Некоторые аспекты конструирования соединительных муфт высокого напряжения

В работе [1] рассмотрены вопросы оптимизации конструкции активного элемента концевой муфты — стресс-конуса, когда выравнивание поля в разделке кабеля проводится емкостным методом [1, 2, 3, 4, 5]. Следует заметить, что в соединительных муфтах, по сравнению с концевыми [3], количество критических зон увеличивается: появляется дополнительная зона на границах высоковольтного электрода, расположенного над соединительной гильзой. Кроме того, в зависимости от длины соединительной гильзы существует опасность возникновения дополнительной критической зоны (у края гильзы), которая зависит от соотношения между длиной гильзы и длиной высоковольтного электрода [5].

Рис. 1. Стресс-конус соединительной муфты. Общий вид

Целью настоящей статьи является оптимизация [6] геометрических параметров элементов стресс-конуса соединительной муфты (рис. 1, 2).

Рис. 2. Элементы конструкции стресс-конуса и критические зоны напряженности поля.
Зона 1 — граница полимерного экрана по изоляции кабеля и дифлектора;
зона 2 — край дифлектора;
зона 3 — край высоковольтного электрода;
зона 4 — край соединительной гильзы (при несогласованном выборе длины высоковольтного электрода)

Зависимость напряженности электрического поля (рис. 3) от длины высоковольтного электрода описывается характерной кривой (рис. 4, 5). Однако в случае, если соединительная гильза короче высоко­вольтного электрода менее чем на 10 мм, происходит резкое увеличение напряженности в критической зоне 3. При длине гильзы большей, чем длина высоковольтного электрода, появляется новая критическая зона (у края гильзы), значение напряженности в которой много больше значения напряженности у края высоковольтного электрода.

Рис. 3. Распределение напряженности электрического поля при длине высоковольтного электрода 140 мм

Исследование зависимости напряженности в зоне 3 от длины высоковольтного электрода

Значения напряженности поля в зонах 3, 4 в зависимости от длины высоковольтного электрода при фиксированном размере соединительной гильзы сведены в таблицу 1.

Рис. 4. График зависимости напряженности электрического поля от длины высоковольтного электрода при длине гильзы 150 мм

При сравнении зависимости напряженности электрического поля от длины высоковольтного электрода при разных длинах соединительной гильзы было установлено, что зависимости при длине гильзы 150 мм и при длине 180 мм существенно не отличаются друг от друга (рис. 4, 5).

Рис. 5. Зависимость напряженности электрического поля от длины высоковольтного электрода при длине гильзы 180 мм

Исследование зависимости напряженности электрического поля в зонах 1, 2 от длины дифлектора

Значения напряженности поля в зонах 1, 2 при разной длине дифлектора (рис. 6) сведены в таблицу 2.

Рис. 6. Зависимость напряженности поля в зонах 1, 2 от длины дифлектора

Исследование зависимости напряженности электрического поля от угла наклона дифлектора к оси кабеля (зона 1)

Выбор оптимального значения угла наклона иллюстрируется цветовыми диаграммами распределения напряженности электрического поля в зоне 1 (рис. 7–9).

Рис. 7. Угол наклона 10°

Рис. 8. Угол наклона 15°

Анализ распределения напряженности поля показывает, что ее значение прямо пропорционально углу между касательной к начальному участку дифлектора (рефлектора) и осью кабеля (углу наклона). То есть угол следует делать по возможности минимальным (из соображений технологии изготовления).

Рис. 9. Угол наклона 20°

Исследование зависимости величины напряженности электрического поля в зонах 1 и 2 от расстояния между высоковольтным электродом и дифлектором

В таблице 3 сведены данные по зависимости величины напряженности электрического поля в критических зонах 1 и 2 от расстояния между краями дифлектора и высоковольтного электрода.

На рис. 10 приведена цветовая диаграмма распределения поля между дифлектором и высоковольтным электродом при расстоянии между ними 65 мм.

Рис. 10. Распределение напряженности электрического поля между дифлектором и высоковольтным электродом (оранжевым цветом отмечена наиболее уязвимая область)

Влияние проводимости высоковольтного электрода на напряженность поля в зоне 2

График зависимости величины напряженности электрического поля в зоне 3 от величины активной проводимости материала высоковольтного электрода представлен на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость напряженности поля в зоне 3 от активной составляющей проводимости высоковольтного электрода

График показывает, что начиная со значения 0,0002 См/м дальнейшее увеличение не ведет к существенному снижению напряженности поля в критической области 3. Очевидно, что эти результаты можно распространить и на область 1 в связке со значением проводимости материала дифлектора (материал аналогичен материалу, из которого изготовлен высоковольтный электрод).

Заключение

Определены проблемные зоны в усиливающей изоляции соединительной муфты и проведен анализ напряженности электрического поля в проблемных зонах стресс-конуса соединительной муфты. Произведена оценка конструктивных размеров стресс-конуса соединительной муфты, изготовленного из кремнийорганической резины известного производителя для кабелей класса напряжения 110 кВ. В результате предлагаются следующие параметры двухкомпонентного стресс-конуса (электрические и механические свойства эластомерных изоляционных и проводящих материалов известны).

При длине соединительной гильзы (сплав меди) 150–160 мм:

• общая длина стресс-конуса 660 мм;
• длина дифлектора 170 мм (с каждой стороны);
• длина высоковольтного электрода 190 мм;
• расстояние между в/э и дифлектором 65 мм.

При этом расчетная максимальная напряженность поля в критической зоне — 2,78 кВ/мм (зона 3).