Стресс-конус (stress cone) на концевой муфте кабеля среднего напряжения — почему обрезанный экран сам по себе создаёт проблему электрического поля

Руководство о соединительных муфтах рассматривает механическую конструкцию и требования к герметизации (согласно IEC 61442) полного соединения между двумя концами кабеля. Эта статья рассматривает лежащую в основе проблему, которую необходимо решить при каждой концевой муфте кабеля среднего напряжения — и при каждой соединительной муфте — независимо от применяемого типа муфты или концевой заделки: сильную концентрацию электрического поля, возникающую в месте, где проводящий экран кабеля обрезается, и методы (объединяемые под термином управление напряжённостью, stress control), служащие для её устранения. IEC 60502-4 устанавливает требования к испытаниям кабельной арматуры — концевых заделок, соединительных муфт и разъединяемых соединителей — для кабелей с номинальным напряжением от 6 кВ до 30 кВ включительно.

Почему экран кабеля вообще удерживает поле равномерным

Кабель среднего напряжения с экструдированной изоляцией (например, из сшитого полиэтилена, СПЭ) имеет проводящий экран, окружающий изоляцию и удерживаемый на потенциале земли. Пока этот экран полностью и непрерывно окружает изоляцию, электрическое поле между жилой (под высоким напряжением) и экраном (на потенциале земли) остаётся радиальным и равномерно распределённым — именно то распределение поля, для которого рассчитана толщина изоляции кабеля.

Проблема: концентрированное поле в месте окончания экрана

На концевой заделке или соединительной муфте экран должен быть обрезан в определённом месте, чтобы обнажить жилу для соединения. Именно в этом месте потенциал земли экрана резко заканчивается, в то время как жила продолжает находиться под полным напряжением — в результате чего линии равного потенциала электрического поля там сильно сгущаются. Без дополнительных мер на краю обрезанного экрана возникает локальная напряжённость поля, которая может во много раз превышать напряжённость поля в остальной части изоляции кабеля — значительно выше того, что изоляция способна длительно выдержать в этом месте, с повышенным риском частичных разрядов (см. руководство об измерении частичных разрядов и tan-дельта) и, в конечном счёте, пробоя.

Четыре распространённых метода устранения этой концентрации поля

• Геометрическое управление полем (стресс-конус): проводящий, конусообразный элемент устанавливается непосредственно на краю обрезанного экрана и постепенно сужается над частью обнажённой изоляции. Эта форма заставляет линии равного потенциала постепенно отделяться от изоляции на большей площади, вместо того чтобы концентрироваться на одном остром крае.
• Резистивное управление полем: слой с нелинейным электрическим сопротивлением вокруг перехода распределяет падение напряжения на переходе более постепенно, вместо концентрации его на краю экрана.
• Рефракционное управление полем: материал с отличающейся диэлектрической проницаемостью вокруг перехода "преломляет" линии поля подобно оптическому преломлению, благодаря чему они сходятся менее резко на краю экрана.
• Ёмкостное управление полем (высоко-K stress control): слой с высокой диэлектрической проницаемостью вокруг перехода экрана рассеивает электрическое напряжение посредством ёмкостной связи вдоль поверхности изоляции, вместо того чтобы позволять напряжению концентрироваться на краю экрана.

Эти четыре метода не являются произвольно взаимозаменяемыми: тип кабельной арматуры (предварительно сформованная холодная усадка, муфта на основе смолы, термоусаживаемая концевая заделка) обычно определяет, какой метод — или какая комбинация — применяется производителем, поэтому экран никогда не следует обрезать без установки элемента управления напряжённостью, специально разработанного для данного продукта.

Почему это особенно критично при среднем напряжении и обычно не критично при низком

При кабеле низкого напряжения напряжение на изоляции настолько низкое, что концентрация поля на обрезанном экране обычно остаётся значительно ниже пробивной прочности изоляции даже без специальных мер управления напряжённостью — поэтому соединения низкого напряжения редко требуют отдельного стресс-конуса. При среднем напряжении (и выше) та же концентрация поля, при той же геометрической остроте перехода, всё же становится критической, просто потому что абсолютное напряжение — а значит, и абсолютная напряжённость поля в каждой точке — пропорционально выше.

Примечание: точная форма и размеры стресс-конуса, а также выбор между геометрическим, резистивным, рефракционным или ёмкостным управлением полем (или их комбинацией) определяются конструкцией конкретной кабельной арматуры и испытываются производителем согласно IEC 60502-4; эта статья рассматривает лежащий в основе принцип, а не готовую инструкцию по монтажу для каждого продукта.

Практическое значение

При монтаже концевой заделки или соединительной муфты среднего напряжения элемент управления напряжённостью всегда должен позиционироваться точно согласно инструкции по монтажу производителя относительно края обрезанного экрана — стресс-конус, сдвинутый слишком далеко вперёд или назад относительно края экрана, не восстанавливает правильно равномерное распределение поля и всё же может привести к преждевременным частичным разрядам и пробою, даже если все остальные элементы концевой заделки смонтированы правильно.

Частые ошибки

1. Обрезка экрана кабеля среднего напряжения без установки элемента управления напряжённостью, разработанного для данного продукта — это оставляет нерешённой острую концентрацию поля на краю экрана.
2. Применение стресс-конуса одного продукта или бренда на кабельной арматуре другого бренда — управление полем специфически подобрано под геометрию и материалы соответствующего продукта и не является просто взаимозаменяемым.
3. Неправильное позиционирование элемента управления напряжённостью относительно края обрезанного экрана — ошибка позиционирования даже на несколько сантиметров может в значительной степени свести на нет предполагаемое управление полем.
4. Предположение, что стресс-конус так же необходим при соединении низкого напряжения, как и при среднем напряжении — при низком напряжении концентрация поля на обрезанном экране обычно остаётся значительно ниже пробивной прочности изоляции, что не означает, что то же самое предположение применимо и к среднему напряжению.

Похожие материалы

• Соединительные муфты — подземные кабельные соединения и ремонты (IEC 61442)
• Кросс-бондинг экранов кабелей на длинных трассах кабелей СН/ВН
• Заземление экрана кабеля — одностороннее или двустороннее
• Измерение частичных разрядов (PD) и tan-дельта на кабелях СН