автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Исследование, разработка и усовершенствование конструкций переходных соединительных муфт для кабелей на напряжение 110 - 220 кВ

На правах рукописи

Ветлугаев Сергей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕХОДНЫХ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТ ДЛЯ КАБЕЛЕЙ НА НАПРЯЖЕНИЕ 110 - 220 КВ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ОКТ 2015

Москва-2015

005563600

005563600

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте кабельной промышленности (ОАО «ВНИИКП»),

Научный руководитель:

Макаров Лев Ефимович

кандидат технических наук, зав. лаборатории высоковольтной кабельной арматуры ОАО «ВНИИКП»

Директор по исследованиям и разработкам ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» Боев Андрей Михайлович кандидат технических наук, зам. технического директора ООО «Холдинг Кабельный Альянс»

Официальные оппоненты:

Сытников Виктор Евгеньевич

доктор технических наук,

Ведущая организация:

ФГУП «ВЭИ»

Защита диссертации состоится 11 декабря 2015 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного 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

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.19 к.т.н., доцент

Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для передачи электроэнергии в крупных городах России применяются 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 работы высоковольтных кабельных линий во многом определяется конструкцией и технологией монтажа кабельной армгпуры.

Внедрение силовых кабелей высокого напряжения 110 и 220 кВ в России началось с разработки и монтажа маслонаполненных кабелей (МНК) и арматуры, которые, обладая высокой надежностью, работают уже более 70 лет, но в тоже время имеют ряд недостатков, связанных с эксплуатацией и монтажом. Протяженность существующих высоковольтных КЛ на основе МНК, только в г. Москве составляет порядка 430 км в трехфазном исчислении (данные 2013 г.)

Давление кабельного масла внутри свинцовой оболочки МНК изменяется вследствие циклической нагрузки кабельной линии. Это приводит к ее механическому старению и появлению в ней трещин, через которые вытекает кабельное масло. Вытекающее в грунт масло наносит не только экономический, но и экологический ущерб. В этом случае требуется либо ремонт поврежденной строительной длины КЛ, либо ее замена.

Для замены строительных длин МНК на напряжение 110 и 220 кВ в настоящее время может быть использован кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), так как МНК в РФ не производится. Следовательно, возникает задача соединения строительных длин кабеля с различными видами изоляции. Для этих целей применяют специальный вид кабельной арматуры -переходные соединительные муфты. При строительстве новых объектов возникает необходимость перекладки с заменой существующей МН КЛ на кабель с изоляцией из СПЭ, и в этом случае также имеет смысл применения переходных муфт. Использование при сооружении КЛ переходных соединительных муфт дает возможность постепенно, строительными длинами, заменить во всей КЛ МНК на кабель с изоляцией из СПЭ, повысив ее пропускную способность и исключив попадание масла в грунт.

В этой связи, особую актуальность приобретает вопрос разработки переходных соединительных муфт, так как эти муфты являются решением задачи частичной замены МН кабельных линий, а в перспективе дают возможность полностью заменить выработавший свой срок службы МНК кабелем нового поколения - с изоляцией из СПЭ. Настоящая диссертация посвящена проблемам проектирования переходных соединительных муфт на напряжения 110 кВ и 220 кВ.

Цели ряботы.

1. Разработка методики электрического расчета изоляции переходных муфт для кабелей высокого напряжения.

2. Проектирование конструкции переходных соединительных муфт на напряжение 110 кВ.

3. Представление рекомендаций по проектированию переходных муфт на напряжение 220 кВ.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать существующие технологии изготовления изоляции муфт и выбрать технологическую схему формирования изоляции для разрабатываемой переходной муфты;

- провести анализ существующих численных методов расчета электрического поля и выбрать программу для электрического расчета кабельных муфт и адаптировать ее для конструирования переходной соединительной муфты;

- для определения «критических» в отношении электрической прочности областей переходной соединительной муфты провести анализ причин повреждения кабельной арматуры высокого напряжения;

- провести исследования электрической прочности материалов изоляции муфты и на их основе уточнить допустимые напряженности электрического поля в переходной соединительной муфте;

- разработатать дополнительный модуль к программе Е1си1 для электрического расчета переходных муфт на напряжение 110 кВ и 220 кВ;

Няучияя новнчня. В диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

" на основе проведенного анализа причин и механизмов повреждений кабельной арматуры определены расчетные области конструкции переходной муфты;

впервые экспериментально обоснован выбор допустимых напряженностей электрического поля для многослойной электроизоляционной системы переходной муфты;

- разработана методика электрического расчета переходных соединительных муфт на основе дополнительного модуля к программе Е1сМ.

Практическая значимость. Разработанная автором методика электрического расчета применена при проектировании переходной соединительной муфты МПМНП-МС-110 на напряжение 110 кВ. Также даны рекомендации по конструированию муфт на напряжение 220 кВ. Данную методику расчета в дальнейшем можно использовать при проектировании высоковольтной кабельной арматуры.

Реализация результатов ряботм, Результаты диссертационной работы реализованы в виде конструкции переходной соединительной муфты МПМНП-

МС-110 по техническим условиям на переходные соединительные муфты на напряжение 110 кВ.

В настоящее время в энергосистеме г. Москвы эксплуатируются 159 переходных соединительных муфт, конструкция изоляция которых разработана на основе методики электрического расчета при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

на 2 конференциях молодых специалистов;

- на секции НТС ОАО «ВНИИКП».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи и получен патент на полезную модель.

Структура и объем лиггертании. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Материал изложен на 106 страницах текста и иллюстрирован рисунками. Список литературы содержит 71 наименование.

Основные положения, представляемые к машите:

■ результаты исследований различных конструкций вышедших из строя муфт и обоснованный подход к выбору допустимой напряженности электрического поля;

- методика электрического расчета переходной муфты, которая основывается на дополнительно 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.

СОЛ Г. РЖАНИЯ, РА КОТЫ

R первой главе рассмотрены современные конструкции переходных соединительных муфт, материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры. Проанализированы методы расчета электрических полей, а также компьютерные программы применяемые при конструировании кабельной арматуры.

В результате анализа конструкций зарубежных переходных соединительных муфт установлено, что они имеют слишком большие габаритные размеры, и не умещаются в стандартный кабельный колодец. В большинстве муфт отсутствует возможность подпитки маслом KJI. Масло заполняющее эти муфты несовместимо с маслом, которое используется в отечественных МНК. Эти конструкционные особенности муфт, не позволяют применять их в энергосистемах РФ. Кроме того, нет информации о характеристиках используемых материалов, отсутствуют указания об электрическом расчете конструкции для возможного пересчета их с целью снижения габаритных размеров муфты.

В качестве прототипа для разрабатываемой переходной соединительной муфты была выбрана 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, который воспрепятствовал ее дальнейшему применению. Стопорные изоляторы (поз.З) центральной части муфты жестко крепятся к металлическим деталям. Места жесткого крепления обозначены на рис.1 красным цветом. Из-за различных коэффициентов температурного расширения металлических деталей и эпоксидных стопорных изоляторов в этих местах образовывалась течь и нарушалась герметичность муфты.

Основным элементом конструкции высоковольтной кабельной арматуры является стресс-конус, состоящий из электропроводящего электрода (выравнивающего конуса), покрытого изоляционным материалом (рис.1, поз.4). Стресс-конус выравнивает электрическое поле на краю электропроводящего экрана кабеля, снижая тем самым напряженность в этой области муфты.

Технологии изготовления стресс-конусов, существующие в высоковольтной кабельной арматуре подробно рассмотрены в первой главе. В конструкции усовершенствованной переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ изоляция стресс-конуса формируется подмоткой из лент ПЭ с последующей термообработкой и сшивной в пресс-форме на месте монтажа. На начальном этапе разработки переходной муфты такая технология успешно применялась для формирования изоляции концевых и соединительных муфт, эксплуатируемых в энергосистемах РФ.

Последнее время все большую популярность в нашей стране приобретает технология получения изоляции предварительно отлитой и испытанной в заводских условиях. Данная технология обеспечивает надежные электроизоляционные характеристики стресс-конуса, а, следовательно, и муфты в целом, и ее имеет смысл применять в переходной муфте на напряжение 220 кВ. Стресс-конус при этом изготавливается в заводских условиях, в которых могут быть обеспечены высокие требования по чистоте окружающего помещения. Кроме того он проходит приемосдаточные испытания, при которых отбраковываются некачественные изделия.

С целью выбора наиболее эффективной программы для расчета переходной муфты был проведен анализ основных методов расчета электрических полей и программ на их основе.

На сегодняшний день наиболее рациональным выбором программы для расчетов электрического поля в разрабатываемой переходной соединительной муфте является программный пакет ЕЬС1ГГ, базирующийся на методе конечных элементов. Данная программа позволяет определять напряженности электрического поля в любой точке расчетной области муфты, а также наглядно представляет результаты вычислений в виде цветовой картины поля. Задача заключалась в том, чтобы сделать эту программу удобной для оперативного электрического расчета кабельной муфты в интересующей нас области при последовательном изменении геометрических размеров разрабатываемой конструкции.

Вторая глава посвящена анализу причин повреждения кабельных муфт выского напряжения и проблемам регулирования напряженности электрического поля в переходной муфте.

Переходная муфта в качестве основного элемента регулирования электрического поля содержит «стресс-конус», который имеется в высоковольтных концевых муфтах. Поэтому вполне закономерно воспользоваться результатами анализа конструкций концевых муфт для выявления расчетных областей и представления особенностей конструирования переходной соединительной муфты.

Результаты исследований вышедшей из строя высоковольтной кабельной арматуры показывают, что наиболее вероятный сценарий развития пробоя можно представить следующим образом:

- возникновение скользящих разрядов на поверхности стресс-конуса в электроизоляционной жидкости из-за высокой продольной напряженности электрического поля;

- возникновение электрического триинга на поверхности стресс-конуса и его прорастание до электропроводящей части с последующим выносом нулевого потенциала на поверхность стресс-конуса. В дальнейшем пробой может развиваться как по поверхности изоляции кабеля, так и по поверхности стресс-конуса с замыканием на заземленные части муфты.

При анализе результатов электрических испытаний экспериментальных образцов стопорных муфт, проведенных в высоковольтной лаборатории ВНИИКП, установлено что пробой в стопорной муфте происходил по границе раздела: продольно между слоями бумажно-масляной изоляции центральной части стопорной муфты или по поверхности усиливающей бумажно-масляной изоляции. Расчетная область кабельной муфты - это граница раздела двух диэлектрических сред либо область с повышенной напряженностью поля, электрическая прочность которой, определяет прочность конструкции в целом.

В результате проделанной работы были определены следующие расчетные области конструкции прототипа переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ приведенные на рис.2.

Рис.2. Расчетные области конструкции прототипа переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ.

а - поверхность раздела стресс-конуса из СПЭ и электроизоляционная жидкость; Ь -бумажно-масляная изоляция; с - поверхность центрального электрода.

На рис. 3 приведена конструкция, которая может быть принята в качестве прототипа переходной соединительной муфты на напряжение 220 кВ с обозначенными расчетными областями. Особенность этой конструкции заключается в отсутствии заполнения электроизоляционной жидкостью камеры со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ.

Рис.3. Базовая конструкция переходной муфты на напряжение 220 кВ (сторона кабеля с изоляцией из СПЭ).

1 - эпоксидный изолятор; 2 - кожух; 3 - соединитель штекерного типа; 4 - стресс-конус из кремнийорганической резины; 5 - стальная пружина; 6 - оболочка кабеля; а - граница раздела изоляции кабеля из СПЭ и стресс-конуса из кремнийорганической резины; Ь - граница раздела изоляции стресс-конуса из кремнийорганической резины и эпоксидного изолятора; с - поверхность центрального электрода.

Представляется, что изменяя форму электродов; добавляя дополнительные экранирующие электроды а также изменяя материалы изоляции, можно добиться уменьшения значения напряженности поля в расчетных областях изоляции переходной соединительной муфты, повысив тем самым электрическую прочность конструкции в целом. Поэтому для расчета профиля выравнивающего

конуса высоковольтной кабельной арматуры обычно применяются формулы, основанные на принципе постоянства продольной (тангенциальной) составляющей напряженности поля. Данный принцип расчета имеет особый смысл для слоистого диэлектрика переходной муфты со стороны МНК (пропитанная бумажная изоляция), где электрическая прочность в продольном направлении в 8-10 раз ниже, чем в радиальном. Для переходной муфты на напряжение 110 кВ со стороны кабеля с изоляцией из изотропного СПЭ применение расчетных формул, основанных на постоянстве осевой составляющей напряженности электрического поля, особого смысла не имеет. Тем не менее, эти формулы вполне применимы для расчета профиля выравнивающего конуса переходных муфт на напряжение 220 кВ, потому что конструкция данной муфты предполагает наличие границы раздела двух сред.

Профиль выравнивающего конуса выбирается из условия, монотонного убывания напряженности поля вдоль его поверхности (по образующей 1-2, рис.4). Этому условию удовлетворяет конфигурация электрода Роговского, являющаяся поверхностью равного потенциала у краев плоского конденсатора при ¡р _

2 - СОЛУ

Рис. 4. К расчету выравнивающего конуса.

Уравнение линии 1-2 (образующая выравнивающего конуса), показанного на рис.5 выражается зависимостью:

>> = 0,4862-4 + — е

(1)

Поверхность выравнивающего конуса переходит в тороидальную поверхность радиуса Я (Я - радиус закругления выравнивающего конуса), т.е. в плоскости х-у окружность с центром в точке О1 должна быть касательная к кривой у - f(x) по уравнению (2).

Координаты центра окружности, касающейся кривой выравнивающего конуса находятся по следующим формулам:

Х = х-

£

(2)

Г = 0.4862 .¿+1.^ + . А

л /-

I 157

Соотношения 1 и 2 использованы в разработанном дополнительном модуле к прогамме Е1си1 для оптимизированного расчета конструкции переходной муфты.

В третьей главе проведено исследование электрической прочности расчетных областей переходной муфты, а также рассматривается разработанная методика электрического расчета.

Для количественной оценки электрической прочности расчетной области поверхность раздела стресс-конуса из СПЭ и электроизоляционная жидкость проанализированы результаты электрических испытаний по определению зависимости уровня Ч.Р. от прикладываемого напряжения в известной конструкции концевой муфты, приведенной на рис.5 (изолятор муфты не показан).

Рис.5. Концевая муфта на напряжение 110 кВ с монолитной ПЭ изоляцией. 1 - токовывод; 2 - монолитная ПЭ изоляция (выполненная по отечественной технологии); 3 -экран; 4 - проводник заземления; 5 - узел герметизации.

Зависимость, приведенная на рис.6, позволяет определить напряжение (и = 87 кВ), при котором уровень Ч.Р. в данной конструкции концевой муфты не превышает принятое при приемо-сдаточных испытаниях для кабельной арматуры допустимое значение - 5 пКл. Напряженность электрического поля на поверхности монолитной ПЭ изоляции данной концевой муфты при напряжении и = 87 кВ можно считать допустимой. Превышение этой величины напряженности вызовет появление значительных скользящих разрядов на отмеченной поверхности концевой муфты (см. рис.5.) Допустимую продольную (тангенциальную) напряженность электрического поля в переходной муфте для расчетной области «стресс-конус из СПЭ - электроизоляционная жидкость» можно принять равной: Еспэ = 1,8 кВ/мм.

20 ад 60 07 loo 120 140 isa leo U. кВ

Рис.6. tg5 и уровень частичных разрядов в концевой муфте на поверхности монолитной

ПЭ-изоляции (красная линия на рис.6 среднее значение для трех образцов концевой муфты 110 кВ) в зависимости от приложенного напряжения U.

В заключительном отчете ОАО «ВНИИКП» посвященном усовершенствованию конструкции и технологии монтажа арматуры МНК на напряжения 110 и 220 кВ приводятся результаты электрических испытаний экспериментальных образцов стопорных муфт с доведением изоляции до пробоя. Все случаи пробоев, которые имели место при испытаниях экспериментальных образцов стопорных муфт, происходили по границе раздела: продольно между слоями БМИ центральной части стопорной муфты или по поверхности усиливающей изоляции.

Проанализировано семнадцать случаев пробоя (см. табл. 1).

Таблица 1

П1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

U пр, кВ 120 128 160 160 160 160 180 200 200 200 200 225 250 250 250 250 288

По результатам этих испытаний было построено распределение Вейбулла. Полученные параметры распределения Вейбулла, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр распределения Вейбулла Значение

Параметр формы, а 4,195

Коэффициент корреляции, г 0,977

Параметр масштаба, С/о 2Í8.7

Для построения зависимости вероятности безотказной работы переходной соединительной муфты по результатам испытаний экспериментальных образцов воспользуемся следующей формулой :

А.411

Ег = Е0-еа [в) , (3)

где Ет - тангенциальная составляющая напряженности электрического поля, при определенной вероятности пробоя, кВ/мм; £ - параметр масштаба, численно равный Е,, при вероятности пробоя 0,632; 2 - вероятность безотказной работы.

Так как все пробои имеют место вдоль слоев БМИ вполне правомерно определить допустимую напряженность в расчетной области для какого-то конкретного значения вероятности безотказной работы переходной муфты. Зададимся значением безотказной работы переходной муфты 0,99 и определим допустимое значение напряженности электрического поля (рис.7), о 1

0,96

0,9 0,6 0,7 0,6 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1

О ----

о 0.6 0,86 1.5 2,5 3,0 3,5 4.0 й. кВ/ММ

Рис.7. Зависимость вероятности безотказной работы стопорной муфты от тангенциальной составляющей напряженности электрического поля в БМИ.

Полученное значение напряженности ЕБми = 0,95 кВ/мм следует считать допустимым значением напряженности электрического поля для расчетной области бумажно-масляная изоляция.

Выбор допустимой напряженности на поверхности центрального электрода, который залит эпоксидным компаундом, не представляет особой сложности, так как данные по электрической прочности эпоксидного компаунда имеются в электротехнической литературе, и поэтому нет необходимости в проведении электрических испытаний. Электрическую прочность эпоксидных компаундов после эксплуатации в течении I часов можно оценить из выражения:

где Е0 - электрическая прочность образца при плавном подъеме напряжения до пробоя за время порядка 1 мин, равная25 кВ/мм ;п = 12;1о= 1 мин.

Оценка по (4) показывает, что при времени эксплуатации порядка срока службы кабельной линии (25-30 лет) нижний предел электрической прочности эпоксидной изоляции составляет примерно 6 кВ/мм, которую можно установить за допустимую величину Езп<ж-

Учитывая сложность электрического расчета систем с различными изоляционными средами разработка единого методического подхода к проектированию переходных соединительных муфт высокого напряжения

—-

V ч,-

Л

к

представляется многоэтапной задачей. Этапы проектирования переходных соединительных муфт приведены в таблице 3.

Таблица 3

№ Этапы проектирования переходных соединительных муфт высокого напряжения

1. Выбор технологической схемы формирования изоляции стресс-конуса со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ

2. Выбор конструкции прототипа переходной соединительной муфты

3. Определение расчетных областей конструкции прототипа

4. Исследование электрической прочности расчетных областей

5. Проведение электрического расчета переходной муфты на основе дополнительного модуля к программе Е1ай

6. Расчет габаритных размеров центральной части разрабатываемой переходной соединительной муфты

Для определения габаритных размеров центральной части переходной соединительной муфты необходимо рассчитать размеры основных элементов ее конструкции. На рис.8 приведена схема переходной соединительной муфты с основными размерами, которые влияют на распределение электрического поля в расчетных областях.

¿6МИ £слэ

Рис.8. Схема переходной соединительной муфты с основными размерами и обозначениями координат точек с максимальной напряженностью поля.

При помощи программного пакета Е1сЩ определены максимальные значениями напряженности поля, координаты этих точек обозначены 1, 2, 3, 4, 5, 6 на рис.8. В близи этих точек наиболее вероятно возникновение ЧР, которые в дальнейшем приводят к пробою изоляции муфты. Следовательно, для моделирования конструкции переходной муфты необходимо установить зависимость между геометрическими параметрами конструкции и напряженностью в этих точках. Для ускорения процесса моделирования был создан дополнительный модуль к программе Е1си1 Организация данных в процессе моделирования приведена на рис.9. Таким образом, разработанный модуль принимает исходные данные (параметры вводимые оператором):

расчетное напряжение, радиус края электрода, толщину изолятора и т.д. и моделирует расчетную область на основе базовой модели.

Рис.9. Организация данных в процессе моделирования соединительной муфты.

После чего созданная расчетная область обрабатывается программой ЕЬСиТ, результаты возвращаются обратно в модуль в виде значений напряженностей в точках, координаты которых приведены на рис.8. Оптимизацию конструкции муфты, которая заключается в уменьшении напряженностей в точках 1, 2, 3, 4, 5 и 6 до допустимого уровня и ниже, осуществляет оператор, изменяя входные данные.

Разработанный модуль позволил получить выражения для определения напряженностей в вышеуказанных точках 1, 2,3, 4, 5, 6. Эти выражения получены путем аппроксимация результатов расчетов модуля, полученных с использованием степенной функции.

£/. 2,з.4 = иР-а-Д"4,

(5)

где ир - расчетное напряжение, кВ; Д - толщина эпоксидного изолятора, мм; а и Ъ -коэффициенты из таблицы 4 для различных радиусов кромки электрода гэн мм.

Таблица 4

точки 2,3

точка 1,4

а, шг1 Ь

а, лиг3 Ь

1

0,652 0,485 0,073

2

0,578 0.496 0,066

0,412 0,406

3

0,518 0,503 0,058 0,392

4

0,504 0,522 0,053 0,364

5

0,473 0,523 0,049 0.376

б

0,470 0,538 0,044 0,364

7

0,457 0,543 0.04 0,357

8

0,447 0,549 0,037 0,345

9 : Ю !

0,449 ; 0,447

0,559 1 0,567

0,034 : 0,032

0,34 ! 0,333

Значения напряженностей в точках 1, 2, 3, 4, полученные по формуле (5) должны удовлетворять неравенствам:

Е/<Ебми, Е2,3 ^ Еэпок, Е4<Еспэ, 14

где Еши = 0,95 kB/мм; Ето* = 6 кБ/мм; Ест =1,8 кВ/мм.

По формуле (7) можно рассчитать диаметр эпоксидного изолятора:

du, = dK + 4гэл+ 2(А + t), (7)

где dt - наружный диаметр изолированной жилы кабеля выбирается по ТУ 16.К71-273-98 «Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ»; гм -радиус края электрода, мм (из табл.4); Д - толщина эпоксидного изолятора, мм; t -технологический зазор, необходимый для обеспечения нужного масляного канала, равный 10 мм.

Также были получены выражения для расчета напряженностей электрического поля в точках 5 и 6:

Es = Up-49, 7-Iemi-t'-8, (8)

Еб = Up-49,7-1спэ1,8, (9)

где Up - расчетное напряжение, кВ; 1вми - расстояние между центральным электродом и выравнивающим конусом со стороны МНК, мм; !спэ - расстояние между центральным электродом и выравнивающим конусом со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ, мм.

Значения напряженностей в точках 5 и 6, полученные по формулам (8) и (9) должны удовлетворять неравенствам:

Es < Еши, Еб<Еспэ, (10)

Исходя из соображений технологичности (литьевая форма должна быть симметрична относительно центральной линии конструкции переходной муфты) расстояние между центральным электродом и выравнивающим конусам принимается равным максимальному значению (LaKC) из двух, полученных по формулам (8) и (9).

Длина эпоксидного изолятора может быть рассчитана по формуле:

1из " 21макс^~ 1эл, (11)

где 1Макс - максимальное значение из двух, полученных по формулам (8) и (9), мм; 1эл - длина центрального электрода.

При определении длины центрального электрода учитывается необходимость экранирования неизолированных частей соединительных гильз на конце МНК и кабеля с изоляцией из СПЭ, а также конструктивная длина самого соединителя.

Четвертая глава рассматривает конструкцию промышленного образца переходной соединительной муфты типа МПМНП-МС-110, при этом приводятся рекомендации по эксплуатации и монтажу разработанной конструкции.

Конструкция промышленного образца переходной соединительной муфты типа МПМНП-МС-110, приведена на рис.10, основные размеры рассчитаны с использованием разработанной методики.

Рис.10. Переходная соединительная муфта типа МПМНП-МС-110/64. 1 - штуцер для маслоподпитки; 2 - маслопроводящий канал жилы МНК; 3 - эпоксидный стресс-конус; 4 - эпоксидный изолятор; 5 - масло МНК-4В; 6 - стальная втулка; 7 - бумажно-масляная изоляция; 8 - кожух из немагнитной стали; 9 - центральный электрод; 10 -штекерный соединитель; 11 - медная гильза; 12 - жидкость ПМС-100; 13 - монолитный ПЭ стресс-конус; 14 - жила кабеля с изоляцией из СПЭ.

Разработанная муфта типа МПМНП-МС-110 предназначена для соединения строительных длин МНК сечением токопроводящей жилы 270 и 625 мм2 и кабеля с изоляцией из СПЭ сечением от 185 до 1000 мм2 на напряжение 110 кВ. Данная конструкция переходной соединительной муфты защищена патентом на полезную модель №147096 от 08.05.2014 г. Она обладает рядом преимуществ, которые отсутствуют в известных ранее конструкциях стопорных и переходных муфт.

Также проведена оценка надежной работы переходной соединительной муфты, которая является сложным по конструкции элементом кабельной линии с различными видами изоляционных материалов, отличающихся по электрическим характеристикам и механизму старения. Как правило, МНК низкого давления были проложены в крупных городах в 70х-80х г.г. прошлого столетия и ранее, и к настоящему моменту перекладки/реконструкции по большей части выработали свой ресурс - 30 лет.

Для оценки срока службы переходных соединительных муфт может быть применен метод ступенчатой нагрузки, который уже нашел широкое использование при испытаниях силовых кабелей высокого напряжения. Так, эквивалентный срок службы при рабочем напряжении для кабеля рассчитывают по результатам ресурсных испытаний методом ступенчатой нагрузки следующим образом:

ФоА) = 1флУ1°'-е'] № ; (12)

M Wj

где ц д _ номинальное рабочие напряжение и рабочая температура; и. Д. — напряжение и температура на ¡-ой ступени испытаний; от —число ступеней; у — коэффициент; пропорциональный обратной величине энергии активации при тепловом старении; п — показатель степени, характеризующей электрическое старение; — длительность 1-ой ступени испытаний.

Для оценки срока службы МНК степенной показатель п принимают равным 9-10. Для оценки срока службы кабелей с изоляцией из СПЭ п увеличивают до 15. Эту цифру также приводят для оценки монолитной изоляции муфт. С учетом использованной степенной зависимости срока службы по (12) и проведенных длительных испытаний стопорных муфт во ВНИИКП подтвержден ожидаемый срок службы 30 лет.

Для приемосдаточных и типовых испытаний муфт на напряжение 110 кВ принята частично методика стандарта МЭК 60840. Ниже, в табл.5 приведены результаты испытаний переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ, проведенные по этой методике

№ ; Нормы испытаний п/п

Испытание напряжением промышленной частоты 130 кВ/30 мин________________

Измерение уровня Ч.Р. при напряжении 130 кВ 4 P. < 5 пКл .....................

Испытание напряжением промышленной частоты 160 кВ /15 мин с измерением Ч.Р

Испытание напряжением грозового импульса ^ Пробой отсутствует ± 550 по 10 ударов разной полярности

Результат

Пробой отсутствует : Ч.Р. отсутсвтуют 4P. отсутсвтуют

Испытание напряжением промышленной частоты 160 кВ / 24 часа

Пробой отсутствует

Таблица 5 Примечание

принято в качестве приемосдаточного___:

^ принято в качестве ; приемосдаточного......

принято в качестве приемосдаточного

Соотв. испытанию МНК

Испытания по п.п. 1, 2 и 3 табл.7 были приняты в качестве приемосдаточных и применялись при последующих испытаниях всех муфт.

Для оценки срока службы разработанной переходной соединительной муфты типа МПМНП-МС-110 использовались результаты циклических испытаний принятого прототипа муфты МСТМНЭ-110, проведенных во ВНИИКП, которые сведены в таблице 6. В течение каждого цикла нагрев (7ч)/ охлаждение (17ч) муфта находится под напряжением.

Таблица 6

Кол-во циклов/часов

Напряжение, кВ

100 (1,Шо)

127 (2,Ои0)

140 (2,2 Цр)

Циклов Часов

73

491

161

1042

22

152

Обработка результатов ступенчатых испытаний с показателем п=10 МНК показывают возможность длительной работы (более 50 лет) переходных соединительных муфт. Следует отметить тот факт, что эпоксидная изоляция относится к высоконадежным видам изоляции и фактически работает во всех видах кабельной арматуры (кабельных вводах, стопорных муфтах МНК и т.д.) уже более 30 лет.

Всего с 2003 г. было изготовлено 159 муфт типа МПМНП-МС-110 за это время было отмечено два случая повреждения. Первый отказ был связан с повреждением муфты, в которой использовалась центральная часть стопорной муфты МСТМНЭ-110 и которая была изготовлена в 80-х годах изоляционное масло в центральной части этой муфты содержало большое количество загрязнений. Начиная с 2003 года, в конструкциях переходных соединительных муфт уже использовался усиленный эпоксидный изолятор без дополнительной подмотки, и недостатки связанные с загрязнением масла были устранены. Второй случай отказа (муфта типа МПМНП-МС-110) связан с плохим контактом, возникшим при стыковке центральной части муфты с МНК.

На протяжении ряда лет переходные соединительные муфты проходят все испытания и имеют сертификат качества, подтверждающий надежность данной продукции.

1. Проанализированы существующие конструкции переходных соединительных муфт и методы расчета электрических полей в этих муфтах. На основе анализа существующих конструкций переходных соединительных муфт на напряжение 110 - 220 кВ, их недостатков и положительных результатов эксплуатации определены две различные конструкции. Первая конструкция муфты предполагает формирование монолитной изоляции стресс-конуса муфты со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ намоткой ПЭ-лент с последующей их термообработкой для получения монолитной сшитой изоляции (на напряжение 110 кВ). Вторая - использование стресс-конуса предварительно изготовленного из кремнийорганической резины (на напряжение 220 кВ).

2. Произведен обоснованный выбор программы численных расчетов напряженности электрического расчета в изоляции переходных соединительных муфт - Е1сШ, которая базируется на методе конечных элементов. С учетом последующей необходимости расчета оптимизированной конструкции муфт с участием диссертанта произведена дороботка программы ЕкШ путем введения дополнительного модуля.

Выводы

3. На основе исследования отказов кабельных муфт высокого напряжения в процессе эксплуатации установлены причины повреждения изоляции муфт и определены их расчетные области, которые определяют электрическую прочность конструкции в целом.

4. На основе экспериментальных данных по испытанию стопорной муфты, являющейся прототипом переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ, определены допустимые напряжешюсти электрического поля для БМИ. Представлены результаты исследования электрической прочности малых и больших масляных промежутков с развитием частичных разрядов по поверхности монолитной полиэтиленовой изоляции в полидиметилсилоксановой жидкости. По результатам расчетов существующих конструкций концевых муфт на высокое напряжение определена электрическая прочность на границе : «СПЭ -кремнийорганическая резина».

5. Разработана методика электрического расчета переходных соединительных муфт на напряжение 110 - 220 кВ.

6. С использованием разработанной методики произведена деталировка и оптимизация конструкций в части снижения напряженности электрического поля в расчетных областях.

7. Разработана усовершенствованная конструкция переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ с монолитным центральным изолятором и новым узлом уплотнения.

8. На основе анализа результатов приемосдаточных испытаний, опыта эксплуатации переходных соединительных муфт и стопорных муфт на напряжение 110 кВ подтверждена высокая эксплуатационная надежность муфт. Разработанная методика и конструкция муфт на напряжение 110 кВ реализованы при изготовлении более 200 муфт, которые эксплуатируются в крупных энерго системах России.

9. Разработана инструкция по монтажу переходных соединительных муфт, в которой отражены особенности конструкции муфт и их монтажа.

10. Результаты работы представлены в пяти статьях в рецензируемых журналах, доложены на двух конференциях. Подана заявка на полезную модель.

Список публикаций по теме диссертации

1. Ветлугаев С.С., Макаров JI.E., Образцов Ю.В., Фурсов П.В. Переходные соединительные муфты на напряжение 110 кВ: Электрические станции № 10. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. стр.55-59.

2. Ветлугаев С.С., Макаров JI.E., Образцов Ю.В., Фурсов П.В. Соединение кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена: Энергетик № 12. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2002. стр. 26-28.

3. Ветлугаев С.С. Выбор допустимых напряженностей и электрический расчет переходной муфты: Кабели и провода № 3. М.: ООО «Журнал «Кабели и провода», 2009. стр. 16-20.

Подписано в печать 01.10.2015г. Зак.222И, тир. 70, п.л. 1,25 Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул., д.13