СУДОСТРОЕНИЕ 3'2002
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СУДОВЫХ КАБЕЛЕЙ
А. А. Арутюнян, канд. техн. наук, (УСРЗ ВМФ), А. В. Баглай, канд. техн. наук, А. Л. Генкин, канд. техн. наук, В. Н. Темнов, докт. техн. наук (ВМИИ, г. Пушкин) удк 620.179.1:621.315.2-036.4:629.5
Несмотря на малую удаленность источников электроэнергии от потребителей, общая протяженность судовых кабелей может достигать десятков и сотен километров, а масса — до 40% от массы всего электрооборудования. На судах для силовых и осветительных сетей применяют кабели с резиновой изоляцией. В процессе эксплуатации у вулканизированных резин из-за окислительной деструкции каучука изменяются электрофизические и механические свойства: они постепенно твердеют, становятся хрупкими, в них образуются трещины, которые заполняются воздухом и влагой. Наиболее интенсивно старение изоляции происходит при повышении температуры, воздействии солнечных лучей, горючесмазочных материалов и других факторов. Так, повышение температуры оболочки кабеля более принятой при проектировании (Т = 65 оС) всего на 8о уменьшает срок службы кабеля в 2 раза [1].
Изоляция кабеля перегревается не только при повышении температуры окружающей среды, но и при токовых перегрузках, возможных и регулярно повторяющихся при нормальной эксплуатации электрооборудования. Например, во время пуска асинхронных двигателей ток может в 5—7 раз превышать номинальное значение, при этом температура на внутренней поверхности изоляции токопроводящих жил за время пуска достигает 100 оС и выше, а затем медленно (в течение нескольких минут) снижается. К еще большим перегревам приводят короткие замыкания, обрывы фазы и т. п.
Техническое состояние судовых кабелей обычно определяют на основе анализа судовой документации, опроса обслуживающего персонала, осмотра кабельных трасс и оценки сопротивления изоляции [2]. Таким образом можно установить пригодность кабеля к эксплуатации на момент проведения испытаний, но нельзя определить его работоспособность при ухудшении условий (перенапряжение, дополнительное увлажнение, повышение рабочего тока и т. п.) и тем более остаточный ресурс. Например, кабель, полностью израсходовавший свой ресурс по критерию относительного удлинения при разрыве оболочки [(А//1)разр < 0,5], как правило, имеет сопротивление изоля-
ции значительно больше предельного значения Киз = 1 МОм, установленного Правилами Российского Морского Регистра Судоходства.
Метод расчета остаточного ресурса, изложенный в [2], основан на анализе условий эксплуатации кабеля (коэффициента загрузки, температуры окружающей среды, продолжительности работы). Его трудно реализовать, так как он требует оценки температуры оболочки кабеля в течение всего времени эксплуатации. Определение же остаточного ресурса кабеля по результатам измерений механической или электрической прочности изоляции требует частичного разрушения кабеля.
Обоснованная оценка текущего состояния кабелей важна не только с точки зрения обеспечения надежности работы судового электрооборудования и предотвращения пожаров. Следует учитывать, что замена кабелей при судоремонте — одна из самых дорогостоящих и трудоемких операций и ее проведение без достаточного основания, также как и невыполнение при необходимости, недопустимо.
Предлагаемый неразрушаемый метод контроля основан на установлении связи между изменением механической прочности изоляции кабеля при старении и ее структурными электрическими параметрами. В качестве таких параметров обычно рассматривают сопротивление изоляции 1?из и поляризационную емкость С. Исследования переходного процесса при разряде предварительно заряженного кабеля (между жилой и оплеткой) показали, что эти параметры не в полной мере характеризуют процесс разряда из-за протекания абсорбционного тока, обусловленного накоплением объемных зарядов на неоднородностях в изоляции (границах раздела слоев, трещинах, газовых включениях и т. п.). Поэтому при разработке метода контроля технического состояния судовых кабелей целесообразно в качестве электрических структурных параметров рассматривать емкость абсорбции Са и сопротивление току абсорбции Ка, которые наиболее чувствительны к изменению состояния изоляции. Соответствующая эквивалентная электрическая схема изоляции кабеля при-
ЭЛЕКТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
:УД0СТР0ЕНШЕ 3'2002
турных параметров изоляции Ca и
■ +- Uc = 0 ,
Uc(t) = Uo
Kn + Kn Kn + Ki
eKit-1eK2t
K2 - K1
K2 - K1
T1+Ta
1 1 Ki + K2 = — ; Ki K2 = — ; K3 = ~~ T1Ta T1Ta T1
Ra имеют вид
C"=- R
K1+K2
v K1K2 K K2T
■ + Ti
12 4
; Ra=Г
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема:
/к, /с — соответственно активная и реактивная составляющие тока утечки; /а — ток абсорбции
ведена на рис. 1. На ней показан также опорный резистор через который происходит разряд предварительно заряженных емкостей кабеля.
Определение Rа и Са возможно по характеристикам переходного процесса разряда, который может быть описан дифференциальным уравнением
т,+т2 сЮс 1
с2 т1та С Т1Та
где ис(^> — падение напряжения на опорном резисторе;
Т1 = RC; Т2 = (^+^а)Са; ^а = *аСа'; й " R0Rиз/(R0+Rиз) .
В качестве начальных условий использованы значения напряжения ис и dUc/df в момент замыкания цепи «жила—оплетка» через сопротивление Ro:
ис = и0; dUc/df = -ис/т1 при f = 0.
Решив дифференциальное уравнение, с учетом начальных условий можно получить зависимость ис от времени при разряде, которая имеет вид
Корни характеристического уравнения существенно зависят не только от технического состояния изоляции, т. е. структурных параметров Са, Ra, Rиз и С, но и величины Ro. В ходе опытов установлено, что при выборе величины Ro исходя из условия, что Т1 << та, можно существенно упростить методику измерения ис(^, процедуру вычисления корней характеристического уравнения и определения структурных параметров Ra и Са. В этом случае приближенное решение исходного дифференциального уравнения имеет вид
Uc = -U0
" R / R 1
— eK1t + 1 -- eK2t
k v 2 R -
1 С 1
K1=—, K2 =-----, Ik2I>>IK1I
T
T1 C Ta
Uc= U^ — e -(t/Ta).
f2-f1
UoR
; Ra = — e-(t1/Ta>; Ca
In (Uc2/Uc1) Uc1
T„
R
где Кр К2 — корни характеристического уравнения, связанные с постоянными времени соотношениями
Определив в ходе измерений зависимость ис(^, можно вычислить корни характеристического уравнения и постоянные времени Т1, та. Окончательные выражения для струк-
0,1
0,3 0,5
0,7 0,9 Т
Если отсчет времени начинать с момента f > 10т 1, то напряжение на опорном резисторе ис будет определяться выражением
Из последнего соотношения следует, что, измерив значения ис в момент времени ^ и 2 можно вычислить
Расчеты показали, что при выборе величины R из условия R = (0,00!...0,005)/С корни характеристического уравнения К и К2 определяются с погрешностью (по сравнению с точным решением), не превышающей 4%, а структурные параметры изоляции Ra и Са — с погрешностью менее 10%.
Таким образом, предлагаемая математическая модель переходного процесса при разряде емкостей кабеля позволяет на основе измерений падения напряжения на опор-
Рис. 2. Зависимости параметров Ra, Са
И (А1//)ра3р между жилой И оплеткой кабеля КНРП 2x2,5 длиной 29 м:
1 - (л1/4разр; 2 - са/сао;
3 - Ra/Ra0
ном резисторе определить структурные параметры изоляции Ra и Ca и в сочетании с параметрами R^ и С, измеренными традиционными методами, обоснованно судить о техническом состоянии изоляции в текущий момент.
Для определения израсходованного (остаточного) ресурса кабелей установлены зависимости изменения структурных параметров от степени износа изоляции. Основным показателем старения изоляции [3] принята величина относительного удлинения при разрыве оболочки кабеля (А1//)разр, где Al — абсолютное удлинение образца оболочки при разрыве, l — начальная длина вырезаемого из оболочки образца). Связь между изменением электрических структурных параметров R , C, Ra, Ca и механическим структурным параметром (Al/ 1)разр была установлена при ускоренном тепловом старении кабеля при температуре 120 oC. Результаты измерений для кабеля КНРП показаны на рис. 2. В качестве масштаба для безразмерного времени T = T/To принято значение То, при котором отношение (Al/ 1)разр уменьшается до предельного значения 0,5, а для величин Cao и Ra0 приняты значения для нового кабеля. Из приведенных значений видно, что поляризационная емкость С слабо меняется по мере старения изоляции, а емкость абсорбции Са, сопротивление изоляции R и сопротивление абсорбционному току RCI заметно изменяются (зависимости R , Rc от степени старения кабеля были получены при одинаковой температуре 20 оС).
Полученные в ходе систематических опытов данные и монотонный характер их изменения по мере старения кабеля позволили установить нормы предельных значений
+
+
a
T
a
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2002
Э/ШРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
Таблица неисправностей
Показатель Характеристика дефекта
Старение Увлажнение оболочки Пробой Загрязнение
Сопротивление изоляции Киз Емкость поляризации С/С0 Сопротивление абсорбции К0/Ка Емкость абсорбции Са/Са а/ а0 Уменьшается Изменяется от 1,0 до 0,8 Увеличивается от 1,0 до 2,0 Уменьшается от 1,0 до 0,5 Уменьшается Изменяется от 1,0 до 1,6 Уменьшается Увеличивается 0 Изменяется незначительно Уменьшается Уменьшается от 1,0 до 0,8 Изменяется незначительно Изменяется незначительно
электрических структурных параметров для кабелей с резиновой изоляцией (КНР, КНРП и др.) и составить на их основе таблицу неисправностей.
Первые два параметра (Киз, С/С0) позволяют определить пробой изоляции и степень ее увлажнения. Если < 5 МОм-км, кабель
из '
непригоден к эксплуатации при условии, что С/С0 < 1; если С/С0 > 1, то кабель увлажнен и необходимо принять меры к удалению влаги. Если С/С0 < 1 и Киз > 5 МОм-км, то для определения остаточного ресурса следует определить измене-
ние напряжения при разряде емкостей кабеля и вычислить параметры Ка и Са.
В том случае, когда значения структурных параметров близки к указанной в таблице первой цифре, состояние кабеля хорошее, если параметры приближ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.