Прогнозирование ресурса силовых кабелей

Ресурс электрической изоляции определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию независимо от наработки и коэффициента нагрузки. У многих кабельных линий (КЛ) истек срок службы, но они продолжают работать, так как они не выработали своего ресурса. Поэтому на практике необходимо знать наработку кабеля и его остаточный ресурс.

В настоящее время ведутся исследования, направленные на поиски неразрушающих методов испытаний, во время которых кабели не подвергаются старению и не выходят из строя, а результаты диагностики дают информацию о наработке и остаточном ресурсе. Таких методов выявлено очень мало.

Метод отклика напряжения в изоляции кабеля. По этому методу измеряются зависимости напряжения саморазряда U _d(t) – спадающего напряжения и восстанавливающегося напряжения U _r(t) (рисунок 1 а, б). Напряжение U_d(t) измеряется после длительного “заряда” изоляции кабеля, т.е. после возбуждения поляризационных процессов полей постоянного напряжения U ₀ = 1кВ за период t_c = 60 мин. Восстанавливающееся напряжение U _r(t) измеряется после “заряда” постоянным напряжением U ₀ = 1кВ за период t _c = 60 мин. Затем следует отключение от источника напряжения, закорачивание на t _dc = 3 - 5 с и снятие напряжения U _r(t). Снимать зависимости U _d(t) и U _r(t) необходимо через 1, 10, 15 с и 60 мин. Первоначальные участки зависимостей U _d(t) и U _r(t) и наклоны касательных S_d и S_r можно использовать как параметры, характеризующие состояние изоляции кабелей, так как имеем

S_d = g×E/e ₀; (1)

S_r = b×E/e ₀, (2)

где g- удельная электропроводность изоляции кабеля;

b - величина интенсивности поляризации.

_n

b = S a _к / Т _к, (3)

^{к = 1}

т.е. b прямо пропорционально интенсивностям a элементарных поляризационных процессов с постоянными времени Т₁…Т_n, которые определяются измеренными параметрами t_c и временем разряда. Этот метод не зависит от размеров и форм образцов, т.е. параметры являются “удельными”.

Количественной характеристикой являются первоначальные наклоны касательных S_d (прямо пропорционально проводимости) и S_r (прямо пропорционально интенсивности поляризации). По величинам параметров можно определить степени увлажнения (S_d) и старения (S_r). Параметр S_d является более характерным для диагностики кабелей с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката (ПВХП), т.к. при деградации молекул выделяется водород Н и хлор Cl, которые взаимодействуют между собой, образуя НCl. При увлажнении изоляции НCl растворяется в воде, существенно увеличивая электропроводность изоляции и ее старение. Параметр S_r является более характерным для диагностики кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ), т.к. термическое старение изоляции увеличивает интенсивность поляризации. Параметры S_d и S_r характеризуют ресурс (наработку) изоляции, а не срок службы. При накоплении опыта проведения испытаний этим методом и правильной трактовке полученных результатов можно предсказать остаточный ресурс кабельных линий.

a) спадающее напряжение U_d;б) восстанавливающееся напряжение U_r

Рисунок 1 - Изменение напряжения саморазряда

Метод оценки ресурса кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Данный метод основан на определении корреляционной зависимости между характеристиками изоляции кабеля и характеристиками, прямо связанными с ресурсом кабелей. Основной причиной выхода из строя кабелей с полиэтиленовой (ПЭ) изоляцией, находящихся под длительным воздействием повышенных температур и механических нагрузок (термомеханическое старение) при рабочих напряжениях, является растрескивание оболочек и изоляции кабелей. Стойкость к растрескиванию количественно определяется температурой холодостойкости Т_х. Разными исследователями было установлено, что уменьшение ресурса кабелей с ПЭ изоляцией в условиях эксплуатации обусловлено структурными изменениями в процессе термического старения, при этом температура Т_х ПЭ изоляции повышается. Тепловое движение структурных элементов в полимерах и их подвижность обуславливает релаксационные переходы, которые изучаются методами релаксационной спектроскопии. Спектры механических потерь отражают те же процессы молекулярного движения, что и диэлектрические потери. По мере старения в области a-релаксации происходит увеличение тангенса угла диэлектрических потерь tqd_м в максимуме температурной и частотной зависимости и, что самое главное, происходит смещение местоположения максимума tqd_м на температурных зависимостях в область более высоких температур ΔΤ_м примерно на 35 ˚С от исходного состояния до полного расходования ресурса, а на частотных характеристиках - в область низких частот Δf_м примерно на 750 Гц. Отклонение местоположения tqd_м от исходного состояния ΔΤ_м или Δf_м является количественной мерой оценки процесса старения. Данный метод неразрушающего определения ресурса может быть применен и для других видов изоляции.