№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.315.2.016.2.019.3
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЙ "КРИВЫХ ЖИЗНИ" ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
© 2015 г. И.Б. ПЕШКОВ, В.Л. ОВСИЕНКО, М.Ю. ШУВАЛОВ
ОАО "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности", Москва E-mail: vniikp@vniikp.ru
Представлены методика исследований и экспериментальная установка для построения "кривой жизни" (зависимости времени до зарождения электрического триинга (ЭТ) от величины приложенного напряжения электрического поля) изоляции из пероксидно-сшитого полиэтилена низкой плотности. Разработанное оборудование позволяет испытывать образцы материалов, полученных в лабораторных условиях и отобранных из промышленных кабелей при комнатных, рабочих и перегрузочных температурах. Факт зарождения ЭТ устанавливается оптическим микро-скопированием в ходе длительных испытаний высоким напряжением одновременно десяти образцов. Оптическая система и микроманипуляционная техника обеспечивают пространственное разрешение 1,5 мкм, высокую точность доставки микроэлектрода к исследуемой области образца, постоянный и гарантированный контакт между микроэлектродом и материалом, сохранность поля остаточных механических напряжений. Полученные результаты могут использоваться при разработке новых конструкций кабелей высокого напряжения с полимерной изоляцией.
На основе экспериментальной "кривой жизни", с помощью математической модели выполнен расчет толщины электрической изоляции кабеля на напряжение 220 кВ, которая составила 19—20 мм.
Ключевые слова: высоковольтный кабель, полиэтиленовая изоляция, электрический триинг, кривая жизни.
THE DEVELOPMENT OF EVALUATION METHOD OF THE HV AND EHV CABLE POLYMERIC INSULATION LIFE CURVE. FIRST RESULTS AND AREAS OF APPLICATION
I.B. PESHKOV, V.L. OVSIENKO, M.Y. SHUVALOV
"All-Russian Scientific Research and Development Cable Institute" JSC, Moscow E-mail: vniikp@vniikp.ru
The testing procedure and experimental unit are described which permit to derive the life curve i.e. electrical tree induction period vs. applied voltage dependence for the cross-linked low density polyethylene extruded insulation. The developed equipment permits to test samples of materials both made in laboratory and cut from commercially manufactured cables at room temperature as well as at long-term permissible and overload temperature.
The fact of electrical tree inception is established by means of application of light microscope directly during simultaneous high voltage test of 10 samples. The optical system and micromanipulation technique used provide the spatial resolution equal to approx. 1,5 ^m and high precision of the microelectrode delivery to the area of interest inside the sample as well as permanent and reliable contact between the microelectrode and material and preservation of residual mechanical stress field.
The results obtained may be used for the development of new HV cable construction. The derived life curve permits by using the corresponding mathematical model to calculate the insulation wall thickness, which for instance is equal to 19—20 mm for 220 kV cable.
Key words: HV cable, polyethylene insulation, electrical tree, life curve.
ВВЕДЕНИЕ
Кабели высокого и сверхвысокого напряжения (КВН и КСВН) относятся к числу наиболее сложных, высокотехнологичных, дорогих и ответственных кабельных изделий. Это утверждение можно проиллюстрировать следующими данными: стоимость кабеля на напряжение 110 кВ составляет ~15 млн руб./км, а стоимость арматуры — ~2 млн руб./шт. Страховые выплаты, обусловленные пробоем кабельной линии, оцениваются в 0,8—1,5 млн руб. (все цены — ориентировочные, они действовали до 2015 г.). Очевидно, что КВН, КСВН должны быть одновременно высоконадежными и экономичными, т.е. обладать достаточной, но не избыточной материалоемкостью, а значит, и толщиной электрической изоляции (ЭИ). Требования надежности и экономичности в действительности не столь противоречивы: снижение толщины ЭИ приводит к снижению диаметра кабеля и, как следствие, — к увеличению строительной длины и уменьшению числа соединительных муфт, которые наряду с концевыми муфтами являются самыми уязвимыми местами кабельных линий.
Современное состояние проблемы
Обеспечить одновременно высокую надежность и умеренную материалоемкость КВН, КСВН можно только на основе достаточно серьезного изучения механизмов старения и отказа ЭИ. Известно (например, [1]), что основные процессы, которые приводят к выводу из строя КВН и КСВН, — это образование и развитие в полимерной изоляции ветвящихся каналов неполного пробоя — электрических триингов (ЭТ) (рис. 1).
Эти процессы определяются деталями физического строения и химического состава компонентов электроизоляционной системы кабеля, технологии изготовления материалов и их переработки при изготовлении кабеля, испытательных и эксплуатационных воздействий.
>
Рис. 1. Электрический триинг, зародившийся на микроскопическом дефекте (проводящем включении) в объеме изоляции кабеля высокого напряжения (ширина кадра 1 мм)
Можно утверждать, что зарождение и рост ЭТ характеризуются значительно отличающимися временными масштабами: в условиях эксплуатации или длительных испытаний прорастание ЭТ сквозь толщу ЭИ происходит значительно быстрее тех процессов, которые предшествуют зарождению ЭТ. Поэтому ресурс кабеля будет ограничиваться в основном последними, и именно они являются предметом настоящей статьи.
По-видимому, наиболее эффективным способом изучения процессов зарождения ЭТ является экспериментальное построение "кривых жизни" ЭИ, т.е. зависимостей времени до образования ЭТ (так называемого периода индукции ЭТ) от величины приложенного напряжения или напряженности электрического поля. Такие зависимости представляют собой наиболее корректное проявление механизмов длительной электрической прочности. Несмотря на явное прикладное значение таких исследований, в данной области существует мало работ, в которых соответствующие результаты представлены хотя бы относительно полно [2—4].
Многие детали, относящиеся к описанным в указанных публикациях экспериментам и оборудованию, в [2—4], естественно, отсутствуют (такие работы, как правило, содержат элементы know-how). Из работ [2—4] можно сделать следующие выводы:
— использованные методы ориентированы на испытания образцов, изготовленных в лабораторных условиях;
— методики и оборудование позволяют проводить исследования только при комнатной температуре;
— представленные результаты ограничены временами, не превышающими несколько сотен часов (по крайней мере, в случае [4] это можно связать с низкой производительностью примененного метода регистрации электролюминесценции; по-видимому, недостаточная производительность, обусловленная возможностью испытывать единовременно лишь один образец, определена высокой чувствительностью.
Разработка метода исследования "кривых жизни" и необходимого оборудования
Разрабатывая собственные методику и оборудование для изучения "кривых жизни" кабельных диэлектриков, авторы ставили следующие задачи:
1) должна обеспечиваться возможность испытаний не только образцов материалов, изготовленных в лабораторных условиях, но и образцов изоляции, отобранных из кабелей, произведенных на промышленных технологических линиях;
2) оборудование должно позволять снимать "кривые жизни" при комнатной и при повышенных температурах, соответствующих и режиму нормальной эксплуатации кабеля, и условиям перегрузок;
3) продолжительность испытаний должна лимитироваться лишь практическими соображениями (например, стоимостью), но не ограничениями, накладываемыми методом и оборудованием;
4) количество одновременно испытываемых образцов должно быть достаточно большим, чтобы обеспечивать приемлемую производительность;
5) пространственная и временная точность измерений должна быть максимально возможной, а чувствительность к помехам и шумам различного происхождения — минимальной;
6) поскольку были поставлены не только "фундаментальные" цели изучения механизмов электрического старения, но и прикладные (обоснованный результатами измерения выбор наилучших из предлагаемых на рынке изоляционных материалов; получение опытных данных, необходимых для корректного электрического расчета кабеля и т.д.), метод и оборудование должны обеспечивать достижение указанных практических целей.
Проанализировав известные методы регистрации зарождения ЭТ (или достижения предельного состояния), а именно регистрацию времени до пробоя [2]; регистрацию сигналов частичных разрядов, сопровождающих образование ЭТ [5]; метод снятия с
испытаний и просмотра образцов после их пребывания под напряжением в течение фиксированного времени [6]; регистрацию электролюминесценции, сопровождающей зарождение ЭТ — см. [4]; непосредственное наблюдение зарождения ЭТ с применением микроскопической техники, авторы остановились на последнем. К этому выбору привели более чем двадцатилетние собственные исследования зарождения и роста ЭТ в условиях относительно кратковременного приложения напряжения и практический опыт применения или опробования перечисленных подходов (кроме измерения электролюминесценции).
Некоторые результаты более ранних исследований даны в работах [7—9].
Разработанный новый метод исследования сводится к установлению факта зарождения ЭТ посредством оптического микроскопирования процесса непосредственно при испытаниях высоким напряжением одновременно десяти образцов при обеспечении: максимально высокого пространственного разрешения (1,5—2,0 мкм)1, что позволяет регистрировать образование триинга на самой ранней стадии, высокой точности доставки микроэлектрода к исследуемой области образца, постоянного и гарантированного контакта между микроэлектродом и материалом, сохранности поля остаточных механических напряжений, структуры и химического состава диэлектрика.
После испытаний данным методом проводится дополнительный анализ образцов путем их микротомирования, окраши
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.