DOI: https://doi.org/10.15407/publishing2018.49.082

УДК 621.3.01:537.212

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ В СШИТОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ ВБЛИЗИ ВОДНЫХ МИКРОДЕФЕКТОВ ПРИ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИИ

М.А. Щерба, канд. техн. наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина,
е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів, Вам потрібно включити JavaScript для перегляду

Исследованы электромеханические силы, возникающие на полюсах водных микровключений и у остриев триингов в сшитой полиэтиленовой изоляции сверхвысоковольтных кабелей в переменном электрическом поле. Методом конечных элементов проведены численные эксперименты по расчету электрического поля и механических напряжений в изоляции, возникающих под действием сил диэлектрофореза со стороны водных микродефектов. Установлены особенности изменения этих напряжений в зависимости от характера распространения дефектов в материал изоляции: конфигурации включений, количества и направлений прорастания ветвей триингов. Определены наиболее опасные совокупности дефектов, вызывающие наибольшие поверхностные силы. Такие силы могут превышать десятки МПа, сопоставимы с пределом механической прочности сшитого полиэтилена и могут приводить к его локальным разрушениям. Механическая усталость материала в сильном электрическом поле в присутствии воды может быть объяснением необратимого старения изоляции сверхвысоковольтных кабелей, которая наблюдается при их длительной эксплуатации. Библ. 11, рис. 7.
Ключевые слова: электрическое поле, СПЭ изоляция, водные микровключения, водные триинги, математическое моделирование, силы диэлектрофореза, механическое напряжение.

РОЗРАХУНОК ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИЛ У ЗШИТІЙ ПОЛІЕТИЛЕНОВІЙ ІЗОЛЯЦІЇ КАБЕЛІВ БІЛЯ ВОДНИХ МІКРОДЕФЕКТІВ ПРИ ЇХ ПОШИРЕННІ

М.А. Щерба, канд. техн. наук
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна

Досліджено електромеханічні сили, що виникають на полюсах водних мікровключень і біля вістря триїнгів в зшитій поліетиленовій ізоляції надвисоковольтних кабелів у змінному електричному полі. Методом кінцевих елементів проведено чисельні експерименти з розрахунку механічних напружень у ізоляції, які виникають під дією сил діелектрофорезу з боку водних мікродефектів. Встановлено особливості зміни цих напружень в залежності від характеру поширення дефектів у матеріал ізоляції: конфігурації включень, кількості і напрямків проростання гілок триїнгів. Визначено найбільш небезпечні сукупності дефектів, які викликають найбільші поверхневі сили. Такі сили можуть перевищувати десятки МПа, є співставними з межею механічної міцності зшитого поліетилену і можуть призводити до локальних руйнувань матеріалу. Механічна втома матеріалу в сильному електричному полі в присутності води може бути поясненням незворотного старіння ізоляції надвисоковольтних кабелів, яка спостерігається при їх тривалій експлуатації. Бібл. 11, рис. 7.
Ключові слова: електричне поле, ЗПЕ ізоляція, водні мікровключення, водні триїнги, математичне моделювання, сили діелектрофорезу, механічне напруження.
Література
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. 4-е изд. Москва: Физматлит. 2003. 560 с.
2. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Мультифизическое моделирование в электротехнике. Киев: Институт электродинамики НАН Украины, 2015. 304 с.
3. Шидловский А.К., Щерба А.А., Золотарев В.М., Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Кабели с полимерной изоляцией на сверхвысокие напряжения. Киев: Институт электродинамики НАН Украины, 2013. 550 с.
4. Щерба М.А. Особенности локального усиления электрического поля проводящими включениями в нелинейной полимерной изоляции. Технічна електродинаміка. 2015. № 2. C. 16–23.
5. Щерба М.А. Влияние электропроводности водных триингов на плотности токов и давлений, возникающие в полиэтиленовой изоляции. Технічна електродинаміка. 2016. № 4. C. 14–16.
6. Boggs S.A. Semi-empirical high-field conduction model for polyethylene and implications thereof. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation. 1995. Vol 2.1. P. 97–106.
7. Burkes K.W., Makram E.B., Hadidi R. Water Tree Detection in Underground Cables Using Time Domain Reflectometry. IEEE Power and Energy Technology Systems Journal. 2015. Vol. 2(2). P. 53–62. DOI: https://doi.org/10.1109/JPETS.2015.2420791
8. Comsol Inc. Burlington, MA. https://www.comsol.com, 2017.
9. Kurihara T., Okamoto T., Hozumi N., Miyajima K., Uchida K. Evaluation of relationship between residual charge signal and AC breakdown strength of water-tree degraded XLPE cables removed from service using. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation. 2017. Vol. 24(1). P. 656–665. DOI: https://doi.org/10.1109/TDEI.2016.006244
10. Tokoro T., Nagao M. and Kosaki M. High Field Dielectric Properties and ac Dissipation Current Waveforms of Polyethylene Film. IEEE Trans. on Electrical Insulation. 1992. Vol. 27. No. 3. P. 482–487. DOI: https://doi.org/10.1109/14.142710
11. Wang W., Tao W., Ma Z., Liu J. The mechanism of water tree growth in XLPE cables based on the finite element method. IEEE Intern. Conf on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), Chengdu (China). 2016. P. 1–4.