Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих конструкций переходных соединительных муфт. Методы расчета электрических полей в кабельной арматуре 8
1.1. Классификация кабельной арматуры высокого напряжения. Конструкции переходных соединительных муфт 8
1.2. Материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры 15
1.3. Методы расчета электрических полей, а также компьютерные программы, созданные на базе этих методов и их применение для конструирования кабельной арматуры 26
1.4 Основные задачи диссертационной работы 36
Глава 2. Исследование отказов муфт высокого напряжения в процессе эксплуатации с точки зрения надежности конструкций, распределения напряженности электрического поля. Постановка задачи электрического расчета 38
2.1. Анализ причин повреждения кабельных муфт высокого напряжения 38
2.2. Конструкция прототипа переходной соединительной муфты и определение ее расчетных областей 52
2.3 Регулирование напряженности электрического поля в переходной муфте.
Глава 3. Исследование электрической прочности и разработка конструкции переходной соединительной муфты на напряжение 110 кВ. Рекомендации по разработке конструкции переходной муфты на напряжение 220 кВ 63
3.1. Исследование электрической прочности расчетных областей конструкции переходной соединительной муфты 63
3.2. Расчет конструктивных размеров переходной соединительной муфты. Методика электрического расчета 74
3.3 Особенности конструирования переходной муфты на напряжение 220 кВ для энергосистем РФ 81
Глава 4. Практическое применение результатов работы 85
4.1 Конструкция промышленного образца переходной соединительной муфты типаМПМНМ-МС-110 85
4.2. Рекомендации по монтажу и эксплуатации, разработанной конструкции переходной муфты 89
4.3. Оценка надежности разработанной переходной муфты, основанная на опытных данных и эксплуатации в промышленных масштабах 93
Выводы по диссертационной работе 97
Список литературы 100
- Материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры
- Конструкция прототипа переходной соединительной муфты и определение ее расчетных областей
- Расчет конструктивных размеров переходной соединительной муфты. Методика электрического расчета
- Рекомендации по монтажу и эксплуатации, разработанной конструкции переходной муфты
Введение к работе
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 арматуры.
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 работы.
-
Разработка методики электрического расчета изоляции переходных муфт для кабелей высокого напряжения.
-
Проектирование конструкции переходных соединительных муфт на напряжение 110 кВ.
-
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 Elcut для электрического расчета переходных муфт на напряжение 110 кВ и 220 кВ;
Научная новизна. 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 Elcut.
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 работы. 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 диссертации. 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.
Материалы и технологии изготовления изоляции высоковольтной кабельной арматуры
Недостатком технологии намоткой лентами является влияние загрязнений на электрическую прочность изоляции, при этом загрязнения могут попадать в изоляцию в процессе намотки из атмосферы. Так, пятикратное увеличение концентрации частиц размером 100 мкм в изоляции приводит к снижению на 17% электрической прочности при напряжении промышленной частоты и на 14% при грозовом импульсе [14]. К недостаткам данной технологии также можно отнести высокую трудоемкость монтажа и высокие требования к квалификации монтажного персонала. Таким образом, представляется возможным применение этой технологии в конструкции переходной муфты на напряжение не выше ПО кВ.
Технология предварительно отлитой усиливающей изоляции муфты из эластомерных материалов очень широко применяется для изготовления высоковольтной кабельной арматуры за рубежом [15]. В последние 5-7 лет энергосистемы РФ все чаще стали применять муфты зарубежных производителей, изоляция которых изготовлена по этой технологии. Усиливающая изоляция таких муфт отливается на заводе в условиях чистой комнаты, после чего она проходит визуальный контроль, испытание напряжением промышленной частоты и измерение частичных разрядов (Ч.Р.). Таким образом, вероятность наличия инородных включений в таких муфтах очень мала [16].
Нужно понимать, что, в отличие от предыдущих технологий изготовления процесс изготовления изоляции стресс-конуса муфты по этой технологии и ее монтаж происходят в разное время. В качестве эластомерного материала для усиливающей изоляции применяются как этилен-пропиленовая резина, так и тройной сополимер этилена, пропилена и диена.
В настоящее время для изготовления стресс-конуса муфт высокого напряжения широко используются жидкие (сметанообразные) кремнийорганические композиции типа RTV и LSR, которые отливают в соответствующие формы. Предпочтительное применение для муфт кабелей имеют композиции типа LSR из-за хорошей совместимости изоляционных материалов с электропроводящими материалами, простоты переработки (простоты перекачки исходных продуктов и короткого времени вулканизации). Готовый стресс-конус из такой кремнийорганической композиций обладает высокой степенью упругости [17]. Энергия связи основных цепей в полимере Si-О на 30% выше энергии связи цепи С-С, разрушение кремнийорганических эластомеров происходит при температурах выше 180 С [18].
Проявление свойств упругой эластичной деформации кремнийорганическими резинами является одной из основных причин выбора этого материала для изготовления стресс-конуса кабельных муфт.
При добавлении сажи получают электропроводящие композиции полимера, из которых отливают элементы регулирования напряженности электрического поля: выравнивающий конус и центральный электрод. Основным показателем для электропроводящих элементов муфт на основе кремнийорганических резин является удельное объемное сопротивление pv. Стандартами МЭК установлено значение pv 1000 Омм [19, 20]. Для элементов регулирования напряженности электрического поля в муфтах эту величину объемного сопротивления можно считать приемлемой.
Для концевой муфты предварительно отливают из электропроводящей композиции выравнивающий конус, затем его помещают в пресс-форму и заполняют изоляционной композицией, в результате чего получается «стресс 22
Предпосылкой надежной эксплуатации муфт является отсутствие изменений электрической прочности кремнииорганических полимеров на переменном и импульсном напряжении при изменении температуры от 20 до 120 С. Например, снижение электрической прочности при напряжении переменного тока для кремнийорганической изоляции муфт в зависимости от температуры при электрических расчетах учитывают коэффициентом не более 10% При этом электрическая прочность при грозовом импульсе на 35% выше прочности при напряжении промышленной частоты [21].
Высокие электрические характеристики муфт, изоляция которых предварительно отлита из кремнийорганической резины, обеспечивается технологией изготовления (рис. 1.13.).
При изготовлении изоляции по этой технологии два основных компонента, и возможно, дополнительные компоненты (например, красители), подаются через статический смеситель, который представляет собой трубу с расположенными внутри смешивающими крыльями, и, следовательно, перемешиваются до получения однородной смеси. Червячный пресс (или поршневой)
Давление материала, поставляемого насосами, снижается до 30 - 70 бар, пока он не достигает экструзионной установки, которая специально разработана для жидкой силиконовой резины. Для предотвращения преждевременной вулканизации LSR в сопле и цилиндре, эти узлы охлаждаются водой до температуры около 20С.
Вулканизация смеси в прессформе происходит при температурах 140 -230С в течение времени, определяемого для выбранных типов вулканизатов. Давление в процессе вулканизации в прессформе поддерживается давление равное 50 бар.
Как можно видеть из схемы литьевой установки (рис. 1.13) попадание в изоляцию каких-либо инородных включений исключено. Образование воздушных пузырьков также невозможно, так как вся система постоянно находится под избыточным давлением [22].
После извлечения из прессформы вулканизированное изделие в некоторых случаях подвергается дополнительной термической обработке в целях снижения количества летучих продуктов. При этом удаление первичных силоксанов изменяет массу изделия и увеличивает его упадку. Усадка должна быть учтена при выборе размеров готового изделия. Фирма Momentive Performance Materials Inc. приводит данные по термической усадке в 3,5% для листов из LSR 20504 толщиной 2 мм, которые вулканизировали течение 10 мин при температуре 175 С и термически обрабатывались в течение 4 ч при температуре 200 С. В случае отсутствия термической обработки после вулканизации усадка составила только 2,7%. При этом для тонкостенных изделий усадка была больше, чем для толстостенных изделий.
После того, как отлит стресс-конус для переходной муфты, для сохранения геометрии внутреннего выравнивающего конуса в исходном виде необходимо, чтобы усадка изделия была минимальна.
Таким образом, 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 [23], при которых отбраковываются некачественные изделия.
Конструкция прототипа переходной соединительной муфты и определение ее расчетных областей
В связи с постоянно растущими производственными мощностями кабельные линии должны иметь большую пропускную способность.
Очевидна необходимость постепенной замены стареющих МНК новыми кабелями с изоляцией из СПЭ, а также конструирования новой арматуры для таких кабелей.
Проблема соединения кабелей с изоляцией из СПЭ и МНК приобрела решающее значение при перекладке кабельных линий ПО кВ в г. Москве в связи со строительством третьего и четвертого транспортного кольца [40].
Имеется ряд публикаций по электрическим характеристикам полиэтиленовой изоляции кабеля, получены интересные в научном и практическом отношении данные о воздействии импульсного напряжения, влиянии и видах загрязнений, температуры на импульсную прочность (в основном для изоляции кабеля).
Однако к настоящему времени не исследованы электрические характеристики усиливающей монолитной полиэтиленовой изоляции муфт, отсутствует методика электрического расчета переходных соединительных муфт, которые являются многослойной электроизоляционной конструкцией. Сложность исследования таких конструкций заключается в наличии двух протяженных зазоров толщиной порядка 3-5 мм (размеры которых обоснованы в результате настоящей работы). Зазор с одной стороны муфты заполнен маслом МНК-4В и необходим для ее подпитки, с другой стороны - электроизоляционной жидкостью, которая обеспечит наибольшую совместимость с изоляцией стресс-конуса. Данные по электрической прочности которых отсутствуют. Для разработки надежной отечественной конструкции переходной соединительной муфты на напряжение ПО кВ необходимо определить расчетные области этой конструкции, определить точки в этих областях с максимальной напряженностью поля. Определение расчетных областей, а также их электрической прочности, только в результате большого количества электрических испытаний с доведением до пробоя подобных конструкций наталкивается на значительные экспериментальные трудности и связано с большими затратами. Исследования расчетных областей получены при рассмотрении причин пробоя вышедших из строя высоковольтных концевых кабельных муфт, в которых присутствуют протяженные границы раздела твердая изоляция стресс-конуса и электроизоляционная жидкость. Глава 2. Исследование отказов муфт высокого напряжения в процессе эксплуатации с точки зрения надежности конструкций, распределения напряженности электрического поля. Постановка задачи электрического расчета.
Современные муфты для кабелей высокого напряжения должны обеспечивать надежную работу кабельной линии и иметь при этом минимально возможные габаритные размеры. Второстепенным, но достаточно важным фактором с точки зрения конструкции и технологии изготовления муфт является простота сборки и как следствие - сокращение времени монтажа таких муфт на кабельной линии.
В энергосистеме России представлены муфты практически всех известных зарубежных фирм-производителей кабельной арматуры.
С течением времени кабельные муфты по тем или иным причинам могут выйти из строя, и поэтому имеется возможность оценить преимущества и недостатки конструкции в рамках проведения независимой экспертизы вышедших из строя муфт.
Таким образом, для определения расчетных областей разрабатываемой переходной соединительной муфты использованы результаты многочисленных независимых экспертиз вышедших из строя концевых муфт высокого напряжения различных производителей. Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в этих экспертизах, в том числе в части анализа электрического поля.
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 особенностей конструирования переходной муфты. Анализ электрического поля вышедших из строя концевых муфт проводится при помощи программы ELCUT (описанной в разделе 1.3 настоящей работы) по специально разработанной во ВНИИКП методике.
Для расчета действующих величин электрической напряженности поля в изоляции муфт по программе ELCUT необходимо точно задавать форму элементов регулирующих поле. В тоже время, чертежи вышедших из строя муфт с конструкционными размерами зачастую отсутствуют у заказчика экспертизы, а обращаться с этим вопросом к производителю кабельной арматуры не всегда корректно. Для решения этой задачи стресс-конус вышедшей из строя концевой муфты разрезают вдоль специальным ножом, после чего место среза фотографируют цифровым фотоаппаратом. Полученное растровое изображение среза стресс-конуса загружают в чертежно-графический редактор и масштабируют для приведения изображения расчетной области к реальному размеру. После этого контуры расчетной области аппроксимируют кубическим сплайном (красная линия на рис.2.1), и удаляют растровое изображение, оставляя только векторный сплайн. Полученный файл с расчетной областью муфты экспортируют в программу ELCUT.
На рисунке 2.2 приведена конструкция концевой муфты на напряжение 220 кВ, которая вышла из строя, проработав 2,5 года. Стресс-конус этой муфты изготовлен по технологии прессования из этилен-пропиленовой резины. Ниже эта конструкция определена как конструкция типа 1.
Расчет конструктивных размеров переходной соединительной муфты. Методика электрического расчета
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.3.10).
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 [56, 57, 58], и поэтому нет необходимости в проведении электрических испытаний. Электрическую прочность эпоксидных компаундов после эксплуатации в течении t часов можно оценить из выражения [50,59]: где Е0 - электрическая прочность образца при плавном подъеме напряжения до пробоя за время порядка 1 мин, равная 25 кВ/мм ; n = 12; to= 1 мин [60]. Параметры выражения 3.5 Ео, to и п зависят от рецептуры эпоксидного компаунда, значения которых, по нашему запросу были уточнены предприятием-изготовителем эпоксидных изоляторов «Электроаппарат». видно, что при времени эксплуатации порядка срока службы кабельной линии (25-30 лет) нижний предел электрической прочности эпоксидной изоляции составляет примерно 6 кВ/мм. Примерно такую же цифру нижнего предела длительной электрической прочности эпоксидной изоляции дают результаты исследований напряженности возникновения начальных частичных разрядов рис.3.12.
Зависимость уровня ЧР от величины напряженности электрического поля в момент возникновения ЧР в эпоксидном изоляторе [61]. В [62] представлен отчет, в котором были приведены данные об измерении электрической прочности отливки из эпоксидной смолы, наполненной оксидом алюминия (АЬОз) или кварцевым песком при воздействии импульсного напряжения (длительность импульса 40 мкс). Испытания, проведенные на образцах объемом от 10 до 100 см3, показали довольно невысокую электрическую прочность - чуть менее 100 кВ/мм. Таким образом, допустимыми значениеми напряженности электрического поля для расчетной области - «поверхность центрального электрода» будет Еэп = 6 кВ/мм и 100 кВ/мм для переменного и импульсного напряжения соответственно.
С учетом сложности электрического расчета систем с различными изоляционными средами разработка единого методического подхода к проектированию переходных соединительных муфт высокого напряжения представляется многоэтапной задачей. Этапы проектирования переходных соединительных муфт приведены в таблице 3.5.
Выбор конструкции прототипа переходной соединительной муфты Определение расчетных областей конструкции прототипа Исследование электрической прочности расчетных областей Разработка методики электрического расчета переходной муфты на основе дополнительного модуля к программе Elcut Расчет габаритных размеров центральной части разрабатываемой переходной соединительной муфты Первые четыре этапа рассмотрены в предыдущих главах. В этой главе основное внимание уделено разработке методики электрического расчета. Величина расчетного переменного напряжения Up определяется как [50]: где -коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения (обычно = 1,15); -коэффициент учитывающий технологический фактор (к2 = 1,25).
Для выбора величины расчетного напряжения следует определить какое воздействие является определяющим: кратковременное приложение напряжения промышленной частоты или же импульсное перенапряжение длительностью порядка десятков микросекунд (грозовое перенапряжение). Выражения для определения толщины эпоксидного изолятора для обоих воздействий приведены ниже:
По наибольшему значению величины А, выбирают определяющее воздействие, в нашем случае - это напряжение промышленной частоты. Для определения габаритных размеров центральной части переходной соединительной муфты необходимо рассчитать размеры основных элементов ее конструкции. На рис.3.13 приведена схема переходной соединительной муфты с основными размерами, которые влияют на распределение электрического поля в расчетных областях.
При помощи программного пакета Elcut определены максимальные значениями напряженности поля, координаты этих точек обозначены 1, 2, 3, 4, 5, 6 на рис.3.14. 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. Рис.3.14. Схема переходной соединительной муфты с обозначениями координат точек с максимальной напряженностью поля.
Для облегчения и ускорения электрического расчета в процессе моделирования переходной соединительной муфты автором была предложена идея создания дополнительного модуля к программе Elcut. Автором лично было составлено техническое задание (ТЗ) на разработку этого модуля, приведенное в Приложении 1. Автор также принимал непосредственное участие в отладке этого модуля.
Организация данных в процессе моделирования приведена на рис.3.15. Таким образом, разработанный модуль принимает исходные данные (параметры вводимые оператором): расчетное напряжение, радиус скруглення кромки электрода, толщину изолятора и т.д. и моделирует расчетную область на основе базовой модели. После чего созданная расчетная область обрабатывается программой ELCUT, результаты возвращаются обратно в модуль в виде значений напряженностей в точках, координаты которых приведены на рис.3.14. 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. В перспективе планируется модернизация модуля с целью автоматической процедуры оптимизации и дополнительных возможностей по выбору базовых моделей для других видов высоковольтной кабельной арматуры.
Рекомендации по монтажу и эксплуатации, разработанной конструкции переходной муфты
К началу монтажа переходной соединительной муфты должны быть выполнены все строительно-монтажные работы по трассе кабельной линии и в колодце муфт согласно проекту.
Формирование изоляции как маслонаполненной, так и полиэтиленовой части переходной соединительной муфты происходит во время ее монтажа в колодце при этом необходимо соблюдать повышенные требования к чистоте. Поэтому детали, инструмент и материалы, применяемые при монтаже, одежда рабочих должны быть чистыми. Каждый раз перед началом работы с изоляцией монтеры должны вымыть руки с мылом, насухо вытерев их.
При подготовке к монтажу, соблюдая осторожность, необходимо опустить муфту в кабельный колодец так, чтобы кожух и фланцы муфты не соприкасались, и тем более не ударялись о горловину люка. Установить муфту на кронштейны, закрепив ее. Необходимо также соорудить настил, обеспечивающий нормальные условия работы на высоте удобной для монтажа, и подготовить стойки для укладки кабеля во время монтажа муфты. Все оборудование и инструмент должны иметь резерв или замену, позволяющие в случае выхода из строя продолжить монтаж.
Монтаж маслонаполненной части переходной соединительной муфты должен проводится в строгом соответствии с инструкцией.
При подготовке к монтажу масляной части муфты необходимо взять пробы масла из банки с намоточным материалом. Характеристики проб взятого масла должны удовлетворять следующим требованиям: tgS 0,008 при 100С и Е = 1 кВ/ мм и ЕПр =180 кВ/см. Предварительно необходимо подключить бак давления в месте подпитки монтируемого кабеля. После завершения монтажа маслонаполненных частей переходных соединительных муфт всех трех фаз кабельной линии следует приступать к монтажу муфт со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ. Монтаж разработанной переходной соединительной муфты со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ должен проводится строго в соответствии с инструкцией ИМП-1-К110: «Монтаж переходных муфт типа МПМНП-110, МПМНП-М-110 и МПМНП-МС-ПО».
При монтаже переходной соединительной муфты со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ можно выделить следующие основные этапы:
Разделка кабеля выполняется при помощи специального циркулярного ножа, изображенного на рис. Этот нож позволяет снимать электропроводящий экран кабеля, а также изоляцию кабеля с необходимой глубиной. Особое внимание при выполнении данной операции следует уделять качеству обработки изоляционной поверхности, а также качественно выполненному переходу электропроводящий экран кабеля - изоляция кабеля. Поверхность должна быть гладкой без царапин и шероховатостей, видимых невооруженным глазом. Это достигается с помощью шлифовки поверхности наждачной шкуркой.
Формирование изоляции стресс-конуса выполняется строгом соответствии со схемой приведенной на рис.4.4. При намотке конуса следует использовать в качестве шаблона разрезанный вдоль оси на две равные части предварительно отпрессованный выравнивающий конус (поз.2).
Рис.4.4. Схема формирования изоляции стресс-конуса со стороны кабеля с изоляцией из СПЭ. 1 - электропроводящий слой кабеля; 2 - выравнивающий конус; 3 - фторопластовый конусный вкладыш; 4 - медная гильза; 5 - изоляция кабеля из СПЭ; 6 - формируемая из ПЭ-лент изоляция стресс-конуса; 7 - жила кабеля;
Режим прессования сформированного из ПЭ-лент стресс-конуса выполняется в специально изготовленной для этого пресс-форме, которая оснащена нагревателем. Необходимо также предусмотреть возможность установки термопары в центральной части пресс-формы. Нагреватель и термопара должны быть подключены к терморегулятору, который позволяет осуществлять нагрев и охлаждение по специально разработанному режиму (рис. 4.5). Для исключения возникновения в процессе вулканицации полиэтилена газовых включений следует поддерживать давление азота в пресс-форме на уровне 0,6 -0,8 МПа в течение всего режима прессования [12]. Оценка надежности разработанной переходной муфты, основанная на опытных данных и эксплуатации в промышленных масштабах.
Оценка надежной работы переходных соединительных муфт является важной и крайне сложной задачей.
Муфта является сложным по конструкции элементом кабельной линии, в котором используются различные виды изоляционных материалов, отличающихся по электрическим характеристикам и механизму старения. Кроме того, переходная соединительная муфта объединяет два различных по конструкции кабеля: МНК и кабель с изоляцией из СПЭ. 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. Поэтому сложно разработать обоснованные рекомендации по допустимым испытательным нормам, в том числе - по максимальным напряженностям и температурам при ускоренных испытаниях муфт для оценки их срока службы.
Для приемосдаточных и типовых испытаний муфт на напряжение ПО кВ принята частично методика стандарта МЭК 60840 [15]. Ниже, в табл.4.2 приведены результаты испытаний переходной соединительной муфты на напряжение ПО кВ, проведенные по этой методике. (4.1) где UQ,6r -номинальное рабочие напряжение и рабочая температура; иг,вг напряжение и температура на і-ой ступени испытаний; т- число ступеней; у коэффициент, пропорциональный обратной величине энергии активации при тепловом старении; и-показатель степени, характеризующей электрическое старение; t{ - длительность і-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 [71]. Эту цифру также приводят для оценки монолитной изоляции 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 4.3. В течение каждого цикла нагрев (7ч)/ охлаждение (17ч) муфта находится под напряжением.
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.
Можно отметить, что с 2003 г. было изготовлено 159 муфт типа МПМНП-МС-110 и все они прошли приемосдаточные испытания. Первые конструкции поставленных переходных соединительных муфт отработали уже 15 лет, 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. Муфты, конструкция которых, разработана лично автором, эксплуатируются уже более 10 лет.