автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка усовершенствованных конструкций маслонаполненных кабелей

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ.ДАННЫХ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Анализ работ по старению высоковольтной внутренней изоляции.и.методам.определения ее ресурса.

1.2. Диэлектрические. потери. в. маслонаполнен-ных кабелях

1.3. Анализ воздействующих напряжений на.кабельные линии высокого напряжения

1.4. Анализ рабочих и испытательных напряженно стей в современных конструкциях маслоналолненных кабелей, высокого. напряжения

1.5. Цель и задачи диссертации

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СТАРЕНИЯ

ИЗОЛЯЦИИ МАСЛОНАЛОЛНЕННЫХ.КАБЕЛЕЙ.И.ОЦЕНКА.

РЕСУРСА.

2.1. Основные закономерности процессов старения . изоляции. маслоналолненных. кабе-. лей.

2.2. Оценка ресурса маслоналолненных кабелей в зависимости от значений основных характеристик кабелей.

2.2.1. Зависимость температуры.изоляции.от. времени эксплуатации.

2.2.2. Влияние диэлектрических потерь в изоляции на.ре сурс.маслонаполненных.кабелей

2.2.3. Зависимость ресурса от.напряженности электрического поля

2.3. Влияние условий теплоотвода на ресурс кабеля. Проверка. достоверно сти. модели. старения.

2.4. Определение показателей долговечности, маслонаполненных кабелей.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ

ЭКРАНОВ НА. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

МА.СЛОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЕЙ.

3.1. Экспериментальные данные

3.2. Расчетные данные

Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЕЙ И ВЫБОР ДОПУСТИМЫХ

НАПРЯЖЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

4.1. Постановка воцроса.

4.2. Экспериментальные исследования импульсной црочности изоляции маслонаполненных кабелей и выбор допустимых. им-. . . пульсных напряженностей . юб

4.3. Электрическая прочность изоляции маслонаполненных кабелей цри напряжении промышленной частоты. Разработка методики ускоренных испытаний и определение .до-. . пустимой рабочей напряженности.

Глава 5. РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ.КОНСТРУКЦИЙ,

МАСЛОНАПСШНЕННЫХ КАБЕЛЕЙ

5.1. Постановка вопроса

5.2. Выбор испытательных импульсных напряжений для маслонаполненных кабелей, применяемых в. городских .распределительных. системах.^б

5.3. Выбор допустимых импульсных, напряженно с-тей и расчет толщины изоляции.по.им-. пульсному воздействию.

5.4. Выбор структуры изоляции кабелей.усовер-г шенствованных конструкций.

5.5. Проверка рабочих напряженностей по ре-. . зультатам ускоренных испытаний кабелей.

5.5.1. Экспериментальная проверка основных положений йодели старения.изоляции. . . маслонаполненных кабелей.

5.5.2. Расчет допустимых токов нагрузки и ресурсов маслонаполненных кабелей. усовершенствованных конструкций.

5.5.3. Расчет допустимых температур и ресурсов с учетом режимов эксплуатации кабелей

5.6. Экономические показатели маслонаполнен-ных кабелей, усовершенствованных.конст-. . . . рукций

ВЫВОДЫ.

Производство и потребление электроэнергии в 1985 году в соответствии с принятыми хху1 съездом КПСС "Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1981-1985 г.г. и на период до 1990 года" предусмотрено довести до 1550-1600 млрд. кВт.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 01фужающую среду. Эти особенности и определили основные области применения кабелей высокого нацряжения 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 110 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 строительства.

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 материалоемкости 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 маслоналолненных кабелей. Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методы по оценке и расчету ресурса маслоналолненных 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 1фатковременных 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 масло-наполненных кабелей, устанавливающая зависимость между техническим ресурсом кабеля, его электрическими и тепловыми параметрами; на основе исследований электрической прочности изоляции маслонаполне нных кабелей предложен подход к определению допустимых напряженностей при импульсных воздействиях и напряжении цромышленной 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.

2) 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.

3) Импульсные допустимые напряженности предлагается определять на основе вероятностно-статистических методов.

4) Предложена методика ускоренных испытаний по оцределению ресурсных характеристик кабелей, основанная на определяющем механизме старения изоляции. Пересчет результатов испытаний на номинальные условия эксплуатации.производятся в соответствии с разработанной моделью старения.

5) Методы расчета маслонаполненных кабелей должны базироваться на комплексном подходе к оцределению 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 ВЕШИ 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.(теш 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.

ВЫВОДЫ

По. материалам проведенных исследований и разработок. могут быть сделаны выводы и.даны рекомендации, относящиеся к практическому црименению результатов работы.

1. На основе анализа процессов старения изоляции маслоналолненных кабелей разработана математическая модель, устанавливающая зависимость ресурса от электрических и тепловых параметров кабелей. Разработанная модель старения может служить методологической основой конструирования, испытания и обоснования показателей надежности маслоналолненных кабелей. На ее основе определяется рабочая напряженность электрического поля в зависимости от заданного ресурса и нагрузки кабеля, а также допустимые рабочие температуры. Модель старения может, использоваться для решения прикладных задач, .возникающих в процессе эксплуатации кабельных линий и связанных с определением ресурсов кабелей и нагрузочных характеристик.

2. Установлена оцределяющая роль диэлектрических потерь на процесс старения изоляции маслоналолненных кабелей. Исходное значение тангенса утла диэлектрических потерь предлагается в качестве главного параметра, характеризующего показатели надежности на стадии. изготовления кабелей.

3. Конструкция экранов маслоналолненных кабелей с применением электропроводящих бумаг оказывает существенное влияние.на диэлектрические потери кабелей, снижение которых достигается за счет применения двухслойных электропроводящих бумаг на границе раздела экранов и изоляции.

4. На основе исследований электрической прочности изоляции маслоналолненных кабелей разработаны методы определения допустимых напряженностей электрического поля.

Шпульсные допустимые напряженности определяются на основе вероятностно-статистических методов. Выполнен анализ экспериментальных данных импульсной прочности кабелей, охватывающей период около 20 лет и определены параметры распределения пробивных напряженно стей, с использованием которых осуществляется конструктивный расчет изоляции по импульсным воздействиям.

Объяснен механизм развития пробоя изоляции при кратковременных воздействиях напряжения промышленной частоты. Впервые показана роль тангенциальной составляющей напряженности на развитие .пробоя в изоляции кабелей с радиальным электрическим полем. Показаны разные механизмы пробоя изоляции при кратковременном и длительном приложении напряжения.

Определена функциональная зависимость, связывающая допустимую рабочую напряженность в изоляции кабеля с ресурсом, диэлектрическими потерями, нагрузочными параметрами. и условиями теплоотвода на основе разработанной модели старения.

5. Предложены и обоснованы методики ускоренных испытаний кабелей, позволяющие определить допустимые рабочие напряженности и технические ресурсы кабелей.

6. Разработана усовершенствованная структура изоляции с повышенной электрической прочностью, позволяющая реализовать расчетные напряженности электрического поля и снизить существующую толщину изоляции на 20-30 % с соответствующим снижением материалоемкости маслонаполненных кабелей. . .

7. Разработаны научно-обоснованные методы основных видов расчетов маслонаполненных кабелей - конструктивного, электрического, теплового и расчета показателей, надежности* Использование данных методов позволило выполнить разработку усовершенствованных конструкций кабелей с высокими значениями электрических, эксплуатационных и экономических показателей.

1. Руководство по оценке и идентификации систем изоляции электрического оборудования. Публикация МЭК № 505, 1975 (отчёт МЭК).

2. ГОСТ 16441-78. Кабели маслонаполненные на переменное напряжение 110-500 кВ. Технические условия.

3. Endicott H.S., Hatch. B.D., Sohmer R.G. Application of th.e Eyring model to capacitor aging data^IEEE Transaction on component parts, vol. CP-12, 1965, pp 34-41.

4. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М: изд-во иностр. лит-ры, 1948, с. 443.

5. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. -Л.: Энергия, Ленингр.отд-ние, 1979. 224 с.

6. Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1968.

7. Occb.ini, Lanfranconi G.M., Tellarini М. Self-contained', oil-filled cable systems for 75o and 1100 kV. Design and tests. CIGRE, 1978, rep. 21-08.

8. Shiomi H. Application of cumulative degradation model to acceleration life test.- IEEE Trans, on Reliability, vol. R-17 n 1, March., 1968, pp 27-33.

9. Miner M.A. Cumulative damage in fatigue.- Proc. ASME, vol. 67, 1945.

10. Palxini G., Simoni L. Andamento nel tempo della rigidita die-lettrica degli isolanti solidi sottoposti a tensione alternate. L Energia Elettrica, 1972, N 6.

11. Pattini G., Simoni L. Discussion on the endurance tests with combined stres. Ill

12. Dakin T. High voltage insulation applications. IEEE Trans, on Electr. Insulation, vol. E1-13, К 4, August 1978,pp.318-326.

13. Simoni L., Pattini G. Voltage endurance resistenza nel tempo del materiali isolanti solidi alls tensione alternata. L'Elet-trotechica, vol. LXV, H 4, Aprilo 1978.

14. Брагин C.M. Электрический и тепловой расчёт кабеля. М., Л.: Госэнергоиздат, I960, - с. 328.

15. Образцов Ю.В., Глейзер С.Е., Шувалов M.I0. Влияние диэлектрических потерь на тепловое старение изоляции маслонаполненных кабелей. Электротехника, 1983, № 12, с. 50-54.

16. Быков Е.В., Кранихфельд Л.И. Некоторые вопросы теории надежности проводов и кабелей. Труды ВНИИКП, 1981,вып.23.-с.86-99.

17. Head Y.J., Gale P.S., Skipper D.J., Stannett АЛ/. Ageing of oil-filled cable insulation.- Cigre, 1982, N 15-07.-8p.

18. Электроизоляционные бумаги на основе синтетических волокон./ Информэлектро. М., 1979. - с. 33.

19. Войдёнов Н.Н. Влияние экранов из полупроводящей сажевой бумаги на электрические характеристики кабеля. Труды ВНИИКП,1963, вып. 8. с. 5-26.

20. Blodgett R.B., Gooding Р.Н. Parameters affecting the increase in dielektric loss, cansed by carbon black paper screens, for oil paper dielectrics.- IEEE Trans., 1964, PAS-83,pp. 121-130.

21. Gazzana- Prioroggia P., Ochini E., Palmieri N. Dielectric phenomena related to the use of carbon black paper scree-ring in high-voltage fully impregnated cables. - IEEE Trans.,1964, РАС 83, p. 137 - 152.

22. Коэффициент мощности маслонаполненных кабелей / Доклад технического Комитета 20 А МЭК, февраль 1968. 13 с.

23. Gleiser S.E., Goldobin D.A., Kadomskaja К.P.,Kh.anukov M.G., Obraztsov Ju.V., Peshkov I.B. Insulation development of oilfilled cables for heavy load transmission. CIGRE, 1982, К 21 - 08. -5p.

24. Голдобин Д.А. Волновые процессы и перенапряжения в кабельных линиях высокого напряжения. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд.техн.наук. НЭТИ, 1981.

25. Arkell C.A., Bazzi G., Schuppe W. First 380 kV bulk power transmission system with lateral pipe external cable cooling in Austria. CIGRE, 1980, 11 21-09.-p7.

26. Arkell C.A.,Hutson R.B., Nicholson J.A. Development of internally oil cooled cable systems. - IEE, 1977, 124, N 3, p 317 - 325.

27. Calzolari P., Palmieri N. 220 kV cable connection in Rome. -IEEE Trans., 1972, vol. PAS 91, N 3.

28. Nakoi S., Akio M., Kyoji H. First 500 kV of'cable used for immeboosting system. Hitachi Rev., 1975, H 6, p 277-283.

29. Lanfranconi G.M.,Mashio G., Occhini E. Self -contained oil-filled cables for high power transmission in the 750 1200 kV range. IEEE Trans. PAS, 1974, v.93, N 5 - p 1535-1545.

30. Ray J.J., Arkell C.A., Frank H.W. Filled cable systems for Grand Coulee third powerplant. Design and development. IEEE Summer Power Meething and EHV/UHV Conference,1973.

31. M-c Rae B.P.,Medhurst P.J., Hubert L. The first 330 kV bulk power transmission cable sistem in Australia. Cigre, 1980, N 21 - 08.

32. Bazzi G. 400 kV Cable installation дп Mexiko. IEEE Trans.,vol. PAS-97, H 3, 1978, pp. 669 674.

33. Dwek M.G., Eggleton M.N. Electrical Parameters of 400 kV and 275 kV Cables in England and Wales. IEE Conference on Un-dergraund Transmission, London 1968, pp 461 - 479*

34. Hata H., Metsuura K. Development EHV power cables for long undergraund transmission lines. Sumitomo Electric Technical Review, 1966, IT 8.

35. Bader G. 550 kV HPOF Cable Development in the USA. CIGRE, 1976, Rep. 21-11.

36. Калитвянский В.И. Общие закономерности теплового старения полимерных диэлектриков. Электричество, 1955, № 3.- с. 57-62.

37. Anderson J.K., Banks V.A., Sullivan D. Use of loss measurements in accelerated ageing tests oil-paper dielectrics. -IEE Conference on dielectric materials, measurements and applications. Landcaster, 1970, pp 198-201.

38. Watanabe Т., Yoshida N., Kikuchi. K. et al. Development of 500 kV class cables and accessories. IEEE Conference, New York, 1975. - 13 p.

39. Меламедов И.М. Физические основы надежности. JI., "Энергия", 1970. с. 152.

40. Pelagatti U.A. A new syntetic impregnant for high-tension hollow core cables. Pirelli S.p.A., 1963.

41. Уиди Б. Кабельные линии высокого напряжения: пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1983. 232 с.

42. Тележников Ю.Ф. Исследование механизма пробоя в муфтах масло-наполненного кабеля. Труды ВНИИКП, 1979, вып. 22. - с.29-45.

43. Комплекс программ для решения на БЭСМ-б широкого класса задач статистической электроники (компилирующая система КСИ-БЭСМ).

44. Блейвас И.М., Голубцов В.Н., Ильин В.П. и др. В кн.: "Me• tiтоды расчета электронно-оптических систем под ред.акад.

45. Г.И. Марчука. Изд. СО АН СССР, Новосибирск, 1973.

46. Войдёнов Н.Н. Конструирование изоляции 110 и 220 кВ маслонаполненных кабелей. Труды ВНИИКП, 1972, вып. 16, с. 3-29.

47. Координация изоляции. Часть I. Термины, определения, принципыи правила. Стандарт МЭК. Публикация 71—I, шестое издание, 1976.

48. Anderson J.К., Banks V.A.A., Sullivan D. Use of loss measurements in accelerated ageing te§ts oil-paper dielectrics. -IEE Conference on dielectric materials, measurements and applications. Landcaster, 1970, pp. 198-201.

49. A.c. 1046772 (СССР). Кабель высокого напряжения переменного тока (Глейзер С.Е., Губинский А.И., Образцов Ю.В., Пешков И.Б., Тележников Ю.Ф., Хануков М.Г.). Опубл. БИ., 1983, № 37.

50. Глейзер С.Е., Губинский А.И., Образцов Ю.В., Хануков М.Г. Маслонаполненные кабели для городских электрических сетей с уменьшенной толщиной изоляции. Электротехн.пром-сть. Сер. Кабельная техника, 1983, вып. 12 (226), с. 3-5.

51. ГОСТ 27.002-83. Надёжность в технике. Термины и определения.170