Критерии оценки степени старения силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией

Введение

Нормальная работа систем электроснабжения энергоблоков АЭС, промышленных предприятий, транспорта, сельского, коммунального и других отраслей хозяйства невозможна без надежной работы силовых кабелей низкого и среднего класса напряжения. При этом кабели с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ) напряжением 6–10 кВ являются основными в сетях "чистых" зон энергоблоков АЭС, в городских и областных кабельных сетях. Доля таких кабелей в сетях составляет свыше 99 %. Физический износ силовых кабелей городских и областных кабельных сетей находится на уровне 70–80 % [1–5]. Удельная повреждаемость кабельных линий (КЛ) в среднем составляет от 4,5 до 7 случаев на 100 км/год (рис. 1) [5]. Кабельные линии всех классов напряжения повреждаются из-за дефектов прокладки (до 20 %), старения изоляции силовых кабелей (31 %), механических повреждений (30 %), заводских дефектов (10 %) и коррозии (9 %) [5].

Для повышения надежности работы силовых кабелей и кабельных линий применяется система планово-профилактических испытаний.

Техническое состояние изоляции кабелей определяют путем подачи постоянного испытательного напряжения, превышающего номинальное в 6 раз.

Испытание кабелей повышенным постоянным испытательным напряжением не позволяет получить достоверную информацию о реальном техническом состоянии силовых кабелей, а для длительно эксплуатирующихся силовых кабелей часто заканчивается пробоем изоляции. Поэтому такие испытания классифицируют как испытания, разрушающие изоляцию кабелей. Испытания повышенным постоянным напряжением целесообразно проводить при вводе новых кабельных линий в эксплуатацию, после ремонта эксплуатирующихся кабельных линий, а также при отсутствии возможности применения для оценки старения бумажно-пропитанной изоляции методов неразрушающего контроля. В остальных случаях техническое состояние изоляции силовых кабелей следует оценивать на основе применения неразрушающих методов контроля.

Достоверная диагностика состояния бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей неразрушающими методами позволяет отказаться от профилактических испытаний изоляции разрушающими методами контроля, которые во многих случаях приводят к уменьшению ресурса, несвоевременному и непредсказуемому пробою изоляции.

Важным вопросом является также оценка результатов контроля и формулирование заключения о возможности эксплуатации кабелей. Для этого необходимо иметь критерии оценки по контролируемым параметрам, которые позволяют оценить степень старения бумажно-пропитанной изоляции и прогнозировать остаточный ресурс силовых кабелей.

Силовые кабели имеют два вида изоляции – фазную (вокруг каждой жилы по отдельности) и поясную (вокруг трех жил вместе). Изоляция выполняется путем обмотки жил лентами кабельной бумаги. В исходном состоянии свойства фазной и поясной изоляции должны быть идентичными. В процессе старения кабелей появляются различия, вызванные деструкцией целлюлозы и миграцией низкомолекулярных полярных продуктов ее разложения в более холодную часть кабеля – к оболочке, в поясную изоляцию. В результате свойства поясной изоляции со временем ухудшаются в большей степени по сравнению с фазной. Уменьшается механическая прочность кабельных бумаг, растет тангенс угла диэлектрических потерь [6–11].

Особенностью силовых кабелей среднего напряжения является то, что для них характерно тепловое старение бумажно-пропитанной изоляции в процессе эксплуатации. Толщина изоляции выбирается из условий обеспечения механической прочности. Так как температурные коэффициенты линейного расширения кабельной бумаги – природного полимера и токопроводящих жил, металлических оболочек кабеля – разные, то при изменениях температуры меняются термомеханические напряжения в диэлектрике. Длительное действие термомеханических напряжений в условиях одновременного действия тепловых и электрических полей ведет к образованию микродефектов в твердой изоляции, уменьшению энергии активации процесса деструкции, снижению механической прочности, т.е. механическому старению. Старение диэлектрика под действием внутренних термомеханических напряжений и внешних механических воздействий описывается формулой Журкова [7]:

Формула Журкова имеет такой же вид, как и формула Аррениуса

для теплового старения бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей среднего напряжения: W  – энергия активации процесса механической деструкции и W_a  – энергия активации процесса термоокислительного старения, Дж; T  – абсолютная температура; k  – постоянная Больцмана; A  – эмпирический коэффициент; σ  – механическое напряжение в кабельной бумаге, Н/м² ; γ  – структурно-чувствительный коэффициент.

В процессе теплового старения тангенс угла диэлектрических потерь растет по экспоненциальному закону:

где tgδ₀ – значение тангенса угла диэлектрических потерь при температуре, равной 20 °С, m – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь. Для бумажно-пропитанной изоляции температурный коэффициент принимается равным m = 0,0186 1/°С, для бумажно-пленочной – существенно меньше: m = 0,005 – 0,01 1/°С. Для чисто пленочной изоляции можно принять m = 0 1/°С.

Зависимость от температуры tgδ БПИ при разных значениях тангенса угла потерь при 20 °С показана на рис. 2: 1 – tgδ = 0,003; 2 – tgδ = 0,004; 3 – tgδ = 0,006; 4 – tgδ = 0,008; 5 – tgδ = 0,01.

Очевидно, что между параметрами, характеризующими механическое и тепловое старение бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей, существует корреляционная связь. Если в результате механического старения получить критические значения, соответствующие исчерпанию механического ресурса, то на основе корреляционной связи можно получить критические значения тангенса угла диэлектрических потерь бумажно-пропитанной изоляции, соответствующее исчерпанию теплового ресурса.

Цель статьи – сформулировать критерии оценки степени старения силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией на основе корреляционной связи между усталостной прочностью кабельных бумаг и тангенсом угла диэлектрических потерь силовых кабелей среднего напряжения.

Критическое значение предельного состояния бумажно-пропитанной изоляции по механическим характеристикам

Момент достижения предельного состояния, т.е. фактический конец срока службы силового кабеля, можно определить по числу двойных перегибов, выдерживаемых полосками кабельных бумаг, полученных из фазной и поясной изоляции [5–6].

Интегральные функции распределения (ИФР) числа двойных перегибов N описываются логарифмически-нормальным законом. ИФР дают представление о среднем значении (на уровне доверительной вероятности 0,5) и о редких значениях N – на уровне доверительной вероятности 0,1 и менее. Так как интегральные функции распределения спрямляются в функциональном масштабе логарифмически-нормального закона распределения, то это дает возможность оценить значения параметра N в области малых вероятностей – путем аппроксимации прямых линий в область вероятностей меньше 0,01.

В процессе эксплуатации и теплового старения наблюдается более интенсивное старение поясной изоляции. В результате появляется различие в числе двойных перегибов для поясной и фазной изоляции силовых кабелей напряжением 1–10 кВ. Так, на рис. 3 приведены ИФР силового кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией напряжением 10 кВ в исходном состоянии (кривые 1 и 2) и после дополнительного теплового старения (кривые 1’ и 2’).

Наблюдается различие по числу двойных перегибов поясной (кривые 2 и 2’) и фазной (кривые 1 и 1’) изоляции. Причем, по мере старения кабелей это различие возрастает (значения числа двойных перегибов смещаются в область меньших значений). Для предельно состаренных кабелей для поясной изоляции наблюдается излом (рис. 3, кривая 2’) [7]. Установлены критерии предельного состояния БПИ по механическим характеристикам. Они определяются уменьшением числа двойных перегибов в 200 раз относительно исходного нового состояния. Критическое значение числа двойных перегибов предельно состаренной кабельной изоляции на уровне 50 % вероятности равно 10.

Критические значения тангенса угла диэлектрических потерь фазной и поясной изоляции на основе корреляционной связи с усталостной прочностью

В силовом кабеле с БПИ непосредственно измерить характеристики каждого из компонентов изоляции: фазной или поясной изоляции по отдельности – невозможно. Любое измерение представляет собой результат совокупного влияния нескольких составляющих кабеля [8–11]. Совокупные измерения приводят к усреднению характеристик изоляции, из-за чего различия их компонентов мало заметны. Погрешности в оценке состояния изоляции возрастают.

Для определения индивидуальных характеристик фазной и поясной изоляции силовых кабелей по отдельности необходимо [8–11]:

1)      выполнить совокупные измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных промежутков по 4-м схемам обследования: каждая из трех жил – против двух других и оболочки – три схемы измерения (для оценки свойств фазной изоляции) и три жилы вместе – против оболочки (для оценки свойств поясной изоляции)

2)      решить систему линейных алгебраических уравнений 4-го порядка для нахождения индивидуальных характеристик tgδ  фазной и поясной изоляции.

На рис. 4 приведены корреляционные зависимости между числом двойных перегибов (фазной (1) и поясной изоляцией (2)) и тангенсом угла диэлектрических потерь силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией.

Наблюдается отрицательная корреляция (рис. 4) между тангенсом угла диэлектрических потерь и числом двойных перегибов: большим значениям tgδ  соответствуют меньшие значения числа двойных перегибов кабельной бумаги. Коэффициенты корреляции равны −0,9733 и −0,9800 для фазной и поясной изоляции соответственно.

Для поясной изоляции коэффициент корреляции больше, т.е. связь между тангенсом угла диэлектрических потерь и числом двойных перегибов – более тесная.

Для оценивания, т.е. определения критических значений тангенса угла диэлектрических потерь, соответствующего критическому значению числа двойных перегибов, найдено уравнение линейной регрессии для фазной и поясной изоляции по отдельности при значении доверительной вероятности p = 0,95

На рис. 5, 6 приведены результаты регрессионного анализа для фазной (рис. 5) и поясной (рис. 6) изоляции силовых кабелей напряжением 10 кВ соответственно.

Соответствующие уравнения линейной регрессии между числом двойных перегибов и тангенсом угла диэлектрических потерь имеют вид:

–       для фазной изоляции:

–       для поясной изоляции:

Так как механическое и тепловое старение бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей среднего напряжения описываются формулой Журкова и Аррениуса, т.е. экспоненциальными законами, то соответствующие уравнения экспоненциальной парной регрессии между усталостной прочностью и тангенсом угла диэлектрических потерь имеют вид:

–       для фазной изоляции (рис. 7):

–       для поясной изоляции (рис.8):

Критические значения тангенса угла диэлектрических потерь (в процентах) для частоты 50 Гц при критическом значении числа двойных перегибов, равном 10 на уровне 50 % вероятности, соответствующему критическому значению усталостной прочности кабельных бумаг, имеют значения:

–       для фазной изоляции: 1,2673–1,3874 в предположении линейной и экспоненциальной парной регрессии;

–       для поясной изоляции: 1,2900–1,4886 в предположении линейной и экспоненциальной парной регрессии соответственно.

На основании корреляционной связи между усталостной прочностью бумаги и tgδ  и регрессионного анализа можно выделить пороговые значения (уровни) потерь, характеризующие техническое состояние силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией:

1)      0,4% и меньше – нормальное состояние изоляции;

2)       0,4–0,6% – есть начальные признаки старения изоляции;

3)      0,6–1,0% – умеренное старение изоляции (соответствующее, как показывают результаты усталостных испытаний кабельных бумаг на излом, исчерпанию около ¾ ресурса);

4)      1,0–2% – критическое состояние изоляции, требующее ремонта линии;

5)      свыше 2% – опасное состояние, которое может привести к тепловому пробою кабеля.

ВЫВОДЫ

Наличие корреляционной связи между электрическими и механическими характеристиками бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей свидетельствует о возможности их неразрушающего контроля по тангенсу угла диэлектрических потерь фазной и поясной изоляции по отдельности.

Найдены уравнения линейной и экспоненциальной парной регрессии при значении доверительной вероятности p = 0,95, связывающие между собой усталостную прочность кабельных бумаг с тангенсом угла диэлектрических потерь фазной и поясной изоляции силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией.

Определены критические значения тангенса угла диэлектрических потерь для фазной и поясной изоляции по отдельности, соответствующие критическому значению числа двойных перегибов. Для оценки степени старения БПИ силовых кабелей в эксплуатации необходимо использовать консервативные оценки значений тангенса угла диэлектрических потерь, определенные на основании линейной регрессии в соответствии с (1) и (2).

На основании корреляционной связи между усталостной прочностью бумаги и tgδ определены пороговые значения (уровни) тангенса угла диэлектрических потерь силовых кабелей, характеризующие техническое состояние бумажно-пропитанной изоляции силовых кабелей.