Стартовая >> Статьи >> Влияние формы воздействующего напряжения на ресурс высоковольтных кабелей с полимерной изоляцией

Влияние формы воздействующего напряжения на ресурс высоковольтных кабелей с полимерной изоляцией

А. Е. Монастырский, Η. Н. Сайкина, Н. А. Чуракова

Высоковольтные кабели с полимерной изоляцией находят широкое применение для передачи энергии от конденсаторов к нагрузке в различных емкостных накопителях энергии (ГИТ). При этом в зависимости от схемных решений ГИТ и характера нагрузки изоляция кабелей может подвергаться воздействию напряжения различной формы. Наиболее распространенными видами воздействий являются колебательные или униполярные импульсы, на фронте импульсов могут накладываться высокочастотные перенапряжения, кратность которых может меняться в пределах 1 ...2,4; в некоторых накопителях импульсу напряжения предшествует предварительно приложенное постоянное напряжение. Очевидно, что форма воздействующего напряжения должна влиять на ресурс изоляции кабелей.
Наиболее широко в ГИТ применяются три основных типа кабелей: радиочастотные с монолитной полиэтиленовой изоляцией (например, РК-50-11-13), высоковольтные импульсные с монолитной полиэтиленовой изоляцией (АКПВМ-1/60) и высоковольтные импульсные со слоистой изоляцией, имеющей помимо монолитных слоев полиэтилена прослойки из пленочных полимеров (например, фторопласт-4 — кабель КВИМ). Разрушение изоляции этих кабелей происходит за счет процессов зарождения и развития древовидных побегов (дендритов) [1,3], основные закономерности которых определяются конструкцией кабеля.
Для радиочастотных кабелей характерно большое число микронеоднородностей и воздушных включений на жиле кабеля, что в процессе воздействия импульсов напряжения приводит к достаточно быстрому зарождению дендрита за счет частичных разрядов (ЧР) и к последующему развитию его также за счет ЧР через всю изоляцию. При этом количество импульсов до зарождения дендрита п3 оказывается соизмеримым с количеством импульсов, необходимых для его развития nр.
У высоковольтных импульсных кабелей с монолитной изоляцией, токопроводящая жила которых выполняется либо из полированного алюминиевого проводника, либо из медных проволок, покрытых полу- проводящим экраном, число и размер воздушных включений сведены к минимуму, и дендрит зарождается за счет локального усиления электрического поля на микронеоднородностях жилы (при более высоких, чем у радиочастотных кабелей, средних напряженностях на жиле), а затем сравнительно быстро развивается через всю изоляцию. При этом величина п3 оказывается значительно больше пР и определяет полный ресурс изоляции п.

Рис. 1. Зависимость ресурса кабелей п0,03 (на уровне вероятности р — 0,03) от величины кратности высокочастотных перенапряжений Кп при заданной амплитуде Um импульса

Для высоковольтных импульсных кабелей со слоистой изоляцией процессы зарождения дендритов аналогичны, однако при развитии дендрит наталкивается на барьер из пленочной короностойкой изоляции, которая существенно замедляет его рост. При этом п3 и пр оказываются соизмеримыми, а п определяется их суммой.
Учитывая особенности разрушения изоляции различных типов кабелей, можно предположить, что различные формы воздействующего напряжения по-разному влияют на ресурс изоляции различных типов кабелей. В связи с этим целью настоящей работы является выявление наиболее опасных видов воздействующего напряжения, а также разработка рекомендаций по выбору типа кабеля для заданной формы воздействующего напряжения. Ресурсные испытания указанных типов кабелей проводились путем подачи серии импульсов одинаковой амплитуды на образцы длиной 1 м, объединенные в статистически однородные партии по 30—50 образцов. При этом фиксировалось количество импульсов до пробоя образца и строилась функция распределения (ФР) ресурса образцов кабеля. Для испытаний применялись колебательные косинусоидальные импульсы амплитудой U0, частотой 30 кГц и декрементом колебаний Δ = 1,35 и Δ = 5 (практически униполярный импульс). На фронте импульса накладывались высокочастотные перенапряжения частотой ~ 1 МГц и кратностью Кп = Um/U0 = 1... 2,4, где Um — амплитуда импульса с учетом перенапряжений. Испытательная установка позволяла также получать импульсы с предварительно приложенным постоянным напряжением.
Для определения зависимости ресурса изоляции различных типов кабелей от кратности перенапряжений были проведены ресурсные испытания при воздействии колебательных (Δ = 1,35) импульсов с перенапряжениями, кратность которых менялась в пределах Кп — 1... 2,4. Полученные ФР ресурса изоляции, построенные на вейбулловской вероятностной бумаге, имели характерный вид ломаных прямых [1, 2], состоящих из двух участков: начального, более крутого, и основного, пологого. Поскольку для расчета надежности кабелей наибольшее значение имеет область малых вероятностей пробоя, зависимость ресурса изоляции от кратности перенапряжений была построена для значений вероятности 0,03 (рис. 1).
Как видно из рис. 1, влияние кратности перенапряжений на ресурс для различных типов кабелей существенно различно. Например, для кабеля АКПВМ-1/60 (кривая 1) изменение кратности от 1 до 1,7 практически не приводит к изменению ресурса изоляции. Иными словами, ресурс изоляции данного кабеля не зависит от формы воздействующего импульса, а определяется только его амплитудой. Для кабеля РК-50-11-13 (кривая 2) форма импульса в большей степени влияет на ресурс изоляции и еще больше это влияние оказывается для кабеля КВИМ (кривая 3). Количественно зависимость ресурса изоляции от кратности перенапряжений может быть выражена в виде степенной функции
(1)
где А — некоторая постоянная, а l — показатель степени. Значения показателя степени для кабелей типа АКПВМ-1/60, РК-50-11-13, КВИМ составляют соответственно 0,5; 2,1; 4,2. Аналогичный вид имеет зависимость ресурса от амплитуды воздействующих импульсов одинаковой формы (например, импульс без перенапряжений) [1, 2]
(2)
где т—показатель старения, который для перечисленных кабелей составляет соответственно 4,0; 4,5; 6,8.
Сравнение показателей степени в (1) и (2) позволяет сделать вывод, что для кабелей, в разрушении изоляции которых заметную роль играют ЧР (при зарождении дендрита для РК-50-11-13 и при развитии— для КВИМ), наличие кратковременных перенапряжений не приводит к существенному снижению ресурса. Для кабелей же, у которых основное время до разрушения составляет время до зарождения дендрита при отсутствии ЧР, определяющим фактором является максимальная напряженность поля у жилы, и наличие высокочастотных перенапряжений заметно снижает ресурс.
Вследствие этого в ГИТ, где кратность перенапряжений не может быть ограничена, целесообразно применять кабель со слоистой изоляцией, а при использовании кабелей с монолитной изоляцией можно заметно увеличить их ресурс и надежность путем снижения кратности высокочастотных перенапряжений.
Ресурс изоляции сильно зависит от величины декремента колебаний, а также от наличия предварительно приложенного постоянного напряжения. Для исследования влияния этих факторов на ресурс был выбран кабель РК-50-11-13, поскольку для данного типа влияние указанных факторов должно проявиться наиболее заметно. На рис. 2 представлены ФР ресурса изоляции кабеля РК-50-11-13 при воздействии колебательного импульса без перенапряжений с декрементом А= 1,35, с декрементом А = 5 (униполярный импульс) и униполярного импульса с предварительно приложенным постоянным напряжением.
Как видно из рис. 2, при переходе от колебательного к униполярному импульсу (кривые 5 и 1 соответственно) ресурс изоляции увеличивается примерно в четыре раза. Это может быть объяснено тем, что при воздействии колебательного импульса число ЧР в канале развивающегося дендрита возрастает, обусловливая увеличение скорости его роста, причем эффективными, т. е. в которых развиваются ЧР, являются первые четыре полупериода. Еще более существенное увеличение ресурса (~102 раз) наблюдается при предварительном приложении к униполярному импульсу постоянного напряжения (кривая 3). Это обусловливается, по-видимому, двумя факторами. Во-первых, при приложении постоянного напряжения в толщу диэлектрика внедряется объемный заряд, который существенно снижает результирующую напряженность электрического поля в диэлектрике, и за счет этого существенно возрастает время до зарождения дендрита. Во-вторых, за
счет уменьшения интенсивности разрушения изоляции под действием ЧР в канале дендрита на постоянном напряжении уменьшается скорость его роста, а следовательно, увеличивается время развития дендрита. Очевидно, что повышение ресурса изоляции при предварительном воздействии постоянного напряжения будет наблюдаться только при униполярном (или колебательном с большим декрементом) импульсе. Накопление объемного заряда на постоянном напряжении приводит к увеличению суммарной напряженности электрического поля при перемене полярности (в случае воздействия колебательного импульса) и к снижению ресурса.


Рис. 2. Функции распределения ресурса изоляции кабеля РК-50-11-13 при воздействии униполярного импульса амплитудой 100 и 90 кВ соответственно (1, 2), униполярного импульса с предварительно приложенным постоянным напряжением амплитудой 100 и 120 кВ соответственно (3, 4) и колебательного импульса амплитудой 100 кВ (5)

Помимо очевидного увеличения ресурса изоляции, которое наблюдается при переходе от колебательных импульсов к униполярным и униполярным с предварительно приложенным постоянным напряжением для испытательных значений амплитуды приложенного напряжения, существенно возрастает и показатель старения в зависимости ресурса от величины приложенного напряжения. Так, при воздействии колебательных импульсов показатель старения в области малых вероятностей составляет т = 4,5, для униполярных импульсов m = 20 и для униполярных импульсов с предварительно приложенным постоянным напряжением т да 30. Увеличение показателя старения приводит к тому, что при переходе к рабочим напряжениям ресурс и надежность кабеля еще более повышаются и рабочие напряжения могут быть увеличены.
Изменение ресурса изоляции при переходе от колебательного к униполярному импульсу характерно для радиочастотных и кабелей со слоистой изоляцией, в разрушении изоляции которых решающую роль играют процессы развития частичных разрядов. Для кабелей же с монолитной изоляцией переход к униполярному импульсу не должен приводить к изменению ресурса, так как время до зарождения дендрита, определяющее ресурс такой изоляции, зависит от амплитуды воздействующего напряжения.

Выводы

  1. Проведенные исследования показывают, что форма воздействующего напряжения оказывает непосредственное влияние на ресурс изоляции кабелей в ГИТ, причем для разных типов кабелей влияние формы напряжения на ресурс может быть различным. Наиболее опасным воздействием для всех типов кабелей, обусловливающим минимальный ресурс, является воздействие колебательных импульсов напряжения с малым декрементом колебаний. Наличие высокочастотных перенапряжений наиболее опасно для импульсных кабелей с монолитной изоляцией, причем для этих кабелей наличие перенапряжений кратности Кп практически эквивалентно увеличению амплитуды основного импульса в Кп раз. Для остальных типов кабелей влияние перенапряжений на ресурс сказывается в меньшей степени.
  2. При воздействии униполярного импульса (например, при работе ГИТ на активную нагрузку или в режиме кроубара) ресурс изоляции радиочастотных и импульсных кабелей со слоистой изоляцией выше, чем для колебательных импульсов. Еще большее увеличение ресурса изоляции всех типов кабеля может быть достигнуто в режиме униполярного импульса с предварительно приложенным постоянным напряжением (при установке коммутаторов ГИТ у нагрузки).
  3. Выбор типа кабеля для каждого конкретного емкостного накопителя должен производиться с учетом формы воздействующего напряжения, а в ряде случаев для увеличения ресурса и надежности кабелей при создании накопителей необходимо применить определенные схемные решения.
 
Пассивные резонансные фильтры низковольтных сетей электроснабжения »
электрические сети