ABSTRACT

Keywords: insulation, influence of temperature on insulation, cross-linked polyethylene, residual life, artificial aging of insulation.

На сегодняшний день наиболее распространенный материал, используемый в качестве изоляции кабельных линий, является сшитый полиэтилен. Так, согласно [1], кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-изоляцией), выполненные на среднее напряжение, практически полностью вытеснили кабели с другими изоляционными материалами. Это обусловлено тем, что сшитый полиэтилен обладает рядом значительных преимуществ перед другими видами изоляции.

Однако, с учетом того, что внедрение кабельной линии с СПЭ-изоляцией произошло не так давно, регламент проведения планово-профилактических испытаний такого изоляционного материала требует доработки. При этом, некоторые методы испытания подразумевают использование повышенного выпрямленного напряжения или напряжения промышленной частоты [2-4], которые неблагоприятно влияют на свойства кабеля с СПЭ-изоляцией. Последствием таких испытаний может быть не только необнаруженная неисправность, но и появление новых дефектов или - выход кабеля из строя [3]. Относительно новым является альтернативный метод для планово-профилактических испытаний кабелей с СПЭ-изоляцией, заключающийся в подаче напряжения сверхнизкой частоты 0,1 Гц [3]. Однако этот метод также подразумевает использование напряжения выше номинального, что также ускоряет процессы старения изоляционного материала и увеличивают вероятность возникновения дефекта в изоляции и их количество [5].

В связи с этим, имеется необходимость в контроле состояния изоляции кабелей и определении ее остаточного ресурса с целью прогнозирования пробоев изоляции и срок ее износа без сокращения срока службы за счет отказа от использования повышенного испытательного напряжения. Для разработки метода определения остаточного ресурса СПЭ-изоляции требуется исследовать все процессы, происходящие в изоляции в процессе эксплуатации кабеля. Известно, что во время эксплуатации изоляция кабельной линии подвергается ряду негативных факторов, которые оказывают разрушающее воздействие на нее. Процесс разрушения изоляции под воздействием этих факторов называется естественным старением изоляции. Согласно [6, 7], к этим факторам относятся: термическое воздействие, воздействие электрического поля, ультрафиолетовое излучение, влажность, радиация, механические повреждения, химические воздействия.

Несмотря на немалое количество факторов воздействия, на срок службы кабеля с СПЭ-изоляцией серьезно влияют только радиация, электрическое поле и температура. Это связано с тем, что остальные воздействия оказывают влияние только на внешнюю оболочку кабеля, исходя из его конструкции.

Однако радиационное воздействие стоит учитывать только в местах с высоким радиоактивным излучением, например, на атомных электрических станциях. Таким образом, можно сказать, что для определения остаточного ресурса кабеля с СПЭ-изоляцией требуется исследовать процессы старения изоляции под воздействием электрического и термического полей. В [8] рассмотрено влияние только термического воздействия на изоляцию из сшитого полиэтилена, и было определено, что при рабочих температурах срок службы кабеля с СПЭ-изоляцией составляет несколько сотен лет. Однако недостатком данной модели является отсутствие учета напряженности электрического поля в кабеле при расчете срока службы в зависимости от температуры.

Также, учитывая длительность процессов старения изоляции кабеля в реальных условиях эксплуатации, для ускорения экспериментальных исследований требуется использовать искусственное состаривание кабелей. Одним из способов является превышение длительно допустимых температуры и напряжения изоляции кабеля, способным ускорить старение, но не повредить изоляцию путем ее расплавления из-за слишком высокой температуры или пробоя от приложения слишком высокого напряжения. Например, исследование, посвященное искусственному состариванию изоляции кабелей описано в [9].

В данной работе исследован процесс старения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена под действием температуры и с учетом влияния номинального напряжения на СПЭ-изоляцию кабелей из . Для уменьшения времени процессов старения принято решение разработать экспериментальную установку, состаривающую изоляцию кабеля под воздействием электрического поля и температуры одновременно.

II. Определение параметров модели старения изоляции

Перед проведением искусственного состаривания изоляции, необходимо описать ее математическую модель старения. Модель старения, которая может быть использована в этих целях, должна зависеть от воздействий температуры и электрического поля, а также быть действительной для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена и его рабочего диапазона температуры.

В качестве основной модели для определения остаточного ресурса изоляции из сшитого полиэтилена решено использовать модель, предложенную в [2]:

(1)

где фр - срок службы изоляции; А - постоянная, зависящая от структуры вещества; Е - напряженность электрического поля; n - показатель степени, зависящий от особенности конструкции и вида изоляции, рода и величины воздействующего напряжения; Wa - энергия активации одной молекулы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Выбранная модель рассчитывает степень старения изоляции, основываясь на данных о мощности частичных разрядов [2,10] и температуре изоляции. Мощность в данной модели характеризует затраты энергии на разрушение диэлектрика, что в лучшей степени характеризует разрушающее воздействие частичных разрядов на изоляцию.

Для использования (1) с целью определения остаточного ресурса кабеля с СПЭ-изоляцией необходимо определить неизвестные параметры.

Энергия активации термодеструкции сшитого полиэтилена, согласно [11] равна:

Для расчета срока службы примем худший возможный вариант, когда для разрушения молекул сшитого полиэтилена требуется наименьшая энергия активации, то есть примем для расчета энергию активации:

Однако, для использования этого параметра в расчетах, требуется преобразовать формулу модели старения, используя универсальную газовую постоянную (R), так как энергия активации задана для одного моля вещества:

(2)

Показатель степени, зависящий от особенности конструкции изоляции кабеля определен согласно [2]. Для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена примем:

Постоянная, зависящая от структуры вещества требует дополнительных исследований, однако для расчета была принята:

Значение напряженности электрического поля было определено на основании моделирования выбранного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в профессиональной версии Elcut 5.6. Согласно результатам моделирования (Рис 1, 2), для расчета принималась максимальная напряженность электрического поля, равная:

Исходя из полученных данных, зависимость срока службы изоляции от температуры будет иметь вид, представленный на рис. 3.

III. Описание экспериментальных исследований

Проведение экспериментального исследования процесса состаривания кабеля под воздействием температуры и напряжения в естественных условиях сильно усложняется из-за большой временной протяженности процесса старения изоляции. В связи с этим, для ускорения старения образцов кабеля необходимо проводить искусственное термоэлектрическое состаривание изоляции. Ранее была предложена конструкция экспериментальной установки для искусственного состаривания изоляции [12]. Однако в процессе проведения экспериментальных исследования был выявлен ряд недостатков конструкции, в связи с этим, решено внести в нее изменения.

Предлагается отказаться от внутренней асбестоцементной трубы и заменить нагревательный провод из нихрома на 4 ТЭН таким образом, чтобы суммарная максимальная мощность нагрева составляла 1 кВт. Каждый из четырех ТЭН рассчитан на мощность 1 кВт, следовательно, решено по 2 ТЭН соединить последовательно и затем соединить параллельно. Таким образом, суммарная мощность останется равной 1 кВт, но нагрев установки будет более равномерным. При этом, средняя потребляемая мощность в установившемся режиме составляет порядка 300 Вт.

Состаривание предполагается проводить при следующих условиях:

Рис. 1 Напряженность электрического поля кабеля

В качестве экспериментального образца выбран одножильный коаксиальный кабель 10 кВ. Однако 10 кВ - линейное напряжение кабеля. Кабели с СПЭ-изоляцией обычно соединяются в звезду, а нейтраль заземляется через низкоомный резистор. Следовательно, фазное напряжение составит 5,7 кВ. Но для ускорения старения изоляционного материала предлагается увеличить напряжение до 10 кВ.

Длительно допустимая температура кабельных линий с СПЭ-изоляцией составляет 90°C. При этом изменение свойств полиэтилена происходит при температуре выше 106°C (при такой температуре начинает происходить размягчение материала). Следовательно, для ускорения старения материала и исключения возможности его плавления решено использовать температуру 100°C.

Используя модель расчета напряженности электрического поля, представленную в разделе 2 данной статьи, получено, что при напряжении 10 кВ напряженность электрического поля составляет 3,4 кВ/мм.

Согласно предложенной математической модели, срок службы изоляции кабеля, составляющий около 29,8 лет при температуре 90°C и напряженности электрического поля 1,9 кВ/мм после изменения параметров расчета на выбранные для ускоренного старения изоляции сократился до 1,38 лет. Исходя из этого условия, выдержка образцов кабеля в течение 17 дней в установке будет соответствовать году в условиях эксплуатации.

Контроль состояния изоляции в процессе проведения экспериментов предполагается проводить путем измерения мощности частичных разрядов и тангенса угла диэлектрических потерь, а также анализировать получаемые результаты для определения динамики изменения параметров в процессе старения.

В случае несовпадения результатов расчета с результатами экспериментов, для определения достоверной информации об остаточном ресурсе изоляции из сшитого полиэтилена предполагается уточнить коэффициенты в формуле модели старения, а также провести исследование на совпадение с другими известными моделями старения изоляции [13-17].

ВЫВОД

Произведен расчет срока службы изоляции кабелей из сшитого полиэтилена под воздействием температуры при номинальном напряжении. Результат расчета говорит о существенной зависимости срока службы изоляции кабелей от температуры.

Определено время выдержки образцов изоляции в условиях повышенного напряжения и температуры. Установлено, что необходимо выдержать образцы кабеля в таких условиях в течение 17 дней, что будет эквивалентно году в эксплуатации.

В настоящее время проводится экспериментальное исследование процесса старения изоляции с предлагаемыми параметрами для уточнения математической модели старения изоляции и ее сопоставления с другими известными моделями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения // Справочник: Учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. - 480 с.

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

[3] Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений (Учеб. пособие для электроэнерг. спец. втузов). - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа, 1982. - 367 с.

[4] Правила устройства электроустановок. Седьмое издание. // М.:ЗАО «Энергосервис», 2002. - 704 с.

[5] Дмитриев, М. Особенности применения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена // Электроэнергия. Передача и распределение.- 2015. №3 (30). - 62-67 с.

[6] 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.

[7] 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.

[8] Поляков Д.А., Юрчук Д.А., Кощук Г. А., Никитин К.И. Определение скорости разрушения полиэтиленовой изоляции линий электропередачи под воздействием температуры - Омский научный вестник. - 2016. №4 (148). - 105-108 с.

[9] Dalal S. B., Gorur S.B. Aging of Distribution Cables in Service and Its Simulation in the Laboratory // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. - 2005. №1. - 139-146 p.

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

[11] Тагер А.А. Физико-химия полимеров. 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Научный мир. - 2007. - 573 с.

[12] Поляков Д.А., Никитин К.И., Юрчук Д.А., Комаров И.В., Татевосян А.С. Экспериментальная установка для искусственного термоэлектрического состаривания изоляции. - Россия молодая: передовые технологии в промышленность. - 2017 №1. - 149-154 с.

[13] 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

[14] 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

[15] 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

[16] 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

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

Размещено на Allbest.ru