Диссертация (1144049), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Исследованияматериалов, формы и технологии таких узлов проведены за рубежом в начале 90-хгодов при переходе к кабелям с экструдированной изоляцией для высоковольтныхлиний (110 кВ и выше), но их результаты ограниченно доступны в массиве научныхпубликаций, и зачастую являются внутрифирменными секретами. В связи снеобходимостьюкомплектациивысоковольтныхкабелейотечественнойарматурой возникла необходимость провести собственные исследования узловвыравнивания поля.
Цель исследования – оптимизация геометрической формы исвойств материалов выравнивающих элементов, которые можно положить в основупри разработке конструкции современных концевых и соединительных муфт.2.4.2 Комбинированный метод выравнивания поляТрадиционно для сглаживания электрического поля в месте разрывакабельного экрана применяется геометрический (емкостный) метод, которыйсостоитвиспользованииполупроводящихспециальноэлектродовспрофилированных(стресс-конус),либопроводящихрезистивныйиметод,использующий втулку (трубка-регулятор) простой цилиндрической формы, сповышенной электропроводностью, в том числе и нелинейной, зависящей отуровня электрического поля.В ряде работ [132], [133], [134], [135], [136] выполненных с участием автора,предложен и обоснован комбинированный метод управления электрическим полемв кабельной муфте. Он состоит в сочетании геометрического и резистивного151подходов,когдаспециальноподобраннаяформаполупроводящихидиэлектрических элементов сочетается с подбором оптимальных уровнейдиэлектрическойпроницаемостииэлектропроводности.Преимуществомкомбинированного подхода по сравнению с чисто геометрическим являетсябольшая степень снижения электрического поля.
По сравнению с чисторезистивным подходом, комбинированный метод позволяет несколько ослабитьтребования к диэлектрическим свойствам материалов и оптимально приспособитьконструкцию к возможностям отечественного производства и к рецептурематериалов.Предполагая оптимальное сочетание достоинств чисто геометрического ичисто резистивного методов управления поля, комбинированный подход можноиспользовать по-разному, смешивая черты обоих исходных приемов в разнойпропорции.
Авторами разработан и исследован комбинированный методрегулирования поля с трубкой-регулятором [133], базирующийся в основном нарезистивном способе и предназначенный в первую очередь для муфт среднегонапряжения (до 35 кВ), так и разновидность комбинированного выравнивания поляпри помощи двухкомпонентного стресс-конуса [132], [134] для муфт высокогонапряжения (110 кВ и выше). Последний подход дополняет концепциюклассического геометрического управления полем при помощи стресс-конусавозможностями направленного манипулирования диэлектрическими свойствамиматериалов с целью повышения степени сглаживания скачка электрического поля.По результатам указанных исследований получен патент на полезную модельконцевой муфты [137], отличающуюся совместным использованием стресс-конусаи диэлектрических слоев с повышенной электропроводностью.
С использованиемзапатентованной технологии в НИИ «Севкабель» разработана конструкциясоединительной и концевой муфты 110 кВ, изготовлены опытные образцы,которые на момент написания данной работы проходят ресурсные испытания виспытательном центре ВНИИКП.1522.4.3 Моделирование выравнивания поля с помощью двухкомпонентногостресс-конусаСтресс-конус используется в концевых и соединительных кабельных муфтахсреднего и высокого напряжения для сглаживания скачка электрического поля вместе среза заводского полупроводящего покрытия по изоляции кабеля.Классический стресс-конус изготавливается из полупроводящего материала. Егоповерхность приближенно считается эквипотенциальной. Идея сглаживанияскачка поля в точке нарушения коаксиальной структуры жила-экран при помощистресс-конуса состоит в постепенном расширении воздушного промежутка междуповерхностью токопроводящей жилы с высоким потенциалом и поверхностьюконуса с потенциалом, близким к нулю.
Полупроводящий стресс-конус окруженосновным изоляционным телом, которая выполняет функцию изоляции междужилой (и ее продолжением – соединительной гильзой) и заземленным экраном.Классическая конструкция использует основное изоляционное тело сдиэлектрической проницаемостью такой же, как у основной полиэтиленовойизоляции кабеля. Перспективным является конструкция стресс-конуса сповышенной диэлектрической проницаемостью основного изоляционного тела,которая изменяет картину распределения электрического поля в критической зоне.При правильном подборе геометрии электрода (угол конусности, радиусзакругления и длина) и диэлектрической проницаемости основного изоляционноготела можно сократить длину и массу соединительного узла без ущерба дляэлектрической прочности и надежности.Технологическиувеличениядиэлектрическойпроницаемостиизоляционного тела из силиконовой резины в нужным пределах можно добитьсяпутем добавления в состав полимера заполнителя в виде сажи (мелко-дисперсногоуглерода)сдисперсностиразмеромичастицыконцентрациипорядка10 нм.углеродногоНадлежащимнаполнителянеобходимости, увеличивать электропроводность материала.подборомможно,при153Единственным практически пригодным методом подбора правильногосочетания геометрических размеров и свойств материала для стресс-конуса сповышенной диэлектрической проницаемостью основного тела является сериячисленных расчетов электрического поля.
Поскольку предметом моделированияявляется электрическое поле в присутствии токов утечки в полупроводящих слоях,использована формулировка задачи электрического поля переменных токов. Вусловиях низкой электрической проводимости ток оказывается малым, и невозбуждает магнитного поля. Точнее, магнитное поле токов проводимости (утечки)столь мало, что ЭДС электромагнитной индукции E=∂A/∂t неотличима от нуля.Уравнение для этой модели формируется с использованием следующихпостулатов: теоремы Гаусса для электрического полянепрерывности тока div J = −div D = ,и модели материала в видеtпринципаD = E; J = E .Переходя к скалярному электрическому потенциалу U : E− = gradU получаем: (− ∙ U) +Учитываягармонический(− ∙ U) = 0характеризменения(2.41)полявовремени,окончательную формулировку уравнения поля получим, переходя к комплекснойнотации при фиксированной циклической частоте ω. При этом оператордифференцирования по времени будет заменен умножением на jω: i − U = 0 (2.42)На рис.
2.44 показан общий вид концевой муфты наружной установки154Рис. . 2.44 Общий вид концевой муфты для наружной установкиНа рисунке 2.45 номерами выделены зоны, проблемные с точки зрениявеличины электрического поля, в соответствии с опытом конструирования иэксплуатации высоковольтных кабельных муфт: зона А – плоскость срезаполупроводящего экрана по изоляции кабеля, зона Б – закругление рефлекторастресс-конуса, зона В – пространство между стресс-конусом и наружнойизоляцией, заполненное жидким диэлектриком, и зона Д – окончание конусавблизи основной изоляции.155Рис.
2.45 Проблемные зоны муфты с точки зрения концентрации электрического поляНа рис. 2.46 показаны граничные условия: известный потенциал, равныйамплитуде приложенного напряжения на поверхности токоведущей жилы(выделены красным цветом), и нулевой потенциал (зеленый цвет) на заземленныхпроводниках и поверхностях полупроводящих элементов, соприкасающихся сними.156Рис. 2.46 Расчетная область с граничными условиямиСетка конечных элементов неоднородная, существенно сгущающаяся вместах концентрации напряженности поля.
Предварительные расчеты показали,что наибольший уровень напряженности поля развивается в зоне А, поэтомуминимизация модуля напряженности электрического поля в этой точке выбрана вкачестве критерия оптимизации. Пространство параметров включает: степеньанизотропии электропроводности рефлектора (отношение продольной компонентыэлектропроводностирефлектора,кпоперечной),относительнаядлинарефлектора,диэлектрическаяуголконусностипроницаемостьосновногоизоляционного тела конуса. Использовалась упрощенная техника поискаглобального минимума, стоящая в последовательном варьировании каждого изпараметров от минимума до максимума при постоянстве остальных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
