,05. Табличное значение вероятности ко Колмогорову Р (Л ) составляет 0,99, где Л = D\/tf . Таким образом, проверка їіо критерию Колмогорова показывает совместимость опытных данных нормальному распределению с достаточно большой вероятностью. Среднее значение пробивной напряженности Впр рассматриваемого статистического ряда получено равным 96,2 МВ/м, среднеквадра-тическое отклонение +8,1 МВ/м.
На рис. 4.2 приведено распределение импульсных пробивных нацряженностей в вейбулловских координатах. Распределение по Вей- где Е0 - параметр масштаба, численно равный значению Еп/э , соответствующей вероятности пробоя 0,632; m - параметр формы, являющийся мерой разброса результатов испытаний. После очевидного преобразования и двойного логарифмирования данное распределение можно выразить линейной фрсцией вида
Выбор допустимых импульсных, напряженнос-тей и расчет толщины изоляции.по.ИМТ... пульсному воздействию
Допустимые импульсные напряженности электрического поля определяются по зависимости (4.8), задаваясь вероятностью безотказной работы кабеля при воздействии испытательных или эксплуатационных уровней импульсного напряжения.
Вероятность безотказной работы при испытаниях маслонаполнен-ных кабелей на.образцах можно оценить, используя большой накопленный опыт по разработке и испытаниям кабелей в высоковольтных лабораториях СССР. Исходя из 20-летнего опыта этих испытаний вероятность безотказной работы б () можно определить в диапазоне 0,97-0,95; этим значениям вероятностей соответствуют пробои при периодических или типовых испытаниях кабелей от 3 до 5 образцов на каждые 100 испытуемых. Следует отметить, что действующей отечественной и международной нормативной документацией на маслона-полненные кабели предусматривается возможность пробоя кабелей при
периодических и типовых испытаниях (в этом случае испытания долэк-ны быть овторены на удвоенном количестве новых образцов), и это обстоятельство следует считать закономерным с точки зрения стимулирования качества при изготовлении кабелей, т.к. при любом пробое образца при испытаниях анализируются и устраняются те или. иные отклонения от конструкций, и технологии:.изготовления кабелей.
Ниже приведены расчетные значения импульсных испытательных напряженностей, определенные по (4.8) при параметрах распределения Вейбулла по выборке, охватывающей последние 20 лет-выпуска маслонаполненных кабелей (W = 13,737; Ео =99,8 Ц2- ):
Толщина изоляции кабелей, определенная по импульсным воздействиям, может быть рассчитана по преобразованной известной формуле распределения напряженности электрического, поля в градированной, изоляции. Например, при двухслойном градировании толщина изоляции выразится: где %І - радиус по первому слою.градирования;. Ъэяе - радиус по экрану токопроводящей жилы; г- диэлектрические проницаемости слоев. В качестве .примера определим толщину изоляции кабеля на напряжение НО кВ низкого давления с сечением токопроводящей жилы
Расчетное значение толщины из,оляции по_ (5.1) составляет 6,95 мм. Таким образом, толщину изоляции кабеля, исходя из импульсных воздействий, можно принять равной 7,0 мм.
Определим вероятность безотказной работы кабеля при воздействии грозовых, .перенапряжений, которые могут иметь место в процессе эксплуатации кабелей на напряжение ПО к!. Напряженность Электрического поля при грозовых-перенапряжениях кабелей с толщиной изоляции 7 мм составляет -2« = 52,2 МВ/м. Этому значению напря 1,5 женности соответствует вероятность безотказной работы 0,9998, рассчитанная по соотношению (4.7), что свидетельствует о высокой надежности в эксплуатации усовершенствованных конструкций кабелей по отношению к грозовым перенапряжениям.
. . Толщина изоляции кабелей на напряжение ПО кВ, выбранная по импульсным пе енапряжениям составляет 7 мм по сравнению с .10 мм в существующих конструкциях кайелей. Снижение толщины изоляции на 30 % предъявляет особые требовадияк к выбору ее структуры. Прежде всего, уменьшение толщины изоляции увеличивает напряженность . электрического поля на поверхности изоляции при допустимых значе ниях ее на экране токопроводящей жилы кабеля. Известно [53] , что величина напряженности на поверхности изоляции существенно определяет электрическую прочность концевых и соединительных муфт, наиболее слабым местом которых является начало выравнивающего конуса. Доскольку напряженность электрического поля на поверхности изоляции за счет снижения ее толщины увеличивается на 25 % и выходит за допустимые пределы по условиям обеспечения электрической прочности муфт, то требуется осуществить особые меры для снижения этой напряженности в усовершенствованных конструкциях кабелей с целью обеспечения условия равнопрочности изоляции кабеля и муфт, а также увеличения электрической прочности наружного слоя изоляции и, соответственно, кабеля в целом. физические процессы на границе электропроводящего экрана и изоляции кабеля также подтверждают необходимость снижения напряженности электрического поля и диэлектрических потерь в первую очередь у наружного экрана, имеющего наибольшую площадь контакта с изоляцией.
