Автореферат (Исследование, разработка и усовершенствование конструкций переходных соединительных муфт для кабелей на напряжение 110-220 кВ)

На правах рукописиВЕТЛУГАЕВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙПЕРЕХОДНЫХ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТ ДЛЯ КАБЕЛЕЙНА НАПРЯЖЕНИЕ 110 - 220 КВСпециальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2015Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском, проектно-конструкторском итехнологическом институте кабельной промышленности (ОАО «ВНИИКП»).Научный руководитель:Макаров Лев Ефимовичкандидат технических наук, зав. лабораториивысоковольтной кабельной арматурыОАО «ВНИИКП»ОфициальныеСытников Виктор Евгеньевичоппоненты:доктор технических наук, Директор по исследованиями разработкам ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»Боев Андрей Михайловичкандидат технических наук, зам. техническогодиректора ООО «Холдинг Кабельный Альянс»Ведущая организация:ФГУП «ВЭИ»Защита диссертации состоится 11 декабря 2015 г. в 13 часов 30 мин.

на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.19 при ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, ауд. Е-205.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ».Автореферат разослан«____» ______________2015 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.19 к.т.н., доцентБоровкова А.М.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Для передачи электроэнергии в крупных городах Россииприменяются высоковольтные кабельные линии (КЛ), в основном на напряжение 110 и 220 кВ.Неотъемлемым элементом любой кабельной линии является кабельная арматура(соединительные, концевые муфты). Муфты представляют собой сложные конструкции,имеющие внутреннюю и внешнюю изоляцию. Надежность и эффективность работывысоковольтных кабельных линий во многом определяется конструкцией и технологиеймонтажа кабельной арматуры.Внедрение силовых кабелей высокого напряжения 110 и 220 кВ в России началось сразработки и монтажа маслонаполненных кабелей (МНК) и арматуры, которые, обладаявысокой надежностью, работают уже более 70 лет, но в тоже время имеют ряд недостатков,связанных с эксплуатацией и монтажом.

Протяженность существующих высоковольтных КЛ наоснове МНК, только в г. Москве составляет порядка 430 км в трехфазном исчислении (данные2013 г.)Давление кабельного масла внутри свинцовой оболочки МНК изменяется вследствиециклической нагрузки кабельной линии. Это приводит к ее механическому старению ипоявлению в ней трещин, через которые вытекает кабельное масло. Вытекающее в грунт маслонаносит не только экономический, но и экологический ущерб.

В этом случае требуется либоремонт поврежденной строительной длины КЛ, либо ее замена.Для замены строительных длин МНК на напряжение 110 и 220 кВ в настоящее времяможет быть использован кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), так как МНК в РФне производится. Следовательно, возникает задача соединения строительных длин кабеля сразличными видами изоляции. Для этих целей применяют специальный вид кабельнойарматуры - переходные соединительные муфты. При строительстве новых объектов возникаетнеобходимость перекладки с заменой существующей МН КЛ на кабель с изоляцией из СПЭ, и вэтом случае также имеет смысл применения переходных муфт. Использование при сооруженииКЛ переходных соединительных муфт дает возможность постепенно, строительными длинами,заменить во всей КЛ МНК на кабель с изоляцией из СПЭ, повысив ее пропускную способностьи исключив попадание масла в грунт.В этой связи, особую актуальность приобретает вопрос разработки переходныхсоединительных муфт, так как эти муфты являются решением задачи частичной замены МН3кабельных линий, а в перспективе дают возможность полностью заменить выработавший свойсрок службы МНК кабелем нового поколения - с изоляцией из СПЭ.

Настоящая диссертацияпосвящена проблемам проектирования переходных соединительных муфт на напряжения 110кВ и 220 кВ.Цели работы.1. Разработка методики электрического расчета изоляции переходных муфт для кабелейвысокого напряжения.2. П р о е кт и р о в а н и е ко н с т ру к ц и и п е р еход н ы х с о ед и н и т е л ь н ы х м уф т н анапряжение 110 кВ.3. Представление рекомендаций по проектированию переходных муфт нанапряжение 220 кВ.Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:- проанализировать существующие технологии изготовления изоляции муфт и выбратьтехнологическую схему формирования изоляции для разрабатываемой переходной муфты;- провести анализ существующих численных методов расчета электрического поля ивыбрать программу для электрического расчета кабельных муфт и адаптировать ее дляконструирования переходной соединительной муфты;- для определения «критических» в отношении электрической прочности областейпереходной соединительной муфты провести анализ причин повреждения кабельнойарматуры высокого напряжения;- провести исследования электрической прочности материалов изоляции муфты и на ихоснове уточнить допустимые напряженности электрического поля в переходнойсоединительной муфте;- разработатать дополнительный модуль к программе Elcut для электрического расчетапереходных муфт на напряжение 110 кВ и 220 кВ;Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие результаты,имеющие научную новизну:- на основе проведенного анализа причин и механизмов повреждений кабельнойарматуры определены расчетные области конструкции переходной муфты;- впервые экспериментально обоснован выбор допустимых напряженностейэлектрического поля для многослойной электроизоляционной системы переходной муфты;4- разработана методика электрического расчета переходных соединительных муфт наоснове дополнительного модуля к программе Elcut.Практическая значимость. Разработанная автором методика электрического расчетаприменена при проектировании переходной соединительной муфты МПМНП-МС-110 нанапряжение 110 кВ.

Также даны рекомендации по конструированию муфт на напряжение 220кВ. Данную методику расчета в дальнейшем можно использовать при проектированиивысоковольтной кабельной арматуры.Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы ввиде конструкции переходной соединительной муфты МПМНП-МС-110 по техническимусловиям на переходные соединительные муфты на напряжение 110 кВ.В настоящее время в энергосистеме г. Москвы эксплуатируются 159 переходныхсоединительных муфт, конструкция изоляция которых разработана на основе методикиэлектрического расчета при непосредственном участии автора.Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались иобсуждались:- на 2 конференциях молодых специалистов;- на секции НТС ОАО «ВНИИКП».Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи иполучен патент на полезную модель.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырехглав, заключения, одного приложения и списка литературы. Материал изложен на 106 страницахтекста и иллюстрирован рисунками. Список литературы содержит 71 наименование.Основные положения, представляемые к защите:- результаты исследований различных конструкций вышедших из строя муфт иобоснованный подход к выбору допустимой напряженности электрического поля;- методика электрического расчета переходной муфты, которая основывается надополнительно разработанном автором диссертации модуле к программе Elcut;- конструкция переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ;- рекомендации по разработке конструкции переходной муфты на напряжение 220 кВ.5СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе рассмотрены современные конструкции переходных соединительных муфт,материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры.Проанализированы методы расчета электрических полей, а также компьютерные программыприменяемые при конструировании кабельной арматуры.В результате анализа конструкций зарубежных переходных соединительных муфтустановлено, что они имеют слишком большие габаритные размеры, и не умещаются встандартный кабельный колодец.

В большинстве муфт отсутствует возможность подпиткимаслом КЛ. Масло заполняющее эти муфты несовместимо с маслом, которое используется вотечественных МНК. Эти конструкционные особенности муфт, не позволяют применять их вэнергосистемах РФ. Кроме того, нет информации о характеристиках используемых материалов,отсутствуют указания об электрическом расчете конструкции для возможного пересчета их сцелью снижения габаритных размеров муфты.В качестве прототипа для разрабатываемой переходной соединительной муфты былавыбрана конструкция существующей отечественной стопорной муфты, приведенная на рис.1.]Рис.1. Конструкция отечественной стопорной муфты на напряжение 110 кВ.1-1 - конический изолятор; 1-2 - изолятор; 3 - соединитель; 4 - эпоксидный стресс-конус; 5,6 фланцы; 7 - центральный электрод; 8 - кожух МНК; 9 - свинцовая оболочка МНК.В процессе эксплуатации этой муфты проявился серьезный недостаток, которыйвоспрепятствовал ее дальнейшему применению.

Стопорные изоляторы (поз.3) центральнойчасти муфты жестко крепятся к металлическим деталям. Места жесткого крепления обозначенына рис.1 красным цветом. Из-за различных коэффициентов температурного расширенияметаллических деталей и эпоксидных стопорных изоляторов в этих местах образовывалась течьи нарушалась герметичность муфты.Основным элементом конструкции высоковольтной кабельной арматуры является стрессконус, состоящий из электропроводящего электрода (выравнивающего конуса), покрытогоизоляционным материалом (рис.1, поз.4). Стресс-конус выравнивает электрическое поле на6краю электропроводящего экрана кабеля, снижая тем самым напряженность в этой областимуфты.Технологии изготовления стресс-конусов, существующие в высоковольтной кабельнойарматуре подробно рассмотрены в первой главе. В конструкции усовершенствованнойпереходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ изоляция стресс-конуса формируетсяподмоткой из лент ПЭ с последующей термообработкой и сшивной в пресс-форме на местемонтажа.

На начальном этапе разработки переходной муфты такая технология успешноприменялась для формирования изоляции концевых и соединительных муфт, эксплуатируемыхв энергосистемах РФ.Последнее время все большую популярность в нашей стране приобретает технологияполучения изоляции предварительно отлитой и испытанной в заводских условиях. Даннаятехнология обеспечивает надежные электроизоляционные характеристики стресс-конуса, а,следовательно, и муфты в целом, и ее имеет смысл применять в переходной муфте нанапряжение 220 кВ.

Стресс-конус при этом изготавливается в заводских условиях, в которыхмогут быть обеспечены высокие требования по чистоте окружающего помещения. Кроме тогоон проходит приемосдаточные испытания, при которых отбраковываются некачественныеизделия.С целью выбора наиболее эффективной программы для расчета переходной муфты былпроведен анализ основных методов расчета электрических полей и программ на их основе.На сегодняшний день наиболее рациональным выбором программы для расчетовэлектрического поля в разрабатываемой переходной соединительной муфте являетсяпрограммный пакет ELCUT, базирующийся на методе конечных элементов.