Стрес-конус (stress cone) на кінцевій муфті кабелю середньої напруги — чому обрізаний екран сам по собі створює проблему електричного поля

Посібник про з'єднувальні муфти розглядає механічну конструкцію та вимоги до герметизації (згідно з IEC 61442) повного з'єднання між двома кінцями кабелю. Ця стаття розглядає глибинну проблему, яку необхідно вирішити при кожній кінцевій муфті кабелю середньої напруги — і при кожній з'єднувальній муфті — незалежно від застосовуваного типу муфти чи кінцевої заробки: сильну концентрацію електричного поля, що виникає в місці, де провідний екран кабелю обрізається, та методи (об'єднані під терміном керування напруженістю, stress control), що слугують для її усунення. IEC 60502-4 встановлює вимоги до випробувань кабельної арматури — кінцевих заробок, з'єднувальних муфт та роз'єднувальних з'єднувачів — для кабелів з номінальною напругою від 6 кВ до 30 кВ включно.

Чому екран кабелю взагалі утримує поле рівномірним

Кабель середньої напруги з екструдованою ізоляцією (наприклад, зі зшитого поліетилену, ЗПЕ) має провідний екран, що оточує ізоляцію та утримується на потенціалі землі. Поки цей екран повністю й безперервно оточує ізоляцію, електричне поле між жилою (під високою напругою) та екраном (на потенціалі землі) залишається радіальним і рівномірно розподіленим — саме той розподіл поля, для якого розрахована товщина ізоляції кабелю.

Проблема: концентроване поле в місці закінчення екрана

На кінцевій заробці або з'єднувальній муфті екран має бути обрізаний у певному місці, щоб оголити жилу для з'єднання. Саме в цьому місці потенціал землі екрана різко закінчується, тоді як жила продовжує перебувати під повною напругою — внаслідок чого лінії рівного потенціалу електричного поля там сильно згущуються. Без додаткових заходів на краю обрізаного екрана виникає локальна напруженість поля, яка може в багато разів перевищувати напруженість поля в решті ізоляції кабелю — значно вище того, що ізоляція здатна тривало витримати в цьому місці, з підвищеним ризиком часткових розрядів (див. посібник про вимірювання часткових розрядів та tan-дельта) і, зрештою, пробою.

Чотири поширені методи усунення цієї концентрації поля

• Геометричне керування полем (стрес-конус): провідний, конусоподібний елемент встановлюється безпосередньо на краю обрізаного екрана і поступово звужується над частиною оголеної ізоляції. Ця форма змушує лінії рівного потенціалу поступово відокремлюватися від ізоляції на більшій площі, замість того щоб концентруватися на одному гострому краї.
• Резистивне керування полем: шар з нелінійним електричним опором навколо переходу розподіляє падіння напруги на переході більш поступово, замість концентрації його на краю екрана.
• Рефракційне керування полем: матеріал з відмінною діелектричною проникністю навколо переходу "заломлює" лінії поля подібно до оптичного заломлення, завдяки чому вони сходяться менш різко на краю екрана.
• Ємнісне керування полем (високо-K stress control): шар з високою діелектричною проникністю навколо переходу екрана розсіює електричну напругу за допомогою ємнісного зв'язку вздовж поверхні ізоляції, замість того щоб дозволяти напрузі концентруватися на краю екрана.

Ці чотири методи не є довільно взаємозамінними: тип кабельної арматури (попередньо сформована холодна усадка, муфта на основі смоли, термоусаджувана кінцева заробка) зазвичай визначає, який метод — чи яка комбінація — застосовується виробником, тому екран ніколи не слід обрізати без встановлення елемента керування напруженістю, спеціально розробленого для даного продукту.

Чому це особливо критично при середній напрузі і зазвичай не критично при низькій

При кабелі низької напруги напруга на ізоляції настільки низька, що концентрація поля на обрізаному екрані зазвичай залишається значно нижче пробивної міцності ізоляції навіть без спеціальних заходів керування напруженістю — тому з'єднання низької напруги рідко потребують окремого стрес-конуса. При середній напрузі (і вище) та сама концентрація поля, при тій самій геометричній гостроті переходу, все ж стає критичною, просто тому що абсолютна напруга — а отже, і абсолютна напруженість поля в кожній точці — пропорційно вища.

Примітка: точна форма та розміри стрес-конуса, а також вибір між геометричним, резистивним, рефракційним чи ємнісним керуванням полем (або їх комбінацією) визначаються конструкцією конкретної кабельної арматури і випробовуються виробником згідно з IEC 60502-4; ця стаття розглядає глибинний принцип, а не готову інструкцію з монтажу для кожного продукту.

Практичне значення

При монтажі кінцевої заробки або з'єднувальної муфти середньої напруги елемент керування напруженістю завжди має позиціонуватися точно згідно з інструкцією з монтажу виробника відносно краю обрізаного екрана — стрес-конус, зсунутий занадто далеко вперед або назад відносно краю екрана, не відновлює правильно рівномірний розподіл поля і все ж може призвести до передчасних часткових розрядів і пробою, навіть якщо всі інші елементи кінцевої заробки змонтовані правильно.

Часті помилки

1. Обрізання екрана кабелю середньої напруги без встановлення елемента керування напруженістю, розробленого для даного продукту — це залишає невирішеною гостру концентрацію поля на краю екрана.
2. Застосування стрес-конуса одного продукту чи бренду на кабельній арматурі іншого бренду — керування полем специфічно підібране під геометрію та матеріали відповідного продукту і не є просто взаємозамінним.
3. Неправильне позиціонування елемента керування напруженістю відносно краю обрізаного екрана — помилка позиціонування навіть на кілька сантиметрів може значною мірою звести нанівець передбачене керування полем.
4. Припущення, що стрес-конус так само необхідний при з'єднанні низької напруги, як і при середній напрузі — при низькій напрузі концентрація поля на обрізаному екрані зазвичай залишається значно нижче пробивної міцності ізоляції, що не означає, що те саме припущення застосовне й до середньої напруги.

Пов'язані матеріали

• З'єднувальні муфти — підземні кабельні з'єднання та ремонти (IEC 61442)
• Крос-бондинг екранів кабелів на довгих трасах кабелів СН/ВН
• Заземлення екрана кабелю — одностороннє або двостороннє
• Вимірювання часткових розрядів (PD) і tan-дельта на кабелях СН