Full Text

Введение Бумажно-пропитанная изоляция для силовых кабелей активно использовалась в промышленности до появления материалов из сшитого полиэтилена (СПЭ), который начал вытеснять бумажную изоляцию в связи с более высокими эксплуатационными характеристиками. Однако в последнее время ряд предприятий кабельной промышленности начал осваивать производство силовых кабелей на низкое и среднее напряжение с бумажно-пластиковой пропитанной изоляцией, имеющей более высокие рабочую температуру и электрическую прочность по сравнению с обычной бумажно-пропитанной изоляцией, что позволяет им конкурировать с кабелями с изоляцией СПЭ. В статье [1] описаны характеристики данного типа изоляции. Поэтому исследования силовых кабелей с бумажно-пластиковой пропитанной изоляцией стали актуальными. Конструкция силовых кабелей c БП и БПП изоляцией на напряжение 20 кВ во многом определяется распределением вектора напряженности электрического поля по толщине изоляции. Тангенциальные составляющие электрического поля, способствующие возникновению скользящих разрядов, могут привести к электрическому пробою изоляции. Поэтому необходимо их учитывать. Ранее в статьях [2, 3] уже была рассмотрена методика определения тангенциальных составляющих электрического поля в кабелях с секторными ТПЖ с БП и БПП изоляцией на напряжение 20 кВ, где рассматривалось электрическое поле одной изолированной ТПЖ, имеющей отдельный экран по фазной изоляции. Местоположения пиковых значений уже известны в данной конструкции кабеля и находятся на расстоянии, равном одной трети толщины фазной изоляции. Также были получены допустимые значения радиуса закругления сектора и толщины изоляции для силовых кабелей секторной формы сечением 300, 400 и 500 мм2. В статье [4] рассматривалась слоистая структура БПП изоляции, (так как данная изоляция состоит из слоев ламинированных бумажных лент) силового кабеля с секторной формой ТПЖ. Постановка задачи Исследования электрического поля проведены для кабелей с тремя секторными токопроводящими жилами (ТПЖ): с экраном по фазной изоляции (вариант конструкции 1) и без экрана по фазной изоляции, но с общим экраном по поясной изоляции, функцию которого выполняет алюминиевая или свинцовая оболочка (вариант конструкции 2). В кабелях с экраном по фазной изоляции, рассматривается поле одной секторной жилы (рис. 1), а в кабелях с экраном по поясной изоляции - всех трех ТПЖ (рис. 2). Для проведения сравнительного анализа исследовались аналогичные конструкции кабелей с круглыми токопроводящими жилами. Электрическая прочность БП- и БПП-изоляции вдоль лент, примерно, в десять раз меньше электрической прочности поперек лент. Поэтому в кабелях с БП- и БПП-изоляцией на напряжение 20 кВ необходимо учитывать тангенциальную составляющую напряженности электрического поля. Необходимо отметить, что слоистая структура БПП-изоляции не влияет на значения тангенциальных составляющих электрического поля, поэтому примем, что диэлектрическая проницаемость постоянна. Рис. 1. Сечение изолированной жилы с экраном по фазной изоляции (вариант конструкция 1) Рис. 2. Сечение трехжильного кабеля с экраном по поясной изоляции (вариант конструкция 2) Тогда дифференциальное уравнение Лапласа в декартовой системе координат с учетом того, что градиент электрического потенциала вдоль кабеля равен нулю, запишется [5-10]: (1) где j - электрический потенциал. Максимальная напряженность электрического поля в изоляции кабелей с отдельно экранированными жилами будет иметь место при амплитудном значении фазного напряжения 16 330 В, которое прикладывается к ТПЖ. При этом потенциал экрана равен 0 В. В кабелях с экраном по поясной изоляции необходимо учитывать трехфазное напряжение на токопроводящих жилах. Метод решения Задача решается методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS MAXWELL. Результатом решения является поле электрического потенциала в поперечном сечении изоляции, по которому вычисляется распределение вектора напряженности [11-21] по формуле: . (2) Исследования проведены для кабелей с секторными и круглыми токопроводящими жилами сечением 300 мм². Радиус закругления секторных ТПЖ равен 5 мм. Толщина фазной изоляции кабелей с отдельно экранированными жилами - 4 мм. Толщина фазной изоляции кабелей с экраном по поясной изоляции составляет 2,75 мм, а поясной - 1,25 мм [22]. Для кабеля с вариантом конструкции 2 расчет электрического поля выполнен при следующих значениях потенциала на токопроводящих жилах: φ1 = 2836 В; φ2 = 12509 В; φ3 = -15345 В (рис. 5). Нормальная составляющая напряженности электрического поля в БПП изоляции определяется поперек слоев бумажных лент, а тангенциальная - вдоль бумажных лент [23-25]. Направления намотки лент для фазной и поясной изоляции будут отличаться. Результаты В табл. 1 приведены максимальные значения нормальных и тангенциальных составляющих напряженности электрического поля в изоляции кабелей с секторными и круглыми токопроводящими жилами рассматриваемых вариантов конструкций кабелей. Таблица 1 Максимальные значения нормальных и тангенциальных составляющих напряженности электрического поля в изоляции кабелей Форма ТПЖ С экраном по фазной изоляции С экраном по поясной изоляции Et, кВ/мм En, кВ/мм Et, кВ/мм En, кВ/мм Секторная 0,44 5,50 2,00 5,80 Круглая 0,00 4,80 1,40 5,60 Из таблицы видно, что как нормальная, так и тангенциальная составляющая напряженности электрического поля больше в кабелях с экраном по поясной изоляции (вариант конструкции 2) независимо от формы ТПЖ. Необходимо отметить, что у кабелей с экраном по поясной изоляции полученные максимальные значения тангенциальной составляющей электрического поля превышают допустимое значение, равное 0,32 кВ/мм бумажно-пропитанной изоляции и 0,49 кВ/мм - бумажно-пластиковой пропитанной изоляции, в несколько раз. На рис. 3 и 4 показано изменение максимального модуля вектора напряженности электрического поля в зависимости от безразмерного времени ( ) в кабелях с экраном по поясной изоляции. Рис. 3. Зависимости напряженности электрического поля и трехфазного напряжения от фазы в кабелях с круглой ТПЖ Рис. 4. Зависимости напряженности электрического поля и трехфазного напряжения от фазы в кабелях с секторной ТПЖ На этих рисунках график напряженности электрического поля изображен сплошной линией, а изменения потенциалов на фазных ТПЖ - пунктирными. Видно, что в кабелях с секторными токопроводящими жилами по сравнению с кабелями с круглыми ТПЖ максимальная напряженность электрического поля больше на 0,3 кВ/мм. На рис. 5 показано распределение модуля вектора напряженности электрического поля в кабеле с экраном по поясной изоляции (вариант конструкции 2). При указанных значениях потенциалов получаются максимальные значения тангенциальных составляющих напряженности. Рис. 5. Электрическое поле кабеля на напряжение 20 кВ с сечением ТПЖ 300 мм2 На рис. 5 цифрами 1, 2, 3, 4 указаны местоположения пиковых величин тангенциальных составляющих электрического поля, значения которых приведены в табл. 2. При этом в точке 1 значение тангенциальной составляющей будет наибольшим. Таблица 2 Значения тангенциальных составляющих электрического поля Точки на рис. 5 1 2 3 4 Et, кВ/мм 2,0 1,1 1,0 0,35 Следует отметить, что максимальные значение тангенциальных составляющих наблюдаются ближе к поверхности фазной изоляции, как показано на рис. 6-7. Рис. 6. Распределение тангенциальных составляющих напряженности электрического поля вдоль внешнего контура фазной изоляции Рис. 7. Распределение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля вдоль внутреннего контура поясной изоляции Заключение По результатам исследований можно сделать следующие выводы: 1. Определены значения потенциалов фаз, при которых наблюдаются максимальные напряженности электрического поля в кабелях с поясной изоляцией (вариант конструкции 2). 2. Получено, что в кабелях на напряжение 20 кВ с экраном по поясной изоляции (вариант конструкции 2) максимальное значение тангенциальной составляющей электрического поля в разы превышает допустимое значение. Это свидетельствует о том, что подобная конструкция кабелей c БПП-изоляцией не может быть применена на данное напряжение и выше. 3. Использование экрана по каждой фазе (вариант конструкции 1) позволяет снизить тангенциальную составляющую электрического поля до допустимых величин. Таким образом, результаты исследований могут быть использованы при построении новых конструкций силовых кабелей с бумажно-пластиковой пропитанной изоляцией на среднее напряжение.

About the authors

A. G Shcherbinin

Perm National Research Polytechnic University

R. P Lukojanov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 62

PDF (Russian) - 31

Refbacks

• There are currently no refbacks.