Разработка высоковольтной концевой муфты наружной установки для эксплуатации в холодных климатических условиях

Продолжая тему использования муфт с силиконовой изоляцией для полиэтиленовых кабелей высокого напряжения в условиях экстремально низких температур, затронутую в публикации журнала № 6 за 2024 год, представляем вниманию читателей результаты исследований и разработок, проведенных ООО «АРКАСИЛ СК» с целью создания конструкции муфт, стойких к воздействию низких температур при эксплуатации в холодных климатических условиях.

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНЦЕВЫХ МУФТ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

На основе опыта эксплуатации и проведенных компанией АРКАСИЛ в 2022–2024 годах исследований электрической прочности различных типов муфт с силиконовой изоляцией было установлено снижение электрической прочности при быстром повышении температуры окружающей среды в диапазоне низких температур от –65°С до –30°С. Установлено, что снижение электрической прочности не связано ни с маркой применяемой силиконовой резины, ни с используемым для заполнения концевых муфт компаундом, ни с конструкцией изоляционной системы. Идентичные по типу повреждения происходили в одинаковых температурных режимах как в традиционных концевых муфтах, так и в муфтах сухого типа и даже в соединительных муфтах. Существенное снижение электрической прочности происходит вдоль границы «силиконовая изоляция муфты — полиэтиленовая изоляция кабеля» (рисунок 1).

МУФТА С ПОДОГРЕВОМ

Для решения этой проблемы наша компания провела разработку муфты на класс напряжения 126 кВ, которая сохраняла бы свою работоспособность при подобного рода климатических воздействиях. В качестве возможного решения была выбрана концепция муфты, оснащенной системой подогрева, которая позволила бы поддерживать температуру изоляционной конструкции концевой муфты в заданном безопасном режиме.

На основании базовых технических требований, сформулированных специалистами ПАО «Россети», было разработано техническое задание со следующими основными параметрами:

• соответствие электрических параметров требованиям ГОСТ Р МЭК и СТО ПАО «Россети»;
• обеспечение рабочих температур внутри муфты в диапазоне от –30°С до –25°С при понижении температуры окружающей среды до –65°С;
• обеспечение надежности системы нагрева и управления — резервирование элементов системы нагрева;
• автоматическое управление процессом нагрева;
• обеспечение связи с системой телесигнализации подстанции;
• ремонтопригодность системы нагрева.

В качестве исходной конструкции была выбрана муфта МКВ 126 как наиболее распространенная муфта, которая аттестована в ПАО «Россети», высокие эксплуатационные свойства которой подтверждены почти 15–летним опытом эксплуатации по всему миру.

На первом этапе исследований были определены наиболее эффективные способы передачи тепловой энергии от элементов нагрева, которые должны устанавливаться вне зоны повышенной напряженности, чтобы не вносить изменения в картину поля. Кроме того, необходимо было определить безопасные для конструкции муфты и применяемых материалов уровни и режимы нагрева. Также необходимо было определить типы и модели элементов управления и нагрева, способные обеспечить необходимые параметры работы.

Отдельной задачей было обеспечение электромагнитной совместимости системы нагрева. Были применены технические решения, устраняющие влияние высокого напряжения и тока в кабеле на элементы управления и нагрева во время эксплуатации муфты. Впоследствии были проведены испытания повышенным напряжением и рабочими токами для проверки работоспособности примененных решений. Результаты этой работы позволили разместить датчики температуры в непосредственной близости от стресс-конуса, что дает возможность наиболее точного и быстрого управления сис темой нагрева.

На следующем этапе было проведено конструирование системы нагрева, которая обеспечивает заданные режимы нагрева, теплопереноса, безопасна для изоляции кабеля и конструкции муфты. При этом она имеет приемлемый уровень теплопотерь в условиях экстремального холода, что позволяет достичь необходимых рабочих температур и обеспечить заданные параметры по энергопотреблению в соответствии с техническим заданием. В то же время система нагрева должна быть технологична в изготовлении и проста в монтаже, чтобы обеспечить экономическую эффективность разработки (рисунок 2).

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДОГРЕВОМ

Еще одним этапом разработки было создание автоматической системы управления. Поскольку система управления также подвержена воздействию неблагоприятных климатических факторов, она должна быть защищена от их влияния. Система имеет функцию самоконтроля и позволяет передавать информацию по оптоволоконной линии о состоянии нагревателей, датчиков температуры, наличии питающего напряжения в систему телесигнализации подстанции, что обеспечивает контроль со стороны персонала. Элементы управления вынесены в отдельный шкаф, доступ к которому возможен без вывода из эксплуатации кабельной линии, что позволяет в случае необходимости оперативно провести диагностику и ремонт.

После проведения промежуточных испытаний повышенным напряжением 190 кВ и измерения уровня ЧР опытный образец концевой муфты был помещен в камеру холода в испытательном центре ОМАКС для проведения климатических испытаний. В ходе испытаний:

• проведена проверка работоспособности системы нагрева при различных температурных режимах;
• определены наиболее эффективные параметры системы;
• подтверждена возможность «холодного пуска» системы (запуск в работу после выдержки при температуре –65°С);
• проверена работоспособность системы при аварийном отключении нагревателей и датчиков температуры.

После завершения серии испытаний в камере холода были проведены повторные испытания высоким напряжением с измерением уровня частичных разрядов.

В результате разработки была создана концевая муфта наружной установки с системой нагрева, предназначенная для эксплуатации в условиях холодного климата, которая обладает следующими свойствами:

• полностью идентичная муфте МКВ 126 изоляционная конструкция;
• температура внутри муфты не опускается ниже –30°С даже при длительной установившейся температуре окружающего воздуха –65°С (рисунок 3);
• температура внутри муфты поддерживается в заданном диапазоне в автоматическом режиме при снижении температуры ниже –30°С;
• обеспечивается режим «холодного пуска» при запуске линии в эксплуатацию при температуре окружающего воздуха –65°С;
• система нагрева обладает высоким запасом надежности, предусмотрено четырехкратное резервирование датчиков температур и нагревателей, что обеспечивает длительную работу муфты даже в аварийном режиме и дает возможность при необходимости выводить муфту в ремонт в плановое и удобное для эксплуатации время (рисунок 4);
• система управления обеспечивает самодиагностику работоспособности и вывод сигналов в АСУ ТП по стандартному протоколу связи;
• простота и технологичность конструкции не требует специального обучения персонала для монтажа муфты;
• замена элементов нагрева, кабелей, ремонт системы управления проводится без разбора муфты и не требует специальной квалификации персонала;
• система нагрева выполнена с применением широко распространенных стандартных компонентов, что позволяет персоналу подстанции в случае необходимости оперативно проводить ремонт.

Поскольку разработанная муфта полностью сохранила изоляционную конструкцию, изготовлена из тех же материалов и комплектующих по той же технологии и на том же оборудовании, что и МКВ 126, то для указания наличия системы нагрева в маркировку муфты добавлен индекс — МКВ 126 Т.

ВВЕДЕНИЕ В СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

На следующем этапе необходимо провести адаптацию муфты к конкретным требованиям со стороны служб эксплуатации заказчика, имеющих практический опыт эксплуатации различных систем, согласование выходных сигналов управления, разработку процедур диагностики и контроля с учетом существующей практики на объектах энергетики.

Хочется обратить внимание, что разработанная система нагрева повышает надежность работы концевой муфты при определенных климатических воздействиях и не оказывает негативного влияния на работу муфты даже при полном отказе. Тем не менее, проверка надежности системы нагрева при длительной реальной эксплуатации видится нам разумной необходимостью, поэтому вполне логичным продолжением данной разработки является опытнопромышленная эксплуатация муфт МКВ 126 Т.

Разработанная командой ООО «АРКАСИЛ СК» модификация муфты является экономически эффективной альтернативой капитальному строительству защитных сооружений на объектах энергетики в регионах с холодным климатом, которая позволит снизить капитальные и эксплуатационные затраты.