Електротехнологічний комплекс для виробництва високовольтних та надвисоковольтних кабелів з полімерною ізоляцією

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению научно-прикладной проблемы разработки научных основ создания электротехнологических комплексов для промышленного производства высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей со сшитой полимерной (СПЭ) изоляцией путем создания концепции анализа электрического поля (ЭП), возмущенного совокупностью микродефектов в элементах кабелей, и разработки новых методов производства сверхвысоковольтных кабелей с учетом взаимных связей между параметрами их элементов. Полученные результаты в совокупности являются теоретическим обобщением и новым решением важной научно-прикладной проблемы - создания электротехнологических комплексов для промышленного производства сверхвысоковольтных кабелей с повышенными надежностью, безопасностью и экологичностью для систем электроснабжения потребителей энергии в условиях плотной промышленной и коммунальной застройки, разветвленных коммуникаций и водных преград.

В работе определены взаимные связи между параметрами элементов высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей (СПЭ изоляции, полупроводящих полимерных слоев, токопроводящей многопроволочной жилы и медного экрана), изготавливаемых разными установками комплекса, и закономерности совокупного влияния дефектов в этих элементах на возмущение ЭП в изоляции кабеля. Разработана концепция анализа такого неоднородного ЭП с учетом увеличения его напряженности и напряженного объема (то есть объема, в котором напряженность ЭП превышает допустимое значение) одиночными поверхностными и объемными дефектами изоляции, а также совокупностью близко расположенных дефектов в изоляции и других элементах кабелей (полупроводящих слоях, многопроволочной жиле и экране). Под близко расположенными подразумеваются дефекты, размеры которых могут быть меньше критических, но больше, чем расстояния между ними.

В соответствии с новой концепцией необходимо учитывать также параметры и свойства полупроводящих полимерных слоев, а также особенности конструкции проводящих и водоблокирующих элементов. В работе обосновано, что поверхностные дефекты возмущают ЭП в изоляции кабелей сильнее, чем аналогичные объемные, и что с повышением напряжения и температуры жилы кабелей, экранирующие свойства их полупроводящих слоев, надо повышать. Разработан метод повышения стойкости сверхвысоковольтных кабелей к токовым нагрузкам и высоким внешним температурам за счет увеличения электропроводности их полупроводящих слоев при температурах выше 110 ⁰С.

Разработаны новые критерии качества элементов изолированной металлической жилы и принципы построения установок для ее изготовления, использующие:

- математическую модель для определения конфигурации вулканизационной установки и силовых характеристик электроприводов, регулирующих скорость движения наклонной свободно провисающей жилы с учетом ее удельной массы и нестабильности напряжения питания;

- индукционный подогрев жилы до заданной температуры, экструзионное нанесение на жилу способной к сшиванию трехслойной изоляции, ее охлаждение до твердого состояния, регулирование и стабилизацию линейного движения и вращения жилы в вулканизационной камере;

- регулирование толщины всех слоев изоляции, температуры в каждой зоне ее термообработки и положения жилы относительно оси вулканизационной камеры.

Развит метод изготовления токопроводящих жил большого сечения с повышенным качеством их поверхности и продольной водоблокировкой, в частности, разработан метод индукционной градиентной термообработки и прессования алюминиевых слитков для производства катанки с высоким качеством поверхности. Создана математическая модель для оценки усилий при волочении алюминиевой катанки с учетом ее обжатия, деформации и нагартовки на одном переходе.

Для улучшения продольной водоблокировки кабелей разработан и внедрен в промышленное производство метод введения водонабухающей полупроводящей полимерной ленты в их многопроволочную жилу с реализацией в ней коэффициента уплотнения при скручивании k ? 0,9 (в том числе и в жилах типа "Милликен"). Усовершенствован также метод продольной температурной диагностики изоляции и полупроводящих слоев высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей за счет введения волоконно-оптических термодатчиков в их многопроволочные экраны.

Разработаны и внедрены в производство принципы построения энергоэффективных резонансных систем для обеспечения испытаний сверхвысоковольтных кабелей повышенным переменным напряжением и измерения уровня частичных разрядов в СПЭ изоляции всей длины кабеля. Разработана математическая модель для анализа переходных процессов в электрических цепях системы при частичных и полных пробоях изоляции кабелей и реакторов, а также при несинусоидальных искажениях напряжения электропитания. Создана система, в резонансном контуре которой добротностью Q=20-40 на кабеле может возникать напряжение до 500 кВ при пропускании через кабель электрической мощности до 20 МВА. Частичные разряды измеряются с точностью не менее 2 пКл. Входная мощность системы составляет не более 500 кВА, ток короткого замыкания при пробое изоляции кабеля меньше 1 А, низкий уровень искажений исходного напряжения и незначительные перенапряжения при пробое изоляции кабеля или реактора.

На основе полученных в диссертации результатов впервые в СНГ созданы электротехнологические комплексы для промышленного производства кабелей с полимерной изоляцией на напряжения до 330 кВ на ЗАО "Завод "Южкабель" (г. Харьков, Украина). Применение кабелей особенно эффективно в мощных системах электроснабжения в линиях электропередачи с произвольными наклонами и значительными изгибами при наличии плотных застроек, коммуникаций и водных препятствий.

Ключевые слова: электротехнологический комплекс, сверхвысокое напряжение, электрическое поле, кабель, полимерная изоляция, напряженность.

Zolotaryov V.M. Electrotechnological complex for production of high-voltage and superhigh-voltage cables with polymeric insulation. - Manuscript.

Thesis for a doctor of technical sciences degree on speciality 05.09.03 - electrical engineering complexes and systems. - Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2010.

In the dissertation the theory of creation of electrotechnological complexes for production of high-voltage and superhigh-voltage cables with polymeric insulation has received the further evolution by development new concepts of the analysis of the disturbing electric fields and methods of manufacturing of cables in view of interconnections between parameters of their elements. The received results in the aggregate is theoretical generalization and the new solution of the important scientific - applied problem - creation of electrotechnological complexes for industrial production of superhigh-voltage cables with the increased reliability, safety and ecological compatibility.

The new concept of the analysis of an electric field in insulation of cables in view of local field intensity and intense volume as well as cumulative influence on them of different defects and parameters of cable elements is developed. New principles of construction of installations for extrusion coatings on a metal conductor of polymeric insulation and its vulcanization are worked out. The methods for manufacturing of heavy-section cable conductors with the increased quality of a surface are developed. The principles of construction of energy-effective systems for test of superhigh-voltage cables by increased alternating voltage as well as for measuring of a level of partial discharges in these cables are determined. For the first time in the CIS on Joint-Stock Company "Factory "Pivdenkabel" (Kharkov, Ukraine) the electrotechnical complexes for industrial production of cables with XLPE insulation on voltages up to 330 kV are created on the basis of the received results. These cables are especially effective in transmission lines with the arbitrary declinations and the considerable inflexions at presence of the compact buildings, service lines and water obstructions.

Key words: electrotechnological complex, supervoltage, electric field, cable, polymeric insulation, intensity.

Размещено на Allbest.ru