КОНЦЕВАЯ МУФТА СИЛОВОГО КАБЕЛЯ С ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к концевым муфтам, предназначенным для присоединения кабельных линий высокого напряжения к воздушным линиям электропередачи, трансформаторам и другому высоковольтному оборудованию.
Известна концевая муфта для высоковольтного кабеля (см. заявка ЕР 1091466, МПК H02G-015/00, H02G-015/06, H02G-015/068, опубликована 11.04.2001), содержащая полый изолятор с опорной плитой, верхним и нижним экраном, кабельную разделку с установленным на нее эластомерным элементом управления полем. Внутренняя полость изолятора заполнена в нижней части жидким диэлектриком с толщиной слоя, определяющим электрическую прочность муфты (опорный слой), поверх которого размещена жидкая изоляция, подвергшаяся вспениванию по специальной технологии. В результате изоляционная среда в полости изолятора имеет меньший вес, по сравнению со случаем, когда жидкостью заполнен весь объем. Кроме того, муфта со вспененной изоляцией является более экономичной, из-за разницы в стоимости жидкого и вспененного диэлектрика. Однако, при вспенивании изоляции, в нее попадает воздух, присутствие которого резко снижает электрическую прочность вспененной части жидкого диэлектрика. Нельзя также полностью исключить возникновение пробоя между жилой и заземленным экраном кабеля из-за нарушения электрической прочности опорного слоя жидкого диэлектрика при циклических воздействиях теплового и электрического полей.
Известна концевая муфта для электрического кабеля (см. заявка РСГ WO 200041285, МПК H02G-015/00, H02G-015/06, H02G-015/068, опубликована 13.07.2000). Концевая муфта включает наружный полый изолятор, концевую разделку кабеля, на которую установлена усиливающая изоляция в виде эластомерного элемента, верхний и нижний экраны. Пространство между наружным изолятором и кабелем заполнено твердыми гранулами из изоляционного материала, а промежутки между гранулами заполнены изолирующей жидкостью. Выбранные гранулы могут иметь лучшую, чем жидкость теплопроводность, более низкий коэффициент теплового расширения и более низкую, чем изолирующая жидкость, стоимость.
Однако выбор материала гранул (относительная диэлектрическая проницаемость которых должна быть близкой к относительной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика), их формы и количества представляет собой отдельную сложную задачу, требующую дополнительных исследований электрической прочности данной конструкции муфты.
Известна концевая муфта электрического кабеля (см. Garinturen fur VPE-isolierte Hoch-und Hochst- spannugskabel Felten Gulleume, ФРГ, 1984), содержащая заполненный изоляционной жидкостью фарфоровый изолятор, концевую разделку с эластомерным элементом содержащим электрод, верхний и нижний экраны. Эластомерный элемент оказывает контактное давление на изоляцию кабеля за счет простого натяга эластомерного элемента на кабель. В этом случае эластомерный элемент во время эксплуатации при воздействии температурных циклов имеет возможность свободно расширяться вместе с изоляцией кабеля, вследствие чего замедляется процесс старения материала эластомерного элемента и процесс ползучести. Надежность муфты при этом возрастает.
Однако в известной концевой муфте имеет место диффузия изоляционной жидкости между изоляцией кабеля и эластомерным элементом, а также между нижним экраном муфты и электродом эластомерного элемента. Это приводит со временем при эксплуатации муфты к снижению удельного объемного электрического сопротивления электрода при циклических температурных воздействиях.
Известна концевая муфта силового кабеля с пластмассовой изоляцией (см. патент RU 2064725, МПК H02G 15/02, опубликован 27.07.1996), совпадающая с настоящим техническим решением по совокупности существенных признаков и принятая за прототип. Концевая муфта-прототип содержит заполненный изоляционной жидкостью фарфоровый изолятор, концевую разделку кабеля с установленной на нее с натягом усиливающей изоляцией в виде эластомерного элемента, выполненного в виде кольца, имеющего конусность верхней части внешней поверхности, верхний и нижний экраны, заполнитель пространства между изоляцией кабеля и нижним экраном из полимерного материала. Эластомерный элемент содержит внутренний электрод. Муфта также содержит охватывающий нижнюю торцовую часть эластомерного элемента прижимной стакан с внутренней поверхностью, обеспечивающей равные значения контактных давлений на изоляцию кабеля и на нижний экран. Электрод эластомерного элемента прижат к нижнему экрану муфты с помощью прижимного стакана специальной конфигурации. На дне стакана размещено герметизирующее кольцо из маслостойкого эластомера с поперечным сечением в виде прямоугольного треугольника. Эластомерный элемент выполнен в виде кольца, верхняя часть которого имеет конусности внутренней и внешней поверхностей (2-4) градуса и (30-36) градуса соответственно. В известной концевой муфте-прототипе улучшен теплоотвод от изоляции кабеля к нижнему экрану муфты за счет заполнения пространства между изоляцией кабеля и нижним экраном материалом с высоким коэфициентом теплопроводности, что повышает надежность муфты.
В известной концевой муфте-прототипе электрод эластомерного элемента прижат к нижнему экрану муфты с помощью специально изготовленной детали - прижимного стакана, содержащего герметизирующее кольцо. Применение такого конструктивного элемента, имеющего сложный профиль внутренней поверхности, описываемый квадратичной зависимостью, усложняет конструкцию муфты, увеличивая ее вес и повышая трудоемкость изготовления.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такой концевой муфты силового кабеля с пластмассовой изоляцией, которая бы имела более простую и экономичную конструкцию, и при этом бы обеспечивались повышенные электроизоляционные характеристики.
э
Поставленная задача решается тем, что концевая муфта силового кабеля с пластмассовой изоляцией содержит заполненный изоляционной жидкостью диэлектрический изолятор, концевую разделку кабеля с установленной на нее с натягом усиливающей изоляцией в виде содержащего внутренний электрод эластомерного элемента, выполненного в виде кольца, имеющего конусность верхней части внешней и внутренней поверхности, верхний и нижний экраны. Внутренний электрод эластомерного элемента выполнен в виде цилиндрической нижней части, охватывающей нижний экран, и верхней части, внутренняя расширяющаяся коническая поверхность которой образует с продольной осью муфты угол (8-12) градусов. Внешняя часть эластомерного элемента выполнена из кремнийорганической резины с наполнителем из наночастиц сажи и имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε, удовлетворяющую соотношению:
э
и
ε≥5ε;
и
где ε - относительная диэлектрическую проницаемость изоляции кабеля.
-4
Внутренний электрод эластомерного элемента может иметь удельную электрическую проводимость не менее 2·10 См/м.
Усиливающая изоляция муфты может быть установлена на концевую разделку кабеля механической усадкой, что снижает трудоемкость и повышает качество монтажа.
Цилиндрическая нижняя часть внутреннего электрода может выступать на (25-30) мм за пределы внешней части эластомерного элемента и прижата к нижнему экрану посредством бандажа из намотанных внахлест электро- и теплопроводящих лент, что увеличивает контактное давление и улучшает теплоотвод.
Диэлектрический изолятор муфты может быть выполнен из кремнийорганической резины или фарфора.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлен общий вид настоящей концевой муфты с частичным продольным разрезом;
на фиг. 2 изображен эластомерный элемент в продольном разрезе;
на фиг. 3 в таблице 1 приведены значения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля в точке обреза полимерного экрана кабеля в зависимости от конусности верхней части электрода (рабочий режим, сеть 110 кВ);
на фиг. 4 в таблице 2 представлена длина проекции внутренней конической поверхности верхней части внутреннего электрода на продольную ось муфты.
пр
пр
э
-4
Концевая муфта 1 силового кабеля с пластмассовой изоляцией содержит заполненный изоляционной жидкостью 2 диэлектрический изолятор 3, выполненный, например, из фарфора или кремнийорганической резины, и закрепленный на основании 4, концевую разделку кабеля 5 с установленным на нее с натягом, например, механической усадкой, эластомерным элементом 6, верхний экран 7 и нижний экран 8. Эластомерный элемент 6, содержащий внутренний электрод 9, выполнен в виде кольца, имеющего конусность верхней части внешней и внутренней поверхности, например, как в муфте-прототипе (2-4) градуса и (30-36) градуса соответственно. Внутренний электрод 9 эластомерного элемента 6 выполнен в виде цилиндрической нижней части 10, охватывающей нижний экран 8, и верхней части 11, внутренняя расширяющаяся коническая поверхность 12 которой образует с продольной осью муфты 1 угол (8-12) градусов (см. фиг. 2). Конусность в (8-12) градуса внутренней расширяющейся конической поверхности 12 верхней части 11 внутреннего электрода 9 обеспечивает оптимальное значение напряженности электрического поля на границе раздела нижнего экрана 8 муфты 1 (он же - полимерный экран по изоляции кабеля), к которому прижат внутренний электрод 9, и изоляции кабеля. Это подтверждается результатами численного моделирования, проведенными с помощью специализированного вычислительного пакета программ Elcut (см. таблицу 1 на фиг. 3). При величине конусности внутренней расширяющейся конической поверхности 12 верхней части 11 внутреннего электрода 9 меньше 8 градусов технологически сложно изготовить электрод, удовлетворяющий всем требованиям (угол + длина L проекции внутренней расширяющейся конической поверхности 12 верхней части 11 внутреннего электрода 9). Если величина конусности внутренней расширяющейся конической поверхности 12 больше 12 градусов, то это приведет к резкому увеличению напряженности поля в критической точке. Удельная электрическая проводимость внутреннего электрода 9 обычно составляет не менее 2·10 См/м. Цилиндрическая нижняя часть 10 внутреннего электрода 9 может выступать на (25-30) мм за пределы внешней части 13 эластомерного элемента 6 и быть прижатой к нижнему экрану 8 посредством бандажа 14 из намотанных внахлест электро- и теплопроводящих лент, что обеспечивает необходимое контактное давление внутреннего электрода 9 на нижний экран 8 муфты 1. Длина L проекции внутренней расширяющейся конической поверхности 12 верхней части 11 внутреннего электрода 9 на продольную ось муфты 1 является фиксированной величиной для данного класса напряжений (см. таблицу 2 на фиг. 4). Внешняя часть 13 эластомерного элемента 6 выполнена из кремнийорганической резины с наполнителем из наночастиц сажи и имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε, удовлетворяющую соотношению:
э
и
ε≥5ε;
и
и
-8
-8
где ε - относительная диэлектрическую проницаемость изоляции кабеля. Введение в кремнийорганическую резину наполнителя из наночастиц сажи (с размером частиц не более 10 м) приводит к увеличению относительной диэлектрической проницаемости внешней части 13 эластомерного элемента 6 не менее, чем в 5 раз, по сравнению с относительной диэлектрической проницаемостью изоляции кабеля (например сшитого полиэтилена, имеющего ε =2,25). Введение наночастиц сажи с размером частиц более 10 м нивелирует эффект увеличения относительной диэлектрической проницаемости материала внешней изоляции эластомерного элемента, имеющий место при меньшем размере частиц.
Применение в концевой муфте силового кабеля с пластмассовой изоляцией усиливающей изоляции в виде эластомерного элемента с указанными выше свойствами при наличии внутреннего электрода, внутренняя расширяющаяся коническая поверхность верхней части которого имеет конусность в (8-12) градуса, приводит к увеличению емкости концевой муфты на землю и сокращению разности между током смещения через изоляцию кабеля на жилу и током смещения через усиливающую изоляцию концевой муфты на землю. Это, в свою очередь, приводит к снижению неравномерности распределения электрического поля в концевой разделке кабеля, тем самым препятствуя развитию пробоя между токоведущей жилой кабеля и нижним (заземленным) экраном концевой муфты.