CC BY
153
кий, А.С. Мнека. Развитие водныхтриингов в экструдированной кабельной изоляции как электрический эффект Ребиндера. Ч.1,2. «Наука и техника» №6 (301), 2006.
Борисов Павел Андреевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODEL OF ELECTRO-TECHNICAL COMLEXDIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL STA TE OF ELECTRIC PO WER CABLE LINES.
P.A.Borisov
We consider a model of electro-technical complex diagnostics of the technical state of power cable lines.
Key words: Cable routing, diagnostics of technical state lines.
Borisov Pavel Andreevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula state university
УДК 621.315
ВОДНЫЕ ТРИИНГИ И ПРИНЦИП ОПРЕДЕЛЕНИЯ УЧАСТКОВ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ СОДЕРЖАЩИХ ВОДНЫЕ ТРИИНГИ ПРИ ТРАССИРОВКЕ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
П.А. Борисов
Рассмотрена природа водных триингов в кабельных линиях электропереда-чи,причина их образования, а также принцип поиска участков кабельной линии, содержащих водные триинги при трассировке кабельных линий.
Ключевые слова: водный триинг, частичный разряд, трассопоиск.
Водными триингами (от англ. «tree» - дерево) (ВТ) называют микроканалы в полиэтиленовой изоляции, заполненные водой и другими химическими соединениями (рис. 1).
Несмотря на то, что в настоящее время не существует единого мнения о механизме возникновения и развития ВТ, в основе объяснения природы триингов большинством исследователей лежат одни и те же физические, химические и электрические явления. Поэтому ниже излагается обобщенная модель ВТ, основанная на анализе результатов ряда исследо-
вательских работ.
Рис.1. Водные триинги с каналом пробоя: а - кабель с полиэтиленовой изоляцией после 8 лет эксплуатации;
б - кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена после 4 лет
эксплуатации
Процесс образования ВТ зависит от многих причин: напряженности электрического поля, частоты, длительности воздействия повышенной напряженности, температуры или ее градиента, изоляционного материала, наличия в изоляции антиоксидантов и стабилизаторов напряженности, загрязнений различного типа, полупроводящих экранов по жиле и изоляции, проникновения воды и образования химических соединений в растворах, конструкции кабеля и т.п.
Триингообразование можно условно разделить на три стадии.
Первая стадия.Во время вулканизации полиэтилена возникает большое количество микрополостей (от 10А в 1 ммА при «сухой» вулканизации до 10'' - при паровой) диаметром 1-30 мкм. Такие микропоры могут, например, возникнуть из-за несовершенного распределения наполнителя в полимерной матрице. В изоляции всегда имеются небольшие количества воды в виде растворов или гомогенно распределенные по толщине (0.02-0.5%). После вулканизации полиэтиленовой изоляции кабеля остается влага. Однако эта влага не образуется в процессе реакции сшивания, а образуется в течение последующих технологических реакций. Вода проникает в изоляцию также в процессе эксплуатации из электропроводящих слоев и внешней среды; увлажнение возникает также в результате теплопередачи. Если изоляция из сшитого полиэтилена окружена водой, то водяные пары диффундируют в изоляцию и насыщают ее втем большей степени, чем выше ее температура.
Например, при температурах 25, 55 и 90°С насыщение изоляции водой достигается соответственно при 25, 55 и 450 1/млн. Под действием электрического поля высокополярная молекула воды за счет сил, возникающих при электрофорезе, притягивается к местам с повышенной напря-
женностью (микропоры, пористые зафязнения, микротрещины). Уже при средней напряженности электрического поля, превышающей 2МВ/м, следует учитывать возможность быстрого образования триингов. В результате образуются местные скопления воды, по своей структуре близкие к перенасыщенным водным растворам. В [3] указывается, что через определенное время после начала эксплуатации к микропорам диффундируют и другие продукты, образующиеся при вулканизации полиэтилена.
Вторая стадия. Вблизи предела растворимости вода выделяется в форме жидкой фазы. Капли воды конденсируются на поверхностях микрополостей, частично заполняя их. Это приводит к еще большей степени неоднородности электрического поля и возможно к возникновению незначительных частичных разрядов (ЧР), которые не могут быть зарегистрированы современной аппаратурой. Эту стадию можно назвать началом ВТ.
Третья стадия. В результате выделения во время ЧР тепловой энергии, часть объема воды превращается в пар, что в свою очередь приводит к местному повышению давления в микропорах. Повышенное давление вызывает механическое растрескивание полимера и увеличение объема микрополостей. Кроме того, силы Максвелла, действующие на водозаполненные поры, стремятся исказить их форму в направлении электрического поля. Также следует учитывать ускоренное старение изоляции в подобных областях, т.е. разложение полиэтилена.
Установлено, что загрязнения, существующие в электропроводящих экранах, могут явиться источником разветвленных древовидных образований. Это скорее всего объясняется не механическими, а электрическими причинами, поскольку скопление воды за счет электрофореза в данном случае невозможно. С учетом этого образование ВТ можно связывать с химическими процессами, которые тесно связаны с механическими воздействиями.
Одной из причин возникновения ВТ являются также различные неоднородности на поверхностях проводников. Повышенная напряженность электрического поля на подобных участках ведет к появлению описанных выше процессов.
Несмотря на то, что пока не ясно, какие из этих воздействий являются доминирующими, все они приводят к одному и тому же результату: в окрестностях водных триингов в зоне частично пораженной изоляции на определенной стадии процесса наблюдаются структуры, характеризующиеся наличием водо- заполненных каналов (возможно и не связанных друг с другом) диаметром от 0.1 до 20 мкм [1]. Причем такие структуры могут прорастать на всю толщину изоляции и при этом не приводить к пробою изоляции. Электрическая же прочность полиэтилена в этом случае значительно снижается.
Среди разнообразных по форме ВТ принято выделять две основные группы: триинги типа «куст» (некоторые исследователи называют их дре-
вовидными, кустообразными либо триингами типа «веер») и триинги типа бант. Разветвленные древовидные образования начинают свой рост с поверхности изоляции, в основном с участков, в которых существует неоднородность структуры на границе между изоляцией и внутренним или наружным полупроводящим слоем. Триинги типа бант развиваются из неоднородностей внутри изоляции (загрязнения, включения, микропоры). Они растут более медленно, чем разветвленные, и постепенно их рост вообще приостанавливается. Следует заметить, что только часть микроскопически малых загрязнений и микропор становятся источниками развития триин-гов. Максимальные длины триингов составляют: для разветвленных - до нескольких миллиметров, для триингов типа «бант» - до нескольких сотен микрометров.
Развитие крупных разветвленных древовидных образований сопровождается переходом ВТ в электрические. На последней стадии может развиться ударная ионизация, обусловленная повышенными значениями электрической напряженности в окончаниях полностью или частично заполненных каналов. Высокие значения напряженности могут возникнуть при воздействии перенапряжений в реальных условиях эксплуатации. В случае значительных перенапряжений водные каналы ионизируются и становятся проводящими. Поэтому потенциал электрода проникает в тол-шу изоляции и при определенных значениях напряженности изоляция пробивается. Эту гипотезу, подтверждают исследования, в которых был замечен ускоренный рост триингов в полиэтилене с добавками (некоторыми стабилизаторами). Стабилизатор мигрировал в каналы, благодаря этому проводимость триинга увеличивалась, и потенциал проводника переносился на концы триингов.
Важно указать на существенное различие водных и электрических триингов, которые хорошо известны на основании результатов испытаний твердых изоляционных материалов с использованием в качестве одного из электродов иглы. Электрические триинги зарождаются при относительно высоких напряженностях электрического поля и ЧР в изоляции. В результате образуются быстро развивающиеся каналы в виде полостей, которые способствуют электрическому пробою. В противоположность электрическим триингам ВТ зарождаются при напряженно стях, близких к рабочим или даже ниже их. Поэтому они отличаются исключительно медленным ростом, продолжающимся в течение нескольких лет. В настоящее время предполагается, что ЧР в изоляции при наличии ВТ отсутствуют. Возможно, однако, что ЧР все-таки присутствуют, но их уровень незначителен.
Таким образом, для появления ВТ необходимо выполнение следующих условий:
существование неоднородностей либо в полиэтилене (микрополостей, микрочастиц), либо на границе изоляции с проводниками (неровности, заусеницы);
присутствие в полиэтилене влаги (по достаточно 100 1/млн); наличие электрического поля.
Основной причиной целесообразности диагностики ВТ является то обстоятельство, что ВТ приводят к уменьшению электрической прочности изоляции. Приводится информация об электрической прочности кабеля с полиэтиленовой изоляцией, эксплуатирующегося в течение 8 лет при средней напряженности электрического поля 1.8 МВ/м. Испытание образцов этого кабеля показало, что электрическая прочность при переменном напряжении составила 6 МВ/м, а импульсная прочность - 12 МВ/м, тогда как для нового кабеля эти величины составляют соответственно 30 и 60 МВ/м.
Существенное влияние на снижение электрической прочности оказывает наличие в изоляции древовидных образований. При наличии триин-гов типа бант электрическая прочность практически не меняется. В лабораторных исследованиях кабеля с герметичной металлической оболочкой на напряжение 11 кВ, ранее проложенного через пролив Тромсесунд на севере Норвегии и эксплуатировавшегося там 10 лет, было обнаружено большое количество триингов типа бант, и совсем не было найдено древовидных триингов . Испытания переменным, постоянным и импульсным напряжением не выявили снижения электрической прочности. Следовательно, на электрическую прочность изоляции кабеля влияют только кустообразные триинги. Поэтому требуется диагностировать лишь этот тип ВТ.
В диагностике мест неоднородностей КЛ одной из самых существенных задач является определение параметров неоднородности. Как показано выше, в случае наличия в изоляции ВТ оценка степени повреждения кабеля возможна лишь по изменению емкости кабеля. Эту задачу можно решить следующим образом. Местонахождение мест, содержащие повреждённые участки изоляции будет возможно непосредственно при трассировке кабельной линии.
:: !: :' ■ : ::
:: ц::
Г/ ГГ Г /У7^ГГ/7-/7 т
Рис.2. Эквивалентная схема изоляции, содержащая водные триинги, в которой происходит частичныйразряд.Съ - пробиваемая часть диэлектрика, С8 -ёмкость части диэлектрика, расположенной последовательно с пробиваемой, Са - ёмкость остальной части
диэлектрика
180
При трассировке кабельной линии активным методом через фильтр присоединения в кабельную линию подаётся синусообразное напряжение. Поскольку ёмкость кабельной линии на участке содержащем водные три-инги отличается от участков с неповреждённой изоляцией, диаграмма напряжения искажается и становится несколько отличной от синусоидальной.
При отсутствии ЧР на участках напряжение синусоидально и равно
и ■ С
Уъ = и^таИ, где иЪт = ъ 5/^ + с ) , если иЪт > , то будут
происходить ЧР. ЧР зажигается, когда иь достигает величины . В результате разряда величина иь падает до величины иг ,и ЧР прекращается.
Рис.З. Изменение напряжения на пробиваемой частичными разрядами
части диэлектрика
Затем иь нарастает по кривой иь — иЬтБта)1 — Аиь , где Аиь — и^ — иг , когда напряжение иь на ёмкости Сь вновь достигнет значения , происходит второй ЧР. После его завершения иь возрастает по закону иь — иЬтБтш1 — 2Аиь . ЧР повторяются на участке через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на ёмкости Съ на величину д иь.
1. Калкшер, Мюллер, Пешке, Хенкель, фон Олъсхаузен.Водные триинги в кабельной изоляции высокого напряжения из полиэтилена и сшитого полиэтилена. Кабели высокого напряжения: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СР1ГРЭ-82) / под ред. И.Б. Пешкова. М.: Энергоатомиздат, 1984. 104 с.
2. Болл, Холдап, Скиппер, Вевеллио. Разработка кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Кабели высокого напряжения; Электроизоляционные материалы: переводы докладов Между-
-а
4
4
Список литературы
народной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-84)/ под ред. И.Б. Пешкова, С.Г. Трубачева. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.
3. Вун,Стинис, Бентвелзен, Лаар. Разработка и результаты испытаний кабелей сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена в Нидерландах. Кабели высокого напряжения; Электроизоляционные материалы: переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-84)/ под ред. И.Б. Пешкова, С.Г. Трубачева. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.
4. Холте,Бъерлев-Ларсен, Илдстад. Опыт использования высоковольтных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в Норвегии. Кабели высокого напряжения; Электроизоляционные материалы: переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-84)/под ред. И.Б. Пешкова, С.Г. Трубачева. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.
5. Техника высоких напряжений / под ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1976.
6. М.Ю. Шувалов, Ю.В. Образцов, В. Л. Овсиенко, П.Ю. Удовиц-кий, А. С. Мнека. Развитие водныхтриингов в экструдированной кабельной изоляции как электрический эффект Ребиндера. Ч. 1,2. «Наука и техника» №6 (301), 2006.
Борисов Павел Андреевич, асп., p.a.borisov-workayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
WATER TREEING AND THE PRINCIPLE OF DETERMINING THE SECTIONS OF THE
CABLE LINE CONTAINING WATER TREEINGSTRACING CABLE LINES
P.A. Borisov
Considered the nature of water treeing in cable power lines, the reason of their education, as well as the principle of seeking sections of the cable line containing water treeings tracing cable lines.
Key words: water treeing, partial discharges, cable routing.
Borisov Pavel Andreevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
