Файл: Дмитревский, В. С. Высоковольтные гибкие кабели.pdf

теля. Продольные ііівы, расположенные в сечении массы по образующим (секторный эффект), дают значитель­ ное ослабление оболочки.

Вследствие перечисленных причин резиновая оболоч­ ка приобретает механическую неоднородность, прояв­ ляющуюся в том, что ее прочность на разрыв в про­ дольном направлении оказывается больше, а относи­ тельное удлинение и сопротивление раздиру — меньше, чем в поперечном направлении. Неоднородность физико­ механических свойств приводит к неравномерной вы­ тяжке, ускоренному износу резиновой оболочки, сни­ жает ее стойкость к раздиру, вырыву.

Наиболее эффективным способом предотвращения продольных швов п ориентации молекулярных звеньев является относительное смещение направления движе­ ния внутреннего и наружного слоев оболочки при ее формовании.

Этот способ основан на применении дорна и матри­ цы, имеющих на конической поверхности винтовые многозаходные каналы с взаимно противоположным направлением нарезки. Когда резиновая смесь посту­ пает в зазор между дорном и матрицей, продольные швы II ^ориентированные молекулярные звенья подвер­ гаются левому смещению у поверхности дорна и право­ м у— у поверхности матрицы, а внутренний слой оболоч­ ки сохраняет первоначальное направление.

В результате смещения движений трех слоев про­ исходит сглаживание продольных швов и каландрового эффекта.

Проведенная в НИКИ г. Томска экспериментальная проверка показала, что этот способ позволяет значи­ тельно (на 20—50%) увеличить прочность резиновой оболочки на раздир.

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ИЗОЛЯЦИИ

ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЕЙ

3-1. О СН О ВН Ы Е З А Д А Ч И РАСЧЕТА И ЗО ЛЯЦИ И

Проектирование электрической изоляции кабеля сводит­ ся к отысканию ответа на следующие два вопроса: 1) какой применить электроизоляционный материал;

79

2) какие размеры электрической изоляции (толщина) обеспечат ее длительную работу в эксплуатации.

При решении этих двух вопросов необходимо одно­ временно учитывать ряд дополнительных факторов: недефнцптность применяемого электроизоляционного ма­ териала, технологичность конструкции, экономичность кабеля и ряд других. Это показывает, что проектирова­ ние высоковольтной изоляции является многофакторной задачей, успешное решение которой зависит от наличия исчерпывающей информации о работе конструкции и имеющихся функциональных зависимостей между от­ дельными факторами.

При проектировании кабельной изоляции широко применяется опыт разработки и эксплуатации сущест­ вующих конструкций.

Для гибких высоковольтных кабелей в качестве электроизоляционных материалов применяют резины. Основное достоинство резин—их высокая эластичность в широком диапазоне температур. Это позволяет созда­ вать кабели высокой гибкости.

Выбор состава резин производят на основе задан­ ных условий эксплуатации и соображений, приведенных в § 2-3. Целесообразно выбирать несколько составов резин с тем, чтобы сравнить технико-экономические показатели кабеля на основе каждого рецепта и при­ нять к внедрению лучший из них.

Толщину высоковольтной изоляции определяют из

где биз — толщина изоляции; гт— радиус токопроводя­

к выбору Дм, которая в изоляции является сложной функцией свойств электроизоляционного материала (электрической прочности и ее изменения во времени), условий эксплуатации (перенапряжений, механических нагрузок, пределов изменения температур, влажности и т. д.), заданного срока службы и вероятности безот­ казной работы в течение этого срока, экономических

80

показателей кабеля и ряда других факторов. Естествен­ но, учет всех факторов при выборе максимальной рабо­ чей напряженности поля представляет значительные трудности. Обычно максимальная рабочая напряжен­ ность поля определяется как электрическая прочность электроизоляционного материала, поделенная на коэф­ фициент запаса. Коэффициент запаса принимается на основе оценки тех максимальных воздействий, которые имеют место в эксплуатации. Предполагается, что если эксплуатационная напряженность поля в изоляции не превысит электрической прочности электроизоляционно­ го материала, то отказа кабеля не произойдет. Измене­ ние электрической прочности электроизоляционного ма­ териала при длительном действии напряжения и других факторов учитывается очень неточно.

Расчет электрической изоляции с использованием коэффициента запаса не дает возможности оценить ее эксплуатационную надежность при заданном сроке службы, ß свою очередь, не зная надежность изоляции, нельзя определить среднегодовую стоимость кабельной линии, т. е. экономическую эффективность разработан­ ной конструкции.

Разработка методов, которые позволили бы более точно учитывать условия эксплуатации и оценивать на­ дежность изоляции при данной рабочей напряженности поля, является актуальной научной и практической за­ дачей. С другой стороны, установление связи между рабочей напряженностью поля изоляции и ее надеж­ ностью дало бы проектировщикам мощный инструмент к разработке кабелей, имеющих высокие технико-эконо­ мические данные.

3-2. УРАВНЕНИЕ «КРИВОЙ Ж ИЗНИ» ПО Л И М ЕРН Ы Х ДИЭЛЕКТРИКОВ

Разрушение диэлектрического материала обусловлено подведенной энергией. Природа энергии (тепловая, электрическая, механическая и т. д.) не имеет значения. Для получения уравнения кривой «жизни» изоляции воспользуемся рассуждениями, приведенными в [Л. 35].

Потенциальная энергия взаимодействия соседних атомов цепи полимера записывается в виде функции Морзе

в (3-3) значение ІІ(г) из (3-2), приравнивая производ­

Решая уравнение (3-5), получаем:

Вычисляя из системы уравнений (3-6) и г2 и под­ ставляя в (3-4), после преобразования получаем высоту потенциального барьера:

д ѵ = о / т п з : _ а, 1п ( £ + £ J/ Т Т Ж _

(3 - 7 )

82

Учитывая, что в практических условиях работы af<^.D, уравнение (3-7) можно приближенно записать.

Вероятность того, что под действием тепловых флюк­ туаций колебательная энергия превысит ДѴ в одной ва-

стота колебаний атомов в цепочке). Диссоциированная связь может в дальнейшем рекомбинировать. Число рекомбинируемых связей равно числу разрываемых свя-

При небольших- f плотность неразорванных связен п приблизительно равна плотности всех связей N.

Процесс разрыва связей определяется разностью вероятностей их диссоциации и рекомбинации в единицу времени, т. е.

или, подставляя значение ДѴ из (3-7а), получаем:

Даже при небольшой нагрузке первый член в скоб­ ках уравнения (3-8а) много больше второго. Поэтому вторым членом в скобках можно пренебречь и записать:

В разрываемой связи усилие в е раз больше средней величины, т. е. f=eFcv. Средняя сила, действующая на связь, равна Fcp=a/N. Плотность связей на единицу сечения определим:

где /Ѵа — число Авогадро; р — плотность материала; R —

в частности, конечности длины молекулярных цепей. Действительно, концы молекулярных цепей, имеющих возможность проскальзывать, не воспринимают нагруз­ ки. Если обозначить длину конца молекулярной цепи, способную выдергиваться через / о , то при средней длине молекулы I вероятность концов цепей, не воспринимаю­ щих нагрузку, составит 21а/1 = 2іп/тп (т — молекуляр­ ная масса конца цепи, способной к проскальзыванию);

При неупорядоченном расположении молекул коли­ чество связей, воспринимающих нагрузку, еще умень­ шится:

Коэффициент неупорядоченности расположения мо­ лекулярных цепочек а изменяется в пределах от 1 до 3.

Учитывая сделанные замечания, определим силу, действующую на связи:

(3-8в)

Считая вероятность разрыва связей q независимой от рассматриваемого промежутка времени, критерием разрушения материала примем наступление достовер­ ного события, т. е.

84