Исследование электрической прочности высоковольтных кабельных муфт при воздействии низких температур

Вопросы эксплуатации муфт в условиях низких температур всегда были актуальны в России. При этом практически отсутствует опыт эксплуатации и исследования по этой тематике в международной практике, поскольку применение высоковольтных кабельных линий в условиях экстремально холодного климата крайне ограничено. Крупнейшие мировые производители высоковольтной кабельной арматуры осторожно оценивают возможности работы своей продукции в условиях воздействия низких температур.

Проблемы с надежностью концевых муфт при эксплуатации в холодных климатических зонах проявились довольно давно, но ввиду статистически малого количества муфт, эксплуатируемых в таких условиях, сложно было сделать вывод о природе и причинах проблемы: качество изготовления, конструкции или материалов, качество монтажа или климатическое воздействие. Однако за последние годы был накоплен определенный опыт эксплуатации муфт в условиях низких температур, который подтолкнул нашу компанию к более пристальному рассмотрению этого вопроса.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ КАБЕЛЬНЫХ МУФТ

Безусловно важные в эксплуатации электрические параметры муфт проверяются и подтверждаются многочисленными испытаниями и измерениями как в рамках типовых, так и длительных ресурсных испытаний. Эти испытания, их параметры и методики определены в российских и международных стандартах. В то же время, в отличие от электрических параметров, методика подтверждения способности кабельных муфт выдерживать низкие температуры никак не определена. ГОСТ 15150 определяет нижние рабочие и предельные температуры эксплуатации электрооборудования, но не содержит требований к испытаниям и методик, по которым можно было бы проверить соответствие оборудования климатическим условиям. Соответственно, нет параметров, критериев и методик испытаний по подтверждению климатических свойств оборудования в нормативных документах производителей и заказчиков, в частности, в стандартах аттестации ПАО «Россети». Поэтому подтверждение климатического размещения проводится производителями кабельной арматуры декларативно, категория размещения тех или иных муфт определяется уровнем допустимого риска для производителя этих муфт. И это легко объяснимо, так как при отсутствии международного опыта, методик и критериев оценки, при ограниченных возможностях испытательных лабораторий и очень высоких затратах на испытания, при огромном дефиците человеческого ресурса в условиях крайне малого рынка сбыта производителям муфт в нашей стране экономически нецелесообразно проводить такого рода исследования.

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНЦЕВЫХ МУФТ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В 2021–2023 годах произошли отказы муфт различных производителей на подстанциях «Майа» и «Томмот», расположенных в Якутии, в зимний период времени при температурах окружающего воздуха –50°С и ниже. На двух подстанциях были установлены муфты ООО «АРКАСИЛ СК» и еще трех производителей кабельной арматуры из Европы. Аварийные отключения произошли на муфтах каждого производителя.

2021 год. Выход из строя муфт производства ООО «АРКАСИЛ СК» в зимнее время (февраль) на ПС «Майа» при установившейся длительной температуре окружающего воздуха –51°С.

Первоначальной гипотезой о причине выхода муфт из строя было предположение об увлажнении электроизоляционной жидкости или о ее замерзании. Летом того же года была проведена ревизия всех установленных муфт производства ООО «АРКАСИЛ СК» с заменой электроизоляционного компаунда на новый с более высокими характеристиками по морозостойкости. Одновременно с этим силами ООО «АРКАСИЛ СК» совместно с испытательным центром «ОМАКС» был создан испытательный стенд, позволяющий проводить испытания смонтированной на кабеле стандартной концевой муфты класса 110 кВ под высоким напряжением с возможностью изменения температуры до –65°С.

На созданном стенде ИЦ «ОМАКС» провел испытания концевой муфты марки МКВ 126, изображенной на рисунке 1. График воздействий температуры и напряжения приведен на рисунке 2.

Муфта успешно выдержала испытания напряжением, которое длительное время было приложено к муфте при температурах от –65°С до –50°С (рисунок 3).

Параллельно были проведены эксперименты по охлаждению полибутиленового и силиконового компаундов высокой вязкости, которые показали, что, несмотря на лучшие характеристики силикона по морозостойкости при температуре –65°С, оба компаунда существенно меняют свое состояние — твердеют, хотя и сохраняют незначительную пластичность.

2022 год. Выход из строя одной муфты 110 кВ производства ООО «АРКАСИЛ СК» и трех муфт 220 кВ второго производителя из Европы в январе при температурах воздуха, предшествующих авариям, –50°С.

2023 год. 23 января произошел пробой муфты 110 кВ производства ООО «АРКАСИЛ СК». В течение полутора суток (31 января — 2 февраля) вышли из строя три концевые муфты 220 кВ третьего производителя из Европы и две муфты 110 кВ производства ООО «АРКАСИЛ СК». 21 февраля зафиксирован пробой муфты второго европейского производителя, разбор которой приведен на рисунке 4.

В то же время на ПС «Томмот» вышли из строя две муфты 110 кВ четвертого производителя.

По данным метеостанции, в предшествующие повреждению дни была зафиксирована температура до –62°С.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Предпосылки для проведения исследований:

1. Конструкция муфт, марка материала основной изоляции муфты (стресс-конус) и качество производства не являются определяющими факторами работоспособности муфт при низких температурах, поскольку вышли из строя муфты каждого производителя из установленных на подстанции.

2. Тип компаунда также не является определяющим фактором, поскольку у разных производителей применялись различные типы компаундов (полибутилен, силикон) и различные марки однотипных компаундов.

3. Каналы пробоев находились под стресс-конусом, что свидетельствует о сохранении электрической прочности в объеме электроизоляционного компаунда, что, в свою очередь, подтверждает предпосылку 2.

4. Несущественная токовая нагрузка при выходе из строя муфт в 2023 году позволяет сделать предположение, что в изоляционной конструкции муфты практически отсутствовал градиент температур, связанный с нагревом жилы кабеля.

5. Положительные высоковольтные испытания концевой муфты при температуре –65°С подтверждают работоспособность муфт при низких температурах.

Постановка эксперимента. Исходя из вышеописанных предпосылок было принято решение:

1. Провести испытания сухой муфты МКВС 126 производства ООО «АРКАСИЛ СК», тем самым полностью исключив компаунд как фактор, способный повлиять на электрические свойства конструкции и создающий механическое воздействие при замерзании на стресс-конус и изоляцию кабеля.

2. Поскольку предыдущий эксперимент работы концевой муфты МКВ 126 при сверхнизкой температуре дал положительный результат, добавить в качестве дополнительного воздействующего фактора температурный градиент, то есть провести быстрый нагрев муфты. Еще одним аргументом в пользу добавления этого воздействия стало то, что при аварии в 2023 году муфты вышли из строя не в самое холодное время, а при достаточно быстром и существенном потеплении.

Опыт 1. В испытательном стенде была смонтирована и испытана муфта МКВС 126 (рисунок 5). График приложенных воздействий температуры и напряжения указан на рисунке 6.

При повышении температуры на двадцать градусов произошел электрический пробой муфты при напряжении 96 кВ.

Проведенный эксперимент, с одной стороны, доказал работоспособность конструкции «полиэтиленовая изоляция — силиконовый стресс-конус» при температуре –65°С, а с другой стороны, подтвердил гипотезу о влиянии изменения температуры на работоспособность муфты. В процессе проведения эксперимента для подтверждения пробоя именно внутренней изоляции пришлось неоднократно поднимать напряжение, что привело к нескольким пробоям изоляции, что впоследствии сделало невозможным определение первичного канала разряда, а следовательно, и механизма пробоя. Изображения мест пробоя в изоляции кабеля показаны на рисунках 7 и 8.

Опыт 2. Для проведения более строгого и качественного эксперимента была выполнена реконструкция испытательного стенда и проведены повторные испытания муфты МКВС 126 с теми же воздействующими факторами. Воздействующие температура и напряжение приведены на рисунке 9.

В результате воздействия напряжения при подъеме температуры было зафиксировано перекрытие изоляции. Однако при разборе муфты канала пробоя на поверхности кабеля обнаружено не было. Вероятно, пробой полностью или частично произошел по наружной поверхности муфты, а после оттайки следы канала разряда на внешней поверхности не обнаружены. Поскольку при изготовлении муфты применяется окрашенный в массе материал, поиск канала разряда малой мощности крайне затруднителен.

Опыт 3. Для исключения внешней изоляции как осложняющего эксперимент фактора было принято решение провести испытание на соединительной муфте МСВ 126 производства ООО «АРКАСИЛ СК» и дополнительно снизить скорость подъема температуры, чтобы максимально приблизить эксперимент к реально воздействовавшим атмосферным условиям.

Расположение муфты МСВ 126 в испытательном стенде и график воздействия температуры и напряжения на муфту показаны на рисунках 10 и 11.

При подъеме температуры произошел пробой соединительной муфты. Канал пробоя расположен на интерфейсе (границе) «полиэтилен-силикон», что видно на рисунке 12.

Опыт 4. Для подтверждения воспроизводимости результата был проведен повторный эксперимент на сухой муфте МКВС 126, график приложения температурных и электрических воздействий на которую приведен на рисунке 13.

Результат полностью повторяет опыт предыдущих экспериментов — разряд по границе «силикон-полиэтилен».

ВЫВОДЫ

Проведенные эксперименты выявили статистически значимую закономерность снижения электрической прочности кабельной арматуры при относительно быстром подъеме температуры со сверхнизких значений. Прикладываемое испытательное напряжение существенно меньше пробивного напряжения муфт, например, для соединительной муфты МСВ 126 пробивное напряжение при нормальных атмосферных условиях превышает 400 кВ (50 Гц). При этом подтверждается способность муфт с силиконовой изоляцией выдерживать сверхнизкие температуры при условии стабильности такой температуры.

Можно предположить, что падение электрической прочности на границе изоляционных сред «полиэтилен-силикон» происходит из-за снижения давления силиконовой изоляции на поверхность кабеля. Уменьшение этого давления может быть связано с различной температурой материалов — силиконовый стрессконус нагревается в объеме быстрее полиэтиленовой изоляции кабеля, что вследствие термической деформации стресс-конуса приводит к снижению давления стресс-конуса на полиэтиленовую изоляцию и уменьшению электрической прочности интерфейса. В итоге это порождает разрядный процесс с последующим полным перекрытием интерфейса для соединительной муфты или пробою изоляции кабеля в концевой.

Термомеханические процессы поддаются моделированию при помощи численных методов, однако проведение расчетов сильно осложняется отсутствием точных данных для многих параметров материалов. Поставщики и производители изоляционных материалов, по всей видимости, действительно не располагают такими данными, а источники справочной информации дают большой разброс значений, отличающихся иногда на порядок. При таких входных условиях достоверность расчетных данных крайне низкая, что не позволяет использовать их для выработки измеряемых критериев надежности изоляции, а в лучшем случае только для качественной оценки процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные испытания показали качественную картину в определенном диапазоне температур и температурных градиентов. Для подтверждения гипотезы о причине повреждения муфт, для определения начальных условий развития разряда и параметров материалов для проведения моделирования, определения норм и предельных значений, диапазонов и градиентов температур для безопасной эксплуатации силиконовой арматуры требуется продолжение теоретических и практических исследований и экспериментов.

Очевидно, что для повышения надежности электроснабжения требуется применение технических решений, исключающих резкие воздействия окружающей среды на высоковольтную арматуру, таких как отказ от применения кабельных линий, размещение кабельных муфт внутри помещений, обеспечивающих контроль над температурой, применение муфт, стойких к резким изменениям температуры.

Команда ООО «АРКАСИЛ СК» провела разработку и тестирование муфты, стойкой к таким изменениям температуры. В конструкцию стандартной концевой муфты интегрирована система нагрева и распределения тепла, что позволяет поддерживать стабильный температурный режим даже при сверхнизких температурах.

В случае заинтересованности заказчиков в использовании такого решения наша компания сможет в короткие сроки предложить конструкцию для промышленного применения.