Канискин В.А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса

Подождите немного. Документ загружается.

1′

″

2′

δ·10

293 313 333 353 373 Т

Рис. 13. Зависимости tgδ диэлектрических потерь от температуры

при частоте измерения 1 кГц для исходного и состаренного ПЭ марки 107-

01К с различной термической предысторией: 1 – исходный образец; 1′ –

исходный, закаленный в холодной воде после отжига (1,5 ч. при Т=413К);

1″ – исходный, закаленный в жидком азоте после отжига (3 ч. при

Т=413К); 2 – образец после 4000 ч. старения при 358К; 2′ – после 4000 ч.

старения, закаленный в жидком азоте после отжига 3 ч. при Т=413К; 2″ –

образец 2, отожженный в течение 3 ч. при 413К и закаленный в жидком

азоте.

δ10

319 320 330 340 Т, К

Рис. 14. Зависимость tgδ от температуры для исходного и

состаренного саженаполненного ПЭ при 1 кГц: 1– 0 ч; 2 – 1000 ч; 3 – 3200.

tgδ′

0,3

0,2

0,1

-80 0 80 ºС

Рис. 15. Зависимости tgδ′ механических потерь при различных

временах старения при 85ºС: 1 – 100 ч.; 2 – 1000 ч.; 3 – 10000 ч.

Аналогичная информация об уровне структурной организации

получены при изучении динамических вязкоупругих характеристик

исходного и состаренного ПЭ. Наблюдается полная корреляция

диэлектрических и механических потерь для исходных и состаренных

образцов, рис. 15.

Полученные результаты подтверждают, что положение максимума

tgδ

на температурной или частотной зависимости соответствует

определенной структуре полимера и величины ∆Т

или ∆f

, т.е.

отклонения местоположения tgδ

от исходного состояния вследствие

старения могут служить количественной мерой оценки процесса старения.

Эти параметры легли в основу математической модели ресурса.

3.2. Выбор математической модели ресурса.

Экспериментально установлено, что между выбранными

параметрами – критериями работоспособности ∆Т

и ∆f

и общепринятым

критерием – температурой холодостойкости Т

– имеется прямая

корреляционная связь, рис. 16.

Эти зависимости могут быть представлены линейными функциями

– от температуры – Т

=189+1.7 ∆Т

; (9)

– от частоты приложенного напряжения – Т

=154+0.13 ∆f

, (10)

где Т

– температура холодостойкости в градусах Кельвина.

Введем коэффициент изменения параметра – критерия

работоспособности от времени старения:

lnln

ПП

нпр

ττ

−

(11)

где П

пр

, П

– соответственно значения параметра: предельное

(выработанный ресурс) и наработанное в процессе эксперимента; τ

пр

–

предельное значение наработки, соответствующее П

пр

; τ

пр

– наработанный

ресурс в момент измерения параметра П

В соответствии с зависимостью [11] можно найти наработанный

ресурс:

(

)

.К/ППехр

ппрнпрн

−=

(12)

При определении ресурса при температурах, отличных от

температуры старения в форсированном режиме, при котором определен

коэффициент К

, зависимость (12) преобразуется к виду:

ПП

ехр

фрп

прн

прфн

























−+

−

⋅=

ττ

(13)

где

прф

– предельное значение ресурса в формированном режиме

испытаний; Т

– температура старения в форсированном режиме; Т

–

рабочая температура кабеля; W – условная энергия активации процесса

разрушения (для ПЭ–W= 54 кДж / моль).

Для использования этой формулы для расчета наработанного в

процессе эксплуатации кабеля ресурса необходимо провести ускоренные

испытания на долговечность, чтобы определить параметры – критерии

работоспособности – ∆Т

и ∆f

. На рис. 17, б приведены зависимости

ресурса от величины измеряемых в процессе наработки параметров для

кабеля с ПЭ изоляцией, на образцах которого одновременно проводились

испытания на долговечность и определение в процессе ресурсных

испытаний зависимостей – ∆Т

и ∆f

от времени наработки ресурса.

При выборе параметра–критерия работоспособности следует

учитывать условия измерения. Измерение параметра – ∆Т

необходимо

проводить при равномерном нагреве кабеля, что практически невозможно.

Более удобным для измерения является параметр – ∆Т

т.к. при этом

образец находится при фиксированной температуре эксплуатации кабеля

либо отключен и требуется лишь снятие частотной зависимости. Однако в

настоящее время нет подходящего измерительного оборудования для

снятия полной частотной зависимости. Поэтому был разработан экспресс –

10–400

20–500

30–600

∆Т

∆f

4 lgτ

(ч)

213

233

253

Рис. 16. Корреляционные зависимости параметров старения для

отрезков кабеля. 1 – температура холодостойкости Т

; 2 – ∆Т

; 3 –∆f

)

∆ƒм

Lg τ

(Ч)

495 511 527 543 559 575 591 607 623 639 655 Гц

∆Т

ln τ

(

)

12 14 16 18 20 22 24 26 28

Рис. 17. Зависимости наработанного ресурса от параметров –

критериев работоспособности: а) – от ∆Т

, б) – от ∆f

; 1 – Т=358 К; 2 –

Т=353 К, 3 – Т=343 К; 4 – Т=333 К; 5 – Т=323 К; 6 – Т=317 К; 7 – Т=293 К.

метод, позволяющий определить параметр ∆f

, проводя измерения лишь на

2-х частотах. Суть этого метода заключается в следующем.

Зависимость потерь энергии от частоты определения формулой

[10]:

,xhsec

′′

(14)

где

ε″

–фактор потерь энергии в области максимума, λ – параметр

распределения времен релаксации, x=lnf/f

– частотный параметр.

Проведя измерения на 2-х частотах, составим в соответствии с (14)

систему из 2-х уравнений; далее, решая эту систему относительно

ε″

принимая во внимание, что

ε″

ε′

tgδ и считая, что

ε′

для ПЭ практически

при измерениях на 2-х частотах можно считать постоянной величиной,

получена формула для определения f

tgftgf

fff

1221

2211

21m

λλ

δδ













−

(15)

Рассмотрим процедуру выбора частот для измерений tgδ. Для

выбора этих частот предварительно расчет tgδ проводился с

использованием параметра распределения λ=0,4-0,8.

На рис. 18 даны расчетные и экспериментальные зависимости tgδ от

частоты для исходного и состаренного при температуре 85º С и времени

старения 2000 часов. Как видно из рисунка старение приводит к

уменьшению параметра распределения. Экспериментальные зависимости в

отличие от теоретических не являются симметричными относительно

частоты максимума tgδ

. В области частот, близких к частоте максимума

ветви в расчетных и экспериментальных зависимостях симметричны и

характеризуются одним значением параметра распределения. При этом для

левой части наблюдается практически полное совпадение расчетных и

экспериментальных значений tgδ. Поэтому необходимо для измерения tgδ

на 2-х частотах выбирать f

и f

с участков, где вычисленные и расчетные

значения совпадают.

Границы частотного интервала, в котором следует выбирать

частоты для измерения для определения далее ресурса кабеля,

рекомендуется выбирать по следующей схеме, рис. 19. На этой схеме

зависимость 1 соответствует частотной зависимости tgδ в исходном

состоянии, зависимость 2 – частотной зависимости с полной выработкой

ресурса. Для каждого вида кабеля такие зависимости должны быть

известны заранее на основании проведенных исследований. Для измерения

выбираем частоты в интервале, помеченном буквами АВ на зависимости

для исходного образца.

После измерения tgδ на частотах f

и f

по формуле (15)

рассчитывается f

и определяется параметр ∆f

. Затем для расчета

наработанного ресурса используется формула (13). Возможность

определения ресурса кабеля неразрушающим методом позволяет в

процессе эксплуатации кабеля определить степень выработки ресурса и

уделять большее внимание кабелям с малым остаточным ресурсом, тем

самым повышая надежность работы кабельной сети.

)

λ=0

δ·10

1 2 3 4 lgƒ (Гц)

Рис. 18. Частотные зависимости tgδ для ПЭ 107-01К при Т=323К с

различным параметром распределения релаксации: а) в исходном

состоянии; б) после теплового старения в течение 2000 ч., _______

расчетные,_ _ _ _ _ экспериментальные.

С А В

Рис. 19. Схема границ частотных диапазонов, рекомендуемых для

измерения tgδ: ВС – после старения 10000 ч старения; AD – после старения

20000 ч; АВ – частотный диапазон, рекомендуемый для выбора частот

измерения двух значений tgδ, необходимых для расчета tgδ

3.3. О возможности применения разработанного неразрушающего

метода определения ресурса для других видов изоляции в условиях

эксплуатации.

Неразрушающий метод и экспресс-метод определения ресурса

разработан на примере электрических кабелей с ПЭ изоляцией. В

электроэнергетике нашей страны кабели с ПЭ изоляцией начинают более

широко внедряться. В электроэнергетике развитых стран кабели с ПЭ

изоляцией практически вытеснили кабели с бумажной пропитанной

изоляцией, кроме электроэнергетики Великобритании, где применяется

бумажная изоляция с нестекающей пропиткой. При существующих ПЭ

композициях, конструктивных исполнениях и технологии изготовления

кабели с ПЭ изоляцией вытеснят и маслонаполненные кабели на

напряжение до 500 кВ, хотя возникают много сложных проблем

(конструктивных и технологических), связанных с получением

однородных толстых слоев изоляции. Силовые кабели на напряжение 750

кВ, пока остаются маслонаполненного типа с бумажной масляной

изоляцией. В энергосистемах нашей страны имеются в опытной

эксплуатации кабели с СПЭ на 110 кВ, ведутся работы по внедрению таких

кабелей на 220 кВ вместо маслонаполненных.

В наших энергосистемах, в распределительных сетях предприятий

работают огромное количество кабелей с бумажной и ПВХ изоляцией. При

прокладке кабелей с повышенной гибкостью используется резиновая

изоляция. Кроме этого имеются кабели с фотопластовой изоляцией.

Полимерная изоляция находит широкое применение не только в кабелях,

но и в других изоляционных конструкциях: конденсаторах, электрических

аппаратах, электрических машинах и трансформаторах.

Кратко проанализируем возможность применения разработанного

метода для этих случаев. С этой целью был выполнен анализ публикаций,

имеющих отношение к данной тематике.

Кабельная изоляция из сшитого ПЭ (СПЭ).

СПЭ имеет ряд

существенных преимуществ по физико-механическим характеристикам

перед ПЭ. Несмотря на дополнительные трудности в технологии

изготовления СПЭ (введение сшивающих агентов, технологическая

операция сшивки), он начинает находить широкое применение в кабельной

технике. Кабели напряжением 10 кВ и более изготавливаются с изоляцией

из СПЭ.

У СПЭ так же, как и у обычного ПЭ наблюдается два вида

диэлектрических потерь: дипольно-сегментальные (α – процесс) и

дипольно-групповые (β и γ – процессы). Для СПЭ, так же как и для

обычного ПЭ, для определения ресурса кабелей интересен α – процесс.

Сопоставление частотных зависимостей фактора диэлектрических

потерь для дипольно-сегментального (ДС) процесса сшитых и линейных

полимеров показано, что у сшитых полимеров области максимумов более

широки, т.е. спектр времен релаксации шире. Область температур

появления ДС поляризации зависит от строения сшивающих агентов и

полученной густоты сетки сшитого полимера: чем больше густота сетки,

тем выше температура максимума Т

ДС потерь. Введением

пластификаторов в сшитые полимеры можно понижать температуру

стеклования Т

, следовательно, и Т

ДС потерь. Исходя из рассмотренных

закономерностей для сшитых полимеров, можно предполагать, что СПЭ не

будет являться исключением из общих правил, т.е. кабельного СПЭ будут

проявляться ДС потери как и у линейного ПЭ. По всем имеющимся

данным и закономерностям для сшитых полимеров разработанный

неразрушающий метод определения ресурса может быть применим и для

кабелей с СПЭ изоляцией.

Кабели с поливинилхлоридной изоляцией.

Поливинилхлоридные

пластикаты (ПВХП) изготавливаются на основе ПВХ смолы с различными

добавками. В кабельной технике широкое применение нашли ПВХП

изоляционные (и 40-13, И 50-13, И 40-14, И 50-41, нагревостойкий ИТ-

195) и изоляционные для оболочек (ИО 50-11, ИО 45-12).

Диэлектрические, физико-механические и другие показатели ПВХП

хорошо известны.

ПВХ смолы, являясь полярными полимерами (ε

=3,0-3,3), имеют

повышенные потери (tgδ≈0.02 при 1 кГц), поэтому изоляция кабелей на их

основе применяется на переменном напряжении до 660 В, а на постоянном

– до 10 кВ.

Несмотря на значительное количество различных добавок, которые

могут оказать влияние на свойства, ПВХП сохраняет основные свойства

ПВХ смолы. Так, например, он имеет важное для нашего рассмотрения

дипольно-групповые (ДГ) и ДС потери, т.е. такие же потери, как и

рассмотренные в ПЭ и СПЭ. Частотная зависимость tgδ ПВХ показывает

(рис. 20), что в диапазоне 10

–10

Гц при нормальной температуре имеется

максимум, обусловленный вкладом ДС и ДГ потерями.

24 6 810l

(

ц)

tgδ·10

Рис. 20. Зависимость tgδ от частоты для ПВХП при 20º С.