Определение критерия возникновения пробоя СПЭ-изоляции кабелей для исследования процессов ее старения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО "Омский государственный технический университет"

Определение критерия возникновения пробоя СПЭ-изоляции кабелей для исследования процессов ее старения

Д.А. Поляков, К.И. Никитин,

И.В. Комаров, В.Н. Пугач, А.С. Татевосян

Аннотация -- Одним из актуальных вопросов развития электроэнергетики является повышение надежности функционирования энергосистем. Известно, что при эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (особенно на напряжение 110 кВ и выше) основной причиной возникновения технологических нарушений является пробой изоляции. В связи с этим, актуальным является исследование по разработке способов и устройств для прогнозирования пробоев изоляции и определения ее остаточного ресурса. Хорошие результаты по определению предпробивного состояния изоляции показывает способ мониторинга характеристик частичных разрядов. Однако для определения остаточного ресурса в долгосрочной перспективе этого метода, как правило, недостаточно. Поэтому необходимо исследовать процессы старения изоляции под воздействием множества факторов в совокупности и на основе их мониторинга производить расчет остаточного ресурса. При моделировании процессов старения изоляции необходимо знать критерий, при котором возникнет пробой изоляции для его прогнозирования в долгосрочной перспективе. При проведении исследования производился аналитический расчет и компьютерное моделирование напряженности электрического поля в изоляции с сосредоточенным и распределенным дефектами различной формы и размера. Проведен анализ полученных расчетов и моделей. На его основе определен критерий возникновения пробоя в изоляции в зависимости от размеров дефектов. Разработан критерий возникновения пробоя изоляции кабелей из сшитого полиэтилена. Полученный результат предполагается использовать для уточнения ранее разработанной модели старения изоляции для прогнозирования остаточного срока службы изоляции до пробоя и полного износа.

Ключевые слова -- пробой изоляции кабелей, СПЭ-изоляция, дефект изоляции, дендрит, моделирование электрического поля.

Abstract -- One of the topical issues in the development of the electric power industry is the increase of power systems reliability. It is known that the main reason for the occurrence of technological violations during operation of XLPE-insulated cables (especially for the 110 kV voltage or higher) is insulation breakdown. In this regard, it is relevant to study the development of methods and devices for predicting insulation breakdowns and determining its residual life. Good results in determining the insulation pre-breakdown condition are obtained using the partial discharges characteristics monitoring. However, to determine the residual life in the long term, this method is usually not enough. Therefore, it is necessary to investigate the aging process of insulation under the influence of many factors in the aggregate and to calculate the residual life on the basis of their monitoring. When modeling aging insulation processes, it is necessary to know the criterion under which an insulation breakdown will occur to predict it in the long term. The analysis of the received calculations and models is carried out. On its basis, the criterion for the appearance of breakdown in isolation is determined, depending on the size of the defects. The criterion of the XLPE-insulated cables breakdown has been developed. The obtained result is supposed to be used to refine the previously developed model of insulation aging to predict the residual service life of insulation before breakdown and total wear.

Keywords -- breakdown of cable insulation, XLPE-insulation, insulation defect, electrical treeing, simulation of the electric field.

Одним из актуальных направлений научных исследований в области электроэнергетики является разработка способов и устройств контроля состояния изоляции кабельных линий электропередачи (КЛЭП) для уменьшения количества коротких замыканий на них. Известно, что одной из самых частых причин технологических нарушений на КЛЭП является пробой изоляции.

Однако современный уровень развития техники позволяет производить мониторинг широкого спектра воздействий, оказываемых на изоляцию кабельных линий. Анализ всех деструктивных воздействий на изоляцию кабелей позволит не только контролировать состояние изоляции, но и рассчитывать ее остаточный ресурс и даже прогнозировать пробои изоляции [1, 2].

Известен ряд математических моделей старения изоляционного материала, учитывающих воздействие температуры и электрического поля на изоляцию [3-8]. Учет только этих двух факторов оправдан конструкцией кабеля, изоляция которого, как правило, не подвергается внешним воздействиям, оказывающим влияние только на оболочку кабеля. Однако в указанных моделях не учитывается тот факт, что разрушение материала происходит по закону изменения случайной величины, которым в данном случае может быть использован закон распределения Вейбулла как общепринятый статистический закон в теории надежности.

Ранее была разработана математическая модель старения изоляционного материала [9], моделирующая разрушение отдельных клеток материала, координаты которых выбраны случайной функцией. После чего при достижении определенного количества разрушенных клеток материала на одной прямой считается, что происходит пробой изоляции. Недостатком данной модели является упрощенный расчет количества клеток, которые необходимо разрушить для возникновения пробоя изоляции.

Целью статьи является исследование процессов, происходящих в изоляции кабеля при его эксплуатации, а также определение размеров и формы дефекта, способного привести к пробою изоляции.

Определение размеров дефекта, способного привести к пробою изоляции в сечении кабеля позволит уточнить математическую модель старения изоляции [9].

В рамках статьи предлагается решить следующие задачи:

· Произвести аналитический расчет и компьютерное моделирование электрического поля в изоляции одножильного коаксиального силового кабеля на напряжение 10 кВ;

· Произвести компьютерное моделирование электрического поля с дефектами в изоляции различной формы и определить размеры дефекта, при котором напряженность электрического поля в диэлектрике будет выше пробивной.

В качестве объекта исследования решено использовать одножильный коаксиальный кабель на напряжение 10 кВ марки АПвПуг 1х70/35-10. Все расчеты и моделирование производились для указанного кабеля.

Распределение электрического поля в изоляции кабеля

Конструкция кабеля такова, что он представляет собой цилиндрический конденсатор. Известно, что напряженность электрического поля цилиндрического конденсатора может быть рассчитана по формуле:

(1)

где Е - напряженность электрического поля, ф - линейная плотность заряда конденсатора, е и е₀ - относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость соответственно, r - радиус.

Однако линейная плотность заряда неизвестна при компьютерном моделировании. Известной величиной является напряжение на изоляции. В связи с этим, формула (1) была преобразована и приведена к виду:

(2)

где U - напряжение, R_э - внутренний радиус экрана, R_ж - внешний радиус жилы.

Известно, что внешний радиус жилы составляет 4,72 мм, внутренний радиус экрана составляет 8,52 мм. Исходя из этих размеров, при напряжении 7 кВ напряженность электростатического поля в изоляции кабеля будет иметь зависимость от радиуса, представленную на рис. 1. Величина напряжения 7 кВ была принята как 85% амплитудного значения напряжения фазы. Также было принято допущение, что поле в кабеле электростатическое, так как процессы, происходящие при частичных разрядах [3, 10] и процессы при пробое изоляции намного более быстротечные, чем период напряжения промышленной частоты.

Также, кроме расчета, было проведено моделирование электрического поля в изоляции кабеля с использованием профессиональной версии программы Elcut 5.6. Результаты моделирования представлены на рис. 2 (картина электростатического поля в изоляции кабеля) и рис. 3 (распределение напряженности электрического поля в изоляции кабеля при удалении от центра кабеля). Работа программы Elcut основывается на применении метода конечных элементов для расчета электрических, магнитных и тепловых полей.

Рис. 1 Расчетное распределение напряженности электрического поля в изоляции кабеля

Рис. 2 Картина поля в изоляции кабеля

Рис. 3 Распределение напряженности электрического поля в изоляции кабеля по результатам компьютерного моделирования

Распределение электрического поля в кабеле с дефектом

Расчет распределения электростатического поля в диэлектрике с дефектом является более сложной задачей, для которой нет аналитического решения. В данном случае Расчет электрического поля сводится к численным методам расчета.

Основной задачей работы является определение размеров и формы дефекта в изоляции, способного привести к пробою изоляции. В качестве условия возникновения пробоя используется условие возникновения в изоляции напряженности электрического поля выше пробивной. Важно учитывать фактор старения изоляции кабелей в процессе эксплуатации. Исходя из этого, в качестве пробивной напряженности решено использовать величину E_пр = 6 кВ/мм, которая была определена в [11] для кабеля с полиэтиленовой изоляцией после восьми лет в эксплуатации.

Дефект изоляции был принят как эквипотенциальная поверхность, так как внутри дефекта возникают частичные разряды, фактически шунтирующие сам дефект. Электростатическое поле моделируется в момент возникновения частичного разряда, так как в этот момент времени наиболее вероятно возникновение пробоя изоляции за счет увеличения напряженности электрического поля в изоляции и возникновения лавины электронов в области дефекта.

Первоначально проводилось моделирование электростатического поля в кабеле с дефектом круглой формы в сечении. Результаты моделирования показали, что для возникновения пробивной напряженности электрического поля в области дефекта, необходимо, чтобы размер сферического дефекта был соизмерим с толщиной изоляционного материала. Вероятность возникновения дефекта такого размера в изоляции кабеля практически равна нулю, следовательно, было принято решение произвести моделирование электрического поля с несколькими дефектами с круглым сечением.

Далее проводилось исследование электрического поля в кабеле с двумя и тремя дефектами круглого сечения. Выявлено, что напряженность электрического поля в изоляции существенно зависит от расстояния между дефектами и их расстояния от токопроводящей жилы и экрана. Однако суммарный диаметр всех дефектов также должен быть соизмерим с толщиной изоляции для возникновения пробивной напряженности, соответственно такое условие также маловероятно.

Исходя из полученных результатов, было решено изменить форму дефекта в изоляции. Чаще всего дефект изоляции представляет собой древовидную структуру - дендрит [12], каналы которого гут быть заполнены водой или газом. При этом, вероятность возникновения дендрита наиболее велика вблизи токопроводящей жилы, так как в этой области наиболее высокая напряженность электрического поля и температура, определяемая термическим действием тока в жиле. Известно, что скорость химических реакций при термической деструкции полиэтилена подчиняется закону Аррениуса и возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10 ?С.

Таким образом, принято решение производить моделирование с дефектом эллиптического сечения различных размеров. Важным условием, которое определяет величину напряженности электрического поля, является радиальный наибольший размер канала дендрита. В связи с этим, при моделировании электрического поля решено изменять только размер дефекта по радиусу изоляции кабеля.

Однако важным является тот факт, что при моделировании дефекта, прорастающего от токопроводящей жилы к экрану нельзя задавать его как эквипотенциальную поверхность, касающуюся жилы, так как в этом случае моделирование будет некорректным. В связи с этим, решено принять потенциал на поверхности дефекта равным потенциалу жилы, так как при частичном разряде потенциал разность потенциалов будет сведена к нулю.

После проведения моделирования была получена картина электростатического поля в изоляции с дефектом (рис. 4), способным вызвать пробой изоляции. Толщина эллиптического сечения дефекта принята 50 мкм. Распределение напряженности электрического поля в области между острием дефекта и экраном кабеля представлено на рис. 5.

Рис.4 Картина поля кабеля с дефектом

Рис. 5 Распределение напряженности электрического поля в изоляции кабеля в области между острием дефекта и экраном кабеля

Установлено, что для возникновения пробивной напряженности размер дефекта по радиусу должен составлять не менее 3 мм при толщине изоляции 3,8 мм и сечении токопроводящей жилы в 70 мм².

При указанном размере дефекта напряженность электрического поля почти во всем изоляционном промежутке между острием дефекта и экраном кабеля выше пробивной напряженности, принятой равной 6 кВ/мм.

Исходя из полученных результатов, критерием возникновения пробоя изоляции является возникновение дефекта, радиальное измерение которого составляет не менее 79% от толщины изоляции. Полученные результаты будут использованы для уточнения статистической модели старения изоляции.

изоляция пробой полиэтилен

Список литературы

1. Никитин К. И. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций и подстанций / В. Н. Горюнов, К. И. Никитин, М. М. Сарычев // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С.211 213.

2. Никитин К. И. Опережающее автоматическое включение резерва / К. И. Никитин, М. М. Сарычев, В. Д. Степанов, Е. Н. Ерёмин, К. В. Хацевский // Омский научный вестник. 2012. № 1 (107). С. 237 238.

3. Кучинский, Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. / Г. С. Кучинский // Л.: «Энергия». Ленингр. Отд-ние. 1979. - 224 с., ил.

4. Mazzanti, G. The combination of electro-thermal stress, load cycling and thermal transients and its effects on the life of high voltage ac cables / G. Mazzanti // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 16. - no. 4. - pp. 1168-1179. - August 2009. - doi: 10.1109/TDEI.2009.5211872 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5211872&isnumber=5211830

5. Mazzanti, G. Analysis of the Combined Effects of Load Cycling, Thermal Transients, and Electrothermal Stress on Life Expectancy of High-Voltage AC Cables / G. Mazzanti // in IEEE Transactions on Power Delivery. - vol.22. - no. 4. - pp. 2000-2009. - Oct. 2007. doi: 10.1109/TPWRD.2007.905547 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4302537&isnumber=4302501

6. Crine, J. P. On the interpretation of some electrical aging and relaxation phenomena in solid dielectrics / J. P. Crine // in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 12, no. 6, pp. 1089-1107, Dec. 2005. doi: 10.1109/TDEI.2005.1561789 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1561789&isnumber=33159

7. Parpal, J. L. Electrical aging of extruded dielectric cables. A physical model / J. L. Parpal, J. P. Crine, Chinh Dang // in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. - Vol. 4. - no. 2. - pp. 197-209. - Apr 1997. doi: 10.1109/94.595247 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=595247&isnumber=13036

8. Zhurkov, S. N. Kinetic Concept of Strength of Solids / S. N. Zhurkov // Intern. J. Fract. Mech. - Vol. 1. - pp. 311- 323. - 1965.

9. Иванова, К. С. Статистическая модель старения изоляции / К. С. Иванова, К. И. Никитин, Д. А. Поляков, А. В. Радченко // Электроэнергетика глазами молодежи: Науч. труды IV международной науч.-тех. конф. - Новочеркасск, Лик, 2013. - Т1. - С. 324-327.

10. Вдовико, В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / В. П. Вдовико. - Новосибирск: Наука. - 2007. - 155 с.

11. Борисов, П. А. Водные триинги и принцип определения участков кабельной линии содержащих водные триинги при трассировке кабельных линий / П. А. Борисов // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2013. - №12-2. - С. 176-182. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/vodnye-triingi-i-printsip-opredeleniya-uchastkov-kabelnoy-linii-soderzhaschih-vodnye-triingi-pri-trassirovke-kabelnyh-liniy

12. Chen, X.Nonlinear time series analysis of partial discharges in electrical trees of XLPE cable insulation samples / X. Chen, Y. Xu and X. Cao // in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 21, no. 4, pp. 1455-1461, August 2014. doi: 10.1109/TDEI.2014.004307 URL http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6877970&isnumber=6877964

Размещено на Allbest.ru