Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Прогнозирование остаточного ресурса силовых кабелей по возвратному напряжению

В процессе эксплуатации изоляция кабелей стареет под влиянием тепловых и электрических полей. Номинальный срок службы изоляции 25 лет, однако, из-за различных условий эксплуатации степень старения изоляции различна. В настоящее время идет замена кабельных линий с пропитанной бумажной изоляцией на кабели со сшитой полиэтиленовой изоляцией. В связи с этим возникает вопрос об очередности замены кабельных линий. Для этого необходимо знать остаточный ресурс кабелей находящихся в эксплуатации.

Следует учитывать, что качество изоляции силовых кабелей формируется в ходе технологического процесса. Бумажную изоляцию кабелей на напряжения 1—10 кВ сушат при температуре 120°С и вакууме 10 мм рт. ст., на напряжения 20—35 кВ при 2 мм рт. ст. При этих же давлениях впускают в сушильно-пропиточный аппарат дегазированный маслоканифольный состав. Содержание канифоли 10—26% для кабелей на напряжения 1—10 кВ и 31—43% на напряжения 20—35 кВ (табл. 1). Канифоль добавляется для увеличения вязкости пропиточного состава, кроме того, канифоль уменьшает скорость окисления масла, т. е. увеличивает срок службы кабеля [1].

Кабели на напряжения более 110 кВ с бумажной изоляцией, пропитываются маслом без добавления канифоли (бумажно-масляная изоляция). В этих кабелях масло периодически меняют по мере его окисления. В процессе эксплуатации кабеля берут пробы масла и определяют у него «кислотное число», по которому судят о степени окисления масла.

Диэлектрик характеризуется двумя процессами: поляризацией и проводимость. Полный ток в диэлектрике равен:

где: jпр — ток проводимости; jсм — ток смещения; y — проводимость; H — напряженность магнитного поля; D — вектор электрической индукции.

Степень старения изоляции можно определить по возвратному напряжению. Для описания метода возвратного напряжения применим эквивалентную схему замещения (рис. 1).

Геометрическая емкость — это емкость без учета поляризационных процессов в диэлектрике. Поляризационные процессы учитываются RC — цепочками. Основные виды поляризации представлены в табл. 2 [2]. Возвратное напряжение измеряется в течение минут, поэтому на его величину влияет только миграционная и высоковольтная поляризация.

Миграционная поляризация обусловлена накоплением заряда на границах раздела диэлектриков с разными характеристиками (проводимость, диэлектрическая проницаемость), например, бумага-масло. Высоковольтная поляризация проявляет себя вблизи электродов при высоком напряжении, т.е. в тонком слое диэлектрика, примыкающего к электроду, накапливается объемный заряд. Остальные виды поляризации не оказывают влияния на возвратное напряжение, так как они исчезают менее чем за микросекунды, под действием теплового движения молекул.

Схема измерения возвратного напряжения представлена на рис. 2. В положении переключателя 1 происходит заряд геометрической и абсорбционных емкостей. Время заряда определяется длительностью поляризационных процессов и составляет 15 мин. Затем переключатель переводится в положение 2 на короткий промежуток времени (2 с). За это время разряжается геометрическая емкость, абсорбционные емкости не успевают разрядиться. Далее переключатель переводится в положение 3, т.е. подключается к вольтметру.

Временная диаграмма изменения напряжения на диэлектрике представлена на рис. 3. После размыкания контактов (перевод из положения 2 в положение  3) возвратное напряжение возрастает, а затем медленно падает.

На рис. 4 представлен пример для простейшего случая, когда абсорбционная составляющая имеет одну RC — цепочками. Это характерно для двухслойного диэлектрика — заряд накапливается на границе раздела слоев.

После размыкания напряжение на геометрической емкости Сг возрастает за счет заряженной емкости C1 по экспоненте (кривая 1, рис. 4):

где: τф = R1C1 — постоянная времени фронта волны; U0 — зарядное напряжение.

Одновременно идет разряд Сг через сопротивление изоляции Rиз (кривая 2, рис. 4):

где: τв = Rиз Cг — постоянная времени спада волны (разряда).

Суперпозиция двух экспонент дает кривую 3. На рис. 4 видно, что высота максимума (кривая 3) и его положение по оси времени определяется напряжением U0 и постоянными времени τф и τв.

В реальном диэлектрике, схема замещения которого представлена на рис. 1, существуют несколько экспонент, поэтому спад волны идет медленнее, чем для одной экспоненты. RC — цепочки характеризуют состояние изоляции, которое определяется температурой, степенью старения и т.д.

Для исключения влияния зарядного напряжения введем коэффициент поляризации — это величина возвратного напряжения Uв, деленная на зарядное напряжение (в %):


Kп = Uв / U0    (4)


На основании статистической обработки результатов измерения возвратного напряжения на кабелях с пропитанной бумажной изоляцией на 6 кВ, получены зависимости, представленные на рис. 5.

Коэффициент поляризации зависит как от срока службы, так и температуры. По этой зависимости можно прогнозировать остаточный ресурс кабеля. Однако надо иметь в виду, что кривые дают два значения. Например, при Kп = 42% имеем два решения: в точке 1—18 лет; в точке 2—29 лет. Для выбора правильного решения надо иметь дополнительную информацию, т.е. знать — прослужил кабель уже 18 лет или нет. При отрицательных температурах метод не работает из-за слабого изменения Kп.


Литература
1. Третьяков В.М. Сушка и пропитка силовых кабелей/ С.Д. Холодный. — М.: Энергия, 1978. — 136 с.
2. Богородецкий Н.П. Электротехнические материалы/ В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. — Л.: Энергия, 1977.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно