Управление электрическим напряженностью в муфтах и терминациях кабелей: лучшие практики для надежных энергосистем

Как контролировать электрическое напряжение в муфтах и терминациях кабелей?

Введение

Силовые кабели имеют огромное значение в системах передачи и распределения электроэнергии.

Терминации и муфты — основные аксессуары силовых кабелей, необходимые для соединения линий между собой или с электрооборудованием.

При проектировании терминаций и муфт кабелей учитываются различные аспекты, потому что они должны обладать той же целостностью, что и сопутствующие кабели, обеспечивая соединение как для внутренних, так и для наружных применений.

Наиболее критическим аспектом муфтирования и терминирования высоковольтных кабелей является контроль диэлектрического напряжения, возникающего в точке окончания экрана — контроль электрического напряжения.

Электрическое напряжение и контроль напряжения

Терминалы и муфты высоковольтных и средневольтных кабелей должны управлять электрическими полями на концах. Когда изоляционный экран снимается с кабеля, высокие потенциальные градиенты концентрируются в точке среза, как показано на Рисунке 1.

На этом рисунке видно, что земляной экран кабеля (0%) срезан, эквипотенциальные линии (от 20% до 80%) концентрируются на краю земляного электрода, вызывая высокое электрическое напряжение.

Усиление электрического поля в этих точках может вызвать местные разряды, которые могут привести либо к пробою по поверхности изоляции, либо к диэлектрическому пробою, вызывающему отказ кабеля.

При монтаже кабелей экранированные силовые кабели требуют контроля электрического напряжения при терминировании.

Терминации и муфты кабелей предназначены для устранения концентрации напряжения в точке окончания экрана для предотвращения пробоя кабеля — электрическое поле должно быть контролируемо в терминации и муфте кабеля.

Распределение напряжения в точке соединения жил значительно варьируется из-за изменений профиля, вводимых использованием муфты.

Острые кромки и выступы на муфте, если оставлены неснятыми, также приводят к резкому изменению градиента напряжения.

Поэтому необходимо, чтобы жила имела гладкий профиль, чтобы не было чрезмерной концентрации напряжений.

Однако более важный аспект контроля напряжения применяется к месту, где заканчивается изоляционный экран.

Следует отметить, что не только диэлектрическое напряжение возрастает в регионе терминирования, но также потенциальный градиент возникает lungo границе раздела между диэлектриком и окружающей средой.

Напряжение в диэлектрике в точке окончания экрана будет значительно выше проектного напряжения и может привести к преждевременному отказу.

Кроме того, если окружающая среда — воздух, или есть пустота между диэлектриком и заполняющей средой, то напряжение в области может заставить воздух допускать разряд даже при рабочем напряжении.

Бумага несколько устойчива к таким разрядам, но для полимерной изоляции, как XLPE (перекрестно-сшитый полиэтилен), такие разряды быстро разъедают диэлектрик и в конечном счете приводят к отказу.

Без применения контроля напряжения разряды возникали бы, неблагоприятно влияя на срок службы муфты и терминации.

Рисунок 2 показывает распределение электрического поля без и с контролем напряжения.

Причины

Основные слабости в области терминирования и муфт высоковольтных и средневольтных кабелей, требующие контроля напряжения:

• Обжимные наконечники, допускающие проникновение влаги в жилы
• Неудачное устранение воздушных пузырей
• Перекрещивание жил, приводящее к частичным разрядам
• Плохая подготовка кабеля
• Проникновение влаги
• Недостаточные зазоры фаза-фаза и фаза-земля
• Трекинг (образование следа)
• Плохие инструкции по муфтированию

Методы контроля напряжения

Универсальной терминации или муфты не существует. Существует множество типов терминаций и муфт, каждый с преимуществами и недостатками.

Оптимизация терминаций кабелей достигается исследованием различных конструкций.

Правильный метод терминирования должен обеспечивать хорошую электрическую и механическую целостность.

Для проектирования правильной терминации должен быть выполнен анализ распределения электрического поля в критических регионах.

Метод напряженного конуса (Stress Cone)

Распространенный метод для контроля напряжения — использование напряженного конуса, показанного на Рисунке 3.

Напряженный конус — средство контроля емкости в области окончания экрана, тем самым снижая диэлектрическое напряжение вдоль градиента до допустимых пределов в точке терминирования.

Напряженный конус вытягивается за пределы окончания экрана, чтобы потенциальный градиент на поверхности диэлектрика снизился до уровня, где разряды не возникают.

В муфтах высоковольтных и средневольтных бумажных кабелей напряженный конус обычно строится по заданному контуру ручным нанесением изоляционных бумажных лент, а в терминациях напряженный конус либо наносится вручную, либо изготавливается заранее. С развитием полимерных и эластомерных кабелей также были введены предварительно отлитые напряженные конусы.