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

Подождите немного. Документ загружается.

изменению надмолекулярной структуры полимеров. Такой

характеристикой является местоположение tgδ

, смещение которого

адекватно связано с ресурсом. Поиск таких чувствительных характеристик

идет непрерывно и его необходимо продолжать, т.к. разработанный

неразрушающий способ определения ресурса кабелей пока проведен на ПЭ

изоляции.

Наиболее вероятной такой характеристикой, для неразрушающего

способа определения ресурса, может стать электропроводность

диэлектриков, полимеров, изоляции. Электропроводностью диэлектриков

занимаются на протяжении десятков лет и получены фундаментальные

закономерности, имеется огромное количество публикаций. Имеется

большое количество данных о влиянии на электропроводность полимеров

таких факторов как температура, электрическое поле, ионизирующая

радиация, пластификация, кристаллизация, увлажнение и др. На

концентрацию, вид и подвижность носителей зарядов оказывают влияние

строение макромолекул, характер их теплового движения, физическая

структура полимера, наличие в ней примесей или специальных добавок.

Величина остаточной электрической проводимости γ

ост

зависит от многих

параметров, которые характеризуют строение и состав полимеров. В

работах приводится довольно подробное описание этой зависимости. Так,

например, очистка ПЭВД от низкомолекулярных примесей уменьшает γ

ост

в 10

–10

раз. Существенное влияние оказывает сорбция влаги

полимерами; например, сорбция 0,01–0,1% масс. воды увеличивает γ

ост

на

2-4 порядка. Резкий рост γ

ост

происходит за счет увеличения степени

диссоциации ионогенных веществ в полимерах (воды, остатков

катализаторов, спецдобавок, вводимых для стабилизации, окраски и

придания других свойств полимерами). Не исключается возможность

диссоциации молекул, если они содержат легко диссоциируемые

карбоксильные, гидроксильные и другие полярных групп. Пластификация

полимеров приводит к резкому возрастанию их электропроводности на 2-4

порядка, что связано с ростом подвижности и концентрации ионов. Для

всех полимеров диэлектриков увеличение степени кристалличности

приводит к снижению γ

ост

на несколько порядков. Например, для ПЭТФ

увеличение степени кристалличности с 11% до 47% уменьшает γ

ост

на 1,5–

5 порядка при температуре Т>Т

. Снижение γ

ост

может быть связано с

уменьшением как подвижности, так и концентрации носителей зарядов.

Ориентационная вытяжка полимеров значительно снижает γ

ост

вдоль направления вытяжки больше, т.е. наблюдается анизотропия

электропроводности ориентированных полимеров.

Таким образом, структурные факторы оказывают существенное

влияние на электропроводность полимерных диэлектриков, изменяя ее на

несколько порядков. Существенное изменение электропроводности

полимеров связано и с изменениями в структуре полимеров. Старение

изоляции и соответствующее изменение ресурса приводит к изменениям в

надмолекулярной структуре полимеров: упорядочению в аморфной фазе,

окислительным процессам, появлением полярных групп, деструкции

высокомолекулярных соединений и т.п. Эти изменения должны вызвать

изменения в значениях γ

ост

полимеров; при этом они могут быть весьма

значительными: от одного до нескольких порядков.

Аппаратура для измерения малых токов или определения

сопротивления полимеров обладает большой чувствительностью. Общие

требования при определении электрического сопротивления изоляции

кабельных изделий регламентированы ГОСТ 3345-76. Напряжение при

измерениях может быть до 1000 В. Существует несколько способов

измерения сопротивления более 10

Ом и кроме этого они оформлены в

виде небольших приборов, компактны и их можно применять в полевых

условиях при измерениях на кабельных линиях в эксплуатации. Для этих

целей можно рекомендовать тераомметры, параметры которых приведены

в таблице 6.

Таблица 6.

Параметры тераомметров.

Тип

прибора

Диапазон

измерения

сопротивлений,

Ом

Погрешность

измерений,

Напряжение при

измерениях,

ЕК 6–11 3·10

–10

6–10 2,5–500

ЕК 6–7 10

–10

4–10 1–1000

Е 6–14 10

–10

– –

Таким образом из этого краткого рассмотрения видно, что такой

основной параметр изоляции, как электропроводность, может быть

рекомендован для дальнейших исследований в качестве чувствительного

параметра, отражающего происходящее в процессе эксплуатации

измерения в изоляции и, соответственно, в ресурсе кабеля. Аппаратура для

измерения тока проводимости удобна, небольших размеров, обладает

большой чувствительностью, а измерения свойств изоляции в процессе

эксплуатации могут приводить к изменению электропроводности на один

порядок и более.

Выводы.

1. Теоретический анализ и экспериментальные исследования

термомеханического старения полимеров и кабельной полимерной

изоляции позволили выбрать параметр, чувствительный к структурным

изменениям, происходящим в изоляции кабелей в процессе эксплуатации,

и связанный с ресурсом кабелей. Независимыми способами

(экспериментальные исследования спектров дипольно-релаксационных

потерь и их связь с холодостойкостью ПЭ изоляции кабелей, инфракрасная

спектроскопия, расчет по известным теоретическим положениям

количества карбонильных групп) показали, что изменение структурно-

чувствительного параметра адекватно отражает изменения в ПЭ изоляции

под действием эксплуатационных факторов – термомеханического

старения.

Это дало возможность впервые разработать и запатентовать

неразрушающий способ определения ресурса (остаточного ресурса)

кабелей с ПЭ изоляцией непосредственно в их индивидуальных условиях

эксплуатации.

2. Дальнейшие исследования позволили усовершенствовать

разработанный способ определения ресурса кабелей, т.е. разработать

неразрушающий экспресс-метод. Экспресс-метод существенно сокращает

объем измерений с кабелями в условиях эксплуатации (в полевых

условиях), т.к. испытания проводятся только на двух частотах при

фиксированной температуре. Одновременно это удешевляет аппаратуру

для испытаний и позволяет применять ее в более узком частотном

диапазоне.

3. В итоге выполнения теоретического анализа и проведенных

экспериментальных исследований получены новые данные о кабельных

полиэтиленовых композициях в условиях термомеханического старения, о

спектрах дипольно-релаксационной поляризации.

На основании проведенного анализа публикаций показаны

возможные пути применения разработанного неразрушающего способа

определения ресурса кабелей с некоторыми другими видами изоляции.

4. Техническая диагностика проводов и кабелей низкого

напряжения с изоляцией из полиэтилена и поливинилхлоридного

пластиката.

Проблема диагностирования впервые возникла для сложных,

дорогостоящих и требующих повышенной надежности объектов

судостроительной и авиационной техники. Поскольку кабельные сети

обеспечивают работоспособность всех систем, имеющих значительную

протяженность, например: более 400 км кабелей на корабле и до 110 км

проводов на самолете – и в силу этого повышенную опасность

повреждения в эксплуатации, в том числе в нештатных ситуациях,

техническое состояние кабелей и проводов решающим образом влияет на

надежность этих объектов.

В большинстве случаев кабельные изделия являются несъемной

частью объекта, замена которой сопряжена с огромными материальными

затратами и, в отдельных случаях, невозможна не разбирая объекта. В этой

связи весьма актуальным является создание системы диагностирования,

которая позволяет оперативно, без разрушения объекта, провести оценку

технического состояния кабельной сети и сделать прогноз о возможности и

сроках дальнейшей эксплуатации.

Актуальность работ по техническому диагностированию кабельных

изделий непрерывно возрастает по следующим причинам:

1. Значительно увеличивается срок службы объектов, в которых

применяются кабельные изделия.

2. Повышается оперативная готовность объектов, переход на режим

постоянной готовности к выполнению заданных функций.

3. Уровень и длительность экспериментальных воздействий

постоянно растет.

Вместе с тем сохраняется требование безопасности и "живучести"

объектов.

Под руководством М.А. Боева и его непосредственном участии

разработан комплекс экспериментальных методов диагностирования

кабельных изделий с пластмассовой изоляцией, изготовленных с

применением поливинилхлоридного пластиката (ПВХП) и полиэтилена

(ПЭ), включая сшитый ПЭ (СПЭ), и проведен с помощью этих методов

исследований кабельных изделий после изготовления в процессе

длительной эксплуатации.

Установлены закономерности влияния содержания

низкомолекулярных компонентов пластмассовой изоляции кабельных

изделий с долговечностью, при этом для изоляции из ПВХП определены

закономерности снижения содержания пластификатора, а для изоляции из

ПЭ – антиоксиданта, в процессе старения. Показано, что десорбция

пластификатора из ПВХП в режимах эксплуатационного старения

лимитирована процессом конвективного массобмена на поверхности

изоляции кабельного изделия. Предложено содержание пластификатора в

ПВХП кабельных рецептур определять по данным термогравиметрии, как

в динамическом, так и в изотермическом режиме при нагреве выше

температуры дегидрохлорирования и ниже температуры пиролиза.

Впервые предложено анализировать индукционный период

окисления ПЭ методом микрокалориметрии в динамическом режиме, при

этом нагрев ведут со скоростью, выбранной из условий разделения

тепловыделений автоматического термоокисления и плавления в

постоянном потоке воздуха, и измеряют значения температуры начала

тепловыделения автокаталитического термоокисления. Найдены

оптимальные режимы для измерений, установлена зависимость

температуры начала тепловыделения от скорости нагрева.

Традиционно измеряемые эксплуатационные параметры (например,

электрическое сопротивление и прочность изоляции) хотя и дают оценку

работоспособности кабельного изделия, но не могут быть использованы

при прогнозировании как обобщенные свойства во всем диапазоне

режимов эксплуатации и испытаний.

Разработанные основы технической диагностики рассмотрены

применительно к низкочастотным кабелям и проводам низкого

напряжения с изоляцией (оболочкой) из наиболее массовых материалов

ПВХП или ПЭ.

4.1. Закономерности старения кабелей и проводов с изоляцией

из ПВХП и разработка технического диагностирования кабельных

изделий.

Применяемый для изоляции исследуемых кабельных изделий

ПВХП является многокомпонентным материалом, для изготовления

которого используют не менее 4-х различных ингредиентов. Основу ПВХП

составляет поливинилхлорид (ПВХ) и пластификаторы – сложные эфиры,

полученные на основе фталевой, себациновой или фосфорной кислоты,

содержание пластификатора составляет более половины от количества

ПВХ в пластикате.

Рассмотрим теоретическую модель десорбции пластификатора при

старении пластины ПВХП толщиной ∆, свободно расположенной на

воздухе. В общем случае изменение концентрации С любого компонента

можно описать вторым законом Фика, представленным в виде

дифференциального уравнения второго порядка относительно глубины

диффузии Х. Решение уравнения Фика зависит от граничного условия на

поверхности, которое запишем в виде:

.0Bi2C

=⋅+













∆

(17)

Если массообменное число Bi>10 (рис. 27), можно использовать

граничное условие первого ряда: С=0 при Х=∆/2; в этом случае десорбция

лимитирована диффузией.

Если Bi

≅

0, то концентрация практически не зависит от Х для

десорбции отсутствует диффузионные ограничения, а изменение

концентрации за время τ описывает уравнение:

,kd

)C(

−= (18)

в котором концентрация паров пластификатора у поверхности пластины С

зависит от давления пара Р пластификатора молекулярной массы µ

следующим образом:

= (19)

где R – универсальная газовая постоянная.

Величину n можно определить экспериментально в условиях

постоянной температуры Т, когда k=const, а концентрация C

достигает

насыщения С

. В случае n=1 зависимость относительного изменения

содержания пластификатора от времени имеет вид:

−=l (20)

Теоретический расчет конвективного массообмена между

поверхностью пластины и воздухом, движущимся со скоростью 0,15 м/с, с

максимально допустимой рабочей температурой 70ºС показал, что Bi для

пластификаторов дибутилфталат, диоктилфталат и трекрезилфосфат

составляет 3,33; 0,18 и 0,04 соответственно – это свидетельствует о том,

что лимитирующим является процесс конвективного массообмена на

поверхности ПВХП. При отсутствии воздушного потока и при более

низкой температуре Bi еще меньше.

Рис. 27. Теоретические зави-

симости распределения кон-

центрации пластификатора от

толщины пластины: 1–Bi>10; 2–

Bi~0; 3–0<Bi<10.

∆/2

Рис. 28. Изменение массы

ПВХП марки И 40-14

(рецептура Э40-1) в процессе

нагрева от комнатной темпе-

ратуры до 700ºС (зависимость

1) и скорость изменения массы

(зависимость 2).

–– 5,0 мг ––

100

600

500

300

200

400

ºС

Рис. 29. Зависимость τ=ƒ(∆

)

для пластин ПВХП марки И 40-

13 (рецептура 230) различной

толщины при n=1(1) и n=2(2).

1400

1000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 мм

600

200

∆

30,09

ℓnCo/C

0,07

0,05

0 300 600 900 1200 1500 Ч

0,03

0,01

Рис. 30. Зависимости относительного изменения концентрации

пластификатора в изоляции провода типа ПВ-4 сечением 4,0 мм

изготовленной из ПВХП марки И 40-13А (рецептура 8/2) толщины

1,3 мм в процессе изотермического старения при температурах: 1–

70; 2–90; 3–110ºС.

кВ/мм

пр

∆G

62 64 66 68 70 72 %

Рис. 31. Зависимость электрической прочности образцов от

параметра ∆G для ПВХП марок: 1- И40-14 (рецептура Э

40-1); 2-И 40-13 (рецептура 230/1); 3-О40 (рецептура 239).

Изменение содержания компонентов ПВХП вследствие десорбции

пластификатора использовано для разработки метода технической

диагностики. Диагностирующим параметром, характеризующим массовое

соотношение компонентов, выбран параметр ∆G, определяемый методом

термогравиметрии на микропробе. Микропроба снимается с изоляции

(оболочки) кабельного изделия исходной массой G

около 20 мг и

подвергается тепловому воздействию на воздухе при температуре выше

температуры дегидрохлорирования ПВХ, но ниже температуры пиролиза,

в течение времени достаточного для полной потери пластификатора и

завершения процесса дегидрохлорирования (рис. 28).

Параметр ∆G рассчитывают как величину относительной потери

массы пробы за время нагрева в процентах, если масса пробы после

нагрева равна G

, то:

.%100

kн

⋅

−

∆

(21)

Параметр ∆G и количество пластификатора n

, в ПВХП связаны

линейной регрессией, что позволяет рассчитать исходное значение ∆G

исх

через общее количество массовых частей всех компонентов

рецептурном составе следующим образом:

∑

в)nn(G

∑

+−−

∆

(22)

Значения коэффициентов а, в, определяют эмпирически и для

многих кабельных рецептур ПВХП значения этих коэффициентов

приведены в ОСТ 16 0.800.305-84, величину

обозначают G

∑

−

)nn(

которая так же приведена в указанном стандарте.

Величина диагностирующего параметра позволяет прогнозировать

долговечность кабелей и проводов с изоляцией из ПВХП при проведении

технического диагностирования. На пробах изоляции кабелей и проводов,

прошедших эксплуатацию в составе объекта в течение τ

, определяют

значение диагностического параметра в момент диагностирования ∆G

Если величина ∆G

превосходит минимально допустимое значение ∆G

доп

установленное исходя из технических требования к кабельному изделию,

то расчет остаточного срока службы τ

ост

проводят по формуле:

вGaG

исхo

допo

Dост

−+

∆

ττ

(23)

Формула (23) может быть использована при условии сохранения

уровня внешних воздействий и нагрузок при дальнейшей эксплуатации

кабельного изделия.

Определение параметра ∆G в процессе производства кабельных

изделий с изоляцией из ПВХП позволяет оперативно оценивать их

долговечность, при этом сравнивают фактическое значение ∆G с

установленным в нормативном документе.

Кинетику изменения параметра ∆G можно использовать при

прогнозировании долговечности новых изделий. Константу скорости К

процесса старения в этом случае рассчитывают по изменению параметра

∆G от исходного значения ∆G

исх

до значения изделия:

вaGG

вGaG

остo

исхo

−+

−⋅+

∆

l (24)

Учитывая статистический характер величины константы, при

расчете минимальных значений параметров долговечности и срока

сохраняемости следует использовать верхнюю границу доверительного

интервала, в котором с заданной вероятностью может находиться искомое

значение константы.

Значения константы в нескольких режимах теплового старения

позволяют рассчитывать энергию активации процесса по уравнению

Аррениуса, при этом для повышения точности оценки следует