Диссертация (Исследование, разработка и усовершенствование конструкций переходных соединительных муфт для кабелей на напряжение 110-220 кВ), страница 9

Концевая муфта на напряжение 110 кВ с монолитной ПЭ изоляцией.1 - токовывод; 2 - монолитная ПЭ изоляция (выполненная по отечественнойтехнологии); 3 - экран; 4 - проводник заземления; 5 - узел герметизации.Зависимость, приведенная на рис.3.7, позволяет определить напряжение (U= 87 кВ), при котором уровень частичных разрядов в данной конструкцииконцевой муфты не превышает принятое при приемо-сдаточных испытаниях длякабельной арматуры допустимое значение - 5 пкКл [12]. Напряженностьэлектрического поля на поверхности монолитной ПЭ изоляции данной концевоймуфты при напряжении U = 87 кВ можно считать допустимой.

Превышение этойвеличины напряженности вызовет появление значительных скользящих разрядовна отмеченной поверхности концевой муфты (см.рис.3.6.) Таким образом,допустимую продольную (тангенциальную) напряженность электрического поля впереходной муфте для расчетной области «стресс-конус из СПЭ электроизоляционная жидкость» можно принять равной: ЕСПЭ_масло = 1,8 кВ/мм.H69tgх 10-5Q, пКл1414311230102986,462852742620,620406087100120140160180HU, кВРис.3.7. H tgδ и уровень частичных разрядов в концевой муфте на поверхностимонолитной ПЭ-изоляции (красная линия на рис.3.6 среднее значение для трехобразцов концевой муфты 110 кВ) в зависимости от приложенного напряжения U.В [44] посвященном усовершенствованию конструкции и технологиимонтажа арматуры МНК на напряжения 110 и 220 кВ приводятся результатыэлектрических испытаний экспериментальных образцов стопорных муфт сдоведением изоляции до пробоя.

Все случаи пробоев, которые имели место прииспытаниях экспериментальных образцов стопорных муфт, происходили погранице раздела: продольно между слоями БМИ центральной части стопорноймуфты (схема 1 рис.2.19) или по поверхности усиливающей изоляции (схема 2).Проанализировано семнадцать случаев пробоя (см. табл. 3.3).Таблица 3.3.niU пр, кВ1234567891011121314151617120 128 160 160 160 160 180 200 200 200 200 225 250 250 250 250 288H70По результатам этих испытаний было построено распределение Вейбулла3.1 (приведенное на рис.3.8).HРис.3.8. Распределение Вейбулла при испытании экспериментальных образцовстопорной муфты.Полученные параметры распределения Вейбулла, приведены в таблице 3.4.Таблица 3.4Параметр распределения ВейбуллаЗначениеПараметр формы, а4,195Коэффициент корреляции, r0,977Параметр масштаба, U0218,7Таким образом, вероятность пробоя изоляции муфты при рабочемнапряжении будет: P(Uпр)=0,006.На рис.

3.9 показана область максимальной тангенциальной составляющейнапряженности электрического поля опытного образца стопорной муфты.H71HРис.3.9. Картина тангенциальной составляющей напряженности электрическогополя в экспериментальном образце стопорной муфты.Для построения зависимости вероятности безотказной работы переходнойсоединительной муфты по результатам испытаний экспериментальных образцов(рис.

3.8) воспользуемся следующей формулой [4]:H Eτ= E0 ⋅ e⎛ 1⎞1ln ln⎜ ⎟⎝ Q⎠a,(3.4)где H Eτ − тангенциальная составляющая напряженности электрического поля, приопределенной вероятности пробоя, кВ/мм; H E0 − параметр масштаба, численноравный Ebd при вероятности пробоя 0,632; Q - вероятность безотказной работы.Так как все пробои имеют место вдоль слоев БМИ вполне правомерноопределить допустимую напряженность в расчетной области для какого-токонкретного значения вероятности безотказной работы переходной муфты.Зададимся значением безотказной работы переходной муфты 0,99 и определимдопустимое значение напряженности электрического поля (рис.3.10).H72HРис.3.10. Зависимость вероятности безотказной работы стопорной муфты оттангенциальной составляющей напряженности электрического поля в БМИ.Полученное значение напряженности ЕБМИ = 0,95 кВ/мм следует считатьдопустимым значением напряженности электрического поля для расчетнойобласти «бумажно-масляная изоляция».Выбор допустимой напряженности на поверхности центрального электрода,который залит эпоксидным компаундом, не представляет особой сложности, таккак данные по электрической прочности эпоксидного компаунда имеются вэлектротехнической литературе [56, 57, 58], и поэтому нет необходимости впроведении электрических испытаний.

Электрическую прочность эпоксидныхкомпаундов после эксплуатации в течении t часов можно оценить из выражения[50, 59]:⎛t⎞Et=E⋅()0 ⎜H⎝ t 0 ⎟⎠−1/n,(3.5)где H E0 - электрическая прочность образца при плавном подъеме напряжения допробоя за время порядка 1 мин, равная 25 кВ/мм ; n = 12; t0 = 1 мин [60].H73Параметры выражения 3.5 E0, t0 и n зависят от рецептуры эпоксидногокомпаунда, значения которых, по нашему запросу были уточнены предприятиемизготовителем эпоксидных изоляторов «Электроаппарат».HРис.3.11. Зависимость электрической прочности эпоксидного компаунда Е(t) (кВ/мм) от времени t воздействия напряжения (мин).Из рис.3.11 видно, что при времени эксплуатации порядка срока службыкабельной линии (25-30 лет) нижний предел электрической прочности эпоксиднойизоляции составляет примерно 6 кВ/мм.

Примерно такую же цифру нижнегопредела длительной электрической прочности эпоксидной изоляции даютрезультаты исследований напряженности возникновения начальных частичныхразрядов рис.3.12.HРис.3.12. Зависимость уровня ЧР от величины напряженности электрическогополя в момент возникновения ЧР в эпоксидном изоляторе [61].H74В [62] представлен отчет, в котором были приведены данные об измеренииэлектрической прочности отливки из эпоксидной смолы, наполненной оксидомалюминия (Al2O3) или кварцевым песком при воздействии импульсногонапряжения (длительность импульса 40 мкс).

Испытания, проведенные наобразцах объемом от 10 до 100 см3, показали довольно невысокую электрическуюпрочность - чуть менее 100 кВ/мм. Таким образом, допустимыми значениеминапряженности электрического поля для расчетной области - «поверхностьцентрального электрода» будет Еэп = 6 кВ/мм и 100 кВ/мм для переменного иимпульсного напряжения соответственно.3.2. Расчет конструктивных размеров переходной соединительноймуфты.

Методика электрического расчета.С учетом сложности электрического расчета систем с различнымиизоляционными средами разработка единого методического подхода кпроектированию переходных соединительных муфт высокого напряженияпредставляется многоэтапной задачей.

Этапы проектирования переходныхсоединительных муфт приведены в таблице 3.5.Таблица 3.5.№Этапы проектирования переходных соединительных муфтвысокого напряжения1.Выбор технологической схемы формирования изоляции стресс-конуса состороны кабеля с изоляцией из СПЭ2.Выбор конструкции прототипа переходной соединительной муфты3.Определение расчетных областей конструкции прототипа4.Исследование электрической прочности расчетных областей5.Разработка методики электрического расчета переходной муфты наоснове дополнительного модуля к программе Elcut6.Расчет габаритных размеров центральной части разрабатываемойпереходной соединительной муфтыПервые четыре этапа рассмотрены в предыдущих главах.

В этой главеосновное внимание уделено разработке методики электрического расчета.H75Величина расчетного переменного напряжения Uр определяется как [50]:Uр = k1·k2·U0 ,(3.7)где H k1 − коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения(обычно H k1 = 1,15 ); H k2 − коэффициент учитывающий технологический фактор (H k2 =1,25).Величина импульсного расчетного напряжения Uр_имп определяется всоответствии с выражением:Uр_имп = k1·k2·Uимп ,(3.8)где Uимп - гарантированный уровень импульсной прочности, 550 кВ для муфтна напряжение 110 кВ и 1050 кВ для муфт на напряжение 220 кВ,соответствующий импульсным испытаниям напряжением по стандартам МЭК[12].Для выбора величины расчетного напряжения следует определить какоевоздействие является определяющим: кратковременное приложение напряженияпромышленной частоты или же импульсное перенапряжение длительностьюпорядка десятков микросекунд (грозовое перенапряжение).

Выражения дляопределения толщины эпоксидного изолятора для обоих воздействий приведеныниже:∆ = Uр / Eэп ,(3.9)∆ = Uр_имп / Eэп_имп ,(3.10)где Uр, Uр_имп - расчетные напряжения, кВ, по формулам 3.7, 3.8соотвественно; Eэп = 6 кВ/мм и Еэп_имп = 100 кВ/мм для переменного иимпульсного напряжения соответственно (глава 3.1).По наибольшему значению величины ∆, выбирают определяющеевоздействие, в нашем случае - это напряжение промышленной частоты.H76Для определения габаритных размеров центральной части переходнойсоединительной муфты необходимо рассчитать размеры основных элементов ееконструкции. На рис.3.13 приведена схема переходной соединительной муфты сосновными размерами, которые влияют на распределение электрического поля врасчетных областях.HРис.3.13.

Схема переходной соединительной муфты с основными размерами.При помощи программного пакета Elcut определены максимальныезначениями напряженности поля, координаты этих точек обозначены 1, 2, 3, 4, 5, 6на рис.3.14. В близи этих точек наиболее вероятно возникновение ЧР, которые вдальнейшем приводят к пробою изоляции муфты. Следовательно, длямоделирования конструкции переходной муфты необходимо установитьзависимо сть между геомет риче скими парамет рами конст рукции инапряженностью в этих точках.H77HРис.3.14. Схема переходной соединительной муфты с обозначениями координатточек с максимальной напряженностью поля.Для облегчения и ускорения электрического расчета в процессемоделирования переходной соединительной муфты автором была предложенаидея создания дополнительного модуля к программе Elcut. Автором лично былосоставлено техническое задание (ТЗ) на разработку этого модуля, приведенное вПриложении 1. Автор также принимал непосредственное участие в отладке этогомодуля.Организация данных в процессе моделирования приведена на рис.3.15.Таким образом, разработанный модуль принимает исходные данные (параметрывводимые оператором): расчетное напряжение, радиус скругления кромкиэлектрода, толщину изолятора и т.д.

и моделирует расчетную область на основебазовой модели. После чего созданная расчетная область обрабатываетсяпрограммой ELCUT, результаты возвращаются обратно в модуль в виде значенийнапряженностей в точках, координаты которых приведены на рис.3.14.Оптимизацию конструкции муфты, которая заключается в уменьшениинапряженностей в точках 1, 2, 3, 4, 5 и 6 до допустимого уровня и ниже,осуществляет оператор, изменяя входные данные.

В перспективе планируетсямодернизация модуля с целью автоматической процедуры оптимизации идополнительных возможностей по выбору базовых моделей для других видоввысоковольтной кабельной арматуры.H78HРис.3.15. Организация данных в процессе моделирования переходнойсоединительной муфты.Разработанный модуль позволил получить выражения для определениянапряженностей в вышеуказанных точках 1, 2, 3, 4, 5, 6. Эти выражения полученыпутем аппроксимация результатов расчетов модуля, полученных с использованиемстепенной функции.E1, 2, 3, 4 = Uр·a·∆-b,(3.11)где Uр - расчетное напряжение, кВ; ∆ - толщина эпоксидного изолятора, мм;а и b - коэффициенты из таблицы 3.6 для различных радиусов кромки электродаrэл, ммH79Таблица 3.6.rэл, ммточки 2, 3точка 1, 412345678910a, мм-20,6520,5780,5180,5040,4730,4700,4570,4470,4490,447b0,4850,4960,5030,5220,5230,5380,5430,5490,5590,567a, мм-20,0730,0660,0580,0530,0490,0440,040,0370,0340,032b0,4120,4060,3920,3640,3760,3640,3570,3450,340,333Значения напряженностей в точках 1, 2, 3, 4, полученные по формуле (3.11)должны удовлетворять неравенствам:E1 ≤ EБМИ,E2,3 ≤ Eэпок, E4 ≤ EСПЭ,(3.12)Это реализуется путем выбора толщины ∆ и коэффициентов a и bизтаблицы 3.6.По результатам вычислений можно рассчитать диаметр эпоксидногоизолятора:dиз = dк + 4rэл+ 2(∆ + t),(3.13)где dк - наружный диаметр изолированной жилы выбирается по таблице 3.7, вкоторой приведены размеры кабелей на напряжение 110 кВ с изоляцией из СПЭ;rэл - радиус кромки электрода, мм; ∆ - толщина эпоксидного изолятора, мм; t технологический зазор, необходимый для обеспечения нужного масляного канала,равный 10 мм.Таблица 3.7.Геометрические размеры кабеля с изоляцией из сшитого полиэтиленана напряжение 110 кВНоминальноесечение, мм2185240300400500630800 1000Диаметр жилы,мм16,02 18,25 20,40 23,56 26,34 29,56 33,31 37,24dк, мм50,02 52,2554,4 55,56 58,34 61,56 65,31 69,24Также были получены выражения для расчета напряженностейэлектрического поля в точках 5 и 6:H80E5 = Uр·а·lБМИ-b,(3.14)E6 = Uр·а·lСПЭ-b,(3.15)где Uр - расчетное напряжение, кВ; lБМИ - расстояние между центральнымэлектродом и выравнивающим конусом со стороны МНК, мм; lСПЭ - расстояниемежду центральным электродом и выравнивающим конусом со стороны кабеля сизоляцией из СПЭ, мм; а = 49,7 мм-2 ; b = 1,753.Значения напряженностей в точках 5 и 6, полученные по формулам (3.14) и(3.15) должны удовлетворять неравенствам:E5 ≤ EБМИ, E6 ≤ EСПЭ,(3.16)Это реализуется путем выбора расстояний: lБМИ и lСПЭ.