Мультифизические процессы в области включения в полиэтиленовой изоляции силового кабеля (трехмерное моделирование и эксперимент)

Abstract

Исследованы трехмерные распределения электрического поля, электрических сил, температуры и электромеханических напряжений в микрообласти полиэтиленовой изоляции с включениями в виде упрощенных триинговых структур. Определены количественные зависимости этих характеристик от формы включений. Компьютерное моделирование выполнено методом конечных элементов. Результаты моделирования подтверждены экспериментально. Получил объяснение один из механизмов разрушения изоляции на микроуровне, связанный с действием электрической силы, всесторонне сжимающей включения, и с локализацией электромеханических напряжений на полюсах включений и вершинах каналов триингов. Результаты представляют практический интерес в связи с внедрением в последнее время в энергосистемы Украины кабелей со сшито-полиэтиленовой изоляцией на напряжение до 330 кВ.

Досліджено тривимірні розподіли електричного поля, електричних сил, температури та електромеханічних напруг у мікрооб’ємі поліетиленової ізоляції із включеннями у вигляді спрощених триїнгових структур. Визначено кількісні залежності цих характеристик від форми включень. Комп'ютерне моделювання виконано методом кінцевих елементів. Результати моделювання підтверджено експериментально. Отримав пояснення один з механізмів руйнування ізоляції на мікрорівні, пов'язаний з дією електричної сили, що всебічно стискає включення, та з локалізацією електромеханічних напружень на полюсах включень і вершинах каналів триїнгів. Результати становлять практичний інтерес у зв'язку із впровадженням останнім часом в енергосистеми України кабелів зі зшито-поліетиленовою ізоляцією на напругу до 330 кВ.

The three-dimensional distributions of electric field, electric forces, temperature and electromechanical stresses in microvolume of polyethylene insulation with the inclusions in the form of simplified water trees are studied. The quantitative dependences of these characteristics on the shape of the inclusions are found. The computer simulation is carried out by finite-element method. The computational results are verified by experiments. One of the destructive mechanisms at the microlevel, associated with the action of the electric force, which compresses the inclusion from all directions, and with the localization of electromechanical stress at the poles of the inclusions and at the peaks of treeing microchannels, is explained. The results are of practical importance in view of application, in recent years in the power system of Ukraine, of cross-linked polyethylene insulated cables for voltage up to 330 kV.