Концепция, разработка и производство концевых муфт сухого исполнения 220 кВ

Разработка сложных электротехнических устройств начинается с четкого формулирования технического задания, в котором прописываются условия работы оборудования и длительность его эксплуатации. Кроме того, при разработке новой линейки оборудования необходимо руководствоваться не только собственным опытом, но и опытом, накопленным всеми участниками рынка. Обобщив мировой опыт конструирования кабельной арматуры, ООО «Изолятор-АКС» создал новый вид концевых муфт сухого исполнения.

Славинский А.З., д.т.н., генеральный директор ООО «Завод «Изолятор»
Филиппов А.А., заместитель технического директора ООО «Изолятор-АКС»

Идея создания линейки концевых муфт (КМ) сухого исполнения (СИ) лежит в плоскости их преимуществ перед маслонаполненными КМ. Важным является и расширение свободы выбора того или иного технического решения в зависимости от нужд проекта. Заметным общим преимуществом КМ СИ является отсутствие рисков, связанных с эксплуатацией КМ с жидкой изоляцией, которая может увлажняться [1]. Кроме того, требует изучения вопрос о взаимном влиянии элементов твердой и жидкой изоляции внутри маслонаполненных КМ [2].

Входными параметрами проектирования КМ СИ 220 кВ являются нагрузки, предусмотренные стандартом [3]:

• напряжения импульса U_имп — 1050 кВ;
• максимальное рабочее напряжение U_m — 245 кВ;
• напряжение при измерении ЧР — 190 кВ.

Компания ООО «Изолятор-АКС», входящая в группу компаний «Изолятор», занимается разработкой оригинальных технических решений и производством кабельной арматуры на протяжении более 4 лет. За это время компания освоила производство трех типов высоковольтной кабельной арматуры, в том числе соединительных муфт (СМ), концевых муфт маслонаполненного исполнения и кабельных втычных вводов (КВ) на классы напряжения 110–550 кВ [4], которые успешно эксплуатируются не только на объектах электрических сетей РФ, но и за рубежом. В связи с этим для реализации разработки КМ СИ 220 кВ были использованы элементы конструкции КМ, применяемые в других типах арматуры и успешно протестированные в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62067.

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЯ ДЛЯ КМ СИ

Большая территория Российской Федерации предполагает эксплуатацию оборудования в электрических сетях при самых разных климатических условиях. Это накладывает на производителей электротехнического оборудования обязательство предусматривать его работоспособность в этих условиях. Для северных регионов РФ эксплуатация КМ маслонаполненного исполнения является серьезной проблемой. Это связано, в том числе, с возможностью увлажнения жидкой изоляции КМ. Альтернативным решением являются КМ СИ, которые исключат наличие жидкого диэлектрика в составе КМ.

В связи с отсутствием на рынке электротехнического оборудования КМ СИ 220 кВ отечественного производства были проанализированы технические решения как отечественных, так и зарубежных производителей КМ 110 кВ, а также рассмотрены варианты конструкции КМ СИ 220 кВ зарубежных производителей. По типам конструкции КМ СИ можно разделить на 4 группы:

• гибкие муфты;
• самонесущие наполняемые муфты;
• самонесущие муфты втычного типа;
• самонесущие муфты модульного типа.

К рассмотрению были выбраны конструкции КМ СИ ведущих мировых производителей кабельной арматуры, среди которых Raychem, Pfisterer, NKT и Südkabel, а также отечественных компаний Arkasil и Изолятор-АКС.

Все перечисленные зарубежные производители, а также компания Arkasil предлагают гибкую конструкцию КМ максимальным рабочим напряжением 145 кВ. Пример исполнения приведен на рисунке 1.

Такое конструкционное решение для КМ СИ можно назвать стандартным и наиболее распространенным среди производителей кабельной арматуры. Его преимуществом является относительно простой монтаж и отсутствие внешнего изолятора, что уменьшает габаритные параметры и облегчает конструкцию. Для удобства сравнения основные доступные технические параметры КМ СИ рассматриваемых производителей сведены в таблицу 1.

Из таблицы видно, что несмотря на использование похожей конструкции, производители ограничиваются разными рабочими напряжениями. На фоне всех производителей выделяется компания NKT, которая смогла адаптировать «гибкое» конструкционное решение для класса напряжения 245 кВ. Однако при этом их КМ СИ имеют ограничение с точки зрения используемых сечений — 1200 мм², что является минимальным значением среди представленных в таблице 1. По диапазону сечений самый широкий выбор представляет компания Pfisterer, перекрывая, по сути, любые сечения для максимально рабочего напряжения 170 кВ. Интересным с точки зрения эксплуатации в северных регионах является значение минимальной рабочей температуры. К сожалению, не все производители приводят эти данные. Муфты компании Arkasil выполнены в климатическом исполнении У 1, 2 в соответствии с ГОСТ 15150-69 [5]. Компания Raychem устанавливает минимальную рабочую температуру на уровне –55°C, что не соответствует требованиям по климатическому исполнению УХЛ 1, 2, которое требуется для эксплуатации в северных регионах РФ.

Вторым из возможных конструкционных решений для КМ СИ являются самонесущие конструкции. Их, в свою очередь, можно разделить на три группы: наполняемые конструкции, конструкции втычного типа и модульные конструкции.

В наполняемой конструкции элементом внешней изоляции является композитная покрышка, заполняемая диэлектрическим нежидким материалом. Для рассмотрения интересны два конструкционных решения (от Südkabel и Raychem), представленные на рисунке 2.

Конструкция, предложенная компанией Südkabel является газонаполненной. В качестве изолирующего газа используется гексафторид серы (элегаз). Кроме того, конструкция является втычной, то есть внутрь покрышки устанавливается эпоксидный барьерный изолятор, а на кабель монтируется втычная часть. Таким образом концевая муфта частично копирует конструкцию кабельных вводов. Это позволяет извлекать из полости покрышки кабель со смонтированной втычной частью на нем. Использование элегаза накладывает ограничения на использование КМ СИ такой конструкции вне помещений особенно при отрицательных температурах. Во избежание проблем со сжижением элегаза при отрицательных температурах производитель предлагает систему обогрева муфты как дополнительную услугу. Все это в купе с тем, что при эксплуатации таких муфт также необходимо следить за состоянием элегаза и давлением внутри покрышки, накладывает на эксплуатантов необходимость организации соответствующего хозяйства.

Важным преимуществом такой конструкции является ее исполнение для любого класса напряжения вплоть до 550 кВ, а также для любых сечений внутри одного класса напряжения.

Конструкция КМ СИ, предлагаемая Raychem, представляет из себя стандартную маслонаполненную КМ, с одним важным отличием, которое делает ее «сухой». Покрышка такой КМ заполняется оригинальным гелем Rayfil^®, который полимеризуется на воздухе спустя некоторое время после заливки. Монтаж такой муфты мало чем отличается от монтажа КМ маслонаполненного исполнения. Наибольшее рабочее напряжение, для которого выпускаются подобные КМ — 245 кВ, а сечение — 2500 мм².

Оба представленных решения идут по пути отказа от жидкой изоляции внутри покрышки и могут называться КМ СИ. Однако в случае Südkabel такая конструкция является скорее усложненной как с точки зрения монтажа, так и с точки зрения эксплуатации. Особенно при отрицательных температурах. Конструкция же Raychem во всем остается маслонаполненной КМ, кроме последующей полимеризации геля внутри покрышки. Неясным остается лишь вопрос взаимодействия геля с материалами изоляции кабеля и стрессконуса. Производитель определяет минимальную рабочую температуру при –55°C. Стоит также заметить, что такой путь изготовления КМ СИ открыт всем производителям кабельной арматуры, стоит только подобрать компаунд или иной материал для заливки полости покрышки с последующей полимеризацией.

Одним из самых изученных конструкционных решений для КМ СИ является самонесущая втычная конструкция. Она сочетает в себе особенности как КМ, так и КВ. Такая конструкция представлена многими фирмами (рисунок 3). Единственным подобным отечественным решением стала представленная в 2021 году КМ СИ от группы компаний «Изолятор», разработанная на основе опыта в производстве высоковольтных вводов и кабельной арматуры [6]. Ее преимуществом является наличие изоляционного остова вместо обычной покрышки КМ. Остов вместе со стресс-конусом является комбинированной системой выравнивания напряженности электрического поля (ВНЭП), построенной на применении как геометрического метода, так и метода емкостного [7]. Таким образом удается распределить напряженность наиболее равномерно по всей изоляционной системе, что приводит к повышению надежности конструкции в целом. Ранее такая конструкция также была предложена другим производителем кабельной арматуры и высоковольтных вводов — фирмой ABB [8], а также компанией RHM International.

Втычные КМ СИ, предложенные фирмами Pfisterer и NKT (рисунки 3а и 3б), обкладок в изоляционном остове не имеют.

Отдельно стоит рассмотреть габариты и максимальные рабочие напряжения, на которые такие конструкции КМ СИ могут быть изготовлены (таблица 2).

Из таблицы 2 видно, что КМ СИ втычного типа являются более громоздкими и тяжелыми по сравнению с гибкими муфтами. Кроме того, чаще всего такое конструкционное решение применяется для класса напряжения не выше 170 кВ, а разработка NKT на 300 кВ является исключением. Их особенностью также является высокие материало- и трудоемкость. Но в случае необходимости замены кабеля существенно сокращается время на перемонтаж муфты.

Втычная конструкция, предложенная компаниями Prysmian и Brugg, объединяет использование элементов распределения электрического поля (ЭРЭП) КМ и СМ в одном устройстве. Со стороны компании Prysmian это конструкционное решение продиктовано использованием технологии монтажа Click-Fit^®. Конструкция КМ СИ втычного типа от Prysmian и Brugg представлена на рисунке 4.

В статье [9] сказано, что пространство между ЭРЭП и внутренней поверхностью покрышки заполняется полиуретановым компаундом, который имеет отличную адгезию ко всем используемым изоляционным материалам КМ. Говорится также о том, что визуально адгезия сохраняется вплоть до температуры –80°C. Такие муфты прошли полный комплекс типовых испытаний и могут использоваться при максимальных рабочих напряжениях до 170 кВ.

Большим плюсом такой конструкции является ее сравнительно быстрый монтаж, ведь в этом случае все операции по сборке самой муфты проходят на заводе-изготовителе муфты. Однако сложность конструкции, использование большого количества различных материалов и сложная сборка таких муфт на предприятии влияет на их конечную стоимость. Эту конструкцию можно назвать переходной от КМ СИ, которые по монтажу похожи на маслонаполненные КМ, к модульной конструкции КМ СИ.

КМ СИ МОДУЛЬНОГО ТИПА

Новейшим решением в области КМ СИ являются самонесущие КМ модульного типа. Как и втычные муфты от компаний Prysmian и Brugg, они частично собираются на заводе-изготовителе. Они достаточно просты в изготовлении и не имеют нескольких ЭРЭП в своей конструкции, кроме того, их не нужно заполнять гелем, газом или иным отверждающимся после монтажа компаундом.

Конструкция очень похожа на классическую маслонаполненную КМ, в которой на кабеле располагается эластомерный ЭРЭП, но без собственно диэлектрической жидкости. Производителями такого конструкционного решения для КМ СИ на данный момент являются всего несколько фирм в мире: Südkabel, NKT, Pfisterer и Изолятор-АКС.

Особенностью муфт этого типа является предварительная сборка на заводе-изготовителе изоляционного модуля, который включает в себя элемент внешней изоляции — покрышку, элемент внутренней изоляции — ЭРЭП, а также поддерживающие элементы. Таким образом упрощается и ускоряется монтаж. Вместо последовательного монтажа ЭРЭП и покрышки, на кабель устанавливается модульная конструкция. Процессы намоток монтажных лент упрощаются, количество вспомогательных материалов сокращается. Кроме удобства и ускорения монтажа, такая конструкция исключает возможность повреждения ЭРЭП во время монтажа, что увеличивает надежность муфты.

В марте 2022 года был представлен макет КМ СИ модульного типа производства Изолятор-АКС (рисунок 5).

Удачный опыт, полученный при разработке КМ СИ модульного типа на 170 кВ, позволил Изолятор-АКС реализовать эту конструкцию и для класса напряжения 220 кВ.

КМ СИ МОДУЛЬНОГО ТИПА 220 КВ

Предлагаемое Изолятор-АКС решение использует привычный для изготовителей кабельной арматуры материал — кремнийорганический эластомер, из которого изготавливаются ЭРЭП всех других типов кабельной арматуры. Поэтому технология изготовления не требует принципиально нового подхода, лишь ее частичной доработки. Конструкция использует ранее разработанные элементы концевых муфт маслонаполненного исполнения, в частности дефлекторы, что значительно удешевляет, ускоряет и унифицирует производство, делая его максимально эффективным.

Разработанная Изолятор-АКС КМ СИ 220 кВ модульного типа является на сегодняшний день первой и единственной в мире реализацией КМ СИ модульного типа на данный класс напряжения, доступной для сечения жил кабеля 3000 мм². Среди всех рассмотренных конструкций только газонаполненная КМ СИ Südkabel и геленаполненная муфта Raychem тоже могут эксплуатироваться при максимальном рабочем напряжении 245 кВ с кабелями данного сечения. Гибкая муфта от NKT ограничена сечением жилы кабеля 1200 мм². Втычная муфта NKT подходит для кабелей максимального сечения 2000 мм². В остальных случаях КМ СИ рассчитаны для максимального рабочего напряжения 170 кВ.

Вид разработанного ЭРЭП для КМ СИ 220 кВ представлен на рисунке 6.

Высота покрышки КМ СИ определяется ГОСТ Р 56735-2015 (МЭК 60815-1:2008) [10] и зависит от условий работы. Этот стандарт помог определить длину предполагаемого ЭРЭП.

Еще одним условием разработки ЭРЭП было применение в конструкции разработанных ранее дефлекторов, поэтому внешний диаметр ЭРЭП определялся распределением электрического поля, которое формировалось этими дефлекторами. Дальнейшая работа сводилась к постепенной оптимизации конструкции с учетом того, что полость покрышки не заполнялась специально подобранной средой (то есть внутри свободного пространства оставался воздух окружающей среды).

На рисунке 6а указаны поверхности 1–4, расположенные в воздухе, для которых проводился электрический расчет. Допустимые значения напряженностей по приведенным поверхностям и полученные напряженности на поверхности ЭРЭП отражены в таблице 3.

Выбранные ограничительные значения обосновываются тем, что электрическая прочность воздуха находится около значения в 3,0 кВ/мм. Допустимое значение по поверхности 4 выбрано таким, при котором не возникает частичных разрядов (ЧР) интенсивностью более 5 пКл при заданном напряжении, во избежание отклонения муфты при проведении испытаний с измерением ЧР. В представленном варианте напряженность 0,6 кВ/мм достигается только при приложении напряжения 270 кВ.

Кроме того, для каждой поверхности были построены кривые распределения напряженности вдоль поверхности (рисунок 7).

Подобным образом рассчитываются напряженности электрического поля во всех критических зонах арматуры, которые обладают повышенной вероятностью пробоя. Основные технические характеристики разработанной КМ СИ 220 кВ представлены в таблице 4.

После утверждения конструкции были предприняты шаги по реализации производственного процесса изготовления ЭРЭП для КМ СИ 220 кВ. Для этого была разработана пресс-форма, которая способна сформовать изделие заданных габаритов. Пресс-форма представлена на рисунке 8.

Для оценки работоспособности готового изделия (рисунок 9) требуется проведение тщательного визуального осмотра ОТК и приемо-сдаточных испытаний в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62067, сборка образцов концевых муфт на кабеле и их типовые и предквалификационные испытания. На данном этапе изготовления необходимо щепетильно относиться к любым возникающим сомнениям, возможным недостаткам технологии или самой конструкции, проверке изделия. Важен и дальнейший цикл более глубоких исследований изготовленной продукции с целью получения информации о качестве и верности выбранных проектировочных решений. Это также может и должно служить ступенями дальнейшего развития конструкций и технологий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опыт группы компаний «Изолятор» говорит о том, что производитель оборудования для энергосистемы должен работать на опережение, предвосхищая нужды эксплуатации. Именно исходя из этой позиции были разработаны КМ СИ на класс напряжения 110 кВ, а затем и 220 кВ. Предпосылками для их разработки явились объективные минусы конструкции КМ маслонаполненного типа, их хрупкость в климатических условиях северных регионов, а также пустота в этом сегменте на рынке оборудования среди отечественных производителей. Конструкция КМ СИ, представленная в данной статье, не является копией или имитацией схожего технического решения. Это оригинальная разработка, которая позволяет нам не догонять, а идти в авангарде научно-технической мысли, вдохновляя коллег на прогресс и дальнейшее развитие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mauseth F., Hvidsten S., Birkenes G. Water ingress in high-voltage cross-linked polyethylene (XLPE) cable terminations. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2012, vol. 28, no. 5, pp. 24-31.
2. Славинский А.З., Серебрянников С.В., Филиппов А.А. Испытания на совместимость эластомерного материала регулирующего тела и жидкого диэлектрика концевой муфты // Кабели и провода, 2023, № 3. С. 5–12.
3. ГОСТ Р МЭК 62067-2017. Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение свыше 150 кВ (U_m=170 кВ) до 500 кВ (U_m=550 кВ). Методы испытаний и требования к ним. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200146999.
4. Завод «Изолятор» запускает производство кабельной арматуры всех типов на напряжение 110–550 кВ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2020, № 3(60). С. 86–87.
5. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200003320.
6. Славинский А.З., Сипилкин К.Г., Кирюхин П.В., Крючкова С.Е., Никитин Ю.В., Сухарев М.И. Концевая муфта. Патент RU2770460C1, заявл. 17.09.2021, опубл. 18.04.2022.
7. Айгнер А., Семино С., Маркелов И. Система выравнивания напряженности электрического поля в высоковольтных кабелях и кабельной арматуре // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2012, № 6(15). С. 92–96.
8. Чизевский Я., Маурер В., Личи, Р., Серквист Т. Кабельная арматура для соединения высоковольтного кабеля с высоковольтным компонентом. Патент RU2681643C1, заявл. 22.09.2016, опубл. 12.03.2019.
9. New Insulating Compound for Dry Type HV Cable Accessories. URL: https://www.inmr.com/new-insulating-compound-for-dry-type-hvcable-accessories/.
10. ГОСТ Р 56735-2015. Изоляторы высокого напряжения для работы в загрязненных условиях. Выбор и определение размеров. Часть 1. Определения, информация и общие принципы. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200127780.