交流 耐電圧試験用のケーブル終端の設計

エンジニアリングでは、経済的、技術的、実用的、環境的な制限により、理想的なソリューションまたはプロジェクトを確立する必要があります。送電線や配電線の設計と建設では、架空ケーブルと地中ケーブルという 2 種類のケーブルを使用できます [1]。高電圧地下ケーブルは、中圧産業施設、地下および海底送電接続、再生可能エネルギープラント [1]、住宅用建物や都市中心部への給電、施設内などのさまざまな用途で導電体として広く使用されています。環境的および視覚的な側面から、地下ケーブルの使用が必要な場合。ただし、地下ケーブルの設置は、架空ケーブルの適用と比較すると、多額の財政支出を意味します [1、2]。

&注意;さらに、地中ケーブルの複雑な製造プロセスと製品やメーカーの多様性により、低性能のケーブルが商品化される可能性があります。地下用途では、ケーブルは寿命中に電​​気的（動作電圧、過電圧サージなどによる）、熱的（ケーブルが異常な温度にさらされるため）などのさまざまなストレスにさらされるため、優れた性能のケーブルを使用することが不可欠です。上昇、熱膨張、収縮）、機械的要因（外部損傷、横方向の衝撃、圧力異常など）、環境要因（湿気、酸化、日射、その他の現象による）

したがって、前述のストレス下での動作を保証し、電源の信頼性と連続性を向上させるには、ケーブルを定期的な電気試験にさらして、本質的に絶縁材料の誘電性能を保証し、結果として経済的損失を軽減する必要があります。電力会社や産業向け。最も広く使用されている材料の 1 つは架橋ポリエチレン (XLPE) です。

電力ケーブルの故障のほとんどは接続部と終端部で発生しますが、ケーブルの絶縁材料の評価は非常に必要です。この評価に必要なテストの 1 つは、ケーブルの耐圧の測定です。国際規格 IEC 60229 および IEC 60520-2 [6,7] は、高電圧ケーブルのテスト要件を確立しています。ブラジルでは、規格 NBR 10299 および NBR 16132 [8,9] により、電圧が 15 kV を超えるシステムのケーブル内の穿刺電界強度の統計的分布のテストに関する仕様が規定されています。NBR 10299 は、設置されたケーブルの長さに基づいて最小故障率を設定することを目的としています。一般に受け入れられている値は、6.7 × 10−4 故障/(年 × km) です。

規定のテストは、有効長が少なくとも 3 m のサンプルを使用して、つまり両側の終端を考慮せずに実行する必要があります。外部シールドは接地され、内部絶縁破壊に達するまで、上昇する 交流 電圧がケーブルに印加されます。実験のセットアップでは、有効長のケーブルで故障が発生することを確認する必要があります。テストでは、通常の動作電圧の 5 ～ 10 倍の値の過電圧がケーブルにかかる可能性があることを考慮すると、テスト中に直面する主な問題は、ケーブル端の電界歪みであり、これが外部破壊を引き起こし、ケーブルの評価を妨げます。内側の断熱材。現場での設置や絶縁ケーブルの絶縁破壊電圧試験を行うには、ケーブルの絶縁体の一部を除去する必要があります。有効長内の電界は、半径方向と対数挙動を伴う予測可能な分布を持っていますが [1、2、10]、ケーブル端では大きな電界強化が見られます。シールド端付近の電界を図 1 に示します。したがって、テストを成功させるには、このような予測可能な分布が保証される必要があります。

ケーブル端は空気に加えて、導体、半導体層、絶縁層、シールド用の導電テープで構成されます。異なる電気特性、絶縁耐力、および比誘電率を備えた材料の多様性により、軸方向と接線方向の両方の電界成分を持つ非常に不均一な電界が生じます。接線方向の電界は、端末の故障の主な原因の 1 つです [12、13]。ケーブル端での電界強化により、空気中の表面放電と外部放電が発生しますが、これは適切に設計された終端を使用することで防止できます [1、9、10、14]。この意味で、異なる特徴を持つアレンジメントが研究されました [12-19]。

高電圧ケーブルの端末における電界分布を扱った研究のほとんどは、端末、接合部、または応力緩和コーンの解析および/または設計を目的として、有限要素法 (FEM) に基づく市販のソフトウェアを適用しています。[12、15、16] では、高温超伝導体 (HTS) に基づくストレス コーンの設計を支援するためにシミュレーションが使用されました。[16] の著者らは、電界分布を改善するためにエポキシ/ZnO 導電層の使用を提案しました。他の研究では、ケーブルのさまざまな材料とフィールド グレーディング オプションを比較しました。たとえば、[13] では、36 kV 紙絶縁リード線ケーブル (PILC) と架橋ポリエチレン (XLPE) ケーブルのさまざまなタイプのフィールド グレーディング オプションが比較されました。[17] では、ケーブル接続部に対する欠陥の影響が分析されています。そして [18] は、過渡応力を受けるケーブル終端の電界を研究しました。終了のプロジェクト段階では、欠陥が発生しやすい領域を推定し、プロトタイプを改善することも目的として考えられます。これに関して、[19] は、絶縁破壊を受けやすいゾーンを推定し、スリーブのプロトタイプを改善するために、FEM を使用して 110 kV ケーブルのスリーブ内の電場を計算しました。

前述の研究の中には、ストレス コーンの概念に基づいた終端プロジェクトを提示し、電界分布やさまざまな材料の影響を分析したものもあります。しかし、過電圧試験や降伏電圧試験中の終端性能に関する研究は不足しています。さらに、提案されたプロトタイプの中には高価な材料を必要とするものもあります。したがって、この論文では、実現可能な終端の概念、描画、および静電シミュレーションの方法論を報告します。終端は、ケーブルの過電圧テストを確実に完了できる必要があります。提案された手順は、最適化されたケーブル終端の設計にも使用できます。このような終端は通常、たとえば異なる伝送線間のリンクを担当し、コネクタとして機能します。終端部の電気的ストレスの解析には、有限要素法に基づく市販ソフトウェアとサンプルとして使用した単相 35 kV ケーブルモデルを使用して計算シミュレーションを実行しました。このプロジェクトでは従来の材料が考慮されており、コスト削減の可能性が示されています。