Требования к материалам и конструкции для кабельной арматуры среднего напряжения

Кабельная арматура выполняет ключевую функцию по обеспечению необходимой изоляции либо в местах соединения кабелей (прямые соединения), либо на их концах (заделки).Эти аксессуары должны быть простыми и безопасными для установки в широком диапазоне сечений кабеля и в идеале должны состоять из как можно меньшего количества компонентов.С тех пор, как более 45 лет назад начался переход от кабелей среднего напряжения (СН) с бумажной изоляцией к полимерным кабелям, во всем мире постоянно растет число различных типов кабелей.Для всех этих различных кабелей были введены последовательные поколения аксессуаров.Технология термоусадки с полиолефиновым материалом, используемым для концевых соединений, а также соединений, постепенно была заменена технологией надевания и холодной усадки с использованием либо силикона, либо EPDM.Например, замена распределительных устройств с воздушной изоляцией на распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) привела к замене концевых заделок разъемными соединителями, изготовленными из этих полимеров.Из-за растущего разнообразия различных типов кабельных аксессуаров естественно возникали вопросы о том, какие из них предлагают лучший материал, лучшую технологию монтажа и оптимальную конструкцию для каждого применения.Поскольку ответ в каждом случае зависит от требований приложения и условий эксплуатации, это, естественно, стало предметом споров в отрасли.В этой предыдущей статье INMR были описаны преимущества и недостатки различных комбинаций материалов и конструктивных особенностей применительно к полимерным кабелям среднего напряжения с акцентом на заделку на открытом воздухе и прямые соединения.

---

Чтобы лучше оценить разнообразие кабелей среднего напряжения, доступных в наши дни, полезно изучить их различные компоненты.Как видно на рис. 1, на котором показан лишь небольшой образец множества различных доступных в настоящее время кабелей, проводник может быть медным или алюминиевым, с одножильным или многожильным проводником, круглой или секторной формы.Стандартные сечения варьируются от 10 мм⊃2; до 800 или 1000 мм⊃2;, хотя большинство используемых сегодня кабелей среднего напряжения имеют сечение от 95 до 300 мм⊃2;.

рисунок 1

Рис. 2: Основные области применения кабельной арматуры для полимерных кабелей

Изоляционный материал, а также внутренний и внешний полупроводящие слои кабелей обычно изготавливаются из сшитого полиэтилена (XLPE) или этиленпропиленового каучука (EPR).Внешний полупроводящий слой может быть полностью соединен с изоляцией (удаляется только с помощью специального инструмента) или сниматься с помощью ножа, что характерно для большинства секторных и ЭПР-кабелей.Как правило, экран для одно- и трехжильных кабелей состоит из медной проволоки, но он также может быть изготовлен из медной ленты, алюминиевой ленты, алюминиевой проволоки, медной или стальной сетки или даже свинцовой оболочки.Некоторые трехжильные кабели имеют броню из стальной проволоки или ленты, в то время как одножильные кабели обычно имеют броню из немагнитного материала, такого как алюминиевая проволока.Материал внешней оболочки может быть PE или PVC, доступный в различных цветах.Аксессуары для кабелей СН в идеале должны применяться к этому широкому диапазону различных типов и конструкций кабелей.На рис. 2 показаны некоторые из наиболее важных приложений, в том числе:

1. Внутренняя концевая заделка, т.е. подключение кабеля к распределительному устройству с воздушной изоляцией.
2. Наружная заделка, т.е. подключение кабеля к воздушной линии.
3. Прямое соединение двух кабелей.
4. Переходная муфта, т.е. соединение полимерного кабеля с бумажной изоляцией.
5. Разъемный соединитель, т.е. соединение кабеля с элегазовым распределительным устройством.

В некоторых случаях количество вариантов аксессуаров может быть эффективно сокращено за счет использования только одного типа для различных классов напряжения, различных сечений и даже различных применений (например, концевая муфта для наружной установки на 24 кВ или концевая муфта для внутренней установки на 36 кВ).Хотя кабели с бумажной изоляцией все еще используются в некоторых частях земного шара, даже для новых приложений, их важность быстро снижается.Таким образом, в следующем обзоре не рассматриваются аксессуары для этой технологии.

Контроль стресса

С повышением напряжения выше 10 кВ проблема контроля электрического поля (или контроля напряжения) становится все более и более важной и является основным требованием при проектировании кабельной арматуры.На рис. 3 показаны основные компоненты кабеля среднего напряжения.

Из-за компонентов 2, 3 и 4 в кабеле среднего напряжения внутреннее поле слегка неоднородно (см. чертеж в разрезе справа на рис. 3).

Рис. 3: Увеличение значения (E) напряженности поля на краю среза внешнего полупроводящего слоя.Внутренний полупроводящий слой (2) покрывает проводник (1), изоляцию (3) и внешний полупроводящий слой (4).Экран компонентов (5) и внешняя оболочка кабеля (6) не влияют на распределение электрического поля.

Для установки стыка или заделки необходимо снять внешний полупроводящий слой на определенной длине.На этом конце внешнего полупроводящего слоя (т. е. на кромке среза) напряженность электрического поля значительно возрастает (см. функцию Е вдоль поверхности изоляции кабеля).Для уменьшения этой напряженности поля считаются подходящими два различных решения.Видно геометрическое управление полем (рис. 4а) с помощью конуса напряжений из полупроводящего материала.Другой включает управление преломляющим полем (рис. 4b) с использованием трубки из изоляционного материала с диэлектрической проницаемостью от 10 до 20. Преимущество первого заключается в том, что он представляет собой решение без потерь, которое также подходит для высоких и сверхвысоких значений. Напряжение.С другой стороны, это требует большего расхода материала и не является хорошим решением для многодиапазонных аксессуаров.Контроль поля преломления (b), напротив, является хорошим решением для широкого диапазона кабелей различного диаметра из-за тонкой трубчатой ​​конструкции.Этот тип управления полем может компенсировать любые ошибки, допущенные при подготовке кабеля (например, как показано на рис. 5), но также обеспечивает низкие тепловые потери в этой критической точке заделки.

Рис. 4: Два альтернативных решения для уменьшения напряженности поля на краю обрезанного кабеля: а) контроль геометрического поля и б) контроль поля рефракции.

Рис. 5: Даже плохая техника подготовки кабеля может быть компенсирована за счет контроля напряжения преломления.

На рис. 6 показаны такие тепловые потери на снимке, сделанном ИК-камерой (см. белую индикацию температуры в зоне контроля напряжения различных выводов).Температуры в этой области увеличиваются более чем на 1°К, но менее чем на 2°К (при испытательном напряжении 1,5 U0).Хотя такое повышение считается умеренным и некритичным для большинства приложений среднего напряжения, оно становится более проблематичным по мере увеличения уровней напряжения.Вот почему этот тип контроля напряжения в настоящее время не считается подходящим для аксессуаров высокого и сверхвысокого напряжения.На рис. 7 показаны два практических решения для соединения: первое основано на трубке для контроля преломления, которая соединяет внешний полупроводящий слой кабеля с внутренним полупроводящим слоем соединения с помощью изоляционного материала.Во втором используется геометрический конус напряжения из полупроводящего материала, как и во внутреннем полупроводящем слое обоих соединений.На рис. 8 показана шкала удельного сопротивления для различных материалов с результирующим указанием для изолирующего силикона, силикона, регулирующего напряжение (преломляющего), или полупроводящего силикона.

Рис. 6: Повышение температуры на кромке среза полупроводящего слоя в случае контроля напряжения преломления.

Рис. 7: Практические решения по уменьшению напряженности поля на кромке реза: а) контроль поля преломления в накладном соединении с дополнительным рисунком, показывающим распределение поля, б) контроль геометрического поля в соединении холодной усадкой. Рис. 8: Удельное сопротивление различных силиконовых материалов.

В конечном счете, есть два различных решения для управления электрическим полем, подходящие для кабельной арматуры среднего напряжения, каждое из которых имеет свои преимущества и недостатки.Их целесообразность и надежность в каждом конкретном случае определяется правильной конструкцией и правильной компоновкой материалов.Действительно, только правильное сочетание конструкции и материала обеспечит требуемые характеристики, когда речь идет о контроле над электрическим током.

Прекращения

Наконечники являются второй важной категорией кабельных принадлежностей, и в случае наружного применения они должны соответствовать нескольким требованиям пользователя на каждом уровне напряжения:

• наличие только одного размера даже для различных сечений кабеля;
• высокое напряжение пробоя;
• большая длина пути утечки;
• устойчивость к трекингу и УФ-излучению;
• отличное поведение в условиях загрязнения, дождя и тумана;
• легкая установка.

К счастью, всем этим требованиям, как правило, удовлетворяют как цельные, так и модульные концевые заделки.С точки зрения производства они могут быть изготовлены из изоляционного материала, будь то EPDM или силикон, хотя для обоих этих материалов важны оптимальные производственные условия.Основные расчетные параметры наружной оконечной муфты показаны на рис. 9 и включают в себя:

• основные размеры;
• количество и геометрия навесов;
• расстояние между навесами.

Рис. 9: Расчетный параметр наружного оконечного устройства.

На рис. 10 показано сечение клеммы с контролем напряжения преломления. Для этих напряжений также доступны выводы с контролем геометрического напряжения аналогичной конструкции.Из-за воздействия факторов окружающей среды, таких как загрязнение или продолжительный солнечный свет, выводы для наружной установки должны быть специально спроектированы так, чтобы выдерживать поверхностное напряжение, вызванное трекингом или излучением.Формирование токопроводящих углеродных дорожек происходит в основном за счет частичных разрядов.В случае силиконового каучука свободный углерод при разложении не образуется, поскольку он удаляется в виде газообразных побочных продуктов.Вот почему могут образовываться эрозионные дорожки без образования проводящего углерода (см. рис. 11 б).Однако использование EPDM для заделки кабеля может привести к таким токопроводящим углеродным дорожкам (как на рис. 11а), и поэтому требуется гораздо более длинный путь утечки.

Рис. 10: Вид в разрезе внешней заделки.

Рис. 11: а) муфта из этилен-пропилен-диен-каучука с проводящими углеродными дорожками, б) эрозия на силиконовой муфте без проводящих углеродных дорожек из-за поверхностных разрядов.

Степень повреждения поверхности внешней клеммы зависит от тока утечки, и именно здесь хорошо известное свойство гидрофобности становится очень важным.Его влияние можно увидеть при сравнении данных испытаний в соляном тумане для двух различных наружных оконечных устройств 24 кВ (см. рис. 12).

Рис. 12: Сравнение двух разных оконечных устройств.

Как правило, существует ряд различных стандартизированных испытаний оконечных устройств среднего напряжения вне помещений.Рекомендуемым, например, является испытание в соляном тумане в соответствии со стандартом CENELEC со следующими параметрами:

4 образца, помещенные в туманную камеру с втулкой
испытательное напряжение: 1,25 U0
проводимость тумана: 16 мСм/см (10 г NaCl/л)
расход: 0,4 л/м⊃3; ч
продолжительность испытания: 1000 ч

Это конкретное испытание было проведено для двух различных концевых муфт, показанных на рис. 12. Одна слева представляет собой цельную силиконовую муфту на 24 кВ, а другая гибридного типа, состоящую из термоусадочной трубки в сочетании с силиконовыми накладками.Ток утечки регистрировали для того, чтобы оценить возникновение и развитие любого повреждения.Как видно, через определенный период времени ток утечки быстро увеличивался, так как поверхность становилась все менее гидрофобной и начинала образовываться пленка воды.Такое же поведение было зафиксировано для обоих тестируемых оконечных устройств.Это говорит о том, что уровень тока утечки во время испытания в соляном тумане не зависит от материала и зависит только от условий испытания, а также от размеров изоляции (т. е. диаметра и длины).

Чтобы подтвердить это, сразу же после 1000-часового испытания было определено напряжение пробоя для обоих типов концевых заделок во влажных условиях.Было обнаружено, что удельное напряжение пробоя несколько превышает 0,6 кВ/см как для концевых заделок с разной формой, так и с разными изоляционными материалами (см. рис. 13).Но после времени восстановления около 70 часов без смачивания, чтобы дать низкомолекулярным компонентам силикона время мигрировать на поверхность, цельный тип показал полное восстановление гидрофобности.Изоляцию снова увлажнили, и на этот раз напряжение пробоя увеличилось до 0,93 кВ/см.Для гибридного типа, напротив, гидрофобными снова стали только навесы, и поэтому увеличение напряжения пробоя было ниже (0,77 кВ/см), даже если влияние гидрофобных навесов само по себе было довольно значительным.

Рис. 13: Удельное напряжение пробоя [кВпик/см] на клеммах во влажных условиях в конце испытания в соляном тумане и после периода «восстановления».

Учитывая вышеизложенное, при применении наружных концевых муфт всегда следует учитывать следующие полезные свойства силикона:

• устойчивость к ультрафиолетовому излучению;
• устойчивость к слежению;
• гидрофобность поверхности;
• восстановление гидрофобности даже спустя годы;
• передача гидрофобности в любой слой загрязнения.

Прямые суставы

В случае кабельных муфт важны другие свойства материала (см. рис. 14, на котором показаны основные компоненты).Элемент управления напряжением может быть преломляющим или геометрическим (как показано на рис. 7b), а для внутреннего полупроводящего слоя, изоляции и внешнего полупроводящего слоя может использоваться либо силикон, либо EPDM.

Рис. 14: Основные элементы конструкции прямого соединения.

Однако одним важным преимуществом силикона для этого применения является его превосходная скорость проникновения газа.Это означает, что любые пузырьки газа, попавшие в различные поверхности соединения, быстро исчезнут из-за радиального давления силиконовых компонентов.На рис. 15, например, показан пузырь воздуха на границе критического соединения.При использовании прозрачного тела сустава становится очевидным, что пузырь исчезает менее чем за 10 минут.Это гарантирует, что интерфейс свободен от каких-либо воздушных пузырей вскоре после сборки, что обеспечивает высокое значение начального напряжения частичного разряда, а также высокую функциональную надежность.Однако для наружной защитной трубы соединения силикон не подходит, так как та же скорость проникновения газа, которая является преимуществом для поверхностей изолирующего тела, становится недостатком с точки зрения внешней защиты.В частности, проницаемость силикона для водяного пара делает его непригодным для этого применения, и предпочтительнее использовать EPDM.

Рис. 15: Автоматическое исчезновение воздуха в силиконовом интерфейсе.

Еще одна проблема проектирования, которую необходимо решить, когда речь идет о соединениях, — это напряжение пробоя в разных интерфейсах, и это приводит к выбору между цельным элементом и модульным решением.На рис. 16 показано, что интерфейс силикон-силикон при определенном давлении имеет то же напряжение пробоя, что и однокомпонентное решение без интерфейса.Следовательно, модульное соединение должно иметь такую ​​же надежность, как цельное соединение в случае силикона.Однако, если предпочтительным материалом для соединения является EPDM, рекомендуется использовать цельное решение.

Рис. 16: Межфазное напряжение пробоя в зависимости от межфазного давления.

Для сравнения различных растворов и материалов обычно используется утвержденная процедура испытаний.Кривые срока службы для интерфейса силикон-силикон и интерфейса силикон-компаунд для контроля напряжения измеряли путем ступенчатого увеличения напряжения с различной продолжительностью шага.Испытания показали, что оба типа изоляционных систем имеют практически одинаковый срок службы и очень хорошие долгосрочные характеристики.Действительно, превосходная стойкость силикона к электрическому старению была впервые опубликована в статье в 1996 году и с тех пор была подтверждена последующими дополнительными исследованиями с использованием различных композиций, соединений и условий нагрузки.

В целом при проектировании и изготовлении кабельных муфт следует учитывать следующие полезные свойства силикона:

• высокая степень газопроницаемости, обеспечивающая отсутствие пузырьков газа в межфазных границах;
• высокая электрическая прочность на пробой, даже на границах раздела;
• очень низкая скорость снижения срока службы даже при достаточно высоких электрических нагрузках;
• прозрачность, позволяющая визуально проверять наличие примесей;
• постоянная эластичность, приводящая к постоянному граничному давлению.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.