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
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
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
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.