65611

ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ВИСОКОВОЛЬТНИХ ТА НАДВИСОКОВОЛЬТНИХ КАБЕЛІВ З ПОЛІМЕРНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ

Автореферат

Энергетика

Можливість прокладання нових кабелів без додаткового підігрівання при низьких температурах і відсутність в них екологічно шкідливих рідких компонентів спрощують технологію будівництва та ремонту кабельних ліній електропередачі...

Украинкский

2014-08-01

3.5 MB

0 чел.

34

Рис. 17

IL, A

UL, кВ

t,  сек 

Рис. 16

Рис. 14

Tк(ν)

468

(σσ0)100%/σ0 ,

(νν0)100%/ν0

 

v0 = 4 м/хв

 

s0 =s (Т)|Al

 

500

 

480

 

460

 

440

 

420

10 %

 

5 %

0

 

5 %

-

 

-10 %

-

 

 

Tк(σ)

 Тк, 0C

 

Рис. 15

380 В, 50 Гц

v

3

2

1

Рис 13

Рис. 9

х1

у1

Тяговий

привод  №3,

T ≤ 45 кН

Привод  №2

Екструдер

Охолодження

Блок

підкрутки

+

+

+

+

R=1,5 м

Редуктор 2

V1 / V2  =  233,7

R=1,5 м 

Приймаючий пристрій

Ізольована жила,

           2R ≤ 120 мм

v = 0,3 - 50 м/хв

Привод  №1

Редуктор 1

V1 / V2  = 233,7

Рис. 9

Рис.  8

l2

l1

β

h1 = y1 - a

Ту1

у

А(0;а)

х1   х

0

 у1 

Тх

  а

Тх1    В(х11)

Рис. 7

kн = Емах / Е0

Рис.66

Стало

γ, См/м

10

1,0

0,1

0

150

100

50

Т, 0С

Рис. 5

l , мкм

l

h

b

Рис. 4

b

h

напівпровідний шар

напівпровідний шар

h0

Рис. 3

x1

0

Рис. 2

Система нанесення на жилу

тришарової полімерної ізоляції

та її вулканізації в похилій лінії

Система випробування надвисоковольтних кабелів підвищеною напругою

Система нанесення  захисних оболонок

Система виготовлення жил великого перерізу

Рис. 1.

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Золотарьов Володимир Михайлович

УДК 621.3.078:621.3.013

ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ  КОМПЛЕКС

ДЛЯ  ВИРОБНИЦТВА  ВИСОКОВОЛЬТНИХ

ТА  НАДВИСОКОВОЛЬТНИХ  КАБЕЛІВ

З  ПОЛІМЕРНОЮ  ІЗОЛЯЦІЄЮ

Спеціальність 05.09.03 електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ − 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теоретичної електротехніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України та заводі "Південкабель" (м. Харків) Міністерства промислової політики України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Щерба Анатолій Андрійович,

Національний технічний університет України "Київський

політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри теоретичної електротехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бржезицький Володимир Олександрович,

Національний технічний університет України "Київський

політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри техніки та електрофізики високих напруг;

доктор технічних наук, професор

Вовченко Олександр Іванович,

Інститут імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України (м. Миколаїв), директор інституту;

доктор технічних наук, професор

Васецький Юрій Макарович,

Інститут електродинаміки Національної академії наук України (м. Київ), провідний науковий співробітник відділу теоретичної електротехніки.

Захист відбудеться 21 грудня 2010 р.  об 11-00 годині  на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України

за адресою: 03680, Київ–57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки

НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано  “19” листопада 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                                      Ю.М. Гориславець


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світовою тенденцією підвищення надійності та безпеки потужних систем електропостачання є використання в них силових кабелів зі зшитою поліетиленовою (ЗПЕ) ізоляцією, здатних до більших струмових навантажень і пропускної потужності при менших ємнісних струмах та діелектричних втратах, ніж у кабелів з паперово-масляною ізоляцією. Можливість прокладання нових кабелів без додаткового підігрівання при низьких температурах і відсутність в них екологічно шкідливих рідких компонентів спрощують технологію будівництва та ремонту кабельних ліній електропередачі (ЛЕП) з довільними рівнями й кутами нахилу, особливо в районах щільних забудов, комунікацій, водяних та інших перешкод.

Перші електротехнологічні комплекси для виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на середні напруги (до 35 кВ) були створені наприкінці ХХ століття в США, ЄС, Японії, а згодом і в Україні. Практика експлуатації показала високу надійність таких кабелів, а їх пошкоджуваність виявилася в 2,5-8 раз меншою, ніж у кабелів з паперово-масляною ізоляцією. Високі техніко-економічні показники нових кабелів і зростаючі вимоги до підвищення надійності й екологічності потужних систем електропостачання визначили необхідність створення комплексів для виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на високі й надвисокі напруги (110 кВ і вище). Але наукові основи для розробки таких комплексів були відсутні як в Україні, так і у всіх країнах СНД.

Дослідження таких відомих вітчизняних і зарубіжних вчених, як А.Ф. Іоффе, В.Я. Ушакова, А.А. Воробйова, Г.С. Кучинського, А.К. Шидловського, А.А. Щерби, О.Д. Подольцева, Б.Г. Набоки, В.О. Бржезицького, А.Г. Гуріна, Г.В. Безпрозваних, В.В. Рудакова, М.М. Резинкіної, Є.С. Колечицького, І.Б. Пєшкова, М.Ю. Шувалова, Г.І. Мєщанова, Є.Т. Ларіної, Й. Леппанена, А. Campus, J.O. Bostrom, A. Smedberg, A. Mendelsohn, G. Matey, S. Asai, H. Suzuki, MWalker та інших, показали, що тверда полімерна ізоляція, зокрема ЗПЕ ізоляція може інтенсивно деградувати в сильних електричних полях (ЕП), особливо за наявності вологи. Було обґрунтовано, що поява мікродефектів в ЗПЕ ізоляції викликає збурення ЕП в її локальних мікрооб'ємах, а зростання напруженості поля призводить до експоненційного зменшення її ресурсу. На основі таких результатів було розроблено критерії щодо допустимих розмірів окремих поверхневих та об’ємних мікродефектів в ЗПЕ ізоляції, які ввійшли в стандарти СНД, ЄС і США та використовуються як критерії оптимізації процесів електротехнологічних комплексів при виробництві кабелів на низькі та середні напруги.

У той же час дослідження в дисертації показали, що використання зазначених критеріїв є недостатнім для оцінки якості елементів високовольтних (до 110 кВ) та надвисоковольтних кабелів (на напруги 220 кВ і більше), призначених для передачі потужностей у сотні-тисячі мегавольтампер, а при значному підвищенні напруги й струму не можна використовувати закони розмірних аналогій. Так, при значному зростанні напруги неможливо пропорційно збільшувати товщину ізоляції кабелів, оскільки її об’єм буде збільшуватись у квадратичній залежності, а електрична міцність так само буде зменшуватись. За значного зростання струму багатодротову жилу кабелів доцільно виготовляти з ізольованими сегментами, що призводить не тільки до ускладнення її виготовлення, але й до збільшення макро- та мікронерівностей на поверхні жили, яке є недопустимим за значного підвищення напруги.

Тому при створенні електротехнологічних комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією виникла необхідність використання нової концепції підвищення її експлуатаційних показників. Треба було розробити нову концепцію системного аналізу збурень електричного поля з урахуванням сукупної дії окремих мікродефектів ЗПЕ ізоляції та взаємних зв'язків між властивостями окремих елементів (ізоляції, напівпровідних шарів, струмопровідних жили та екрану), які виготовляються різними системами комплексу.

Виникла необхідність у розробці нових математичних і фізичних моделей для визначення умов реалізації режимів виготовлення ізоляції та інших елементів високовольтних і надвисоковольтних кабелів. Важливо було вирішити й задачу випробовувань таких кабелів підвищеною напругою. Складність вирішення цієї задачі визначається, з одного боку, необхідністю розробки потужної надвисоковольтної електротехнічної системи, а з іншого – необхідністю визначення і реалізації режимів випробувань, за яких в ЗПЕ ізоляції не виникали б електрофізичні процеси її деградації, а при часткових і повних пробоях ізоляції не виникали б потужні руйнівні режими коротких замикань у системі випробувань кабелів та мережі електроживлення.

З названих причин розробка наукових основ і створення електротехнологічних комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією є важливою науково-прикладною проблемою, а тема дисертації, яка спрямована на її вирішення, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Актуальність дисертаційних досліджень підтверджується тим, що вони здійснювалися у відповідності з планами НДР НТУУ "КПІ" МОН України № 2021-п "Підвищення надійності, пропускної електричної потужності та екологічності силових кабелів на напругу до 110 кВ і освоєння нової технології їх промислового виготовлення та діагностики" (№ДР 0107U004127, 2007-09 рр.) і №2349-п "Оптимізація нової технології промислового виготовлення кабелів з твердою полімерною ізоляцією для удосконалення енергетичних мереж надвисоких напруг" (№ДР 011U000269); НДР "Розробка науково-технічних основ діагностики ресурсу електричних кабелів з підвищеними показниками пожежної безпеки для атомної енергетики, висотних і підземних споруд" (Постанова Бюро Президії НАН України № 97 від 25.02.2008 р., №ДР 0107U007081); НДР "Створення випробувального комплексу для забезпечення промислового випуску сучасних кабелів надвисоких напруг з полімерною структурно модифікованою ізоляцією" (Постанова Бюро Президії НАН України №290 від 28.04.2009 р., №ДР 0109U005339) та НДР ЗАТ "Завод "Південкабель", які виконувались відповідно до законів України ("Про стандартизацію", "Про стандарти, технічні регламенти та процедури оцінки відповідності" і "Про підтвердження відповідності") № 2406-14 від 17.05.2001 р., Указу Президента України "Про програму інтеграції України до Європейського Союзу" № 1072/2000 від 14.09.2000 р. та пункту 3 Плану роботи з адаптації законодавства України до законодавства ЄС, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України "Про затвердження плану дій щодо реалізації пріоритетних положень Програми інтеграції до Європейського Союзу у 2001 році" № 345 від 10.04.2001 р., тематичного плану Мінпромполітики України за договорами №92702/37 від 01.03.06 р. "Ведення, актуалізація та розроблення нормативних документів Мінпромполітики (електротехнічна промисловість)", №92885/37 від 27.02.07 р. "Ведення, актуалізація та розроблення нормативних документів Мінпромполітики (електротехнічна промисловість)", №92926/37 від 23.04.08 р. "Розроблення гармонізованих національних стандартів (електротехнічна промисловість)", №93037/37 від 24.03.09 р. "Розроблення національних стандартів на заміну міждержавних стандартів (електротехнічна промисловість)” і №976 від 30.09.09 р. "Гармонізація національних стандартів з міжнародними та європейськими".

У цих НДР автор дисертації був виконавцем окремих розділів, присвячених розробці наукових підходів і критеріїв для підвищення експлуатаційних показників ЗПЕ ізоляції, створенню електротехнічних систем з похилою лінією екструзійного її нанесення на струмопровідну жилу кабелів надвисоких напруг, розробці резонансних систем їх випробовування та керівних нормативних документів для виробництва й прокладання кабельних систем високих і надвисоких напруг.

Мета і задачі наукових досліджень. Метою дисертації є розробка наукових основ створення електротехнологічного комплексу для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі зшитою полімерною ізоляцією, включаючи створення нової концепції аналізу електричного поля, збуреного сукупністю дефектів в елементах кабелю, та розробку нових методів виготовлення цих елементів з урахуванням взаємних зв'язків між їх параметрами.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. На основі аналізу режимів електротехнологічних комплексів з виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на середні напруги та узагальнення існуючих методів підвищення напруги та струмового навантаження обґрунтувати необхідність розробки нових методів виготовлення високовольтних і надвисоковольтних кабелів з урахуванням взаємних зв'язків між параметрами їх елементів.

2. Розробити нову концепцію аналізу електричного поля в надвисоковольтних кабелях з урахуванням його локальних збурень сукупністю дефектів ЗПЕ ізоляції та впливу властивостей напівпровідних шарів на такі збурення.

3. Визначити взаємні зв'язки між параметрами елементів кабелю (ізоляції, напівпровідних шарів, струмопровідних жили і екрана), які виготовляються різними системами комплексу.

4. Розробити критерії оцінки якості елементів ізольованої струмопровідної жили для високовольтних і надвисоковольтних кабелів, визначити умови забезпечення таких критеріїв і розробити принципи побудови установок для екструзійного нанесення на жилу полімерної ізоляції та її подальшого зшивання.

5. Розвинути метод індукційного нагрівання та пластичної деформації алюмінієвих зливків для виготовлення з них катанки з підвищеною якістю поверхні, необхідною в струмопровідних жилах високовольтних і надвисоковольтних кабелів.

6. Удосконалити системи нанесення захисних елементів та оболонок високовольтних і надвисоковольтних кабелів для покращення водоблокування та діагностики локальних зон підвищеної температури.

7. Розробити принципи побудови енергоефективних електротехнічних систем для випробування кабелів підвищеною змінною напругою, аналізу рівня часткових розрядів та обмеження струмів коротких замикань при часткових і повних пробоях ЗПЕ ізоляції кабелів.

8. На основі виконаних досліджень створити електротехнологічний комплекс для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією.

9. Розробити керівні та нормативні документи використання високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією в системах електропередачі.

Об’єкт дослідження – електротехнологічні комплекси для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією, включаючи системи для їх випробування підвищеною змінною напругою та аналізу рівня часткових розрядів.

Предмет дослідження – електромагнітні та електротеплові процеси в установках електротехнологічного комплексу для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією та аналіз електричного поля в такій ізоляції, збуреного сукупністю різних дефектів елементів кабелів.

Методи дослідження. Аналіз електромагнітних процесів провадився з використанням методів математичного і фізичного моделювання, аналітичних методів теорії електромагнітного поля й електричних кіл, чисельного методу кінцевих елементів, реалізованого в пакеті прикладних програм Comsol Multiphysics та чисельних методів, реалізованих в пакеті прикладних програм Matlab/Simulink. Процеси деградації ЗПЕ ізоляції досліджувались з використанням статистичних методів аналізу диференціальних амплітудних спектрів часткових розрядів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

1. Вперше визначено взаємні зв'язки між параметрами елементів кабелів (ЗПЕ ізоляції, напівпровідних шарів і струмопровідних жили й екрану), які виготовляються різними установками комплексу, та закономірності сукупного впливу різних дефектів на збурення електричного поля в ізоляції надвисоковольтних кабелів.

2. Розроблено нову концепцію аналізу електричного поля, в якій ураховуються:

– змінення максимальної напруженості поля та напруженого об'єму, в якому напруженість поля в локальних зонах ізоляції перевищує припустиме значення;

– збурення електричного поля поодинокими дефектами ізоляції та сукупністю поверхневих й об'ємних близько розташованих дефектів, розміри яких можуть бути меншими від критичних, але більшими від відстаней між дефектами;

– параметри і властивості напівпровідних полімерних шарів;

– особливості конструкції провідних і водоблокуючих елементів кабелів.

3. Вперше обґрунтовано, що поверхневі дефекти збурюють електричне поле в ЗПЕ ізоляції сильніше, ніж аналогічні об'ємні дефекти, та що підвищити стійкість кабелів до струмових навантажень та високих зовнішніх температур можливо за рахунок використання методу збільшення електропровідності напівпровідних шарів при температурах вище 110 0С.

4. Розроблено нові критерії оцінки якості ізоляції та принципи побудови установок для екструзійного її нанесення на металеву жилу й вулканізації, які ґрунтуються на:

– розробці математичної моделі для визначення конфігурації вулканізаційної установки похилого типу та силових характеристик електроприводів для регулювання швидкості руху жили з екструзійно нанесеною на неї полімерною ізоляцією при заданих питомій масі цієї жили й нестабільності напруги живлення;

– допущенні про аналогічність лінійного руху похилої вільно провисаючої металевої жили зі здатною до зшивання полімерною ізоляцією, яка нанесена екструзійним способом, й ланцюгової лінії з рівномірно розподіленою масою;

– індукційному підігріванні жили до заданої температури, екструзійному нанесенні на жилу здатної до зшивання тришарової ізоляції, швидкому її охолодженні до твердого стану, регулюванні та стабілізації лінійного й обертового руху жили у вулканізаційній установці;

– автоматичному регулюванні швидкості руху жили (при зміні напруги електроживлення та параметрів ізольованої жили й електромеханічної системи) у відповідності з її положенням відносно осі похилої вулканізаційної камери;

– поточному регулюванні товщини кожного шару ізоляції, швидкості обертання жили відносно осі та температури в кожній зоні термообробки ізоляції.

5. Розвинуто методи виготовлення струмопровідних жил великого перетину з підвищеною якістю їхньої поверхні й поздовжнього водоблокування, зокрема:

– розроблено метод індукційно-кондукційної градієнтної термообробки й пресування алюмінієвих зливків для виробництва катанки з високою якістю поверхні;

– створено математичну модель для оцінки зусиль при волочінні алюмінієвої катанки з урахуванням її обтиснення, деформації й нагартовки на одному переході;

– розроблено метод введення водонабухаючої напівпровідної полімерної стрічки в багатодротову жилу з реалізацією в ній коефіцієнта ущільнення k ≥ 0,9.

6. Удосконалено метод температурної діагностики ізоляції й напівпровідних шарів кабелів високих та надвисоких напруг за рахунок введення волоконно-оптичних термодатчиків в їх багатодротові екрани.

7. Вперше розроблено принципи побудови енергоефективних систем для випробування надвисоковольтних кабелів підвищеною напругою та вимірювання рівня часткових розрядів у ЗПЕ ізоляції всієї довжини кабелю з обмеженням струмів короткого замикання при виникненні пробоїв ізоляції кабелів або реакторів і несинусоїдних спотворень напруги електроживлення.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у наступному.

1. Розроблено методику розрахунку напруженостей електричного поля та напружених об’ємів у локальних об’ємах ізоляції з урахуванням сукупного впливу властивостей, параметрів та мікродефектів елементів високовольтних і надвисоковольтних кабелів (ЗПЕ ізоляції, напівпровідних полімерних шарів, струмопровідних жили і екрану), які виготовляються різними системами комплексу.

2. Визначено умови високої якості ЗПЕ ізоляції для надвисоковольтних кабелів, згідно з якими в ізоляції повинні бути відсутні не тільки поодинокі поверхневі та об'ємні дефекти, що мають розміри більші від критичних, але й значні розмірі локальних об'ємів ізоляції з близько розташованим мікровключеннями, розміри кожного з яких можуть бути меншими від критичних.

Створено і впроваджено у виробництво нову конструкцію кабелів надвисоких напруг, у якій реалізовано новий спосіб збільшення електропровідності напівпровідних шарів при температурах вище 110 0С та підвищення стійкості кабелю до збільшених струмових навантажень та високих зовнішніх температур.

3. Розроблено методику розрахунку конфігурації та параметрів системи екструзійного нанесення на металеву жилу ЗПЕ ізоляції з подальшою її вулканізацією в установках похилого типу. Виходячи з необхідної пропускної потужності й напруги кабелів, а також продуктивності таких установок методика дає змогу визначити основні її характеристики, у тому числі параметри вільно провисаючої жили з нанесеною на неї ізоляцією, необхідні силові характеристики електроприводів для її руху.

Створено методику аналізу пускових, перехідних і аварійних режимів у вулканізаційних установках похилого типу (зокрема, при зміні напруги електроживлення та параметрів ізольованої жили й електромеханічної системи) з використанням Simulink-моделі регулювання руху жили в похилій лінії.

4. Практично усунено поперечний зсув екструзійно нанесеної на жилу тришарової ізоляції при русі вільно провисаючої ізольованої жили у вулканізаційній установці похилого типу. Це забезпечується за рахунок охолодження ізоляції до твердого стану після її екструзії, стабілізації температури жили її індукційним нагріванням і підкручення жили зі швидкістю – 1 обертання на 30-60 м її довжини.

Усунено також поздовжній зсув екструзійно нанесеної на жилу ізоляції (тобто усунено утворення напливів) за рахунок швидкого її охолодження до твердого стану після екструзії та високої стійкості електромеханічної системи регулювання руху жили при значних "провалах" (більше 20%) напруги електроживлення.

5. Створено нову електротехнологічну установку термічної обробки та пресування алюмінієвих зливків, у якій впроваджено індукційно-кондукційний метод нагрівання зливків до температури ≈ 440 0C з температурним градієнтом ≥ 15 0C/м у напрямку отвору матриці пресування, необхідним для виробництва катанки з високоякісною поверхнею.

6. Розроблено нову конструкцію високовольтного кабелю, в якій реалізовано новий спосіб температурної діагностики ЗПЕ ізоляції й напівпровідних шарів під час випробувань й експлуатації кабелів за рахунок введення в його екран двох поздовжніх волоконно-оптичних термодатчиків.

Розроблено і впроваджено у виробництво технологічні й технічні рішення, які забезпечили виготовлення високовольтних пожежобезпечних кабелів.

7. Створено енергоефективну електротехнічну систему резонансного типу, в якій реалізовано добротність Q=20-40, що забезпечує випробування кабелів підвищеною змінною напругою до 500 кВ при пропусканні через них потужності до 20 МВА.

Система має вхідну потужність не більше 500 кВА та струм короткого замикання при пробої ізоляції кабелю не більше 1 А. У системі реалізовано вимірювання рівня часткових розрядів з похибкою < 2 пКл при високій стійкості системи до пробоїв ізоляції в кабелі та до несинусоїдних спотворень напруги електроживлення.

8. Результати дисертації використано при розробці нормативних видань:

– Міністерства промполітики України "Методика визначення показників довговічності кабелів і проводів з поліетиленовою ізоляцією (оболонкою)", СОУ-Н МПП 29.060.10-071:2006;

– Національного стандарту України "Ізольовані проводи та кабелі. Вимоги пожежної безпеки та методи випробування", ДСТУ 4809:2007;

– Нормативного документа Міністерства палива й енергетики України "Норми випробування силових кабельних ліній напругою до 500 кВ", СОУ-Н ЇЇ 20.304:2009.

9. Вперше в СНД створено і на ЗАТ "Завод "Південкабель" (м. Харків) впроваджено електротехнологічний комплекс для промислового виробництва надійних й екологічних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на високі напруги (до 110 кВ) у 2006 р. та комплекс для виробництва кабелів на надвисокі напруги (до 330 кВ) – у 2009 р.

Загальний економічний ефект від промислового випуску в 2007-2010 рр. таких кабелів на ЗАТ "Завод "Південкабель" склав понад 50 млн. грн. Випуск конкурентноздатної наукоємної електротехнічної продукції дозволив розширити сегмент експортних поставок України. У національній валюті обсяг експорту в інші країни зазначених кабелів зі ЗПЕ ізоляцією за вказаний період склав понад 65 млн. грн.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення й результати, які виносяться на захист, належать авторові особисто. Роботи [3, 4, 34] написані здобувачем самостійно. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: у [1, 11–15] – розробка концепції аналізу закономірностей збурення електричного поля поверхневими і об’ємними мікродефектами в ізоляції високовольтних і надвисоковольтних кабелів; у [2, 5,16, 29, 31] – визначення взаємних зв'язків між параметрами елементів кабелів та обґрунтування допустимих діапазонів змінення таких параметрів при виготовленні кабелів; у [6, 9, 30, 35] – обґрунтування сукупного впливу поверхневих і об’ємних мікродефектів в ізоляції на надійність надвисоковольтних кабелів; у [7, 8] – розробка принципів побудови похилої лінії нанесення полімерної ізоляції на жилу кабелів на напруги до 330 кВ та умов руху жили з ізоляцією в цій лінії; у [17, 19] – метод індукційно-кондукційної градієнтної термообробки й пресування алюмінієвих зливків для виробництва катанки з високою якістю поверхні; у [18, 22] – розробка фізичної моделі та визначення параметрів сегментованих жил кабелів; у [20, 21] – методика визначення силових параметрів при волочінні струмопровідних жил; у [23, 32, 33] – обґрунтування методів діагностики кабелів; у [24–26] – розробка принципів побудови систем резонансного типу випробовування кабелів надвисоких напруг; у [27, 28] – розробка методики дослідження перехідних та хвильових процесів із урахуванням транспозиції екранів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень доповідались і обговорювались на Міжнародних науково-технічних конференціях: "Проблеми сучасної електротехніки" (м. Київ, 2006, 2008 рр.), "Силова електроніка та енергоефективність" (м. Алушта, 2006, 2008, 2009, 2010 рр.), "Электротехнические материалы и компоненты" (м. Москва, 2004 р.), "Физические и компьютерные технологии" (м. Харків, 2004, 2006 рр.), "Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации" (м. Курськ, 2005 р.), "Композиционные материалы в промышленности" (м. Ялта, 2005), "Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ" (м. Миколаїв, 2007, 2009 рр.); "Фізика імпульсних розрядів в конденсованих середовищах" (м. Миколаїв, 2009 р.) та Міжнародному симпозіумі "ЭЛМАШ-2006 "Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования" (м. Москва, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 67 наукових праць, у тому числі 1 монографія, 3 науково-методичних видання, 36 статей у фахових наукових виданнях, 11 патентів України, 7 статей у наукових періодичних виданнях, 9 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях та симпозіумі.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, двох додатків та списку використаних джерел з 246 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 394 сторінки, у тому числі 302 сторінки основного тексту, 123 рисунки, 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі наукових досліджень, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі проведено аналіз сучасних науково-технічних підходів до виготовлення силових кабелів, розглянуто стан досліджень, спрямованих на вирішення різних аспектів проблеми створення електротехнологічних комплексів для промислового виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів з підвищеними надійністю, безпекою й екологічністю для використання в потужних системах електропередачі.

Проведено аналіз науково-технічної літератури та світових досягнень, який підтверджує світову тенденцію підвищення надійності та безпеки потужних систем електропостачання за рахунок використання силових кабелів зі ЗПЕ ізоляцією. Такі кабелі здатні до значно більших струмових навантажень і пропускної потужності при менших ємнісних струмах та діелектричних втратах, ніж у кабелів з паперово-масляною ізоляцією. Порівняння експлуатаційних характеристик кабелів на середні напруги зі ЗПЕ ізоляцією та з паперово-масляною ізоляцією наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Показники кабелів на середні напруги (до 35 кВ) зі ЗПЕ ізоляцією

та з паперово-масляною ізоляцією

Основні експлуатаційні

показники кабелів

Зі ЗПЕ

ізоляцією

З паперово-масля-ною ізоляцією

Тривало допустима температура жили

90 0С

70 0С

Температура при перевантаженнях

(протягом 8 год. за 1 добу)

140 0С

90 0С

Максимальна температура жили

для струмів КЗ

250

160 0С

Густина струму КЗ для мідної жили

(протягом 1 с)

143 А/мм2

101 А/мм2

Діелектрична проникність ізоляції, ε

2,2–2,4

3,7–4,0

Коефіцієнт діелектричних втрат, tgδ

10-4 – 10-3

10-2

Допустимий перепад висот на трасі

Необмежений

≤ 15 м

Температура при прокладанні, не нижче

–20 0С

0С

Кількість ушкоджень на 100 км кабелю

< 1,5

> 17

Енергоємність виробництва

30–50 %

100 %

Вартість кабельної лінії

30–40 %

100 %

Трудомісткість монтажу та ремонту

кабельної лінії

Низька

Висока

У табл. 1 видно, що крім суттєво електротехнічних показників кабелі зі ЗПЕ ізоляцією мають вищі технологічні, екологічні та експлуатаційні показники, зокрема, технологія їх виробництва є простішою і в них відсутні екологічно шкідливі рідкі компоненти, що дає змогу прокладати їх з довільними рівнями й кутами нахилу трас та без додаткового підігрівання при низьких температурах (до -200С). Це спрощує технологію будівництва та ремонту кабельних ліній електропередачі (ЛЕП) особливо в районах щільних забудов, комунікацій, водяних та інших перешкод.

Аналіз світових публікацій показав, що у 80-90-х роках ХХ століття в США, ЄС, Японії розпочалась інтенсивна розробка електротехнологічних комплексів для виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на середні напруги (до 35 кВ). Згодом аналогічна розробка була завершена в Україні на заводі "Південкабель" (м. Харків), на якому в 2003 р. було розпочато промислове виробництво зазначеної електротехнічної продукції. Практика експлуатації підтвердила її високу надійність та екологічність, а її пошкоджуваність виявилася в 2,5–8 раз меншою, ніж у кабелів з паперово-масляною ізоляцією. Високі техніко-економічні показники нових кабелів і зростаючі вимоги до підвищення надійності, безпеки й екологічності потужних систем електропостачання визначили необхідність розробки й створення комплексів для виробництва високовольтних ( ≤ 110 кВ) та надвисоковольтних ( ≥ 220 кВ) кабелів зі ЗПЕ ізоляцією.

У той же час публікації численних вітчизняних та зарубіжних вчених показали, що ЗПЕ ізоляція інтенсивно деградує в сильних ЕП особливо за наявності вологи, і цю деградацію треба ураховувати при підвищенні напруги експлуатації кабелів. Відомо, що збільшення напруженості ЕП в полімерній ізоляції кабелів викликає експоненційне зменшення його ресурсу. Оскільки при напрузі U між жилою та екраном кабелю напруженість незбуреного електричного поля E0 в ізоляції кабелів

(1)

(де rж , R – радіуси жили й ізоляції, а Δ = (R rж ) – її товщина), то теоретично зі збільшенням напруги U величину напруженості поля E0 можна зменшувати пропорційним збільшенням радіуса жили rж й товщини ізоляції Δ. Але численні дослідження показали, що при значному зростанні напруги неможливо пропорційно збільшувати товщину ізоляції кабелів, оскільки її об’єм буде збільшуватись у квадратичній залежності, а електрична міцність так само буде зменшуватись, тому необхідно підвищувати електричну міцність ізоляції.

Дослідження властивостей поліетиленової ізоляції вітчизняними та закордонними вченими показали, що при ідеальній однорідності структури вона б мала витримувати напруженість ЕП 500-800 кВ/мм, у той же час у ЗПЕ ізоляції кабелів на середні напруги середня напруженість ЕП складає лише 2-5 кВ/мм, але ізоляція так само у деяких випадках сильно деградує. Згідно численних досліджень така деградація пов'язана з наявністю в ізоляції мікродефектів з недопустимо великими розмірами, які викликають збурення поля і зростання його напруженості в ізоляції. Були розроблені критерії щодо допустимих розмірів окремих поверхневих та об’ємних мікродефектів у ЗПЕ ізоляції, які наведені у табл. 2 і ввійшли в стандарти СНД, ЄС і США та використовуються як критерії оптимізації процесів електротехнологічних комплексів при виробництві кабелів на низькі та середні напруги.

Таблиця 2

Допустимі розміри дефектів в ЗПЕ ізоляції кабелів середньої напруги

Тип дефекту

ТУ 16.К71-335-2004

Стандарт США

ANSI/ICEA

S-94-649-2004

CELENEC

HD 620 S1: 1996

Виступ на поверхні

напівпровідного екрану

≤ 80 мкм

≤ 76 мкм

≤ 100 мкм

Порожнина в ізоляції

≤ 200 мкм

≤ 76 мкм

≤ 180 мкм

Включення в ізоляції

≤ 200 мкм

≤ 127 мкм

≤ 180 мкм

По аналогії були розроблені рекомендації щодо розмірів дефектів в ізоляції для високовольтних (до 110 кВ) кабелів зі ЗПЕ ізоляцією, які приведено в табл. 3.

Таблиця 3

Допустимі розміри дефектів в ЗПЕ ізоляції високовольтних кабелів ( 110 кВ)

Тип дефекту

ТУ 16.К71-335-2006

(110 кВ)

Стандарт США

ANSI/ICEA

S-94-649-2004

CELENEC

HD 620 S1: 1996

Виступ на поверхні

напівпровідного екрану

60 мкм

≤ 60 мкм

≤ 125 мкм

Порожнина в ізоляції

60 мкм

51 мкм

75 мкм

Включення в ізоляції

80 мкм

≤ 127 мкм

≤ 150 мкм

Аналіз співвідношень між розмірами поверхневих та об'ємних дефектів у ЗПЕ ізоляції, приведених у табл. 2 і 3, показав, що рекомендації відносно допустимих розмірів дефектів у табл. 3, не можуть бути критеріями якості ізоляції для кабелів на напруги до 110 кВ. Це було підтверджено у даній дисертації при дослідженні сукупного впливу поодиноких і близько розташованих дефектів, які виникають в різних елементах кабелю, на збурення ЕП в його ізоляції. На рис. 1 зображена сукупність дефектів в ЗПЕ ізоляції кабелів, серед яких: 1, 2, 3, 4, 5 і 6 – електричний дендрит, вм'ятина, виступ, мікрошорсткість, водяний триїнг і порожнина (яка виникла в результаті розшарування основної ізоляції й напівпровідного шару) – це дефекти на поверхні основної ізоляції; а 7, 8, 9 і 10 – порожнина, стороннє включення, водний триїнг типу "бант" і сукупність близько розташованих мікровключень – це мікродефекти в об’ємі ЗПЕ ізоляції.

Було обґрунтовано, що при підвищенні напруги на жилі кабелів їх експлуатаційні характеристики все більше залежать від взаємних зв'язків між параметрами та властивостями окремих елементів кабелів, які виготовляються різними установками електротехнологічного комплексу. Зокрема електрична міцність та надійність ЗПЕ ізоляції високовольтних і надвисоковольтних кабелів залежить від сукупного збурення ЕП мікродефектами таких їх елементів, як ЗПЕ ізоляція, струмопровідні жили, струмопровідний екран та напівпровідні оболонки, які згладжують ЕП в ізоляції. Тому однією з наукових задач даної дисертації була розробка нової концепції аналізу збурень ЕП сукупністю поодиноких і близько розташованих поверхневих та об'ємних мікродефектів в ЗПЕ ізоляції та розробка критеріїв для підвищення експлуатаційних показників такої ізоляції. Зважаючи на складність і в багатьох випадках недопустимість використання методів фізичного моделювання критичних збурень ЕП та руйнівних процесів у високовольтній ізоляції, при розробці нової концепції використовувались методи чисельного математичного моделювання неоднорідного ЕП в ізоляції кабелів.

Показано, що практичне вирішення вищезазначеної задачі пов'язано зі створенням електротехнологічної системи для екструзійного нанесення на металеву жилу тришарової здатної до зшивання полімерної ізоляції (двох напівпровідних полімерних шарів та одного шару основної ізоляції між ними). Необхідність підвищення товщини кожного шару такої ізоляції суттєво ускладнює вирішення задачі щодо недопустимості їхніх поперечних та поздовжніх зсувів відносно жили. Виникнення перехідних процесів при поточному регулюванні електротехнологічних режимів таких систем та при зміненні напруги електроживлення вимагало вирішення складних наукових задач моделювання установки екструзійного нанесення на жилу тришарової ізоляції з лінією її вулканізації та моделювання електромеханічної системи для регулювання руху ізольованої жили в похилій вулканізаційній лінії.

Високовольтні та надвисоковольтні кабелі призначені для надійної та безпечної передачі потужностей в сотні-тисячі кіловольтампер. Передача таких потужностей незважаючи на надвисоку напругу вимагає суттєвого збільшення струмів навантаження і відповідно використання струмопровідних жил великого перерізу. При перерізі жили понад 1000 мм2 її доцільно виготовляти по типу жили "Міллікен" з ізольованими багатодротовими сегментами, що призводить не тільки до ускладнення виготовлення такої жили, але й до збільшення макро- та мікронерівностей на її поверхні, що є недопустимим за значного підвищення напруги в ЗПЕ ізоляції кабелів. Тому однією з важливих наукових задач, які вирішувались в дисертації, була розробка нових методів та установок для виготовлення струмопровідних жил великого перерізу з високою якістю їхніх поверхонь. Показано, що вирішення такої задачі було неможливим без створення установок індукційно-кондукційного градієнтного нагрівання алюмінієвих зливків для виготовлення з них катанки з підвищеною якістю поверхні. Було обґрунтовано, що для аналізу процесів градієнтної електротермічної обробки та пластичної деформації алюмінієвих зливків доцільно використовувати як методи чисельного математичного так і фізичного моделювання.

Зважаючи на необхідність виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів різного призначення (з підвищеною електротермічною, механічною та електрохімічною стійкістю, пожежобезпечних та вогнетривких), в роботі значна увага була приділена удосконаленню систем нанесення на ізольовані жили захисних полімерних та металево-полімерних оболонок.

Показано, що при виробництві електротехнічної продукції на високі та надвисокі напруги складною науковою задачею є випробовування її ізоляції підвищеною напругою. При виготовленні високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією складність вирішення такої задачі визначається, з одного боку, необхідністю розробки потужної надвисоковольтної електротехнічної системи, а з іншого – необхідністю визначення і реалізації режимів випробувань, за яких в ЗПЕ ізоляції не виникали б процеси її незворотної деградації. Необхідно також вирішити задачу стійкості випробувальної системи до часткових і повних пробоїв ізоляції кабелів за рахунок обмеження струмів коротких замикань у самій системі та мережі електроживлення.

На основі аналізу розвитку принципів побудови електротехнічних комплексів для виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією та наукових досліджень щодо підвищення експлуатаційних навантажень таких кабелів було обґрунтовано, що в складі комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів доцільно виділити чотири структурні частини (див. рис. 2): систему виготовлення жил необхідного перерізу, систему нанесення на жилу тришарової полімерної ізоляції та її вулканізації в лінії похилого типу, систему нанесення захисних оболонок і систему випробування кабелів підвищеною напругою та вимірювання рівня часткових розрядів.

Вищезазначені наукові задачі у сукупності складають проблему розробки наукових основ створення електротехнологічних комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі зшитою полімерною ізоляцією, включаючи створення нової концепції аналізу електричного поля, збуреного сукупністю мікродефектів в елементах кабелю, та розробку нових методів виготовлення цих елементів з урахуванням взаємних зв'язків між їх параметрами.

Обґрунтовано, що для промислового впровадження наукових результатів необхідно розробити і впровадити на державному рівні нормативні видання типу: національних стандартів, методик визначення показників довговічності кабелів зі ЗПЕ ізоляцією, норм випробовування високовольтних і надвисоковольтних кабельних ліній з такими кабелями, керівних технічних матеріалів з будівництва, випробовування й експлуатації високовольтних кабельних ліній електропередачі.

Другий розділ присвячено розробці нової концепції аналізу електричного поля в ЗПЕ ізоляції високовольтних і надвисоковольтних кабелів. Було обґрунтовано, що крім детермінованих електрофізичних механізмів деградації ЗПЕ ізоляції, аналіз яких проводять на основі розрахунку змінення максимальної напруженості ЕП в ізоляції біля мікродефектів, доцільно ураховувати також статистичні механізми її деградації на основі сукупного впливу поверхневих і об'ємних мікродефектів на збільшення величини напруженого об’єму в ізоляції, в якому напруженість поля Е перевищує критичне значення, тобто Е ≥ Екр. Показано, що можливо таке збільшення розмірів поодиноких провідних включень в ізоляції, при яких максимальна напруженість ЕП в ізоляції може не змінюватись, а величина напруженого об’єму збільшується в десятки разів. Звичайно, при такому збільшенні напруженого об’єму ізоляції ймовірність виникнення в ній електрофізичних руйнівних процесів суттєво збільшується, а її надійність зменшується.

Показана необхідність урахування збурення ЕП як поодинокими поверхневими і об'ємними мікродефектами в ізоляції, так і сукупністю близько розташованих дефектів, розміри яких можуть бути набагато меншими від критичних значень, але більшими від відстаней між ними. В роботі ураховується також неоднорідність поля в ізоляції в зв'язку з циліндричною конструкцією елементів кабелів та ефективність напівпровідних полімерних шарів, які використовують для згладжування локальних збурень ЕП в ізоляції від нерівностей на поверхні струмопровідної жили.

Для розрахунку зовнішнього гармонійного ЕП в ЗПЕ ізоляції кабелів з різними дефектами, в роботі використовувалась чисельна математична модель, розроблена на основі методу кінцевих елементів, реалізованому в пакеті прикладних програм Comsol Multiphysics. Приймалось припущення, що зовнішнє ЕП в кабелях створюється гармонічною напругою промислової частоти, а ЗПЕ ізоляція є лінійним та ізотропним середовищем. Тому при вирішенні диференційних рівнянь Максвелла використовувались основні вектори поля у комплексному вигляді.

При зміненні ЕП з частотою 50 Гц, розміри розрахункової області є набагато меншими, ніж довжина хвилі електромагнітного поля. Тому можна вважати, що електромагнітні процеси змінюються повільно і при розрахунку поля справедливе квазіелектростатичне наближення. При виникненні змінного поля в діелектричному середовищі, що поляризується, головною складовою повного струму є струм зміщення, який виникає в результаті зсуву зв’язаних зарядів під впливом сил зовнішнього поля. Зважаючи на можливість наявності в ЗПЕ ізоляції кабелів провідних (у більшості випадків водяних) мікровключень, в роботі враховувались також струми провідності, які у провідних включеннях можуть бути порівняними до струмів зміщення в ізоляції.

Оскільки зовнішнє ЕП в ізоляції є набагато сильнішим, ніж ЕП, індуковане змінним магнітним полем, тому останнє не враховувалось, що розривало взаємний зв’язок між електричним і магнітним полями. Тому розрахунок зовнішнього ЕП в ізоляції з гетерогенними мікровключеннями було зведено до вирішення квазіелектростатичної задачі, яка визначалась рівняннями

divrot = div = 0,      (2)             rot = 0                  (3)

= γ + iω,                                         (4)

де та  – відповідно вектори напруженості електричного та магнітного поля у комплексній формі,  – вектор електричного зміщення,  – вектор густини повного струму, γ – питома електропровідність середовища, ω – кутова частота,  

В якості рівняння стану використовувалось наступне:

                                                          (5)

де  – комплексна діелектрична проникність, дійсна частина якої враховує ємнісні струми в ізоляції, а уявна частина – діелектричні втрати.

Враховуючи (5), рівняння (4) можна записати у вигляді

= (γ + iωε0),                                      (6)

де для поліетилену γ1=10-14См/м і =2,4, а для води  γ2=10-2См/м і =80).

Відповідно до рівняння (3), ЕП є безвихровим (потенційним), що дозволяє ввести для такого поля скалярний потенціал  зі співвідношення

 = – grad                                           (7)

З рівнянь (2), (6) і (7) одержуємо розрахункове рівняння для розподілу щодо потенціалу:

div[ – (γ + ε0)grad] = 0                                (8)

Напружений об'єм, тобто об'єм, у якому модуль вектора напруженість ЕП Е перевищує певну критичну величину Екр, визначався за формулою

,                                           (9)

де V – розрахунковий об'єм ізоляції, S – поверхня цього об’єму у осьовому перерізі, r – змінний радіус у циліндричній системі координат. Приймалося, що при Екр ≤ Е ≤ Еmах функція f(Е)=1, а при Екр > Е    f(Е) = 0.

Враховуючи, що в роботі аналізувався розподіл ЕП, яке збурюється тільки осє- симетричними мікровключеннями, то розроблялася двомірна осєсиметрична розрахункова модель. Усередині кожної розрахункової комірки середовище вважалося однорідним, ізотропним й лінійним. Але приймалося, що на границі розділу двох середовищ параметри можуть змінюватися стрибком при переході від однієї комірки до іншої відповідно до граничних умов. Умови на границі провідник-діелектрик визначалися для тангенціальних і нормальних складових напруженостей електричного поля першого й другого середовищ, тобто для , , 1n, 2n і відповідно для потенціалів φ1 й φ2 і їхніх похідних  ∂1/n й ∂2/n по напрямку нормалі до поверхні. 

З рівнянь (2) (3) і (6) для напруженостей , , 1n, 2n ураховувалося, що

= ,                                              (10)

1 + iωε01) 1n = (γ2 + iωε02) 2n.                         (11)

Відповідно для потенціалів φ1 і φ2 та їхніх похідних ∂φ1/n і ∂φ2/n справедливо

1 = 2,                                           (12)

1 + iωε01) ∂1/n = (γ2 + iωε0 2) ∂2/n.                (13)

Використання методу кінцевих елементів полягало в чисельному інтегруванні головного рівняння (8) у розрахунковій області, на яку накладалась кінцева елементарна сітка. Середовище в середині кожної комірки вважалося однорідним, але його властивості могли змінюватись стрибком у відповідності з граничними умовами при переході з однієї комірки в іншу.

Максимальна напруженість ЕП розраховувалася у відносних одиницях Еmах/E0 = k, де E0 – значення напруженості ЕП в розрахунковому об’ємі однорідної ізоляції, а  k – коефіцієнт неоднорідності збуреного поля в цьому ж об’ємі. Оскільки при розрахунках ЕП в ЗПЕ ізоляції кабелів необхідно було ураховувати можливість близького розташування мікровключень різної форми, розмірів та електрофізичних параметрів, то розрахунковому об’єму надавали найгірші властивості всієї ізоляції.

Розрахункова область для дослідження ЕП, збуреного в неоднорідній ЗПЕ ізоляції кабелів, вибиралась у вигляді паралелепіпеду (див. рис. 3), на одній із граней якого знаходились один або декілька мікровиступів. Вважалось, що у розрахунковому об’ємі існують найгірші сукупності різних мікровключень з точки зору збурень ними ЕП в ізоляції. Розглядались мікровключення, заповнені водою та повітрям. Приймалось, що потенціал на нижній границі паралелепіпеду =0, потенціал на верхній границі 1= Е0 h0, на бокових границях nE=0. Складні задачі вирішувалися в два-три етапи зі зменшенням розмірів розрахункової області.

При моделюванні мікровиступи розглядались у вигляді напівсфери еліпсоїда та конуса зі округленою вершиною. На рис. 4 представлено збільшення коефіцієнту неоднорідності ЕП  k= Еmах/E0  та напружених об’ємів Vно в ЗПЕ ізоляції в залежності від висоти провідних еліпсоїдних мікровиступів.

Із рис. 4 видно, що напруженість ЕП в ізоляції зростає прямо пропорційно збільшенню висоти еліпсоїдного мікровиступа на поверхні струмопровідної жили, в той же час величина напруженого об'єму зростає інтенсивніше. Так, при збільшенні висоти такого мікровиступа в 3 рази (від 25 до 75 мкм), напруженість ЕП зростає в 2,8 рази , а напружений об'єм – в 4 рази.

Дослідження показали, що при наявності на поверхні струмопровідної жили мікровиступа конічної форми радіусом близько 20 мкм і висотою 40 мкм, максимальна напруженість ЕП в ЗПЕ ізоляції зростає в 33 рази. При виникненні на поверхні жили двох таких мікровиступів на відстані ≈10 мкм, напруженість ЕП в ізоляції зростає в ≈37,5 раз, а при дотиканні основ таких мікровиступі – до ≈38,3 раз, що відповідає наявним аналітичним дослідженням збуренням ЕП в ізоляції голчатими конічними мікровиступами на струмопровідній жилі.

На рис. 5 показано збурення ЕП в ЗПЕ ізоляції при наявності біля еліпсоїдного мікровиступа на поверхні струмопровідної жили близько розташованого сферичного провідного мікровключення. Видно, що при аналогічних розмірах еліпсоїдного мікровиступа на поверхні струмопровідної жили, напруженість ЕП на рис. 5 зростає більш інтенсивно, ніж на рис. 4. По іншому змінюється на рис. 5 величина напруженого об'єму в ЗПЕ ізоляції – зі зменшенням відстані між поверхневим та об'ємним мікровключеннями вона спочатку збільшується, потім зменшується і знову збільшується до значень, яких не було на рис. 4.

Дослідження збурення ЕП мікровиступами на поверхні жили дозволяє оцінити параметри напівпровідних полімерних шарів, якими зменшують такі локальні збурення ЕП та їх градієнти в ЗПЕ ізоляції. Показано, що для усунення збурень ЕП в ізоляції кабелів високих та надвисоких напруг напівпровідними полімерними шарами, вони повинні мати значення електропровідності γ>0,1 См/м. При такій електропровідності в кабелях на 110 кВ достатньо використовувати полімерні шари товщиною Δl1 > 1 мм, а в кабелях на 330 кВ – товщиною Δl2 > 3 мм.

Виявлено, що при нагріванні напівпровідних полімерних шарів до температур Т>110 0C, їх питома електропровідність може швидко зменшуватись на декілька порядків, як показано пунктирною залежністю γ(Т) на рис. 6. Більшість закордонних матеріалів для напівпровідних шарів високовольтних і надвисоковольтних кабелів має саме таку залежність.

Ця залежність є небажаною при виникненні тривалих струмових перенавантажень кабелів, або наявності гострих мікровиступів на струмопровідній жилі, при яких у напівпровідному шарі можуть виникати локальні підвищення температури.

Такі локальні підвищення температури можуть викликати зменшення електропровідності напівпровідного шару, яке буде призводити до підвищення температури і так далі до реалізації позитивного зв'язку між двома параметрами напівпровідного шару – підвищенням його температури та зменшенням провідності, в результаті чого виникає температурний пробій напівпровідного шару, а згодом й основної ізоляції.

Проведені дослідження показали, що електропровідність напівпровідних шарів при високих температурах треба збільшувати, а не зменшувати. Після розробки обґрунтованих рекомендацій, хімічний склад таких шарів було змінено і було реалізовано залежність γ2(Т), показану на рис. 6 суцільною кривою, що забезпечило суттєве підвищення стійкості кабелів до тривалих струмових перенавантажень та високих зовнішніх температур (новизна рішення захищена патентом України № 87501).

В дисертації було проведено також дослідження сукупного збурення ЕП двома близько розташованими провідними (водяними) мікровключеннями, які знаходяться в об'ємі ЗПЕ ізоляції. Було показано, що при зменшенні відстані між такими мікровключеннями, напруженість ЕП в ізоляції буде експоненційно зростати (див. рис. 7 а), а найбільше значення величини напруженого об’єму в ізоляції буде при дотиканні провідних мікровключень (див. рис. 7 б).

Аналіз рис. 5 і 7 показує, що при зближенні двох об'ємних мікровключень, напруженість ЕП зростає також експоненційно, як і при зближенні об'ємного мікровключення з поверхневим, але менш інтенсивно. А величина напруженого об'єму при зближенні об'ємного мікровключення з поверхневим є майже на 2 порядки більшою, ніж при зближенні двох об'ємних мікровключень. Порівняння результатів на рис. 4 з результатами аналізу збурень ЕП в ізоляції біля об'ємного мікровключення теж підтверджує більший вплив поверхневих провідних дефектів на збурення ЕП в ізоляції порівняно зі збуренням об'ємними мікровключеннями аналогічних розмірів.

Узагальнення результатів досліджень у розділі 2 показало, що при аналізі збурень ЕП в ЗПЕ ізоляції високовольтних і надвисоковольтних кабелів, необхідно враховувати не тільки розміри поодиноких мікровключень, але й їх конфігурацію, близькість до струмопровідних поверхонь і співвідношення характерних розмірів близько розташованих мікровключень з відстанню між ними.

Обґрунтовано, що при аналізі збуреного в ізоляції ЕП доцільно досліджувати не тільки змінення його максимальної напруженості, але й величини напруженого об'єму. Це дозволяє ураховувати як детерміновані, так і статистичні механізми деградації ЗПЕ ізоляції в збуреному електричному полі. Показано, що поверхневі дефекти збурюють ЕП в ізоляції сильніше, ніж об'ємні дефекти аналогічних розмірів.

У третьому розділі розроблено принципи побудови електротехнологічних установок для екструзійного нанесення на жилу кабелів тришарової полімерної ізоляції та її вулканізації. Показано, що є два підходи до розробки таких систем – це використання вертикальної й похилої установок. На вертикальній установці простіше отримати високу якість ізоляції, але її складніше обслуговувати та реалізувати на ній високу продуктивність, яка пропорційно залежить від довжини лінії. В роботі вибрано похилу установку, яка є більш продуктивною й простішою в обслуговуванні, але на ній набагато складніше виключити зсув ізоляції відносно жили.

Принципи побудови електротехнологічних установок нанесення на металеву жилу тришарової здатної до зшивання полімерної ізоляції та її вулканізації в похилій лінії ґрунтується на таких наукових засадах:

– розробці математичної моделі для визначення конфігурації вулканізаційної лінії похилого типу та силових характеристик електроприводів для забезпечення вибраної конфігурації вільно провисаючій металевій жилі з екструзійно нанесеною на неї полімерною ізоляцією та стабілізації швидкості руху жили з ізоляцією;

– допущенні про аналогічність лінійного руху похилої вільно провисаючої металевої жили зі здатною до зшивання полімерною ізоляцією, яка нанесена екструзійним способом, й ланцюгової лінії з рівномірно розподіленою масою.

Обґрунтовано аналогію руху похилої вільно провисаючої металевої жили з рухом ланцюгової лінії (див рис. 8), конфігурація якої залежить від багатьох параметрів:

– координат т. В (х11), в якій знаходяться екструдери для нанесення на жилу полімерних шарів;

координат т. А (0;а), в якій знаходиться нижній тяговий електропривод металевої жили;

– параметру форми ланцюгової лінії, який визначається як

a = Tx /P1 (де Tx – горизонтальний натяг провисаючої жили у нижній т. А (0;а) і P1 – погонна вага жили, тобто вага її одного метру довжини).

Із необхідної пропускної потужності кабелю S = U I вибираються напруга, струм, поперечний перетин жили, товщини основної ізоляції та напівпровідних шарів. Далі визначається погонна вага ізольованої жили P1 (тобто вага одного її метру) і загальна довжина ділянки провисаючої жили з ізоляцією l1 = V ∆t (де V – швидкість руху жили з ізоляцією, ∆t – час, необхідний для її вулканізації).

Кут нахилу β вільно провисаючої частини жили у т. В (х11) до горизонтальної осі ОХ вибирається на підставі численних досліджень режимів похилої лінії для виготовлення кабелів на середні напруги та аналізу наукових результатів щодо підвищення якості ЗПЕ ізоляції при її нанесенні та вулканізації. Якщо вибрати початок координат у відповідності із рис. 8, то рівняння ланцюгової лінії, яке характеризує конфігурацію та параметри вільно провисаючої жили, можна записати у вигляді

в(x) = a + h = a ch x/a ,                                          (14)

де в і x – поточні горизонтальні й вертикальні координати провисаючої ділянки жили, а h – різниця висот між її верхньою й нижньою частинами лінії.

Для ланцюгової лінії є вірним можна записати

l = a sh x/a.                                                    (15)

де l – поточна довжина похилої лінії, яка може змінюватись при зміненні натягу провисаючої жили, або її погонної ваги.

Із рівняння (15) у т. В (х11) для ланцюгової лінії виконується співвідношення

a = l1 / sh x/a = l1 / tg β,                                         (16)

де l1довжина частини похило провисаючої жили для випадку, коли у т. А (0;а) коли натягу провисаючої жили по вертикальній осі є відсутнім.

З рівняння (15) отримуємо значення для координати х1 

х1 = a arc sh l1 / a,                                                     (17)

або                                     х1 = a ln { l1 /a + [ ( l1 /a)2 + 1 ]1/2 }.

Зважаючи на те, що згідно рис. 8 різниця висот між т. В (х11) та т. А (0;а) 

h1 = y1(x1) – a 

і  що                                                   dy/dx  =  sh х/а  = Ту / Т,                                      (18)

то з рівняння (14) при  х = 0 отримуємо, що  в = а.

Для такого випадку на основі співвідношення (18) можна записати, що

Ту = 0                   і                 Тзаг.= Тх.

Таким чином, обґрунтовано, що на основі розробленої моделі для похилої вільно провисаючої ізольованої жили можливо визначати вихідні вимоги до конфігурації похилої камери вулканізації та основні характеристики електроприводу (найбільше зусилля для натягу жили та найбільшу швидкість її лінійного руху), а потім можливо узгоджувати умови регулювання руху жили при припустимих відхиленнях характеристик лінії та електромеханічної системи від оптимальних значень.

Для регулювання руху струмопровідної жили в екструзійній системі з похилою лінією вулканізації використовується електромеханічний комплекс, схематично показаний на рис. 9. Він включає три частотно-регульовані електричні приводи на основі асинхронних двигунів та систему їх векторного керування, що забезпечує одночасно рух жила із заданою швидкістю та необхідний натяг жили.

Аналіз перехідних процесів, виникаючих при короткочасній зміні напруги у мережі, та дослідження режимів регулювання і стабілізації швидкості руху ізольованої жили у вулканізаційній установці проводився з використанням комп’ютерного моделювання електромеханічних перехідних процесів за допомогою пакету програм Matlab/Simulink. Розроблена Simulink-модель комплексу містить блоки, що моделюють зовнішню мережу обмеженої потужності, додаткове потужне навантаження (при підключені якого може виникати короткочасне змінення величини напруги живлення лінії вулканізації), електричні двигуни з векторним керуванням, які механічно пов’язані між собою через редуктори та жилу, що рухається.

Математична модель асинхронних двигунів, які використовувалась у роботі, для двофазної системи координат (вісі d-q)  має наступний вигляд:

;        ;

;        ;

, , ,

де , ;  ;

;  ;  ;     .

Всі позначення є стандартними в теорії електроприводу.

Режимі похилої ізоляційної жили можуть змінюватись при регулюванні швидкісних і навантажувальних характеристик електропривода, тобто при регулюванні його фактичної та заданої швидкості, моменту навантаження й електромагнітного моменту на валу двигуна. Реалізована в роботі швидкісна діаграма показала достатню точність відпрацьовування швидкості, необхідної у всьому діапазоні регулювання швидкості руху ізольованої струмопровідної жили, крім початкової ділянки розгону, що пов'язане з необхідністю подолання пасивного моменту навантаження. Діаграма моментів підтвердила постійний характер навантаження та виконання основного рівняння руху електропривода при загасаючих коливаннях на ділянках запуску й гальмування. Наявність коливань у кривій моменту визначався самою структурою системи керування, у якій був відсутній канал регулювання струму (моменту).

Структурну схему всієї системи екструзійного нанесення на жилу здатної до зшивання тришарової ізоляції з її вулканізацією на похилій лінії наведено на рис.9.

Однією із важливих наукових задач при узгодженні та оптимізації режимів даної системи є виключення радіального та поздовжнього тришарової ізоляції зразу після її екструзії на металеву жилу, тобто коли вона знаходиться ще у рідкому стані. Ця задача є типовою для всіх вулканізаційних ліній похилого типу, але при виготовленні високовольтних і надвисоковольтних кабелів складність її вирішення значно зростає, оскільки суттєво зростає її товщина і погонний об’єм. Для вирішення такої задачі при виготовленні ізольованої жили для високовольтних і надвисоковольтних кабелів було використано сукупність нових електротехнологічних методів:

– введення додаткової зони охолодження ізоляції до твердого стану після її екструзії на жилу,

– індукційного підігріву жили до 80 0С для виключення впливу змінної температури зовнішнього середовища на режими вулканізації та

– підкручування жили зі швидкістю 1 оберт на 20-30 метрів її довжини.

Кожен із цих методів є нетрадиційним і вимагав проведення чисельних досліджень щодо їх сукупного використання. В роботі найбільшу увагу було приділено методу індукційного підігріву сегментних ізольованих жил з поперечним перерізом більше 1000 мм2 змінним струмом частотою 1–10 кГц. Раніше такий електромагнітний процес не досліджувався, оскільки сприймався як недоцільний – через прояв сильних поверхневого ефекту й ефекту близькодії струмів в ізольованих сегментах, що може призводити до недопустимого перегріву полімерної ізоляції між сегментами й напівпровідної полімерної стрічки, якою скріплюють окремі сектори.

Розрахунок електромагнітного поля й електронагріву ізольованих сегментних жил кабелів проводився із застосуванням пакету програм Соmsol Multiphisics. Дослідження підтвердили виникнення поверхневого ефекту й ефекту близькодії струмів в сегментах кабелю. Але було показано, що за рахунок високої теплопровідності алюмінію та міді розподіл температури в поперечному перерізі ізольованих сегментів кабелю має настільки малі градієнти, що унеможливлює недопустимий перегрів полімерної ізоляції між сегментами й напівпровідної полімерної стрічки, яку використовують для механічного скріплення сегментів між собою.

Отримані результати щодо визначення режимів екструзійного нанесення здатної до зшивання ізоляції на сегментну жилу кабелів були використані при створенні промислових екструзійних систем на заводі "Південкабель" (м. Харків).

У четвертому розділі представлено розвиток методів виготовлення багатодротових жил великого перерізу в тому числі жил типу "Міллікен" з ізольованими сегментами. Обґрунтовано, що з підвищенням напруги кабелів зростають вимоги до якості поверхні їх струмопровідних жил. В той же час якість поверхні жил кабелю в основному визначається якістю поверхні первинного дроту (так званої "катанки"). Тому в роботі при створенні систем виготовлення струмопровідних жил для надвисоковольтних кабелів численні дослідження були направлені на розвиток методів підвищення якості поверхні алюмінієвої катанки при її виготовленні гарячим пресуванням алюмінієвих зливків.

Показано, що успішно вирішити зазначену задачу можливо за рахунок

– попередньої індукційної термообробки алюмінієвих зливків наведеними струмами промислової частоти з точною стабілізацією кінцевої температури та

– реалізації в об’ємі зливків градієнтів температури в напрямку вхідного отвору матриці для пресування.

На рис. 13 представлено схематичне зображення індукційної установки для нагрівання алюмінієвих зливків, на якому: 1 – індуктор; 2 – теплоізоляційна азбестова труба; 3 – алюмінієві зливки.

Математична модель для аналізу взаємозалежних електромагнітних і теплових процесів була розроблена при наступних допущеннях:

– розгляд електромагнітного процесу проводився з використанням методу комплексних амплітуд, тому характеристики поля були комплексними величинами;

– тепловий процес розглядався як стаціонарний;

– для матеріалу зливка, який нагрівався, ураховувались нелінійні залежності електропровідності, теплопровідності й питомої теплоємності від температури;

– зважаючи на циліндричну форму індуктора, теплоізолятора та зливка, задача вирішувалась, як осєсиметрична у двомірній постановці в циліндричній системі координат r0z щодо комплексної змінної векторного магнітного потенціалу  й температури  у розрахунковій області.

Розрахункова область мала чотири підобласті - індуктор, теплоізолюючу трубу, що рухалась, алюмінієвий зливок і оточуюче повітряне середовище. Математична модель, що описувала взаємозалежні електромагнітні й теплові процеси, в загальному вигляді включала постановку електромагнітної й теплової задач.

Електромагнітний процес описувався системою диференційних рівнянь для комплексної величини векторного магнітного потенціалу :

јω σ(T) + rot (μ0–1 rot ) = 0в області зливка,

rot (μ0–1 rot )

де  – електропровідність злитка, що залежить від температури,  – кутова частота струму в індукторі,  – магнітна проникність вакууму,  – струм у ланцюзі індуктора, – число витків в індукторі,  – площа поперечного переріза індуктора.

Теплові процеси описувались рівнянням конвективного переносу

ρ Ср(Т) v  grad T – div (λ(T) grad T)  

де питома потужність тепла, яке виділяється у зливку, ρ,

Ср(Т), λ(T) – густина, питома теплоємність при постійному тиску, теплопровідність алюмінію в зливку.

Як граничні умови для електромагнітного задачі задавалися умова симетрії відносно осі індуктора і умова магнітної ізоляції на зовнішній границі :

.

Електромагнітна задача була пов'язана з тепловою задачею нелінійною залежністю електропровідності  від температури.

Було розроблено метод стабілізації кінцевої температури злитків при їх індукційній термообробці за рахунок використання двох закономірностей: прямо пропорційній залежності температури алюмінієвих зливків від їх питомої електропровідності та зворотно пропорційній залежності температури зливків від швидкості їх руху в індукторі, як показано на рис. 14. Розрахункові та експериментальні розподіли температури за довжиною зливків при їх нагріванні в індукторі представлені на рис. 15.

Метод забезпечує досить точну параметричну стабілізацію необхідної вихідної температури зливків Твих ≈ 468 0С, при цьому умовою стабілізації цієї температури є

(σσ0)100%/σ0 ≈ (νν0)100%/ν0 ≤ 10 %.

Підвищення точності стабілізації розподілу температури здійснювала наступна установка, яка була виконана по типу сталевого циліндричного контейнера з послідовно з'єднаними мідними стрижнями, поміщеними в керамічні трубки. Підведення до мідних стрижнів змінної напруги 50 В промислової частоти 50 Гц викликало протікання в них струму і появу навколо них змінного магнітного поля, яке індукувало струми у сталевому контейнері. Тому контейнер нагрівався і кондукційним, і індукційним шляхами.

У роботі було розроблено також метод реалізації в об’ємі зливків градієнту температури, необхідного для термічного пресування алюмінієвих зливків і виробництва таким чином катанки з високоякісною поверхнею. Необхідний градієнт температури досягався організацією такого маршруту переміщення зливків між індукційною та кондукційно-індукційною установками, при якому пласкі поверхні зливків охолоджувались до різних температур.

У роботі було проведено великий об'єм теоретичних й експериментальних досліджень електромагнітних, електротеплових і термопластичних процесів, зокрема індукційного нагріву зливків (які рухались в індукційній установці), їх охолодження у повітрі при їх переміщенні з індукційної в кондукційно-індукційну установку, додаткового підігріву й стабілізації температурного градієнту в об’ємі зливків та їх термопластичної деформації зі зміненням їх поперечного перерізу, швидкості лінійного руху та додаткового підігріву в результаті змінення швидкості й відношення зовнішньої поверхні зливків до їх об’єму.

Показано, що після отримання алюмінієвої катанки з неї виготовляють дріт методом волочіння. При цьому досить складним є оцінка необхідних зусиль на кожному переході від одного поперечного перерізу до іншого.

Було обґрунтовано, що повне зусилля (тобто сукупне зусилля з урахуванням зусиль на однорідні й неоднорідні деформації та на тертя) на одному переході волочіння при деформації алюмінієвого та мідного дротів з 5% точністю може бути оцінено за виразом

Pσмм Sк (1,78 ε + 0,0643),

де межа міцності σммσ0 (опору деформації), ε = (1- Sк /Sп) ≤ 0,3 – коефіцієнт обжимання, Sп і Sк – початковий і кінцевий поперечні перерізи дроту до і після його волочіння.

Розділ 5 присвячено розробці принципів побудови енергоефективної резонансної системи, використання якої забезпечує випробування надвисоковольтного кабелю підвищеною змінною напругою. Вона забезпечує також  вимірювання рівня часткових розрядів всієї довжини кабелю й високу стійкість до пробоїв ізоляції кабелів або реакторів та до несинусоїдних спотворень напруги електроживлення.

При цій розробці було вирішено сукупність наступних задач:

- створено систему формування напруги 500 кВ на випробуваному кабелі;

- забезпечено пропущення через кабель ємністю до 250 нФ електричної потужності до 20 МВА;

- забезпечено вимірювання рівня часткових розрядів з похибкою менше 2 пКл;

- забезпечено стійкість всієї системи до пробоїв ізоляції кабелю.

Було обґрунтовано доцільність розробки випробувальної надвисоковольтної системи на основі високодобротної схеми послідовного резонансу. В основу побудови випробувальної системи, що дозволяє проводити весь спектр випробувань високовольтних і надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією відповідно до міжнародних норм і діючих систем менеджменту якості продукції, покладено найбільш ефективну концепцію резонансного збудження послідовного індуктивно-ємнісного (L-C) контуру з регульованою індуктивністю на стороні високої напруги з використанням явища послідовного резонансу. Функціональна схема такої системи приведена на рис. 16.

Показано, що така система має такі переваги:

- порівняно малу вхідну потужність (не більше 500 кВА);

- малий струм короткого замикання (при пробої ізоляції кабелю або реактора він становить не більше 1 А);

- низький рівень нелінійних спотворень у кривій вихідної напруги,

- низький рівень перенапруг при пробої ізоляції випробуваного кабелю.

Враховуючи неможливість проведення аварійних випробувань у системі з такою вихідною напругою, аналіз критичних режимів у ній проводився на математичній моделі з використанням пакета програм Matlab/Simulink.

На рис. 17 зображено напругу і струм у високовольтному реакторі при пробої ізоляції в кабелі на 330 кВ. Із рис.17 видно, що при включенні системи спостерігається плавний вихід на сталий режим за час, рівний 0,5 с, а при пробої ізоляції кабелю імпеданс ланцюга "реактор-кабель" зростає, що приводить до зниження струму в цьому ланцюзі й, як наслідок, напруги на реакторі. При цьому в кривій напруги міститься високочастотна складова, обумовлена коливальним процесом між індуктивністю реактора і ємністю фільтра.

Відзначимо, що при аварійному відключенні установки на вторинній обмотці трансформатора може виникати кидок напруги через велику індуктивність намагнічування трансформатора. Для усунення таких перенапруг на вторинній обмотці трансформатора встановлено обмежувач перенапруги.

Для аналізу рівня часткових розрядів у кабелі необхідно було досліджувати виникаючі високочастотні процеси, тому було розроблено високочастотну модель установки, у якій кабель моделювався електричним ланцюгом з розподіленими параметрами. За допомогою моделі, що використовувала пакет програм Matlab/Simulink було оцінено значення еквівалентних параметрів силового кабелю із сегментною жилою типу "Міллікен" у діапазоні змінення частот 50–106 Гц. Було показано наявність у кабелі резонансних властивостей на різних частотах. При збігу частоти імпульсного струму часткового розряду з однією з резонансних частот кабелю, величина вимірюваного сигналу на вході кабелю досягає найбільшого значення. Інформація про струм часткового розряду найпростіше може бути виділена на фоні виникаючих високочастотних власних коливань, якщо частота цього струму менше частоти першого резонансу кабелю. Отримані результати використані при інтерпретації вимірюваних експериментальних даних про рівень часткових розрядів.

У розділі 6 проведено аналіз експлуатаційних характеристик кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на високі й надвисокі напруги. Було проаналізовано перехідні процеси у високовольтній кабельній лінії та проведено моделювання й аналіз швидкоплинних і хвильових процесів у кабельній лінії з неоднорідними параметрами. Також були розглянуті питання щодо електромагнітного впливу високовольтних кабельних ліній на навколишнє середовище. Виконано розрахунок і порівняльний аналіз електромагнітного поля повітряної і підземної кабельних ліній електропередач на напругу 110 кВ.

В дослідженнях використовувались математичні моделі та методики чисельного розрахунку (методом кінцевих елементів) електромагнітного поля в повітряній і підземній кабельній лініях електропередачі. Проведено порівняльний аналіз рівня поля для повітряної й кабельної ліній, що мають однакове значення напруги й струму. На підставі даних чисельних розрахунків було зроблено наступні висновки:

- повітряна лінія створює на поверхні землі значне по величині електричне поле ~1,1 кВ/м з напівшириною загасання ~60 м, тоді як кабельна лінія не створює аналогічного поля на поверхні землі – воно локалізовано у внутрішній ізоляції кабелю;

- рівень магнітного поля в обох лініях поблизу від поверхні землі становить близько 5 мкТл (на рівні 2 м), однак якщо в кабельній лінії це поле локалізоване на ділянці з напівшириною 4,1 м, то в повітряній лінії – 40,5 м, тобто магнітне поле кабелю локалізоване на значно меншій площі;

- проведені дослідження показують, що кабельна лінія створює значно менший рівень електромагнітного забруднення в порівнянні з повітряною лінією при рівних значеннях переданої електричної потужності.

З використанням чисельної моделі провадилось дослідження електромагнітних перехідних процесів у високовольтній трифазній кабельній ЛЕП, що виконана з трьох однофазних кабелів з транспозицією екранів. У дослідженнях використовувався блоковий метод представлення лінії, при якому кожна із трьох її ділянок моделювалась за допомогою еквівалентного дванадцятиполюсника.

Було досліджено частотну характеристику лінії і її високочастотні резонансні властивості. Виконано аналіз змінюваних у часі струмів у жилах й екранах кабелів у режимі однофазного короткого замикання з наступним відключенням лінії.

Використання чисельної методики дозволяло аналізувати різні режими роботи кабельних ліній електропередачі й оцінювати необхідні параметри засобів захисту лінії в аварійних режимах.

Було представлено математичну модель і методику чисельного розрахунку методом кінцевих елементів системи телеграфних рівнянь у трифазній кабельній лінії на 110 кВ, прокладеної в тунелі, яка складається із трьох однофазних кабелів. Особливістю розв'язуваної задачі була залежність первинних параметрів лінії від поздовжньої координати, зокрема, розглядалась неоднорідна кабельна лінія, що мала зону з ушкодженою ізоляцією. В розрахунковій методиці використовувались: теорія електромагнітного поля (на її основі сформульовано й вирішено чисельну польову задачу в поперечному перерізі лінії), аналітичні методи дослідження неоднорідних електричних полів з осєсиметричними включеннями.

Виконано чисельний розрахунок процесу відбиття і переломлення імпульсу напруги в зоні неоднорідності кабелю, що відповідає ушкодженій ізоляції, і проведено кількісний аналіз загасання відбитого імпульсу для випадку повного й часткового його відбиття від зони неоднорідності.

Використання розрахункової чисельної методики дозволило розробити нові і удосконалювати існуючі засоби діагностики стану ізоляції силових кабелів, засновані на результатах вимірювання високочастотних сигналів, створюваних як від зовнішнього імпульсного джерела, так і від "природного" джерела - часткових розрядів в ізоляції кабелю.

У додатках наводяться акти впровадження результатів дисертаційної роботи та розрахунок економічного ефекту від промислового випуску високовольтних та надвисоковольтних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією.

ВИСНОВКИ

У дисертації набула подальшого розвитку теорія створення електротехнологічних комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів з полімерною ізоляцією на основі розробки нових методів виготовлення кабелів з урахуванням взаємних зв’язків між параметрами їх елементів. Отримані результати у сукупності є теоретичним узагальненням і новим вирішенням важливої науково-прикладної проблеми – створення електротехнологічних комплексів для промислового виробництва надвисоковольтних кабелів з підвищеними надійністю, безпекою та екологічністю для використання в потужних системах електропостачання.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному.

1. На основі аналізу режимів електротехнологічних комплексів для виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на середні напруги (до 35 кВ) та узагальнення існуючих методів суттєвого підвищення напруги й струмового навантаження в кабелях обґрунтовано необхідність розробки нових методів виготовлення високовольтних і надвисоковольтних кабелів (до 330 кВ) з урахуванням взаємних зв'язків між параметрами їх елементів.

2. Розроблено нову концепцію аналізу електричного поля в ЗПЕ ізоляції надвисоковольтних кабелів, збуреного сукупністю мікродефектів у різних елементах кабелів, з урахуванням як змінення локальних напруженостей електричного поля, так і локальних напружених об'ємів в ізоляції. Таким чином, концепція базується на аналізі як детермінованих, так і статистичних механізмів деградації ЗПЕ ізоляції в збуреному електричному полі.

Згідно з новою концепцією враховується, що збурення поля залежить не тільки від розмірів поодиноких поверхневих і об'ємних мікродефектів ізоляції (як було раніше), але й від їх конфігурацій в електричному полі, відстаней між ними, конструктивних особливостей кабелів і властивостей напівпровідних шарів.

3. Обґрунтовано, що при зменшенні відстаней між поверхневими й об'ємними дефектами (навіть якщо їхні розміри менші критичних) напруженість поля й напружений об'єм ізоляції зростають більше, ніж при збільшенні розмірів поодиноких дефектів. Установлено, що збільшення розмірів поверхневих дефектів збурює поле в ізоляції сильніше, ніж аналогічне змінення розмірів об'ємних дефектів.

Виявлено, що електропровідність напівпровідних ЗПЕ шарів кабелю має нелінійну залежність від температури, а при температурах вище 110 0С може зменшуватись на декілька порядків. Установлено, що електропровідність таких шарів у надвисоковольтних кабелях не може бути меншою від 0,1 См/м, у тому числі й при температурах вище 110 0С (новизна рішення захищена патентом України № 87501 "Силовий кабель надвисокої напруги" і впроваджена у виробництво).

Отримані наукові результати забезпечили основу для розробки нових критеріїв якості ЗПЕ ізоляції та умов їх реалізації в установках екструзійного нанесення тришарової полімерної ізоляції на багатодротову жилу надвисоковольтних кабелів.

4. Розроблено принципи побудови установок похилого типу для екструзійного нанесення на металеву жилу тришарової полімерної ізоляції та її вулканізації, які ґрунтуються на:

– розробці математичної моделі для визначення конфігурації вулканізаційної установки похилого типу та силових характеристик електроприводів для регулювання швидкості руху жили з екструзійно нанесеною на неї полімерною ізоляцією при заданих питомій масі цієї жили й нестабільності напруги живлення;

– допущенні про аналогічність лінійного руху похилої вільно провисаючої металевої жили зі здатною до зшивання полімерною ізоляцією, яка нанесена екструзійним способом, й ланцюгової лінії з рівномірно розподіленою масою;

– індукційному підігріванні жили до заданої температури, екструзійному нанесенні на жилу здатної до зшивання тришарової ізоляції, швидкому її охолодженні до твердого стану, регулюванні та стабілізації лінійного й обертового руху жили у вулканізаційній установці;

– автоматичному регулюванні швидкості руху жили (при зміні напруги електроживлення та параметрів ізольованої жили й електромеханічної системи) у відповідності з її положенням відносно осі похилої вулканізаційної камери;

– поточному регулюванні товщини кожного шару ізоляції, швидкості обертання жили відносно осі та температури в кожній зоні термообробки ізоляції.

Впровадження в екструзійних установках похилого типу зазначених результатів забезпечило виготовлення високоякісних ізоляційних жил зі швидкістю до 50 м/хв (залежно від поперечного перерізу жили).

5. Розвинуто методи виготовлення струмопровідних жил великого перетину з підвищеною якістю їхньої поверхні й поздовжнього водоблокування, зокрема:

– розроблено метод індукційно-кондукційної градієнтної термообробки й пресування алюмінієвих зливків для виробництва катанки з високою якістю поверхні;

– створено математичну модель для оцінки зусиль при волочінні алюмінієвої катанки з урахуванням її обтиснення, деформації й нагартовки на одному переході;

– розроблено метод введення водонабухаючої напівпровідної полімерної стрічки в багатодротову жилу з реалізацією в ній коефіцієнта ущільнення k ≥ 0,9.

Впровадження розробленого методу термообробки зливків забезпечило їхнє нагрівання до температури 440 0C і температурний градієнт ≥ 15 0C/м у напрямку отвору матриці пресування, необхідний для виробництва алюмінієвої катанки з високоякісною поверхнею, а використання моделі й водонабухаючої стрічки забезпечило реалізацію великої щільності та поздовжнього водоблокування при виготовленні багатодротових жил (у тому числі й жил типу "Міллікен" з поперечним перерізом до 2000 мм2 та ізольованими секторами).

6. Розроблено і впроваджено новий метод температурної діагностики ізоляції й напівпровідних шарів високовольтних кабелів під час їх випробувань й експлуатації. Метод заснований на виготовленні багатодротового шару мідного екрана кабелів з декількома поздовжніми волоконно-оптичними термодатчиками (новизна рішення захищена патентом України № 39645 "Високовольтний кабель з волоконно-оптичним термодатчиком").

7. Розроблено принципи побудови енергоефективної резонансної системи, використання яких забезпечує випробування надвисоковольтного кабелю підвищеною змінною напругою, вимірювання рівня часткових розрядів всієї довжини кабелю й високу стійкість систем до пробоїв ізоляції кабелів або реакторів, а також до несинусоїдних спотворень напруги електроживлення.

Створено і впроваджено електротехнічну систему з добротністю послідовного резонансного контуру Q=20-40, що забезпечує випробування кабелів змінною напругою до 500 кВ і вимірювання рівня часткових розрядів з похибкою < 2 пКл при пропусканні через них електричної потужності до 20 МВА і споживанні від мережі потужності ≤ 500 кВА. Система є стійкою до пробоїв ізоляції в кабелі або реакторі (струм короткого замикання не перевищує 1 А) та до несинусоїдних спотворень напруги живлення.

8. Результати дисертації використано при розробці науково-методичних та нормативних документів, зокрема:

Руководящий технический материал по сооружению, испытаниям и эксплуатации кабельных линий с использованием кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ. Научно-методическое издание. Харьков: Майдан, 2007. – 62 с;

–"Методика визначення показників довговічності кабелів і проводів з поліетиленовою ізоляцією (оболонкою)", СОУ-Н МПП 29.060.10-071:2006;

– Національного стандарту України "Ізольовані проводи та кабелі. Вимоги пожежної безпеки та методи випробування", ДСТУ 4809:2007;

– Нормативного документа Міністерства палива й енергетики України "Норми випробування силових кабельних ліній напругою до 500 кВ", СОУ-Н ЇЇ 20.304:2009.

9. Вперше в СНД було створено і в 2006 р. впроваджено на ЗАТ "Завод "Південкабель" (м. Харків) електротехнологічний комплекс для промислового виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на високі напруги (до 110 кВ).

У 2009 р. також вперше в СНД було створено і впроваджено на ЗАТ "Завод "Південкабель" електротехнічний комплекс для промислового виробництва вітчизняних кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на надвисокі напруги (до 330 кВ).

Загальний економічний ефект від промислового випуску у 2007–2010 рр. таких кабелів на ЗАТ "Завод "Південкабель" склав понад 50 млн. грн. Випуск конкурентноздатної наукоємної електротехнічної продукції дав змогу розширити сегмент експортних поставок України. У національній валюті обсяг експорту в інші країни зазначених кабелів зі ЗПЕ ізоляцією за вказаний період склав понад 65 млн. грн.

10 Розроблено й впроваджено у виробництво науково-технічні рішення, які забезпечують виготовлення високовольтних кабелів у пожежобезпечному виконанні, які мають мале димогазовиділення і не підтримують процеси горіння (новизна рішень захищена патентом України № 21378 "Високовольтний кабель").

11. Результати дисертації рекомендовано для подальшого впровадження на підприємствах електротехнічного профілю Міністерства промислової політики України. Зокрема, нову концепцію аналізу електричного поля, збуреного сукупністю різних дефектів, доцільно використовувати при розробці електротехнологічних комплексів для виробництва кабелів надвисоких напруг й при розробці та експлуатації високовольтного електротехнічного обладнання з полімерною ізоляцією. Наукові результати пропонується також використовувати у навчальних процесах кафедр теоретичної електротехніки й техніки та електрофізики високих напруг НТУУ "Київський політехнічний інститут", кафедри електроізоляційної та кабельної техніки НТУ "Харківський політехнічний інститут" для розширення курсів з електрофізики, теорії сильних електричних і магнітних полів та кабельної техніки.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Высоковольтные полимерные изоляторы / А.К. Шидловский, Ю.Н. Шумилов, А.А. Щерба, В.М. Золотарев. Киев: Изд. группа "Сучасність", 2008. 252 с.

2. Руководящий технический материал по сооружению, испытаниям и эксплуатации кабельных линий с использованием кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ. Научно-методическое издание / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, Ю.А. Антонец, Л.Г. Василец, Г.И. Гримуд. – Харьков: Майдан, 2007. – 62 с.

3. Золотарев В.М. Решение проблемы создания отечественных электротехнологических комплексов производства кабелей энергетического назначения напряжением до 330 кВ / В.М. Золотарев // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2009. – № 39. – С. 5063.

4. Золотарьов В.М. Системний підхід до управління якістю – фундамент перспективного розвитку підприємства / В.М. Золотарьов // Стандартизація, сертифікація, якість. – 2002. – № 1. – С. 57–61.

5. Золотарев В.М. Новые отечественные разработки в области силовых кабелей / В.М. Золотарев, А.Л. Обозный // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2006. – Вип. 34. – С. 129–132.

6. Оптимизация электрофизических процессов для создания отечественных технологий изготовления высоконадежных кабелей на напряжение до 330 кВ с твердой полимерной изоляцией / А.А. Щерба, В.М. Золотарьов, Ю.В. Перетятко, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, С.Е. Ершов // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр.  К.: ІЕД НАНУ, 2009. – № 23. – С.137–146.

7. Золотарев В.М. Моделирование динамических процессов в электромеханичес-ком комплексе для обеспечения требуемого движения силового кабеля с полиэтиленовой изоляцией в наклонной экструзионной линии / В.М. Золотарев, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев // Техн. електродинаміка. – 2010. – № 3. – С44–51.

8.  Золотарьов В.В. Основні закономірності роботи похилої екструзійної лінії для виготовлення силових кабелів на напругу до 330 кВ та їх заводських випробовувань / В.В. Золотарьов, В.П. Карпушенко, О.А. Науменко, В.М. Золотарьов // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2008. – № 44. – С. 44–52.

9. Щерба А.А. Моделирование электрических полей и расчет объемов с крити-ческой напряженностью в полимерной изоляции высоковольтных кабелей и СИП / А.А. Щерба, Ю.В. Перетятко, В.М. Золотарев // Техн. електродинаміка. – Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". – 2008. – Ч. 2. – С. 113–118.

10.  Щерба А.А. Анализ характерных повреждений полимерной изоляции высоковольтных силовых электрокабелей / А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, Н.И. Супруновская, В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, Ю.А. Антонец, Л.Г. Василец // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". – 2006. – Ч. 3. С. 100103.

11. Щерба А.А. Математическое моделирование и численный расчет неоднородных электрических полей, удельных потерь и плотности поверхностных зарядов в полиэтиленовой модифицированной изоляции высоковольтных силовых кабелей / А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, Ю.А. Антонец, Л.Г. Василец // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". 2006. – Ч2. С. 8589.

12. Щерба А.А. Импульсный ток в полиэтиленовой изоляции с воздушным включением при возникновении частичного разряда / Щерба А.А., Подольцев А.Д., Золотарев В.М // Техн. електродинаміка. – 2009. – № 2. – С. 7–12.

13. Науменко А.А. Метод определения диагональных элементов матриц, соответствующих ядрам интегральных уравнений Фредгольма для расчета плоско-параллельных безвихревых полей различной физической природы / А.А.  Науменко, В.М. Золотарев // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2006. – Вип. 37. – С. 149–155.

14. Шидловский А.К. Анализ микронеоднородности электрического поля как фактора повышения интенсивности пороговых электрофизических процессов в полимерной изоляции высоковольтных кабелей и самонесущих изолированных проводов А.К. Шидловский, А.А. Щерба, В.М. Золотарев, Ю.В. Перетятко // Техн. електродинаміка. – 2008. 4. С. 314.

15. Шидловский А.К. Математическая модель и методика численного расчета неоднородного электрического поля и нагрева полиэтиленовой изоляции высоковольтных силовых кабелей при возникновении дендритных микроканалов / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, Ю.А. Антонец, Л.Г. Василец // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". – 2006. – Ч4. – С. 116-120.

16. Золотарев В.М. Анализ высокочастотных процессов в кабеле на напряжение 330 кВ с сегментированной жилой при возникновении частичных разрядов в его изоляции / В.М. Золотарев, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая // Техн. електродинаміка. – 2010. – № 2. – С. 3–10.

17. Золотарев В.М. Установка индукционного нагрева алюминиевых слитков для изготовления токопроводящей жилы силового кабеля сверхвысокого напряжения / В.М. Золотарев, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая // Техн. електродинаміка. Тем. вип. „Силова електроніка та енергоефективність”. – 2009. – Ч. 4 .– С. 9–14.

18. Шидловский А.К. Анализ электромагнитных процессов и эквивалентных параметров сегментированных токопроводящих жил силовых кабелей на напряжения 330 кВ / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев // Техн. електродинаміка. – 2008. 6. С. 713.

19. Золотарев В.М. Комбинированный индукционно-кондукционный способ нагрева металлических заготовок при горячем прессовании токопроводящей жилы для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения / В.М. Золотарев, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая // Техн. електродинаміка. Тем. вип. „Силова електроніка та енергоефективність”. – 2009. – Ч. 3. – С. 35–41.

20. Золотарев В.М. Моделирование переходов при волочении фасонных профилей / В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, С.В. Бузько // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2006. – Вип. 7. – С. 6–11.

21. Золотарев В.М. Определение силовых параметров при волочении фасонных токопроводящих жил силовых кабелей / В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, С.В. Бузько, В.В. Золотарев // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2006. – Вип. 28. – С. 67 – 71. 

22. Шидловский А.К. Индуцированный нагрев сегментированной токопроводящей жилы силового кабеля на этапе его изготовления / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев // Техн. електродинаміка. – 2009. 1. С. 5360.

23. Золотарев В.М. Критерии применения устройств поточного электрического контроля изоляционных элементов кабельных изделий на современных авторизованных экструзионных линиях / В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, А.А. Науменко, С.В. Бузько, В.В. Золотарев // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. – 2005. – Вип. 33. – С. 153–156.

24. Набока Б.Г. Обоснование допустимых режимов эксплуатации резонансных установок для диагностики кабелей / Б.Г. Набока, А.Г. Гурин, С.В. Лактионов, В.М. Золотарев, А.А. Нечаус // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2005. – 42. – С. 8693.

25. Золотарев В.М. Энергосберегающие схемы испытаний кабелей с полиэтиленовой изоляцией / В.М. Золотарев, В.П. Карпушенко, А.Ф. Кривенко, В.В. Золотарев, А.А. Науменко // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – 2008. – № 21. – С. 55–66.

26. Щерба А.А. Резонансная система для испытания сверхвысоковольтных кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией / А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, В.М. Золотарев, Н.И. Супруновская, И.Н. Кучерявая // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ, 2010. – № 26. – С. 142–151.

27. Шидловский А.К. Компьютерное моделирование переходных процессов в высоковольтной кабельной линии с транспозицией экранов / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев, Л.Г. Василец // Техн. електродинаміка. – 2006.  6. – С. 312.

28. Шидловский А.К. Компьютерное моделирование волновых процессов в высоковольтной кабельной линии с неоднородными параметрами / А.К. Шидловский, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, В.М. Золотарев, Л.Г. Василец // Техн. електродинаміка. – 2007. – 1. – С. 3–12.

29. Щерба А.А. Принципы построения и тенденции развития пожаробезопасных кабелей / В.М. Золотарев, А.А. Щерба, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність". – 2010. Ч. 2. С. 7380.

30. Пат. 87501 Україна, Н01 В 7/02. Силовий кабель надвисокої напруги / Золотарьов В.М., Карпушенко В.П., Антонець Ю.П., Василець Л.Г., Шидловський А.К., Щерба А.А., Подольцев О.Д.; власник ЗАТ "Завод"Південкабель". – а200700497; заявл. 18.01.07; опубл. 27.07.09, Бюл. № 14.

31. Пат. 21738 Україна, Н01 В 7/02. Силовий кабель / Золотарьов В.М., Карпушенко В.П., Антонець Ю.П., Василець Л.Г., Шидловський А.К., Щерба А.А., Подольцев О.Д.; власник ЗАТ "Завод"Південкабель". – u200700498; заявл. 18.01.07; опубл. 15.03.07, Бюл. № 3.

32. Пат.  39645 Україна, Н01 В 7/02. Високовольтний кабель з волоконно-оптичним термодатчиком / Золотарьов В.М., Карпушенко В.П., Антонець Ю.П., Золотарьов В.В., Чопов Є.Ю., Обозний А.Л., Науменко О.А., Чайка В.Д.; власник ЗАТ "Завод"Південкабель". – u200809997; заявл. 01.08.08; опубл. 10.03.09, Бюл. № 5.

33. Шидловский А.К. Научно-технические основы повышения ресурса и надежности пожаробезопасных кабелей с полимерной изоляцией для тепловой и атомной энергетики, высотных и подземных сооружений / Шидловский А.К., Щерба А.А., Золотарев В.М. // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин. – К.: Інститут електрозварювання НАН України. – 2009. – С. 326–332.

34. Золотарев В.М. Оценка электрической напряженности токопроводящей жилы в ионизированном газе / В.М. Золотарев // Физические и компьютерные технологии: Труды 12-й междун. науч.-техн. конф., 2006 г. – Харьков: ХНПК «ФЭД». – 2006. – С. 241–245.

35. Щерба А.А. Научные основы разработки электротехнических комплексов для производства кабелей сверхвысокого напряжения с твердой полимерной изоляцией / А.А. Щерба, В.М. Золотарев // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Матер. междун. науч. конф., 17-21 авг., 2009. – Николаев. – 2009. – С. 192–196.

АНОТАЦІЇ

Золотарьов В.М. Електротехнологічний комплекс для виробництва високовольтних та надвисоковольтних кабелів з полімерною ізоляцією. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2010.

У дисертації набула подальшого розвитку теорія створення електротехнологічних комплексів для виробництва високовольтних і надвисоковольтних кабелів з полімерною ізоляцією шляхом розробки нових концепції аналізу збурених електричних полів та методів виготовлення елементів кабелів з урахуванням взаємних зв’язків між параметрами цих елементів. Отримані результати у сукупності є теоретичним узагальненням та новим вирішенням важливої науково-прикладної проблеми – створення електротехнологічних комплексів для промислового виробництва надвисоковольтних кабелів з підвищеними надійністю, безпекою та екологічністю.

Розроблено нову концепцію аналізу електричного поля в ізоляції кабелів із урахуванням локальних напруженості поля і напруженого об'єму та сукупного впливу на них різних дефектів і параметрів елементів кабелів. Розроблено нові принципи побудови установок екструзійного нанесення на металеву жилу полімерної ізоляції та її вулканізації. Розвинуто методи виготовлення жил великого перетину з підвищеною якістю поверхні. Розроблено принципи побудови енергоефективних систем для випробування надвисоковольтних кабелів підвищеною змінною напругою та вимірювання в них рівня часткових розрядів. На основі результатів дисертації вперше в СНД створено електротехнологічні комплекси для промислового виробництва кабелів зі ЗПЕ ізоляцією на напруги до 330 кВ на ЗАТ "Завод "Південкабель" (м. Харків, Україна). Кабелі особливо ефективні в лініях електропередачі з довільними нахилами та значними вигинами, при наявності щільних забудов, комунікацій і водних перешкод.

Ключові слова: електротехнологічний комплекс, надвисока напруга, електричне поле, кабель, полімерна ізоляція, напруженість.

Золотарев В.М. Электротехнологический комплекс для производства высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей с полимерной изоляцией. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению научно-прикладной проблемы разработки научных основ создания электротехнологических комплексов для промышленного производства высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей со сшитой полимерной (СПЭ) изоляцией путем создания концепции анализа электрического поля (ЭП), возмущенного совокупностью микродефектов в элементах кабелей, и разработки новых методов производства сверхвысоковольтных кабелей с учетом взаимных связей между параметрами их элементов. Полученные результаты в совокупности являются теоретическим обобщением и новым решением важной научно-прикладной проблемы – создания электротехнологических комплексов для промышленного производства сверхвысоковольтных кабелей с повышенными надежностью, безопасностью и экологичностью для систем электроснабжения потребителей энергии в условиях плотной промышленной и коммунальной застройки, разветвленных коммуникаций и водных преград.

В работе определены взаимные связи между параметрами элементов высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелейПЭ изоляции, полупроводящих полимерных слоев, токопроводящей многопроволочной жилы и медного экрана), изготавливаемых разными установками комплекса, и закономерности совокупного влияния дефектов в этих элементах на возмущение ЭП в изоляции кабеля. Разработана концепция анализа такого неоднородного ЭП с учетом увеличения его напряженности и напряженного объема (то есть объема, в котором напряженность ЭП превышает допустимое значение) одиночными поверхностными и объемными дефектами изоляции, а также совокупностью близко расположенных дефектов в изоляции и других элементах кабелей (полупроводящих слоях, многопроволочной жиле и экране). Под близко расположенными подразумеваются дефекты, размеры которых могут быть меньше критических, но больше, чем расстояния между ними.

В соответствии с новой концепцией необходимо учитывать также параметры и свойства полупроводящих полимерных слоев, а также особенности конструкции проводящих и водоблокирующих элементов. В работе обосновано, что поверхностные дефекты возмущают ЭП в изоляции кабелей сильнее, чем аналогичные объемные, и что с повышением напряжения и температуры жилы кабелей, экранирующие свойства их полупроводящих слоев, надо повышать. Разработан метод повышения стойкости сверхвысоковольтных кабелей к токовым нагрузкам и высоким внешним температурам за счет увеличения электропроводности их полупроводящих слоев при температурах выше 110 0С.

Разработаны новые критерии качества элементов изолированной металлической жилы и принципы построения установок для ее изготовления, использующие:

– математическую модель для определения конфигурации вулканизационной установки и силовых характеристик электроприводов, регулирующих скорость движения наклонной свободно провисающей жилы с учетом ее удельной массы и нестабильности напряжения питания;

– индукционный подогрев жилы до заданной температуры, экструзионное нанесение на жилу способной к сшиванию трехслойной изоляции, ее охлаждение до твердого состояния, регулирование и стабилизацию линейного движения и вращения жилы в вулканизационной камере;

– регулирование толщины всех слоев изоляции, температуры в каждой зоне ее термообработки и положения жилы относительно оси вулканизационной камеры.

Развит метод изготовления токопроводящих жил большого сечения с повышенным качеством их поверхности и продольной водоблокировкой, в частности, разработан метод индукционной градиентной термообработки и прессования алюминиевых слитков для производства катанки с высоким качеством поверхности. Создана математическая модель для оценки усилий при волочении алюминиевой катанки с учетом ее обжатия, деформации и нагартовки на одном переходе.

Для улучшения продольной водоблокировки кабелей разработан и внедрен в промышленное производство метод введения водонабухающей полупроводящей полимерной ленты в их многопроволочную жилу с реализацией в ней коэффициента уплотнения при скручивании k  0,9 (в том числе и в жилах типа "Милликен"). Усовершенствован также метод продольной температурной диагностики изоляции и полупроводящих слоев высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей за счет введения волоконно-оптических термодатчиков в их многопроволочные экраны.

Разработаны и внедрены в производство принципы построения энергоэффективных резонансных систем для обеспечения испытаний сверхвысоковольтных кабелей повышенным переменным напряжением и измерения уровня частичных разрядов в СПЭ изоляции всей длины кабеля. Разработана математическая модель для анализа переходных процессов в электрических цепях системы при частичных и полных пробоях изоляции кабелей и реакторов, а также при несинусоидальных искажениях напряжения электропитания. Создана система, в резонансном контуре которой добротностью Q=20-40 на кабеле может возникать напряжение до 500 кВ при пропускании через кабель электрической мощности до 20 МВА. Частичные разряды измеряются с точностью не менее 2 пКл. Входная мощность системы составляет не более 500 кВА, ток короткого замыкания при пробое изоляции кабеля меньше 1 А, низкий уровень искажений исходного напряжения и незначительные перенапряжения при пробое изоляции кабеля или реактора.

На основе полученных в диссертации результатов впервые в СНГ созданы электротехнологические комплексы для промышленного производства кабелей с полимерной изоляцией на напряжения до 330 кВ на ЗАО "Завод "Южкабель" (г. Харьков, Украина). Применение кабелей особенно эффективно в мощных системах электроснабжения в линиях электропередачи с произвольными наклонами и значительными изгибами при наличии плотных застроек, коммуникаций и водных препятствий.

Ключевые слова: электротехнологический комплекс, сверхвысокое напряжение, электрическое поле, кабель, полимерная изоляция, напряженность.

Zolotaryov V.M. Electrotechnological complex for production of high-voltage and superhigh-voltage cables with polymeric insulation. - Manuscript.

Thesis for a doctor of technical sciences degree on speciality 05.09.03 – electrical engineering complexes and systems. - Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2010.

In the dissertation the theory of creation of electrotechnological complexes for production of high-voltage and superhigh-voltage cables with polymeric insulation has received the further evolution by development new concepts of the analysis of the disturbing electric fields and methods of manufacturing of cables in view of interconnections between parameters of their elements. The received results in the aggregate is theoretical generalization and the new solution of the important scientific - applied problem - creation of electrotechnological complexes for industrial production of superhigh-voltage cables with the increased reliability, safety and ecological compatibility.

The new concept of the analysis of an electric field in insulation of cables in view of local field intensity and intense volume as well as cumulative influence on them of different defects and parameters of cable elements is developed. New principles of construction of installations for extrusion coatings on a metal conductor of polymeric insulation and its vulcanization are worked out. The methods for manufacturing of heavy-section cable conductors with the increased quality of a surface are developed. The principles of construction of energy-effective systems for test of superhigh-voltage cables by increased alternating voltage as well as for measuring of a level of partial discharges in these cables are determined. For the first time in the CIS on Joint-Stock Company "Factory "Pivdenkabel" (Kharkov, Ukraine) the electrotechnical complexes for industrial production of cables with XLPE insulation on voltages up to 330 kV are created on the basis of the received results. These cables are especially effective in transmission lines with the arbitrary declinations and the considerable inflexions at presence of the compact buildings, service lines and water obstructions.

Key words: electrotechnological complex, supervoltage, electric field, cable, polymeric insulation, intensity.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42231. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМЫ ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 945 KB
  Если контролируемую поверхность детали совместить с измерительной поверхностью эталона то при несоответствии их формы образуется воздушный промежуток который можно рассматривать как пластинку толщиной h с показателем преломления n=1. Число колец любого но одного цвета характеризует разность стрелок прогиба поверхности детали и эталона. Форма интерференционных колец в сечении параллельном их направлению воспроизводит профиль воздушного зазора между поверхностями детали и эталона. Если кривизна поверхности детали меняется плавно кольца...
42232. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА КАТУШЕК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 44 KB
  Предмет исследования В лабораторной работе исследуются четыре катушки N1. На передней панели стенда расположены исследуемые катушки N1 N4. Каждая катушка включена в соответствующую схему выключателем а в цепи катушки N1 имеется амперметр P1 тип М381 класс точности 15 по которому контролируют значение протекающего через обмотку катушки тока. Катушки N1 и N2 подключаются выключателем SF2 к источнику постоянного напряжения 110 В а катушки N3 и N4 выключателем SF1 к источнику переменного напряжения 220 В.
42233. Методы проведения фотоэлектроколориметрии двухкомпонентных систем 2.19 MB
  Фотоколориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами. Отличается от колориметрии тем, что интенсивность поглощения света оценивается не глазом исследователя, а специальными приборами – фотоэлектроколориметрами.
42234. Побудова лінійної моделі з допомогою псевдообернених операторів 63.5 KB
  На виході системи спостерігається сигнал у вигляді вектора розмірності . Постановка задачі: Для послідовності вхідних сигналів та вихідних сигналів знайти оператор перетворення вхідного сигналу у вихідний. Систему 1 запишемо у матричній формі або 2 де – матриця вхідних сигналів розмірності – матриця вихідних сигналів розмірності . Варіанти вхідних на вихідних сигналів для яких потрібно побудувати лінійний оператор перетворення вхідного сигналу у вихідний: 1 Вхідний сигнал – x1.
42235. Методи реалізації на мові Асемблера основних виконавчих операторів мови Паскаль. Методика включення текстів програм на мові Асемблера в програми на мові Паскаль 136.5 KB
  Робота виконується на двох заняттях. На першому занятті на базі програми на мові Паскаль студенти створюють файл, що містить результати трансляції кожного оператора Паскаль-програми на мові Асемблера, вивчають методи реалізації на мові Асемблера найуживаніших операторів мови Паскаль. На другому занятті оформляють у Паскаль-програмі асемблерну вставку, що оптимізує, по можливості, Паскаль-програму в обсязі і/або швидкодії.
42236. ПЗО побудувати на Intel 8255 39 KB
  Для керування використовувати розряд 4 каналу РС для сигналу Redy розряд 0 каналу РС. Очікування сигналу “Redy†РС0=1. Ввімкнення сигналу “Control†РС4=1. Вимкнення сигналу “Control†РС4=0.
42237. Создание изображений с помощью Adobe Photoshop 941 KB
  Основное меню расположенное в верхней части окна позволяет выбирать все команды программы Photoshop. Пункт Параметры в меню Окно Window позволяет включить или отключить вывод панели активных инструментов на экран. Состав палитр отображаемых в рабочем окне указывается с помощью команды Окно Window основного меню программы Photoshop. Инструментальная панель PhotoShop Можно выбрать нужный инструмент либо щелкнув мышью на его значке в панели инструментов либо перетащив курсор мыши на его значок в значке в панели инструментов либо...
42238. Работа с векторной графикой в Adobe Photoshop 448.5 KB
  Кнопка для вывода оглавления Этапы создания кнопки: Создание нового рисунка размером 25090 пикселей с прозрачным фоном. Установка для инструмента Карандаш Pencil размера 9 пикселей. Зеркальный Линейный Зеркальный Зеркальный Линейный Зеркальный Зеркальный Угол 90 90 90 90 95 90 90 0 90 90 Масштаб 130 130 130 90 110 80 100 100 100 110 Дополнительные эффекты Обводка Размер: 2 пикс. Цвет: RGB255 0 0 Тень Цвет: RGB137 11 5 Смещение: 9 пикс.
42239. Создание анимационных изображений в Adobe Photoshop 781.5 KB
  На панели этого инструмента можно задать следующие опции: вид гарнитуру шрифта – ; стиль шрифта Regulr – обычный Itlic – курсив Bold – жирный Bold Itlic – жирный курсив – ; размер шрифта в пунктах – ; режим сглаживания для границ символов – ; режим выравнивания – выравнивание влево по центру или вправо; цвет текста – при щелчке по этому прямоугольнику открывается окно Палитра цветов в котором можно задать цвет текста ; деформация текста вывод текста по заданной кривой – ; включение выключение палитры символов...