CC BY
59
Considered the principle of the search for cable joints when tracing cable lines thout output cable lines from the operating mode.
Key words: Cable sleeve, induction method, cable routing, accession filter.
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State Univercity,
Borisov Pavel Andreevich, postgraduate, p. a. borisov-work@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Univercity
УДК 621.315
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ С СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ НА РОСТ ТРИИНГОВ В СОБСТВЕННОЙ
ИЗОЛЯЦИИ
В.М. Степанов, П. А. Борисов
Рассмотрен механизм развития триингов в изоляции кабелей из сшитого полиэтилена под действием собственного поля.
Ключевые слова: водный триинг, разрядная структура.
Электрохимическое старение или развитие водных триингов (ВТ) является основным механизмом деградации экструдированной изоляции силовых кабелей среднего, а в некоторых случаях - и высокого напряжения.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние 1520 лет в области создания более надежных диэлектрических материалов и технологии их переработки в высококачественные изделия, ВТ по-прежнему остаются объектом пристального внимания со стороны ряда крупных компаний, производящих как изоляционные и электропроводящие композиции, так и собственно кабели, а также со стороны предприятий, занятых эксплуатацией последних. Данный интерес обусловлен стремлением создать более долговечные материалы и конструкции, разработать более надежные и достоверные методы оценки стойкости электроизоляционных систем к ВТ и прогноза ресурса.
ВТ зарождаются уже при напряженностях (Е), равных 2-3 кВ/мм, а
возможно, и меньших. В то же время в отсутствие влаги в изоляции электрическое старение при умеренных температурах регистрируется лишь при значениях Е порядка десятков кВ/мм.
В целом можно утверждать, что существует положительная корреляция между размерами дефектов и триингов; крупные ВТ, выросшие на крупных дефектах, показаны на рис. 1. Связь эта, однако, нежесткая, и не раз при обследовании кабелей, отказавших в эксплуатации, мы встречали большие триинги, зародившиеся на мелких включениях. Скорость роста ВТ, по-видимому, определяется целым рядом характеристик дефекта: его формой и диэлектрической проницаемостью (а значит, и величиной местного усиления Е), гидрофильностью и растворимостью в воде веществ, его составляющих, химической активностью этих веществ, совместимостью дефекта и окружающего полимера.
Рис. 1. Триинги, зародившиеся на дефектах кабельных материалов
Разрядная структура возникает в диэлектрике вследствие физических процессов, связанных с генерацией и переносом носителей зарядов в сильном электрическом поле. К таким процессам можно отнести разогрев диэлектрика, механическое разрушение, газообразование, ударную ионизацию, образование химически активных радикалов, и т.д.
[2]. Эти процессы приводят к разрушению материала диэлектрика и формированию наполненных газом (или плазмой) каналов, РС. Характерная древовидная форма РС обусловлена составляющих неустойчивым характером происходящих в диэлектрике процессов.
Неустойчивый характер роста РС определяется двумя основными факторами: Б-образной зависимостью плотности тока от напряженности поля, рис. 2, и эффектом экранировки электрического поля.
Отличительной особенностью Б-образной зависимости плотности тока от напряженности является резкий скачок плотности тока при дости-
176
жениикритической напряженности поля Ес. Вследствие неоднозначности зависимости, для поддержания интенсивного тока требуется напряженность поля существенно меньшая Ес. Существование Б-образной зависимости может быть связано с электротепловыми, электромеханическими, ионизационными и прочими процессами.
Рис. 2. Токовая неустойчивость
Тепловая неустойчивость проявляется как разогрев диэлектрика до температуры плавления или испарения с последующими фазовым переходом, ионизацией и образованием плазменного канала [2]. Под действием напряжения диэлектрик разогревается током проводимости. Если рассеяние джоулева тепла является недостаточно эффективным, температура диэлектрика возрастает. Увеличение температуры диэлектрика приводит к росту проводимости. Для многих диэлектриков рост проводимости (<т с температурой может быть описан аррениусовской зависимостью:
о{Т) = бт0ехр (- Ша/кт), (1)
где <т0 - начальная проводимость; \Уа - энергия активации проводимости, к - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина. Рост проводимости, в свою очередь, вызывает усиление тока, что ведет кувеличе-нию мощности энерговыделения и дальнейшему росту температуры.
Таким образом, положительная обратная связь нарастания проводимости и джоулева тепловыделения приводит к развитию тепловой неустойчивости.
Динамика температурного поля в процессе развития тепловой неустойчивости может быть описана с помощью уравнения теплового баланса
С ^ = <ііу(ІЗдга<іТ) + <т(Т) ■ Е2, (2)
где С - теплоёмкость; /? - теплопроводность диэлектрика и Е - напряженность электрического поля.
Электромеханическая неустойчивость развивается, если локальное механическое напряжение, создаваемое действием электрического поля на заряды в диэлектрике, превосходит предел механической прочности.
При этом происходит растрескивание материала, электрические разряды в микротрещинах и дальнейшая инжекция зарядов в диэлектрик.
Плотность электромеханических сил Б при постоянной температуре определяется формулой Гельмгольца:
? = рЕ-\ЕЧе+\ч{Е1Рт^-), (3)
где р - плотность заряда, £ - относительная диэлектрическая проницаемость, рт - массовая плотность диэлектрика. Первый член представляет силу Кулона, второй - электрофоретическую силу, третий - объемную электрострикционную силу, появляющуюся в результате зависимости диэлектрической проницаемости от плотности материала. Инжекция объемного заряда в микротрещины приводит к локальному усилению электрического поля и дальнейшему электромеханическому разрушению диэлектрика. Таким образом, описанный процесс также является неустойчивым.
Ионизационная неустойчивость возникает при локальных значени-яхнапряженности электрического поля, достаточных для генерации носителей заряда путем ударной ионизации. Число событий ионизации пропорционально концентрации свободных электронов. В результате процессов ионизации концентрация увеличивается, появляются дополнительные свободные электроны. Эти электроны, ускоряясь в электрическом поле, также приобретают энергию, достаточную для ионизации. Таким образом, имеет место положительная обратная связь между концентрацией свободных электронов и скоростью ионизации. Рост концентрации приводит к увеличению плотности тока / в диэлектрике согласно выражению
= епцЕ, (4)
где /1 - подвижность электрона.
Формирование РС при электрическом триинге имеет свои особенности. Инициирование роста РС связывается с локализованной инжекцией заряда в полимер. Источником заряда может служить электрод или газовые разряды в микрополостях. Измеряемые при инициировании токи удовлетворяют законам инжекции заряда в диэлектрик [3]. Энергия инжектируемого заряда может преобразовываться в повреждение материала диэлектрика в результате следующих процессов [3]. Во-первых, разрыв молекулярных связей может происходить при возбуждении и ионизации молекул налетающими электронами, обладающими достаточно высокой кинетической энергией ("горячими" электронами). Во-вторых, молекулярные связи могут разрываться при поглощении ультрафиолетового излучения, возникающего из-за рекомбинации зарядов.
Путем теоретических расчетов показано, что ультрафиолетовой составляющей сопровождающего инициирование РС излучения недостаточно для того, чтобы вызвать наблюдаемое на практике повреждение материала. С другой стороны, повреждение полиэтилена путем ударного возбуждения и ионизации молекул вполне реально. Число электронов, дости-
гающих необходимых энергий, достаточно для того, чтобы вызвать наблюдаемое повреждение.
Как рекомбинация зарядов, так и ударная ионизация горячими электронами сопровождаются электролюминесценцией. Представленный в
[3] анализ изменения интенсивности светового излучения при инициировании PC в эпоксидной смоле позволяет разделить процесс инициирования на три стадии, рис. 3. На первой стадии (рис. 3, область А) электролюминесценция обусловлена рекомбинацией. Поэтому интенсивное световое излучение наблюдается только при отрицательной полярности острия, когда происходит инжекция электронов в диэлектрик.
Рекомбинация не требует наличия достаточной кинетической энергии. Вторая стадия - промежуточная. На третьей стадии (рис. 3, область В) энергия электронов достигает значений, достаточных для ударного возбуждения и ионизации молекул (> 3.5 эВ [3]). Поэтому световое излучение наблюдается как при положительной, так и при отрицательной полярности острия.
Рис.3. Схематический рисунок, отражающий изменение интенсивности электролюминесценции при инициировании РС в эпоксидной смоле [3]
Таким образом, опираясь на результаты работ, можно заключить, что основным механизмом, ответственным за формирование РС при электрическом триинге, является разрушение молекулярных связей при ударном возбуждении и ионизации молекул ускоренными в электрическом поле электронами.
1. Техника высоких напряжений / под ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1976.
2. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Т.2. Сильные электрические поля. М.:ГИФМЛ, 1961.
3. Dissado L.A. Understanding electrical treeing in solids: from experiment to theory // Proc. of IEEE 7th Int. Conf. on Solid Dielectrics. 2001.
<51 QS f)i CH
Time (Minnies)
Список литературы
P. 15-26.
4. Шувалов М.Ю., Образцов Ю.В., Овсиенко В.Л., Удовицкий П.Ю., Мнека А.С. Развитие водных триингов в экструдированной кабельной изоляции как электрический эффект Ребиндера. Ч. 1, 2. «Наука и техника» №6 (301), 2006.
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Борисов Павел Андреевич, асп.,p.a. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC FIELD CABLE LINES WITHXLPE
INSULATION ON THE GROWTH OF TREEINGS IN ITS ISOLATION
V.M. Stepanov, P.A. Borisov
The mechanism of development of treeing in isolation XLPE insulated cables under their own field is considered.
Key words: water treeing, discharge structure.
Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State Univercity,
Borisov Pavel Andreevich, postgraduate, p. a. borisov-w orkayandex. ru, Russia, Tula, Tula State Univercity
