Проектирование кабельной заделки для испытаний переменного напряжения пробоя

В инженерии идеальное решение или проект должны быть созданы из-за экономических, технических, практических и экологических ограничений. При проектировании и строительстве линий электропередач или распределительных линий могут использоваться кабели двух типов: воздушные или подземные [1]. Высоковольтные подземные кабели широко используются в качестве электрических проводников в различных приложениях, таких как промышленные объекты среднего напряжения, подземные и подводные линии электропередач, станции возобновляемой энергетики [1], питание жилых зданий и городских центров, а также в объектах. где экологические и визуальные аспекты требуют использования подземных кабелей. Однако прокладка подземных кабелей представляет собой значительные финансовые затраты по сравнению с применением воздушных кабелей [1,2].

 Кроме того, сложный производственный процесс подземных кабелей и разнообразие продуктов и производителей могут привести к коммерциализации кабелей с низкими характеристиками. Использование кабелей с хорошими характеристиками имеет важное значение для подземных применений, поскольку кабели в течение срока службы подвергаются нескольким нагрузкам, таким как электрические (из-за рабочих напряжений, скачков напряжения и т. д.), тепловые (поскольку кабели подвергаются аномальным температурам). подъемы, тепловое расширение и сжатие), механические (такие как внешние повреждения, боковые удары и аномалии давления) и экологические (из-за влажности, окисления, солнечного излучения и других явлений)

Поэтому для обеспечения работы в условиях указанных выше нагрузок и повышения надежности и непрерывности электроснабжения кабели должны подвергаться регламентным и типовым электрическим испытаниям, что существенно гарантирует диэлектрические характеристики изоляционного материала и, как следствие, снижает финансовые потери. для энергетики и промышленности. Одним из наиболее широко используемых материалов является сшитый полиэтилен (сшитый полиэтилен).

Хотя большинство отказов в силовом кабеле происходит в местах его соединения и заделки, крайне необходима оценка материала изоляции кабеля. Одним из тестов, необходимых для этой оценки, является определение напряжения пробоя кабеля. Международные стандарты МЭК 60229 и МЭК 60520-2 [6,7] устанавливают требования к испытаниям высоковольтных кабелей. В Бразилии стандарты NBR 10299 и NBR 16132 [8,9] содержат спецификации в отношении испытаний статистического распределения напряженности электрического поля пробоя в кабелях для систем с напряжением выше 15 кВ. NBR 10299 направлен на установление минимальной частоты отказов в зависимости от установленной длины кабеля. Общепринятое значение составляет 6,7 × 10–4 отказов/(год × км).

Предписанные испытания следует проводить на образце с эффективной длиной не менее 3 м, то есть без учета заделок с обеих сторон. Внешний экран заземляется, и по кабелю подается возрастающее переменное напряжение до тех пор, пока не будет достигнут внутренний пробой. Экспериментальная установка должна обеспечивать возникновение пробоя на кабеле эффективной длины. Учитывая, что при испытаниях кабель может подвергаться перенапряжению со значениями в 5-10 раз превышающими нормальное рабочее напряжение, основной проблемой, возникающей при испытаниях, является искажение электрического поля на концах кабеля, вызывающее внешний разрыв и препятствующее оценке внутренний теплоизоляционный материал. Для проведения полевых испытаний или испытаний на пробивное напряжение в изолированных кабелях необходимо снять часть изоляции кабеля. В то время как электрическое поле внутри эффективной длины имеет предсказуемое распределение с радиальным направлением и логарифмическим поведением [1, 2, 10], на концах кабеля наблюдается большая напряженность поля. Электрическое поле вблизи конца экрана показано на рис. 1. Таким образом, такое предсказуемое распределение должно гарантировать успешные испытания.

Конец кабеля состоит из проводника, полупроводниковых слоев, изолирующего слоя и токопроводящей ленты для экранирования, помимо воздуха. Разнообразие материалов с различными электрическими характеристиками, диэлектрической прочностью и относительной диэлектрической проницаемостью обеспечивает сильно неоднородные электрические поля как с осевой, так и с тангенциальной составляющей поля. Касательное электрическое поле является одной из основных причин отказов клемм [12,13]. Усиление поля на конце кабеля вызывает поверхностные и внешние разряды в воздухе, которые можно предотвратить, используя правильно спроектированные концевые заделки [1,9,10,14]. В этом смысле устройства с различными характеристиками изучались в работах [12–19].

В большинстве исследований, посвященных распределению электрического поля в концевых муфтах высоковольтных кабелей, используется коммерческое программное обеспечение, основанное на методе конечных элементов (МКЭ) с целью анализа и/или проектирования концевых муфт, соединений или конусов для снятия напряжения. В [12,15,16] моделирование использовалось для помощи в проектировании конусов напряжений на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Авторы [16] предложили использовать проводящий слой эпоксид/ZnO для улучшения распределения электрического поля. В других исследованиях сравнивались различные материалы и варианты полевой классификации кабелей. В [13], например, сравнивались различные типы вариантов градации поля для 36 кВ свинцовых кабелей с бумажной изоляцией (PILC) и кабелей из сшитого полиэтилена (сшитый полиэтилен). В [17] проанализировано влияние дефектов на кабельные соединения, и [18] исследовали электрическое поле в кабельной заделке, подвергающейся переходным напряжениям. Еще одна возможная цель на стадии проекта — оценка областей, наиболее подверженных дефектам, и, таким образом, улучшение прототипов. В связи с этим в работе [19] проведен расчет электрического поля в муфте для кабеля 110 кВ с использованием МКЭ, чтобы оценить зоны, наиболее подверженные пробою диэлектрика, и тем самым усовершенствовать прототип муфты.

В некоторых из вышеупомянутых исследований представлены проекты заделки, основанные на концепции конуса напряжения, и проанализировано распределение электрического поля или влияние различных материалов. Тем не менее, недостаточно исследований, связанных с характеристиками заделки во время испытаний на перенапряжение или испытаний на напряжение пробоя. Кроме того, для некоторых предлагаемых прототипов требуются дорогостоящие материалы. Поэтому в этой статье сообщается о методологии концепции, чертежа и электростатического моделирования возможной заделки. Заделка должна обеспечивать завершение испытаний кабелей на перенапряжение. Предложенная процедура также может быть использована для проектирования оптимизированных кабельных заделок. Такие окончания обычно отвечают, например, за соединение между различными линиями передачи, выполняя функции соединителей. Для анализа электрических напряжений на заделке было выполнено компьютерное моделирование с использованием коммерческого программного обеспечения, основанного на методе конечных элементов, и модели однофазного кабеля 35 кВ, которая использовалась в качестве образца. В проекте учитывались традиционные материалы, что представляет собой потенциальное снижение затрат.