Електротехнологічний комплекс для виробництва високовольтних та надвисоковольтних кабелів з полімерною ізоляцією

Ця залежність є небажаною при виникненні тривалих струмових перенавантажень кабелів, або наявності гострих мікровиступів на струмопровідній жилі, при яких у напівпровідному шарі можуть виникати локальні підвищення температури.

Такі локальні підвищення температури можуть викликати зменшення електропровідності напівпровідного шару, яке буде призводити до підвищення температури і так далі до реалізації позитивного зв'язку між двома параметрами напівпровідного шару - підвищенням його температури та зменшенням провідності, в результаті чого виникає температурний пробій напівпровідного шару, а згодом й основної ізоляції.

Проведені дослідження показали, що електропровідність напівпровідних шарів при високих температурах треба збільшувати, а не зменшувати. Після розробки обґрунтованих рекомендацій, хімічний склад таких шарів було змінено і було реалізовано залежність г₂(Т), показану на рис. 6 суцільною кривою, що забезпечило суттєве підвищення стійкості кабелів до тривалих струмових перенавантажень та високих зовнішніх температур (новизна рішення захищена патентом України № 87501).

В дисертації було проведено також дослідження сукупного збурення ЕП двома близько розташованими провідними (водяними) мікровключеннями, які знаходяться в об'ємі ЗПЕ ізоляції. Було показано, що при зменшенні відстані між такими мікровключеннями, напруженість ЕП в ізоляції буде експоненційно зростати (див. рис. 7 а), а найбільше значення величини напруженого об'єму в ізоляції буде при дотиканні провідних мікровключень (див. рис. 7 б).

Размещено на http://www.allbest.ru

Аналіз рис. 5 і 7 показує, що при зближенні двох об'ємних мікровключень, напруженість ЕП зростає також експоненційно, як і при зближенні об'ємного мікровключення з поверхневим, але менш інтенсивно. А величина напруженого об'єму при зближенні об'ємного мікровключення з поверхневим є майже на 2 порядки більшою, ніж при зближенні двох об'ємних мікровключень. Порівняння результатів на рис. 4 з результатами аналізу збурень ЕП в ізоляції біля об'ємного мікровключення теж підтверджує більший вплив поверхневих провідних дефектів на збурення ЕП в ізоляції порівняно зі збуренням об'ємними мікровключеннями аналогічних розмірів.

Узагальнення результатів досліджень у розділі 2 показало, що при аналізі збурень ЕП в ЗПЕ ізоляції високовольтних і надвисоковольтних кабелів, необхідно враховувати не тільки розміри поодиноких мікровключень, але й їх конфігурацію, близькість до струмопровідних поверхонь і співвідношення характерних розмірів близько розташованих мікровключень з відстанню між ними.

Обґрунтовано, що при аналізі збуреного в ізоляції ЕП доцільно досліджувати не тільки змінення його максимальної напруженості, але й величини напруженого об'єму. Це дозволяє ураховувати як детерміновані, так і статистичні механізми деградації ЗПЕ ізоляції в збуреному електричному полі. Показано, що поверхневі дефекти збурюють ЕП в ізоляції сильніше, ніж об'ємні дефекти аналогічних розмірів.

У третьому розділі розроблено принципи побудови електротехнологічних установок для екструзійного нанесення на жилу кабелів тришарової полімерної ізоляції та її вулканізації. Показано, що є два підходи до розробки таких систем - це використання вертикальної й похилої установок. На вертикальній установці простіше отримати високу якість ізоляції, але її складніше обслуговувати та реалізувати на ній високу продуктивність, яка пропорційно залежить від довжини лінії. В роботі вибрано похилу установку, яка є більш продуктивною й простішою в обслуговуванні, але на ній набагато складніше виключити зсув ізоляції відносно жили.

Принципи побудови електротехнологічних установок нанесення на металеву жилу тришарової здатної до зшивання полімерної ізоляції та її вулканізації в похилій лінії ґрунтується на таких наукових засадах:

- розробці математичної моделі для визначення конфігурації вулканізаційної лінії похилого типу та силових характеристик електроприводів для забезпечення вибраної конфігурації вільно провисаючій металевій жилі з екструзійно нанесеною на неї полімерною ізоляцією та стабілізації швидкості руху жили з ізоляцією;

- допущенні про аналогічність лінійного руху похилої вільно провисаючої металевої жили зі здатною до зшивання полімерною ізоляцією, яка нанесена екструзійним способом, й ланцюгової лінії з рівномірно розподіленою масою.

Размещено на http://www.allbest.ru

Обґрунтовано аналогію руху похилої вільно провисаючої металевої жили з рухом ланцюгової лінії (див рис. 8), конфігурація якої залежить від багатьох параметрів:

- координат т. В (х₁;у₁), в якій знаходяться екструдери для нанесення на жилу полімерних шарів;

- координат т. А (0;а), в якій знаходиться нижній тяговий електропривод металевої жили;

- параметру форми ланцюгової лінії, який визначається як

a = T_x /P₁

(де T_x - горизонтальний натяг провисаючої жили у нижній т. А (0;а) і P₁ - погонна вага жили, тобто вага її одного метру довжини).

Із необхідної пропускної потужності кабелю S = U I вибираються напруга, струм, поперечний перетин жили, товщини основної ізоляції та напівпровідних шарів. Далі визначається погонна вага ізольованої жили P₁ (тобто вага одного її метру) і загальна довжина ділянки провисаючої жили з ізоляцією l₁ = V ?t (де V - швидкість руху жили з ізоляцією, ?t - час, необхідний для її вулканізації).

Кут нахилу в вільно провисаючої частини жили у т. В (х₁;у₁) до горизонтальної осі ОХ вибирається на підставі численних досліджень режимів похилої лінії для виготовлення кабелів на середні напруги та аналізу наукових результатів щодо підвищення якості ЗПЕ ізоляції при її нанесенні та вулканізації. Якщо вибрати початок координат у відповідності із рис. 8, то рівняння ланцюгової лінії, яке характеризує конфігурацію та параметри вільно провисаючої жили, можна записати у вигляді

в(x) = a + h = a ch x/a , (14)

де в і x - поточні горизонтальні й вертикальні координати провисаючої ділянки жили, а h - різниця висот між її верхньою й нижньою частинами лінії.

Для ланцюгової лінії є вірним можна записати

l = a sh x/a. (15)

де l - поточна довжина похилої лінії, яка може змінюватись при зміненні натягу провисаючої жили, або її погонної ваги.

Із рівняння (15) у т. В (х₁;у₁) для ланцюгової лінії виконується співвідношення

a = l₁ / sh x/a = l₁ / tg в, (16)

де l₁ - довжина частини похило провисаючої жили для випадку, коли у т. А (0;а) коли натягу провисаючої жили по вертикальній осі є відсутнім.

З рівняння (15) отримуємо значення для координати х₁

х₁ = a arc sh l₁ / a, (17)

або х₁ = a ln { l₁ /a + [ ( l₁ /a)² + 1 ]^1/2 }.

Зважаючи на те, що згідно рис. 8 різниця висот між т. В (х₁;у₁) та т. А (0;а)

h₁ = y₁(x₁) - a

і що dy/dx = sh х/а = Ту / Т, (18)

то з рівняння (14) при х = 0 отримуємо, що в = а.

Для такого випадку на основі співвідношення (18) можна записати, що

Т_у = 0 і Т_заг.= Т_х.

Таким чином, обґрунтовано, що на основі розробленої моделі для похилої вільно провисаючої ізольованої жили можливо визначати вихідні вимоги до конфігурації похилої камери вулканізації та основні характеристики електроприводу (найбільше зусилля для натягу жили та найбільшу швидкість її лінійного руху), а потім можливо узгоджувати умови регулювання руху жили при припустимих відхиленнях характеристик лінії та електромеханічної системи від оптимальних значень.

Для регулювання руху струмопровідної жили в екструзійній системі з похилою лінією вулканізації використовується електромеханічний комплекс, схематично показаний на рис. 9. Він включає три частотно-регульовані електричні приводи на основі асинхронних двигунів та систему їх векторного керування, що забезпечує одночасно рух жила із заданою швидкістю та необхідний натяг жили.

Аналіз перехідних процесів, виникаючих при короткочасній зміні напруги у мережі, та дослідження режимів регулювання і стабілізації швидкості руху ізольованої жили у вулканізаційній установці проводився з використанням комп'ютерного моделювання електромеханічних перехідних процесів за допомогою пакету програм Matlab/Simulink. Розроблена Simulink-модель комплексу містить блоки, що моделюють зовнішню мережу обмеженої потужності, додаткове потужне навантаження (при підключені якого може виникати короткочасне змінення величини напруги живлення лінії вулканізації), електричні двигуни з векторним керуванням, які механічно пов'язані між собою через редуктори та жилу, що рухається.

Размещено на http://www.allbest.ru

Математична модель асинхронних двигунів, які використовувалась у роботі, для двофазної системи координат (вісі d-q) має наступний вигляд:

; ;

; ;

, , ,

де , ; ;

; ; ; .

Всі позначення є стандартними в теорії електроприводу.

Режимі похилої ізоляційної жили можуть змінюватись при регулюванні швидкісних і навантажувальних характеристик електропривода, тобто при регулюванні його фактичної та заданої швидкості, моменту навантаження й електромагнітного моменту на валу двигуна. Реалізована в роботі швидкісна діаграма показала достатню точність відпрацьовування швидкості, необхідної у всьому діапазоні регулювання швидкості руху ізольованої струмопровідної жили, крім початкової ділянки розгону, що пов'язане з необхідністю подолання пасивного моменту навантаження. Діаграма моментів підтвердила постійний характер навантаження та виконання основного рівняння руху електропривода при загасаючих коливаннях на ділянках запуску й гальмування. Наявність коливань у кривій моменту визначався самою структурою системи керування, у якій був відсутній канал регулювання струму (моменту).

Структурну схему всієї системи екструзійного нанесення на жилу здатної до зшивання тришарової ізоляції з її вулканізацією на похилій лінії наведено на рис.9.

Однією із важливих наукових задач при узгодженні та оптимізації режимів даної системи є виключення радіального та поздовжнього тришарової ізоляції зразу після її екструзії на металеву жилу, тобто коли вона знаходиться ще у рідкому стані. Ця задача є типовою для всіх вулканізаційних ліній похилого типу, але при виготовленні високовольтних і надвисоковольтних кабелів складність її вирішення значно зростає, оскільки суттєво зростає її товщина і погонний об'єм. Для вирішення такої задачі при виготовленні ізольованої жили для високовольтних і надвисоковольтних кабелів було використано сукупність нових електротехнологічних методів:

- введення додаткової зони охолодження ізоляції до твердого стану після її екструзії на жилу,

- індукційного підігріву жили до 80 ⁰С для виключення впливу змінної температури зовнішнього середовища на режими вулканізації та

- підкручування жили зі швидкістю 1 оберт на 20-30 метрів її довжини.

Кожен із цих методів є нетрадиційним і вимагав проведення чисельних досліджень щодо їх сукупного використання. В роботі найбільшу увагу було приділено методу індукційного підігріву сегментних ізольованих жил з поперечним перерізом більше 1000 мм² змінним струмом частотою 1-10 кГц. Раніше такий електромагнітний процес не досліджувався, оскільки сприймався як недоцільний - через прояв сильних поверхневого ефекту й ефекту близькодії струмів в ізольованих сегментах, що може призводити до недопустимого перегріву полімерної ізоляції між сегментами й напівпровідної полімерної стрічки, якою скріплюють окремі сектори.

Розрахунок електромагнітного поля й електронагріву ізольованих сегментних жил кабелів проводився із застосуванням пакету програм Соmsol Multiphisics. Дослідження підтвердили виникнення поверхневого ефекту й ефекту близькодії струмів в сегментах кабелю. Але було показано, що за рахунок високої теплопровідності алюмінію та міді розподіл температури в поперечному перерізі ізольованих сегментів кабелю має настільки малі градієнти, що унеможливлює недопустимий перегрів полімерної ізоляції між сегментами й напівпровідної полімерної стрічки, яку використовують для механічного скріплення сегментів між собою.

Отримані результати щодо визначення режимів екструзійного нанесення здатної до зшивання ізоляції на сегментну жилу кабелів були використані при створенні промислових екструзійних систем на заводі "Південкабель" (м. Харків).

Размещено на http://www.allbest.ru

У четвертому розділі представлено розвиток методів виготовлення багатодротових жил великого перерізу в тому числі жил типу "Міллікен" з ізольованими сегментами. Обґрунтовано, що з підвищенням напруги кабелів зростають вимоги до якості поверхні їх струмопровідних жил. В той же час якість поверхні жил кабелю в основному визначається якістю поверхні первинного дроту (так званої "катанки"). Тому в роботі при створенні систем виготовлення струмопровідних жил для надвисоковольтних кабелів численні дослідження були направлені на розвиток методів підвищення якості поверхні алюмінієвої катанки при її виготовленні гарячим пресуванням алюмінієвих зливків.

Показано, що успішно вирішити зазначену задачу можливо за рахунок

- попередньої індукційної термообробки алюмінієвих зливків наведеними струмами промислової частоти з точною стабілізацією кінцевої температури та

- реалізації в об'ємі зливків градієнтів температури в напрямку вхідного отвору матриці для пресування.

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 13 представлено схематичне зображення індукційної установки для нагрівання алюмінієвих зливків, на якому: 1 - індуктор; 2 - теплоізоляційна азбестова труба; 3 - алюмінієві зливки.

Математична модель для аналізу взаємозалежних електромагнітних і теплових процесів була розроблена при наступних допущеннях:

- розгляд електромагнітного процесу проводився з використанням методу комплексних амплітуд, тому характеристики поля були комплексними величинами;

- тепловий процес розглядався як стаціонарний;

- для матеріалу зливка, який нагрівався, ураховувались нелінійні залежності електропровідності, теплопровідності й питомої теплоємності від температури;

- зважаючи на циліндричну форму індуктора, теплоізолятора та зливка, задача вирішувалась, як осєсиметрична у двомірній постановці в циліндричній системі координат r0z щодо комплексної змінної векторного магнітного потенціалу й температури у розрахунковій області.

Розрахункова область мала чотири підобласті - індуктор, теплоізолюючу трубу, що рухалась, алюмінієвий зливок і оточуюче повітряне середовище. Математична модель, що описувала взаємозалежні електромагнітні й теплові процеси, в загальному вигляді включала постановку електромагнітної й теплової задач.

Електромагнітний процес описувався системою диференційних рівнянь для комплексної величини векторного магнітного потенціалу :

јщ у(T) + rot (м₀-¹ rot ) = 0 - в області зливка,

rot (м₀-¹ rot )

де - електропровідність злитка, що залежить від температури, - кутова частота струму в індукторі, - магнітна проникність вакууму, - струм у ланцюзі індуктора, - число витків в індукторі, - площа поперечного переріза індуктора.

Теплові процеси описувались рівнянням конвективного переносу

с С_р(Т) v grad T - div (л(T) grad T)

де - питома потужність тепла, яке виділяється у зливку, с,

С_р(Т), л(T) - густина, питома теплоємність при постійному тиску, теплопровідність алюмінію в зливку.

Як граничні умови для електромагнітного задачі задавалися умова симетрії відносно осі індуктора і умова магнітної ізоляції на зовнішній границі : .

Електромагнітна задача була пов'язана з тепловою задачею нелінійною залежністю електропровідності від температури.

Було розроблено метод стабілізації кінцевої температури злитків при їх індукційній термообробці за рахунок використання двох закономірностей: прямо пропорційній залежності температури алюмінієвих зливків від їх питомої електропровідності та зворотно пропорційній залежності температури зливків від швидкості їх руху в індукторі, як показано на рис. 14. Розрахункові та експериментальні розподіли температури за довжиною зливків при їх нагріванні в індукторі представлені на рис. 15.

Размещено на http://www.allbest.ru

Метод забезпечує досить точну параметричну стабілізацію необхідної вихідної температури зливків Т_вих ? 468 ⁰С, при цьому умовою стабілізації цієї температури є

(у - у₀)100%/у₀ ? (н - н₀)100%/н₀ ? 10 %.

Підвищення точності стабілізації розподілу температури здійснювала наступна установка, яка була виконана по типу сталевого циліндричного контейнера з послідовно з'єднаними мідними стрижнями, поміщеними в керамічні трубки. Підведення до мідних стрижнів змінної напруги 50 В промислової частоти 50 Гц викликало протікання в них струму і появу навколо них змінного магнітного поля, яке індукувало струми у сталевому контейнері. Тому контейнер нагрівався і кондукційним, і індукційним шляхами.

У роботі було розроблено також метод реалізації в об'ємі зливків градієнту температури, необхідного для термічного пресування алюмінієвих зливків і виробництва таким чином катанки з високоякісною поверхнею. Необхідний градієнт температури досягався організацією такого маршруту переміщення зливків між індукційною та кондукційно-індукційною установками, при якому пласкі поверхні зливків охолоджувались до різних температур.

У роботі було проведено великий об'єм теоретичних й експериментальних досліджень електромагнітних, електротеплових і термопластичних процесів, зокрема індукційного нагріву зливків (які рухались в індукційній установці), їх охолодження у повітрі при їх переміщенні з індукційної в кондукційно-індукційну установку, додаткового підігріву й стабілізації температурного градієнту в об'ємі зливків та їх термопластичної деформації зі зміненням їх поперечного перерізу, швидкості лінійного руху та додаткового підігріву в результаті змінення швидкості й відношення зовнішньої поверхні зливків до їх об'єму.

Показано, що після отримання алюмінієвої катанки з неї виготовляють дріт методом волочіння. При цьому досить складним є оцінка необхідних зусиль на кожному переході від одного поперечного перерізу до іншого.

Було обґрунтовано, що повне зусилля (тобто сукупне зусилля з урахуванням зусиль на однорідні й неоднорідні деформації та на тертя) на одному переході волочіння при деформації алюмінієвого та мідного дротів з 5% точністю може бути оцінено за виразом

P ? у_мм S_к (1,78 е + 0,0643),

де межа міцності у_мм ? у₀ (опору деформації), е = (1- S_к /S_п) ? 0,3 - коефіцієнт обжимання, S_п і S_к - початковий і кінцевий поперечні перерізи дроту до і після його волочіння.

Розділ 5 присвячено розробці принципів побудови енергоефективної резонансної системи, використання якої забезпечує випробування надвисоковольтного кабелю підвищеною змінною напругою. Вона забезпечує також вимірювання рівня часткових розрядів всієї довжини кабелю й високу стійкість до пробоїв ізоляції кабелів або реакторів та до несинусоїдних спотворень напруги електроживлення.

При цій розробці було вирішено сукупність наступних задач:

- створено систему формування напруги 500 кВ на випробуваному кабелі;

- забезпечено пропущення через кабель ємністю до 250 нФ електричної потужності до 20 МВА;

- забезпечено вимірювання рівня часткових розрядів з похибкою менше 2 пКл;

- забезпечено стійкість всієї системи до пробоїв ізоляції кабелю.

Було обґрунтовано доцільність розробки випробувальної надвисоковольтної системи на основі високодобротної схеми послідовного резонансу. В основу побудови випробувальної системи, що дозволяє проводити весь спектр випробувань високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією відповідно до міжнародних норм і діючих систем менеджменту якості продукції, покладено найбільш ефективну концепцію резонансного збудження послідовного індуктивно-ємнісного (L-C) контуру з регульованою індуктивністю на стороні високої напруги з використанням явища послідовного резонансу. Функціональна схема такої системи приведена на рис. 16.

Размещено на http://www.allbest.ru

Показано, що така система має такі переваги:

- порівняно малу вхідну потужність (не більше 500 кВА);

- малий струм короткого замикання (при пробої ізоляції кабелю або реактора він становить не більше 1 А);

- низький рівень нелінійних спотворень у кривій вихідної напруги,

- низький рівень перенапруг при пробої ізоляції випробуваного кабелю.

Враховуючи неможливість проведення аварійних випробувань у системі з такою вихідною напругою, аналіз критичних режимів у ній проводився на математичній моделі з використанням пакета програм Matlab/Simulink.

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 17 зображено напругу і струм у високовольтному реакторі при пробої ізоляції в кабелі на 330 кВ. Із рис.17 видно, що при включенні системи спостерігається плавний вихід на сталий режим за час, рівний 0,5 с, а при пробої ізоляції кабелю імпеданс ланцюга "реактор-кабель" зростає, що приводить до зниження струму в цьому ланцюзі й, як наслідок, напруги на реакторі. При цьому в кривій напруги міститься високочастотна складова, обумовлена коливальним процесом між індуктивністю реактора і ємністю фільтра.

Відзначимо, що при аварійному відключенні установки на вторинній обмотці трансформатора може виникати кидок напруги через велику індуктивність намагнічування трансформатора. Для усунення таких перенапруг на вторинній обмотці трансформатора встановлено обмежувач перенапруги.

Для аналізу рівня часткових розрядів у кабелі необхідно було досліджувати виникаючі високочастотні процеси, тому було розроблено високочастотну модель установки, у якій кабель моделювався електричним ланцюгом з розподіленими параметрами. За допомогою моделі, що використовувала пакет програм Matlab/Simulink було оцінено значення еквівалентних параметрів силового кабелю із сегментною жилою типу "Міллікен" у діапазоні змінення частот 50-10⁶ Гц. Було показано наявність у кабелі резонансних властивостей на різних частотах. При збігу частоти імпульсного струму часткового розряду з однією з резонансних частот кабелю, величина вимірюваного сигналу на вході кабелю досягає найбільшого значення. Інформація про струм часткового розряду найпростіше може бути виділена на фоні виникаючих високочастотних власних коливань, якщо частота цього струму менше частоти першого резонансу кабелю. Отримані результати використані при інтерпретації вимірюваних експериментальних даних про рівень часткових розрядів.

У розділі 6 проведено аналіз експлуатаційних характеристик кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на високі й надвисокі напруги. Було проаналізовано перехідні процеси у високовольтній кабельній лінії та проведено моделювання й аналіз швидкоплинних і хвильових процесів у кабельній лінії з неоднорідними параметрами. Також були розглянуті питання щодо електромагнітного впливу високовольтних кабельних ліній на навколишнє середовище. Виконано розрахунок і порівняльний аналіз електромагнітного поля повітряної і підземної кабельних ліній електропередач на напругу 110 кВ.

В дослідженнях використовувались математичні моделі та методики чисельного розрахунку (методом кінцевих елементів) електромагнітного поля в повітряній і підземній кабельній лініях електропередачі. Проведено порівняльний аналіз рівня поля для повітряної й кабельної ліній, що мають однакове значення напруги й струму. На підставі даних чисельних розрахунків було зроблено наступні висновки:

- повітряна лінія створює на поверхні землі значне по величині електричне поле ~1,1 кВ/м з напівшириною загасання ~60 м, тоді як кабельна лінія не створює аналогічного поля на поверхні землі - воно локалізовано у внутрішній ізоляції кабелю;

- рівень магнітного поля в обох лініях поблизу від поверхні землі становить близько 5 мкТл (на рівні 2 м), однак якщо в кабельній лінії це поле локалізоване на ділянці з напівшириною 4,1 м, то в повітряній лінії - 40,5 м, тобто магнітне поле кабелю локалізоване на значно меншій площі;

- проведені дослідження показують, що кабельна лінія створює значно менший рівень електромагнітного забруднення в порівнянні з повітряною лінією при рівних значеннях переданої електричної потужності.

З використанням чисельної моделі провадилось дослідження електромагнітних перехідних процесів у високовольтній трифазній кабельній ЛЕП, що виконана з трьох однофазних кабелів з транспозицією екранів. У дослідженнях використовувався блоковий метод представлення лінії, при якому кожна із трьох її ділянок моделювалась за допомогою еквівалентного дванадцятиполюсника.