Прогнозирование остаточного ресурса силовых кабелей по возвратному напряжению

Page 1
background image

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август  2009

54

Технологии расчетов

В процессе эксплуатации изоляция кабелей старе-

ет  под  влиянием  тепловых  и  электрических  полей. 
Номинальный  срок  службы  изоляции  25  лет,  одна-
ко,  из-за  различных  условий  эксплуатации  степень 
старения  изоляции  различна.  В  настоящее  время 
идет  замена  кабельных  линий  с  пропитанной  бу-
мажной изоляцией на кабели со сшитой полиэтиле-
новой изоляцией. В связи с этим возникает вопрос 
об очередности замены кабельных линий. Для этого 
необходимо знать остаточный ресурс кабелей нахо-
дящихся в эксплуатации.

Следует  учитывать,  что  качество  изоляции  си-

ловых  кабелей  формируется  в  ходе  технологиче-
ского  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). Кани-
фоль добавляется для увеличения вязкости пропи-
точного 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  добавле-
ния  канифоли  (бумажно-масляная  изоляция).  В 
этих кабелях масло периодически меняют по мере 
его окисления. В процессе эксплуатации кабеля бе-
рут  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  диэ-
лектрике равен:

 

 

(1)

где 

j

пр

  —  ток  проводимости; 

j

см

  —  ток  смещения;  

γ — 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.  Поля-
ризационные  процессы  учитываются 

RC

  —  цепоч-

ками. Основные виды поляризации представлены в 
табл. 2 [2]. Возвратное напряжение измеряется в те-
чение минут, поэтому на его величину влияет только 
миграционная и высоковольтная поляризация.

Миграционная  поляризация  обусловлена  нако-

плением заряда на границах раздела диэлектриков 
с  разными  характеристиками  (проводимость,  диэ-
лектрическая  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. Осталь-
ные  виды  поляризации  не  оказывают  влияния  на 
возвратное  напряжение,  так  как  они  исчезают  ме-
нее чем за микросекунды, под действием теплового 
движения молекул.

Прогнозирование остаточного ресурса  
силовых кабелей по возвратному напряжению

Таблица 1. Параметры сушки изоляции кабелей

№ 

п/п

Тип кабеля

Напряже-

ние, кВ

Изоляция

Сушка 

бумажной 

изоляции

1

С пропитанной  

бумажной  

изоляцией

6 и 10

Бумага К-120 пропитанная 

маслом «Брайтсток»  

с 10—26% канифоли

10 мм рт. ст. 

125°С

20 и 35

Бумага КМ-120 пропитан-

ная маслом «Брайтсток»  

с 31—43% канифоли

2 мм рт. ст. 

125°С

2

Маслонапол-

ненные

110-500

Бумага КВМУ-30 пропитан-

ная маловязким маслом 

МН-4 или С-220

10-4 мм рт. 

ст. 110°С

R

и

С

т

С

1

С

2

С

k

R

k

R

2

R

1

Рис. 1. Схема замещения диэлектрика: 
R

и

 — сопротивление изоляции; 

С

г

 — геометрическая емкость кабеля; 

C

k

 — абсорбционные емкости и соответствующее им 

сопротивления R

k


Page 2
background image

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август  2009

55

Технологии расчетов

Схема измерения возвратного напряжения пред-

ставлена  на  рис.  2.  В  положении  переключателя 

1

 

происходит  заряд  геометрической  и  абсорбцион-
ных емкостей. Время заряда определяется длитель-
ностью  поляризационных  процессов  и  составляет 
15  мин.  Затем  переключатель  переводится  в  поло-
жение 

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 размы-
кания контактов (перевод из положения 

2

 в положе-

ние 

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  двух-

слойного  диэлектрика  —  заряд  накапливается  на 
границе раздела слоев.

После  размыкания  напряжение  на  геометриче-

ской емкости 

С

г

 возрастает за счет заряженной ем-

кости 

C

1

 по экспоненте (кривая 

1

, рис. 4):

Таблица 2. Основные виды поляризации

№ п\п

Поляризация

Вид поляризации

Время  

установления, с

Материал

1

Электронная

Смещение электронных обо-

лочек

Упругая

10

-14

—10

-15

Любой материал

2

Ионная

Смещение ионов

Упругая

10

-13

—10

-14

Ионные кристаллы

3

Дипольная

Поворот диполей

Релаксационная

10

-6

—10

-10

Полярные газы и жидкости,  

полимеры

4

Миграционная

Накопление заряда на границах 

раздела неоднородностей

Релаксационная

Секунды, минуты, часы

Неоднородные диэлектрики

5

Высоковольтная

Накопление заряда у электрода

Релаксационная

Секунды, минуты, часы

Диэлектрик в сильном  

электрическом поле

R

и

U

0

С

т

С

1

С

2

С

k

R

k

R

2

R

1

=

V

1

2

3

U

0

U

Замыкание

Заряд

15 мин

30 мин

2 с

Размыкание

Возвратное напряжение

R

и

С

т

С

1

R

1

U

m

τ

ф

U

0

U

t

2

1

3

Рис. 2. Схема измерения возвратного напряжения

Рис. 3. Временная диаграмма изменения напряжения на диэлектрике

Рис. 4. Суперпозиция двух экспонент


Page 3
background image

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август  2009

56

Технологии расчетов

 

 

 

 

(2)

где τ

ф

 = 

R

1

C

1

 — постоянная времени фронта волны; 

U

0

 — зарядное напряжение.

Одновременно идет разряд 

С

г

 через сопротивле-

ние изоляции 

R

из

 (кривая 

2

, рис. 4):

 

 

 

 

(3)

где  τ

в

  = 

R

из

C

г

  —  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 напряже-
нием 

U

0

 и постоянными времени τ

ф

 и τ

в

.

В  реальном  диэлектрике,  схема  замещения  кото-

рого представлена на рис. 1, существуют несколько 
экспонент, поэтому спад волны идет медленнее, чем 
для одной экспоненты. 

RC

 — цепочки характеризу-

ют состояние изоляции, которое определяется тем-
пературой, степенью старения и т. д. 

Для  исключения  влияния  зарядного  напряжения 

введем коэффициент поляризации — это величина 
возвратного напряжения 

U

в

, деленная на зарядное 

напряжение (в %):

 

 

 

K

п

U

в 

U

0

 . 

 

(4)

На  основании  статистической  обработки  резуль-

татов  измерения  возвратного  напряжения  на  ка-
белях 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 зна-
чения. Например, при 

K

п

 = 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 

K

п

.

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.

Л.А. Ковригин, 

д-р техн. наук  

Пермский государственный технический университет

Кафедра «Конструирования и технологии электрической изоляции»

Л.А. Сидельников, 

канд. техн. наук

ОАО «Тест» г. Пермь

60

50

40 

30

20 

10

0

0    2     4    6    8   10  12  14  16  18  20  22   24  26  28  30  32  34   годы

К

п

,

%

30 °С

20

30

15

10

-10

-20

-30

5

0

1

2

Рис. 5. Зависимость 
коэффициента поляризации 
от времени работы кабеля 
с пропитанной бумажной 
изоляцией на напряжение 6 кВ 
при различных температурах


Оригинал статьи: Прогнозирование остаточного ресурса силовых кабелей по возвратному напряжению

Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 2(83), март-апрель 2024

Анализ нагрузочных режимов и регулировочной способности по напряжению распредсети при оптимизации секционирования на ее участках

Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Диагностика и мониторинг
Яхин Ш.Р. Пигалин А.А. Галиев И.Ф. Маклецов А.М.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»