5.4. Концевые муфты кабелей переменного напряжения

Электрический расчет концевых муфт производится для определения конструкции и размеров внешней (фарфоровая покрышка) и внутренней (подмотка) изоляции.

5.4.1. Расчет внешней изоляции концевых муфт

Электрический расчет покрышки сводится к определению ее длины, а также количества и формы ребер. Радиальные размеры покрышки определяются по конструктивным соображениям в зависимости от диаметра внутренней подмотки, конструкции экранов и т. п.

Рис. 5.10. Фарфоровый изолятор

На рис. 5.10 t – вылет ребра; а – высота ребра.

Внутренний диаметр определяется размерами дополнительной изоляции концевой муфты:

d_{ф внутр}=1,25d_n;

где d_n – диаметр n-ой обкладки.

Толщина стенки ∆_ф=25÷40 мм (зависит от класса напряжения: 110 кВ – 25 мм; 500 кВ – 40 мм).

t ≈ 2∆_ф;

a/t=0,8 – такое отношение соответствует наилучшим разрядным характеристикам (наибольшей прочности).

Длина фарфоровой покрышки ориентировочно определяется требованиями по разрядным напряжениям переменного тока. Она должна быть несколько больше, чем размер разрядного расстояния по фарфору, для расчета которого можно воспользоваться следующими формулами:

;

;

где U_ср – сухоразрядное напряжение переменного тока (50 Гц);

U_мр – мокроразрядное напряжение переменного тока (50 Гц);

Значения напряженностей электрического поля при этих воздействиях можно выбирать в следующих пределах:

Сухоразрядная напряженность Е_ср=0,33÷0,43 МВ/м;

Мокроразрядная напряженность Е_мр=0,23÷0,26 МВ/м.

За конечную длину фарфорового изолятора берут наибольшую из полученных длин плюс 100 мм:

l_ф=L_ср+100;

или

l_ф=L_мр+100.

Число крыльев определяется по формуле:

;

где U_л – линейное напряжение, кВ.

Полученное значение z округляем до большего целого.

5.4.2. Расчет внутренней изоляции концевых муфт конденсаторного типа

Расчет концевой подмотки конденсаторного типа заключается в определении длины и формы выравнивающего конуса ab, а также в определении геометрических размеров и способа размещения конденсаторных обкладок, необходимых для принудительного регулирования электрического поля в концевой муфте.

Рис. 5.11. Подмотка в концевой муфте

Внутренний выравнивающий конус cd (рис. 5.11) в концевых муфтах не рассчитывается.

Для определения длины и формы выравнивающего конуса ab можно воспользоваться уравнением (5). Вывод уравнений такой же, как для соединительных муфт.

. (5)

Рис. 5.12. Подмотка концевой муфты конденсаторного типа

При выборе размеров и способа размещения конденсаторных обкладок рассматривается соотношение между емкостями конденсаторных слоев, образованными металлическими обкладками и жилой, а также металлическими обкладками друг относительно друга, при котором обеспечивается наилучшее распределение напряженности электрического поля в муфте. Для анализа этого соотношения удобно пользоваться упрощенной схемой замещения конденсаторной подмотки концевой муфты (рис. 5.13 б).

В рассматриваемой схеме не учитываются емкости металлизированных обкладок на землю (С_n,0, C_n,1 и т. д.). На схеме емкости, образованные металлическими обкладками, относительно друг друга обозначены индексами С₀₁, С₁₂, …, С_k(k+1) и т. д.; емкости, образованные металлическими обкладками, относительно жилы С₁, С₂, …, С_k, …, С_n.

Рис. 5.13. Схема замещения конденсаторной подмотки:

а – полная; б – упрощенная

Обкладки пронумерованы, причем за нулевую обкладку в зависимости от конструкции конденсаторной подмотки может приниматься или жила, если обкладки частично размещаются в изоляции кабеля, либо первая металлизированная обкладка.

Последнее относится к той конструкции, когда конденсаторная подмотка концевой муфты изготовляется отдельно на заводе, а при монтаже муфты располагается непосредственно на изоляции кабеля, причем нулевая металлическая обкладка в данном случае обязательно электрически соединена с жилой. За n-ю обкладку принимается обкладка, расположенная на цилиндрической части концевой подмотки.

Длина k-й обкладки обозначается l_k. Часть k-й обкладки, которая образует цилиндрический конденсатор с (k+1)-й обкладкой, называется рабочей длиной k-й обкладки и обозначается l_k'. Как следует из рис. 5.12, l_k=l_k'+λ₁, где λ₁ – наружный вылет конденсаторных обкладок (значение, обычно одинаковое для всех конденсаторных слоев).

Та часть пластины, которая образует цилиндрический конденсатор с жилой кабеля, называется внутренним вылетом и обозначается индексом λ₂ (λ₂ также обычно выбирается одинаковым для всех слоев).

Для произвольно выбранной точки k схемы замещения, воспользовавшись вторым законом Кирхгофа, можно записать:

; (6)

или

; (7)

где U_(k-1), U_k, U_(k+1) – потенциалы точек k-1, k, k+1.

Принимая равномерное распределение напряжения по слоям (U/n на каждый слой), получаем:

; (8)

или

. (9)

где k-число слоев.

Если в выражение (9) подставить значения емкостей C_k(k-1), C_k, C_(k+1)k, то получим соотношение между геометрическими размерами конденсаторных слоев, при которых распределение напряжения по слоям будет равномерным (при учете, что изоляция муфты выполнена из бумаг одинаковой плотности ε=const):

. (10)

Однако уравнение (10) можно использовать для определения размеров и расположения конденсаторных обкладок только в том случае, если задается пять из шести (d_k, d_k-1, d_k+1, l_k-1', l_k', λ₂) неизвестных величин.

В зависимости от способа и подхода к конструированию конденсаторной подмотки можно по-разному решать вопрос, какими параметрами следует задаться.

Если расчет концевых подмоток проводится исходя из условия равномерного распределения напряженности по толщине изоляции, то толщины конденсаторных слоев, а, следовательно, и величины d_k, d_k+1 и т. д. определяются из условия равных средних или максимальных напряженностей в каждом слое. Искомыми величинами в этом случае будут длины конденсаторных обкладок. При этом способе конструирования концевой подмотки можно снизить ее диаметр, однако разрядные характеристики муфты при этом несколько ухудшаются.

Расчет концевых подмоток можно также проводить из условия равномерного распределения напряженности электрического поля по поверхности концевой подмотки. При таком методе расчета радиальные размеры подмотки не уменьшаются, однако значительно улучшаются разрядные характеристики муфты. В России принят именно этот способ конструирования концевой подмотки конденсаторного типа.

В данном случае длины всех конденсаторных обкладок известны, так как они выбираются из условия равномерного распределения тангенциальной напряженности по длине концевой разделки. Уравнение (10) решается относительно d_k+1:

. (11)

Определение размеров конденсаторной подмотки удобно проводить в следующей последовательности: