Испытания

Обоснование и обеспечение технологических показателей трибоэлектрического метода контроля кабелей с полимерной изоляцией

Представлены результаты измерений контактной разницы потенциалов неэкранированного и экранированного образцов кабелей с витыми парами без экранированной камеры, в экранированной не заземленной и заземленной камере. Проведение обследований в заземленной камере более эффективно в случае экранированных кабелей. Показано, что применение электростатического вольтметра с более высокой чувствительностью в сравнении с цифровым вольтметром приводит к регистрации, как собственных внутренних индивидуальных шумов кабеля, так и внешних. Определены коэффициенты корреляции между результатами измерений контактной разности потенциалов силового кабеля электростатическим вольтметром и цифровым мультиметром.

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1–5] показано, что контактная разность потенциалов Uk , обусловленная процессами трибоэлектризации рядом расположенными изолированными жилами, изолированной жилой и экраном, является индивидуальным параметром кабеля, т.к. зависит от конструкции и применяемых материалов. На рис. 1 приведены временные ряды контактной разности потенциалов силового кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией ЦААБнлГ-3×150-6 кВ при двух схемах измерения: одна из изолированных жил относительно двух других и металлической оболочки (рис. 1,а) и все три изолированных жилы относительно металлической оболочки (рис. 1,б). Видно, что индивидуальные свойства изолированной жилы проявляются также и в общих результатах измерений.

а

б

Рис. 1

Установлено [6, 7], что Uk  – чувствительный параметр и может служить показателем степени старения полимерной изоляции кабелей. На рис. 2 приведены результаты измерений контактной разности потенциалов (мВ) изолированных жил кабеля АВВГ-4×120-1 кВ до (не изменяющаяся во времени) и после (изменяющаяся во времени кривая) теплового старения. Рис. 2,а соответствует удаленным жилам (через одну); рис. 2,б – для рядом расположенных жил. В процессе старения происходит изменение поверхностных свойств изоляции, возрастает шероховатость контактирующих поверхностей (рис. 3), что отражается и на отклике внутренних шумов на процесс трибоэлектризации.

На рис. 3 приведена поверхность полиэтиленовой изоляции после старения. Фотографии получены с помощью акустического микроскопа на частоте 50 МГц (рис. 3,а) и оптического микроскопа с 500-т кратным увеличением (рис. 3,б) [8].

 

а

б

Рис. 3

Трибоэлектрический метод контроля состояния изоляции основан на эффекте накопления избыточного трибоэлектрического заряда в процессе контактной электризации изолированных проводников кабеля. Выполнено физическое обоснование метода [1, 2]; экспериментально определены величины трибоэлектрического потенциала для разных конструкций кабеля и материалов изоляции [3–5]; показана динамика изменения трибоэлектрического потенциала (контактной разности потенциала) в процессе ускоренного терморадиационного старения кабелей [6, 7].

Контактная разность потенциалов является, по сути, внутренним индивидуальным сигналом – шумом кабеля, несущим полезную информацию о конструкции, проводниковых и изоляционных материалах, условиях и режимах эксплуатации. Исключение составляют специальные кабели с уменьшенными трибоэлектрическими шумами (так называемые Low Noise Cables), в которых применяют специальные малошумящие проводниковые (например, посеребренная медь) и изоляционные материалы.

Рассмотрим вопросы, связанные с влиянием экранированной камеры на результаты измерений, полярности подключения объекта контроля и аппаратного (приборного) обеспечения метода.

ВЛИЯНИЕ ЭКРАНИРОВАННОЙ КАМЕРЫ

Выполнено три серии измерений контактной разности потенциалов между проводниками одной из 4-х витых пар двух образцов сетевого кабеля категории 5е.

Первый образец – 100-метровая бухта неэкранированного кабеля плотной конструкции. Для измерений выбрана пара с наименьшим шагом скрутки. Второй образец – экранированный кабель длиной 30 метров. Конструкция кабеля – не плотная (общий алюмополимерный экран неплотно прилегает к сердечнику кабеля из 4-х пар, т. е. есть возможность свободного перемещения пар).

Первое измерение – объект контроля находится вне экранированной камеры (рис. 4,а,б, поз. 1); второе – в экранированной заземленной камере (рис. 4,а,б, поз. 2); третье – в экранированной не заземленной камере (рис. 4,а,б, поз. 3).

К цифровому мультиметру подключается измеряемая пара, а остальные пары и общий экран экранированного кабеля – не заземляются. Передача данных с прибора в память компьютера осуществляется с помощью оптического интерфейса в режиме реального времени.

а

б

Рис. 4

Проведение измерений в экранированной камере привело к изменению знака контактной разности потенциалов пары неэкранированного кабеля (рис. 4,а, кривая 1 – отрицательные значения контактной разности потенциалов; кривые 2 и 3 – положительные значения). Сигнал мало отличается для не заземленной и заземленной камеры (сравни кривые 2 и 3 рис. 4,а).

Для пары экранированного кабеля контактная разность потенциалов больше (сравни рис. 4,а и рис. 4,б, поз. 1): сказывается более свободная конструкция кабеля и возможность перемещения проводников пар. Проведение измерений в заземленной экранированной камере привело к уменьшению контактной разности потенциалов, но форма отклика и время достижения амплитудного значения остались без изменения (сравни поз. 1 и 2 на рис. 4,б).

ВЛИЯНИЕ СТЕКАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА

На рис. 5 приведены результаты измерений контактной разности потенциалов в новом (не бывшем в эксплуатации, 2013 года изготовления) одножильном силовом кабеле на напряжение 35 кВ со сшитой полиэтиленовой изоляцией.

Поверхностные заряды в наибольшей степени проявляются в исходном, предварительно не заземленном, состоянии (рис. 5, кривая 1). Заземление только одного экрана в течение 3-х дней (рис. 5, кривая 2) перед измерениями не приводит к уменьшению влияния поверхностных зарядов в области времен, меньших постоянной времени саморазряда (~1000 c). Одновременное заземление экрана и токопроводящей жилы (рис. 5, кривая 3) в течение 8 дней приводит к уменьшению флуктуаций сигнала. Проявляется это влияние в диапазоне времени, соизмеримого с постоянной времени саморазряда (~1000 c). Размах контактной разности потенциалов для данного случая составляет 100 мВ. В исходном состоянии и при заземленном экране – 125 мВ. Наиболее наглядно это видно при представлении результатов не в равномерном (рис. 5,а), а в полулогарифмическом (рис. 5,б) масштабе.

а

б

Рис. 5

ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРНОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ

Токопроводящие жилы и металлические экраны кабелей изготавливаются, как правило, из разных материалов. При проведении обследований необходимо сохранять полярность подключения кабеля к клеммам прибора, в противном случае знак контактной разности потенциалов может измениться на противоположный (см. рис. 6). При этом характер временной зависимости также может измениться, т.к. в контакте будут находиться разные материалы. Так, на рис. 6 приведены результаты измерений контактной разности потенциалов при прямом (кривая 1) и инверсном (кривая 2) подключении образца радиочастотного кабеля РК-75. Внутренний проводник – медный, экран – двухслойный: первый слой – алюмополимерный плотно прилегающий к полиэтиленовой изоляции (полимерный слой обращен к изоляции), второй – в виде луженой медной оплетки. При выбранной полярности подключения, например 1 (рис. 6) характер временных зависимостей контактной разности потенциалов будет определяться подключением к клемме двух слоев экрана (рис. 7, кривая 1), только второго – луженой медной оплетки (кривая 2, рис. 7) или только первого слоя экрана – алюмополимерного (кривая 3, рис. 7).

Рис. 6

Рис. 7

АНАЛИЗ АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Так как измеряется шумовой сигнал, вызванный трибоэлектризацией конструктивных элементов кабеля, то возникает необходимость использования высокочувствительных малошумящих приборов.

На рис. 8 представлены результаты измерений контактной разности потенциалов, измеренные цифровым мультиметром (кривая 1) и электростатическим вольтметром (кривая 2), в одножильном силовом кабеле на напряжение 35 кВ со сшитой полиэтиленовой изоляцией.

Высокая чувствительность электрометрического вольтметра В7-57/1 приводит к измерению, как контактной разности потенциалов измеряемого кабеля, так и других шумов, в том числе в измерительной линии (рис. 5, кривая 3), с помощью которой сигналы передаются в компьютер в режиме реального времени. Амплитуда измеряемого сигнала более чем в два раза больше (см. начальные участки кривых 1 и 2 рис. 8), в области больших времен измерений (> 1000 с) начинает проявляться как тепловой, так и дробовый шум самого электростатического вольтметра.

Тепловой шум (шум Джонсона) обусловлен тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на его концах возникает флуктуирующая разность потенциалов [9]. Средний квадрат напряжения этого шума зависит только от активного сопротивления R и температуры T образца и рассчитывается по формуле Найквиста

                                                    U=4kTR∆f ,

где k  – постоянная Больцмана, ∆f  – полоса частот, в которой проводятся измерения.

Спектральная плотность такого шума Sf=4kTR  не зависит от частоты, поэтому его рассматривают как белый шум вплоть до частоты fk

                                                       fk=kT/h ,

где h  – постоянная Планка.

Характер зависимости спектральной плотности измеренного сигнала электростатическим вольтметром (рис. 9, кривая 2) отличается от двух других: измеренного с помощью цифрового мультиметра (кривая 1, рис. 9) и измерительной линии (кривая 3, рис. 9). Это находит подтверждение и в интегральных функциях распределения контактной разности потенциалов (рис. 10).