طرح مخروط های فشار قبل از قالب­گیری برای لوازم جانبی های قابل ارتجاع با استفاده از محاسبات کامپیوتری از تنش الکتریکی در لوازم جانبی طراحی و بهینه سازی شده است. با این حال، در طول نصب، مخروط های استرس توسعه می­یابد، به این ترتیب ضخامت لاستیک عایق را کاهش می دهد و این همچنین باعث می شود تا ضخامت های نیمه رسانای دیفلکتور ها شکل اصلی خود را از دست بدهند. با توجه به این، محاسبه میدان الکتریکی برای طرح اصلی ممکن است دیگر در توصیف طرح “توسعه” دقیق نباشد. این مقاله، به کمک INMR توسط توماس کلاین، استفان زیروت و اکخت وندت در Strescon آلمان کمک کرده است که روشی را برای حل این مشکل پیشنهاد شود. اشکال مخروط های استرس و طرح کلی سطح تراز با استفاده از یک روش براساس این فرض که حجم و طول بخش کشسانی با گسترش به طور قابل توجهی تغییر نمی کند، محاسبه شد. تأثیر بر توزیع میدان الکتریکی نیز مورد بحث قرار گرفت.

مقدمهاستفاده از سیستم های کنترل فشار ساخته شده از مواد کشسانی قبل از قالب گیری به طور گسترده ای در لوازم جانبی مدرن برای XLPE  فشار قوی و همچنین کابل های EHV به طور گسترده­ای پایه گذاری شده است. مخروط های استرس از مواد عایق در خارج، و لایه های نیمه رسانای تعبیه شده ساخته می­شود تا به عنوان یک تراز کنترل میدان عمل کند. کشسانی های سیلیکون در این زمینه با توجه به ویژگی های ساختاری فوق العاده و عملکرد برجسته­ی دی الکتریک و مکانیکی در این زمینه شناخته شده اند. روش معمولی تعیین شکل دقیق قطعات مخروطی استرس با استفاده از محاسبه کامپیوتری توزیع میدان الکتریکی در لوازم جانبی صورت می­گیرد. در اتصالات و انتهای فضای خروجی، مخروط های تنش باید بر روی کابل با گسترش قابل توجهی در محدوده تعریف­شده نصب شوند. این توسعه باعث ایجاد فشار سطح مورد نیاز برای مقاومت در برابر استرس میدان الکتریکی در رابط فشار بین مخروط فشار و سطح کابل است. با این حال، در گسترش، مخروط تنش از شکل اولیه خود خارج می­شود، ضخامت دیوار کاهش می یابد و شکل کلی سطح نیمه رسانا را تغییر می­دهد. به همین ترتیب، محاسبه میدان الکتریکی اصلی دیگر قابل اجرا نیست زیرا استرس میدان داخل مخروط تنش و همچنین سطح آن می­تواند افزایش یابد. این به این معنی است که لوازم جانبی نصب شده ممکن است بدتر از پیش بینی­های انجام شده در محاسبات عمل کنند. این روزها، سیستم های کابلی ولتاژ های بالاتر، اغلب به داشتن ضخامت نسبتا کم عایق، تمایل دارند. در نتیجه این کابل ها استرس الکتریکی در عایق را افزایش می­دهد که سیستم کنترل میدان لوازم جانبی را تحت فشار قرار می دهد. در عین حال، استفاده از هادی­هایی با مقطع بزرگ در حال افزایش است که این باعث افزایش بیشتر میدان الکتریکی در انتهای فضای باز است. در نتیجه، مخروط های تنش باید به روش مطلوب طراحی شده و این ضروری است که هر گونه اثرات مربوط به تغییر شکل را در نظر بگیریم. به منظور دستیابی به یک رویکرد مناسب مسئله­ی محاسبه­­ی توسعه­ی سطح تراز، باید برخی از ملاحظات اساسی را در نظر گرفت. خاصیت کشسانی سیلیکون اساسا تراکم ناپذیر هستند و آزمایشات نشان داده اند که طول مخروط تنش برای یک کابل جانبی فشار قوی با گسترش در طول نصب زیاد تغییر نمی­کند. بر این اساس، می توان فرض کرد که حجم بخش کشسانی و همچنین طول آن با گسترش به طور قابل توجهی تغییر نکرده است. با توجه به شرایط مرزی، شکل جدیدی از یک قسمت کنترل میدان کشسانی گسترش یافته، می­تواند محاسبه شود. این سطح ترازها و ابعاد قطر جدید در محاسبه استرس میدان الکتریکی استفاده می شود. طرح اصلی مخروط تنش سپس به طور مناسبی برای انجام عملکرد مطلوب پس از گسترش اصلاح شده است.

تابع دیفلکتور  و طراحی

میدان الکتریکی در عایق کابل های پلیمری مدرن امروزه می­تواند به بیش از ۱۶ کیلوولت / میلی متر (فشار بلند مدت در U0 در نیمه هادی داخلی) برسد. اتصالات و پایانه ها، مورد استفاده برای اتصال کابل ها، باعث تخریب توزیع میدان استوانه ای کابل کواکسیال می­شود. به منظور جلوگیری از افزایش فشار در میدان الکتریکی در اتصالات یا انتهای کابل، از دیفلکتور s استفاده می شود. این دیفلکتور s (الکترود های زمین)، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده، از مواد لاستیکی نیمه رسانا ساخته شده­اند و شکل بیرونی آن­ها به منظور تضمین توزیع میدان مغناطیسی یکنواخت طراحی شده است. در پایان کابل ها، با انتقال به هوا به عنوان محیط عایق، تنش میدان الکتریکی باید کاهش یابد تا از تخلیه در هوا که قدرت دی الکتریک را به طور قابل توجهی کاهش می دهد، جلوگیری شود. به همین دلیل است که پایانه­ی کابل ها از مخروط های استرس با یک الکترود زمین شده برای مدیریت انتقال به هوا و عایق انتهای کابل­ها استفاده می کنند. طرح کلی یک مخروط استرس در شکل ۲ نشان داده شده است.

دیفلکتور  نیمه رسانا (الکترود زمین شده)

ترمینال های تابلوهای عایق بندی­شده­ی گازی (GIS) یا پایانه­های نوع خشک با همان اصل کار می کنند اما در حال حاضر یک عایق بوشینگ وجود دارد که معمولا از یک رزین ریخته گری­شده ساخته شده است که پایانه­ی کابل را با مخروط استرس محصور می­کند. همان نوع مخروط استرس در مفاصل عایق در هر دو انتهای کابل استفاده می شود. علاوه بر این، یک الکترود فشار قوی به عنوان پوشش اتصال برای هادی­ها اعمال می شود. مفصل به طور کامل با یک لایه زمین­شده در خارج پوشیده شده است. تمام ملاحظات در این مقاله در مورد مخروط های استرس در اصل برای الکترودهای فشار قوی نیز کاربرد دارد. درجه بندی تنش الکتریکی برای لوازم جانبی کابل با مخروط های استرس کشسانی، خازن هندسی است. دیفلکتور  محاسبه شده به گونه ای است که فشار داخل ماده و در کنار رابط کابل زیر مقدار حداکثر پذیرفته شده نگه­داشته شود، که براساس تجربه طولانی مدت و بر اساس مواد مورد استفاده قابل اطمینان است.

نمونه ای از فشار مخروطی با دیفلکتور  نیمه رسانای یکپارچه شده برای خاتمه دادن خارجی

توسعه­ی مخروط تنش

رابط بین مخروط تنش و عایق کابل، تحت تأثیر تنش الکتریکی قرار می گیرد. برای حفظ کنترل این استرس، شکاف نباید فضایی داشته باشد و مواد سیلیکونی باید کابل را با فشار سطح کافی ببندند. این با استفاده از یک مخروط استرس با یک حفره و قطر قابل توجه کوچکتر از عایق XLPE به دست می آید. گسترش مواد سیلیکونی کشسانی در هنگام نصب بر روی کابل، فشار سطح مورد نیاز را در شکاف کابل ایجاد می کند. برای اتصالات پلاگین یا نوع خشک پایانه، رابط در خارج از مخروط تنش به دیواره داخلی بوشینگ نیز باید در نظر گرفته شود. اما نرخ توسعه و دامنه آن در این مورد کمتر از مفاصل و یا پایانه های پر شده از مایع است. فشار بین هر دو رابط – عایق XLPE کابل به مخروط فشار، و مخروط فشار به اپوکسی بوشینگ – است که عمدتا با فشار مخروط تنش همراه با کابل به سوراخ مخروطی شکل از بوشینگ اپوکسی شده ایجاد می­شود. برای تهیه­ی فشارهای کافی رابط در طول حرکات حرارتی، یک مکانیزم آبشاری نیروی محوری برای مخروط استرس را ایجاد می­کند. مخروط های استرس قبل از قالب­گیری از سیلیکون کشسانی در تعدادی از اندازه های مختلف در هر سطح ولتاژ تولید می شود و به دلیل هزینه های بالای سرمایه گذاری در قالب­گیری برای این قطعات عایقی، تولید کنندگان ترجیح می دهند که کمترین تعداد از نوع و اندازه مختلف را ارائه دهند. برای طراحی یک خط سازگار از مخروط های استرس، تعیین حداکثر و حداقل توسعه اجازه داده شده و شکل بخش، نقش مهمی را در این امر بازی می­کند. ضخامت دیواره بزرگ باعث افزایش فشار در یک توسعه­ی خاص می شود. فراتر از آن، حداقل توسعه بستگی به حداقل فشار مورد نیاز در داخل شکاف به سطح کابل و نیز سختی کنار سیلیکون با قابلیت کشسانی که مورد استفاده قرار می گیرد، دارد. مواد نرم تر نیاز به گسترش بیشتر دارند و بالعکس. از سوی دیگر، حداکثر توسعه بستگی به کشیدن طول مواد تا هنگام شکستن دارد. برای هر دو مقدار، محدوده­ی کل دما مشخص شده برای لوازم جانبی باید در نظر گرفته شود.

اصل محاسبهقابلیت فشرده سازی سیلیکون

داده های تجربی نشان می دهد که تغییر شکل الاستیکی برای واشر های سیلیکونی کشسانی ۱۰٪ با فشار ۱۰۹ پاسکال (۱۰،۰۰۰ بار) می­باشد. فشار کار برای قطعات کشسانی در لوازم جانبی کابل فشار قوی باید ۱۰۰۰ مرتبه کوچکتر باشد، به طوری که به لحاظ نظری تغییر شکل، بسیار کوچک و به اندازه­ی ۱۰۰ ppm باشد. این مقدار فشردگی ناچیز است. یکی دیگر از جنبه های فیزیکی گازها در قطعات کشسانی می­تواند قابلیت فشرده سازی بالا­ی آن باشد. مواد پایه­ی سیلیکونی در زمان تحویل از تولید کننده کاملا از گاز خالی می­شود. علاوه بر این، لاستیک سیلیکونی مایع معمولی (LSR) در طول واکنش، ترکیبات گازی ایجاد نمی کند. از این جهت قطعات کنترل فشار ساخته شده از سیلیکون های کشسانی معمولا حاوی گازهای حل نشده نیستند. در هر صورت، حباب های ماکروسکوپی، در هر شکل، به طور معمول قطعات را برای کنترل میدان بی فایده می­کنند. از این جهت، با فشردگی قطعات سیلیکون کشسانی که امروزه استفاده می شود، می تواند به راحتی به منظور محاسبه تغییر شکل مخروط فشار، نادیده گرفته شود.

روش محاسبه

محاسبه تئوری گسترش لوله ها با فشار داخلی اعمال شده بسیار پیچیده است، حتی بدون فشردگی. برای لوله های با ضخامت دیواره کوچک، برخی از ساده سازی ها قابل استفاده هستند، اما این فرض در این مورد مستقیماً اعمال نمی شود. نسبت پواسون نسبت منفی عرض محوری تا محور اصلی است. مواد غیر قابل فشرده شدن کامل دارای نسبت پواسون دقیقاً ۰٫۵ می­باشد، اگر به صورت کشسانی تغییر شکل بدهد. بنابراین تغییر در حجم صفر است (فرمول ساده):

نتایج تجربی تأیید می­کنند که تغییر در طول مخروط های فشار برای لوازم جانبی کابل فشار قوی کوچک است، به عنوان مثال معمولا کمتر از ۱٫۵٪ است. بر اساس یافته های فوق و تجربی، می­توان فرض کرد که حجم و همچنین طول بخش کشسانی به طور قابل ملاحظه ای با انبساط تغییر نمی کند. این فرض ها اجازه محاسبات تحلیلی از مسئله را می­دهد. مساحت هر مقطع مخروطی فشار باید ثابت باشد. طراحی چرخش متقارن مخروطی فشار پس از انبساط تغییر نمی­کند. به این ترتیب، شعاع داخلی (قطر کابل) و شعاع بیرونی جدید بعداً با محدوده مساحت ثابت محاسبه می شود. تمام شعاع های دیگر (به عنوان مثال از اجزای هدایت کننده) به ترتیب محاسبه می­شوند.

اهمیت ویژگی­های توسعه

یک مدل ساده استوانه­ای با توسعه­ی ۲۰٪ و ۴۰٪ مورد بررسی قرار می­گیرد. نتایج زیر که در جدول ۱ نشان داده شده است با استفاده از روش مقطع ثابت بر روی طرح و برای یک شعاع معمول داخل سیلندر به دست می­آید.

این مثال دو اثر توسعه را برجسته می کند. در مرحله اول ضخامت سیلندر با ۹٫۲٪ در ۲۰٪ افزایش و ۱۷٫۲٪ در ۴۰٪ افزایش می یابد. تأثیر بر تنش الکتریکی روی سطح قطعات عایق شده در زیر نشان داده شده است. دوم، حرکت خط قرمز (همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است)، داشتن فاصله یکسانی از قطر داخلی و بیرونی سیلندر بدون توسعه، اثرات تغییر شکل در داخل سیلندر را به وجود می­آورد که ناشی از توسعه است. خط به سمت قطر داخلی حرکت می­کند. اثر در توزیع میدان الکتریکی نیز در زیر نشان داده شده است.

شکل ۳: a) سیلندر با Di = 100 میلی متر و Da = 200 میلی متر بدون توسعه b) سیلندر a) با توسعه ۴۰ درصد. Di * = 140 میلی متر، Da * = 222.7 میلی متر.

اثر کاهش ضخامت دیواره در مخروط های استرس

برای اطمینان از کارکرد مناسب لوازم جانبی، یک ضخامت مواد خاصی از اجزای عایق لازم است. این برای مخروط های فشار از کابل های پایانه و برای مفصل بدنه مهم است. از آنجایی که یک جسم مشترک با یک لایه نیمه رسانای زمین شده پوشیده شده است، ضخامت مواد کاهش می یابد و باعث تخلیه جزئی یا حتی سوراخ شدن در لاستیک عایق می­شود. مخروط فشار لایه زمین شده را خارج نمی­کند، اما یک عنصر عایق دوم – روغن در انتهایی مایع معمولی یا عایق اپوکسی در پایانه های نوع خشک وجود دارد. با این حال ضخامت مواد کاهش یافته نیز بسیار مهم است، زیرا فشار میدان الکتریکی روی سطح مخروط فشار افزایش می یابد. حتی عوارض جزئی در طول فرایند نصب می تواند منجر به تخلیه جزئی شود.

شکل ۴ کاهش ضخامت مواد یک مخروط فشار با ۳۰٪ توسعه را نشان می دهد.

۳۰% توسعه­ی مخروط فشار برای پایانه­ی خارجی

فشار میدان الکتریکی بر سطح خارجی مخروط فشار در روغن

نمودار در شکل ۵ این را روشن می­کند. این نشان دهنده­ی فشار میدان الکتریکی بر روی سطح بیرونی مخروط فشار در داخل پایانه­ی پر شده با مایع است. فشار محاسبه شده با ضخامت اصلی مواد مخروط فشار، تنش را به وضوح زیر حد (خط سبز) نشان می دهد. با توسعه ۳۰٪ مخروط فشار و کاهش معادل آن در ضخامت مواد، تنش و فشار میدان روی سطح مخروط فشار (خط آبی) بیش از حد تعیین شده­ی ۱۰٪ است.

 اثرات تغییر شکل دیفلکتور محاسبه شکل های دیفلکتور  پس از گسترش

برای ارزیابی یک طراحی مخروط فشار واقع بینانه (همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است)، تراز دیفلکتور  زمین شده به لایه­هایی با ضخامت ۰٫۱ میلی متری تقسیم می شود. برای شعاع دیفلکتور  هر لایه، مقدار مربوطه پس از توسعه محاسبه می شود. این مقادیر یک تراز جدید برای دیفلکتور  را توصیف می­کند که بعداً باید به نرم افزار برای محاسبه میدان الکتریکی منتقل شود.

شکل ۷ نشان دهنده­ی یک مقایسۀ دیفلکتور  زمین در حالت پایه و همچنین با شکل توسعه یافته است.

لایه­ی معمولی دیفلکتور  های زمین

شکل دیفلکتور  های زمین و بدون توسعه

برای مقایسه توزیع میدان الکتریکی، تراز اصلی به صورت موازی با محور کابل حرکت می­کند به طوری که قطر داخلی آن همانند طرح توسعه یافته است. سپس نرم افزار برای انجام محاسبات میدان الکتریکی استفاده می شود. یکی از راه های ممکن برای خروجی به نمودار ها، کشش فشار الکتریکی در کنار یک مسیر مربوطه است، در این صورت سطح دیفلکتور  یا فاصله بین عایق کابل و مخروط استرس خالی می­ماند. همین روش برای  دیفلکتور  فشار قوی یا “میان الکترودی”یک بدن مفصلی عایق شده (شکل ۸ را ببینید) استفاده می شود. این دیفلکتور  اتصال دهنده­ی هادی را محکم می­کند و از یک فرم استوانه ای با نوک گرد شده در هر دو انتها است. تراز این حالت محاسبه شده است که به پایین ترین تنش الکتریکی ممکن با فاصله موجود به لایه بیرونی زمینی و به دیفلکتور s زمین می انجامد.

دیفلکتور  فشار قوی (الکترود میانی) بدنه­ی مفصل

شکل انتهای دیفلکتور  فشار قوی به همراه و بدون توسعه

تاثير تغيير شکل دیفلکتور  در فشار ميدان الکتريکي

نمودارهای زیر نشان می دهد که نتایج محاسبات میدان الکتریکی قبلی دیفلکتور s در مخروط تنش و بدنه­ی مفصل است. در مورد یک دیفلکتور  زمین، همانطور که در شکل ۱۰ نشان داده شده است، حداکثر استرس میدان با تغییر شکل دیفلکتور  در نتیجه توسعه، افزایش نمی یابد. تنها تغییر در موقعیت حداکثر وجود دارد. مثال دیگری از یک دیفلکتور  فشار قوی نشان داده­­شده در شکل ۱۱، متفاوت است. در اینجا، تنش میدان حداکثر توسط تغییر شکل دیفلکتور  افزایش می یابد و بیش از حد می­شود. این نتایج نشان می دهد که تغییر شکل توسط تغییر شکل در توزیع میدان الکتریکی ناشی از توسعه است. برای غلبه بر این مشکل، شکل انحرافات باید به گونه ای طراحی شود که آن­ها برای تغییر شکل بهینه سازی شوند. از آنجایی که یک مخروط فشار برای ابعاد مختلف کابل استفاده می شود و به همین دلیل نرخ توسعه متفاوت است، بهینه سازی دقیق امکان پذیر نیست. در اینجا “بهینه سازی” به معنای طراحی است که هرگونه افزایش تنش الکتریکی بر روی محدوده توسعه­ی کامل را به حداقل می رساند. استحکام میدان مغناطیسی در امتداد رابط XLPE عایق – مخروط تنش با و بدون گسترش.استرس میدانی بر روی سطح انفجار HV به همراه و بدون توسعه.