CC BY
12DOI: 10.25712^т2072-8921.2018.01.016 УДК 621.315.211; 620.179.1
ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ТИПА ВОЗДУШНАЯ ПОЛОСТЬ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ОБЛАСТИ СЛАБЫХ И СИЛЬНЫХ ПОЛЕЙ
В.В. Редько, Л.А. Редько
Технологический контроль качества изоляции кабельных изделий позволяет исключить передачу дефектных изделий потребителю и получить обратную связь для регулировки технологических режимов производства. В процессе технологического контроля полимерной изоляции кабельных изделий применяется электроискровой метод контроля. Изучение изменения параметров в процессе контроля является актуальной задачей. В статье рассматривается возможность обнаружения дефектов типа «воздушная полость» полимерной изоляции электрических проводов электроискровым методом контроля на основе контроля электрических параметров дефектного участка. Проведен сравнительный анализ поведения дефектов в области слабых и сильных электрических полей. Теоретически обосновано изменение электрической емкости и сопротивления диэлектрических потерь дефектного участка. Приводятся результаты численного моделирования распределения напряженности электрического поля в изоляции круглого одножильного провода в области слабых и сильных полей; описание и результаты экспериментальных исследований участка изоляции с воздушной полостью. На основе численного моделирования и анализа экспериментальных данных подтверждены теоретические предположения о том, что с увеличение прикладываемого напряжения электрическая емкость дефектного участка возрастает, а сопротивление диэлектрических потерь снижается. Описана возможность повышения информативности электроискрового контроля изоляции кабельных изделий.
Ключевые слова: изоляция кабельных изделий, дефект, контроль, электроемкостной метод контроля, электроискровой метод контроля, электрическое поле, электрическая прочность изоляции, электрическая емкость, диэлектрическая проницаемость.
Электроискровой метод контроля изоляции кабельных изделий [1] используют непосредственно во время производства на экс-трузионных линиях, на участках скрутки и контрольной перемотки, поэтому для оперативного устранения вызывающих брак причин необходимо обеспечить чувствительность к разным типам дефектов [2].
Геометрия, строение и состав полимера изоляции влияют на его электрические характеристики, и это является основой метода контроля [3]. Поэтому возникает необходимость определения четких границ возможностей обнаружения разных видов дефектов этим методом контроля.
Основной вид дефекта, который обнаруживается в классическом варианте электроискрового дефектоскопа - сквозной дефект. В таком случае возникает электрический пробой изоляции, что свидетельствует о наличии дефекта [4]. Однако физический принцип контроля позволяет обнаруживать и другие виды дефектов. По изменению локальных значений электрической емкости и диэлектрических потерь можно судить об изменениях структуры и химического состава 82
диэлектрика или об отклонении от нормы в конструкции [5, 6].
На кабельных предприятиях для контроля целостности изоляции используются эектроемкостной метод (в области слабых полей) и электроискровой метод (в области сильных полей) [7].
Существуют различия поведения дефекта типа «воздушная полость» в области слабых и в области сильных электрических полей. Целью данной работы является выявление этих отличий. Теоретическим предположением является то, что в области слабых полей локальная электрическая емкость снижается. Это происходит потому, что диэлектрическая проницаемость воздуха существенно ниже диэлектрической проницаемости полимеров, используемых при изготовлении изоляции кабельных изделий. В области сильных электрических полей (напряженность в полимере близка к пробивной) в воздушной полости происходят интенсивные электрические разряды, что приводит к ее высокой проводимости. В результате электрическая емкость дефектного участка изоляции возрастает, как возрастают и диэлек-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2018
трические потери, являющиеся следствием частичных разрядов [8].
На рисунке 1 показан пример расположения дефекта в изоляционном слое и его схема замещения. Емкость изоляции без дефекта для участка размером г
2
С = г
с.=
с.„ • с
сиз + с0 г + г0(ег -1)
г (1) где: £в - электрическая постоянная, £— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика изоляции.
Емкость дефекта в области слабых полей:
г - рог 2
со
Го (2) где: го - размер дефекта вдоль приложения испытательного напряжения. Относительная диэлектрическая проницаемость дефекта, для упрощения, принята за единицу, так как дефект заполняется, как правило, воздухом.
Эквивалентная емкость участка с дефектом в области слабых полей:
жила
-о ' 1 '0 4" г V (3)
Коэффициент емкости, равный отношению емкости бездефектного участка и емкости участка с дефектом.
С г
К - С - ^ -1)+1
Ч г (4)
Из приведенного значения видно, что емкость участка с дефектом ниже емкости бездефектного участка. При этом крайним случаем является равенство относительной диэлектрической проницаемости изоляции £г=1. В этом случае емкости окажутся равными.
Расчетная напряженность поля в дефекте:
р
Е - Е р
р (5)
где: Ег - напряженность поля в диэлектрике.
С учетом того, что контроль проводиться при напряженностях близких к напряженности
дефект
изоляция
а)
и
Си
Со
ио
б) -
Рисунок 1 - Пример расположения дефекта в изоляционном слое а) и электрическая
схема замещения б)
2
пробоя диэлектрика, соотношение £у1 £°, как правило, находиться в пределах 2..6, а электрическая прочность дефекта кратно ниже электрической прочности изоляции, то при контроле напряжением в области дефекта будут происходить электрические разряды
высокой интенсивности и область дефекта будет обладать высокой проводимостью. В этом случае всё испытательное напряжение будет приложено к целому участку изоляции г-го.
Е/Е
0,75
0,5
0,25
токопроводящая жила
Т
а)
дефект
к
изоляция
токопроводящая жила
Е/Е
0,75
0,5
0,25
б)
Рисунок 2 - Распределение напряженности электрического поля в изоляции круглого одножильного провода: а) в области слабых полей, б) в области сильных полей
1
0
1
0
Электрическая емкость дефекта потеряет физический смысл, а эквивалентная емкость участка изоляции с дефектом увеличится и будет равна:
с =
' '0 (6) Коэффициент емкости в области сильных полей:
" г
к. = с = .
С ' 'о (7)
В программе численного моделирования методом конечных элементов были получены картины распределения напряженности поля одножильного круглого провода с дефектом типа «воздушная полость» в области слабых (рисунок 2а) и сильных (рисунок 2б) полей.
В подтверждение, высказанных ранее, предположений были проведены экспериментальные исследования участка изоляции с воздушной полостью. Для удобства изготовления конструкция участка изоляции была несколько изменена. Ее схема приведена на рисунке 3.
Материал изоляции - фторопласт. Размеры элементов макета, следующие: толщина изоляторов 0,25 мм, как для верхнего, так и для двух боковых. Размер сторон верхнего изолятора 50 мм х 70 мм. Размер сторон бо-
ковых изоляторов 18 мм х 50 мм. Размер сторон дефекта (воздушного участка) 14 мм х 30 мм. Размер электрода 30 мм х 50 мм. Размеры верхнего изолятора превышают размер электрода для того, чтобы предотвратить электрический пробой между электродом и основанием. Конструкция закреплена воедино с помощью клея. Несмотря на низкую адгезию фторопласта с клеями общего применения, ее оказалось достаточно для проведения экспериментов. Слой клея имел толщину около 0,1 мм, что внесло коррективы в модель дефектного участка. В результате высота воздушного участка составила 0,45 мм.
Расчетная емкость конструкции между электродом и основанием в области слабых полей составила 22 пФ при £,=2,1
Экспериментально результирующая емкость макета определялась методом вольтметра- амперметра на переменном токе с учетом фазового сдвига и частоты [9,10].
Приложенное напряжение изменялось от 1 В до 12 кВ. Ограничение верхнего предела напряжения определялось электрической прочностью конструкции и требованиями нормативных документов. В соответствии с [3] для испытаний изоляции толщиной 0,5 мм требовалось напряжение амплитудой 10 кВ.
Изолято-
Электрод
Дефект
Основание Изолятор
Сиз--
Си
"в —1~ Сиз.б.
Рисунок 3 - Конструкция экспериментального макета дефекта в изоляционном слое - а) и
электрическая схема замещения - б)
2 4 6 8 10 12 14
Испытательное напряжение иисп, кВ
а)
ч jf
CU Œ
О Ü
Испытательное напряжение иисп, кВ б)
Рисунок 4 - Зависимость емкости дефектного участка - а) и сопротивления диэлектрических потерь - б) от прикладываемого напряжения
5000
500
50
0
4
0
12
4
Результаты эксперимента приведены на рисунке 4.
Из приведенных зависимостей видно, что электрическая емкость дефектного участка возросла примерно в пять раз, а сопротивление диэлектрических потерь снизилось более чем в тысячу раз. Результаты экспериментов подтвердили теоретические предположения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные в ходе исследований результаты позволят повысить информативность электроискрового контроля и могут быть использованы при конструировании электроискровых дефектоскопов. Показано, что поведение дефектов изоляции типа «воздушная полость» различно в области слабых и в области сильных электрических полей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Редько В.В. Электроискровой контроль качества изоляции кабельных изделий [Электронный ресурс] : монография / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра физических методов и приборов контроля качества (ФМПК). — 1 компьютерный файл (pdf; 3.8 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2013. — Заглавие с титульного экрана. — Электронная версия печатной публикации. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe Reader. Режим доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2013/m213.pdf
2. Редько В.В., Л.Б. Бурцева. Аттестация высоковольтных испытателей изоляции// Ползунов-ский вестник. № 3/1 2011 г. С.111-113.
3. ГОСТ 23286-78. Кабели, провода и шнуры. Нормы толщин изоляции, оболочек и испытаний
напряжением.
4. Леонов А. П., Редько В. В. Выявление дефектов в изоляции кабелей и проводов при испытаниях по категории ЭИ-2 [Электронный ресурс] / // Кабели и провода. — 2015. — № 1. — [C. 15-20]. — Заглавие с экрана. — Доступ по договору с организацией-держателем ресурса. Режим доступа: http://elibrary.ru/item.asp?id=23575657
5. Старикова Н. С., Редько В. В., Вавилова Г. В. Контроль состояния изоляции кабельных изделий по изменению электрической емкости при высоковольтных испытаниях [Электронный ресурс] // Информационные технологии неразрушающего контроля : сборник научных трудов Российской школы конференции с международным участием, Томск, 27-30 октября 2015 г./ Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2015. — [С. 124-127]. — Заглавие с титульного экрана. — Свободный доступ из сети Интернет. — Adobe Reader. Режим доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltextZc/2015/C111/024.pdf
6. Гольдштейн А.Е., Вавилова Г.В. Измеритель погонной емкости одножильного провода для технологического контроля// Ползуновский вестник. 2015. № 3. С. 38-42.
7. Determination of sensitivity for in-process control of cable product insulation [Electronic resource] / V. V. Redko [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2015. — Vol. 81 : Radiation-Thermal Effects and Processes in Inorganic Materials. — [012083, 8 p.]. — Title screen. — Доступ по договору с организацией-держателем ресурса. — Adobe Reader. Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/81/1/012083
8. Техника высоких напряжений/ под ред. Д.В. Разевига. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976. - 471 с.
9. Problems of Automatic Test of Insulation in Cable Production [Electronic resource] / V. V. Redko [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. — 2016. — Vol. 671 : Innovations in Non-Destructive Testing (SibTest 2015). — [012049, 5 p.]. — Title
screen. — Доступ по договору с организацией-держателем ресурса. Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/671/1/012049
10. Редько В.В., Редько Л.А., Старикова Н.С. Повышение информативности электроискрового технологического контроля изоляции кабельных изделий// Ползуновский вестник. 2013. № 2. С. 168-171.
Редько Виталий Владимирович,
к.т.н., доцент отделения контроля и диагностики Инженерной школы неразрушаю-щего контроля и безопасности Томского политехнического университета, тел. (3822) 417307, e-mail: [email protected];
Редько Людмила Анатольевна, к.т.н., доцент отделения контроля и диагностики Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета, тел. (3822) 417307, e-mail: [email protected].
