Исследование развития водных триингов в полиэтиленовой изоляции кабелей

 УДК 621.315.211.3
И. Н. Квятковская, Е. С. Трушинская
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ВОДНЫХ ТРИИНГОВ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ

В статье приведены методика исследований водных триингов в полиэтиленовой изоляции подводных магистральных кабелей и результаты, полученные в процессе длительных испытаний. В соответствии с разработанной методикой исследования проводились на полномасштабных отрезках кабеля и моделях, конструктивно идентичных кабелю. Рассмотрен ряд факторов, оказывающих влияние на возникновение и рост водных триингов.

Исследования причин зарождения и развития водных триингов (дендритов), а также влияния их на изменение электроизоляционных характеристик полимерной кабельной изоляции особенно широко ведутся в последние годы. Это связано с тем, что, как показывает многолетний (зарубежный) опыт эксплуатации кабелей, даже при самой жесткой модернизации конструкций (применении экранов из вулканизированного полиэтилена (ПЭ), специальных эмиссионных слоев, полимерных оболочек и т. п.), в изоляции обнаруживаются водные триинги — единственный вид дефекта, избавиться от которого до настоящего времени практически не удается. Несмотря на большое число работ, четко не выявлены ни природа возникновения триингов, ни факторы, способствующие их росту и распространению, ни степень опасности, причиняемой водными триингами изоляции, т. е. не исследовано их влияние в процессе развитий на основные показатели надежности кабельных линий, главным образом, на снижение электрической прочности.
Было замечено, что чаще всего водные триинги концентрируются вблизи технологических дефектов в изоляции: посторонних включений, воздушных полостей, трещин и т. д. В этих случаях возникают триинги типа "бант", размеры которых, по публикуемым данным, не превышают 250 мкм. При этом возникают вопросы: связаны ли число и размеры триингов со значением напряженности электрического поля, с водопоглощением полиэтилена с периферии; изменяется ли вообще наружный слой изоляции кабеля, не имеющего герметичной оболочки, в процессе эксплуатации при длительном контакте с влажной средой.
В настоящей работе на примере подводного магистрального кабеля связи типа КПК, изготовленного с большой толщиной изоляции (около 10 мм), приводятся результаты исследований триингообразования в полиэтиленовой кабельной изоляции. Известно, что водные триинги наиболее опасны в высоковольтных кабелях без металлических оболочек, в которых рабочая напряженность при соответствующей модернизации конструкции (кабели 2-го и 3-го поколений) повышена с 6-8 МВ/м до 18-20 МВ/м. Поэтому при разработке программы испытания моделей и методики изучения водных триингов на примере кабелей связи преследовалась цель использования их в дальнейшем и для высоковольтных кабелей с вы прессованной полимерной изоляцией.
Для определения эксплуатационных показателей кабелей типа КПК 7,5/27, использующих полиэтилен высокого давления марки 153.01 К (ГОСТ 16336-70), проводились длительные испытания отрезков кабелей на стендах. При этом основными критериями старения и потери надежности являлись: уровень частичных разрядов на отдельных этапах испытания и время до пробоя при определенных заданных условиях (частоте, напряжении, температуре окружающей воды). Кроме того, с помощью оптико-микроскопических методов исследовалось состояние самой изоляции кабеля до и после длительных испытаний, а также поведение изоляции в тонких слоях при создании некоторых более жестких условий ускоренного старения.
Для изучения зарождения водных триингов была разработана методика, отличающаяся от известных тем, что при ней искусственно не создавались области (каналы с вставленными электродами) с высокой напряженностью поля. В основу было положено условие — максимально обеспечить конструктивную идентичность модели и кабеля. Поэтому в модели были использованы токопроводящая жила самого кабеля и слой изоляции, непосредственно примыкающей к ней. В то же время за счет уменьшенной толщины изоляции модель позволяла создавать в изоляции практически любую напряженность поля (сохраняя форму электрического поля кабеля) без усложненных конструкций концевых устройств и при сравнительно низком напряжении испытательных установок.
Испытания проводились при частоте 1000 Гц. Помещенный в воду рабочий участок модели кабеля имел толщину изоляции от 0,8 до 1,0 мм при длине 50 мм. Высокое напряжение подавалось на жилу, вторым электродом служила вода, залитая в заземленную медную воронку. Испытания полиэтилена проводились в технической воде и воде с 5%-ным раствором морской соли. Варьировались значения напряжения и времени выдержки. Образцы кабелей были разделены на две группы. Условия испытаний для кабелей обеих групп идентичны. Отличие заключалось только в состоянии воды (пресная, соленая).
Режим и продолжительность испытаний приведены в таблице. В соответствии с ее данными после выдержки в течение определенного времени под напряжением отдельные образцы из пресной и соленой воды периодически отбирались. 

Изготавливались тонкие срезы (не менее ста срезов от каждого образца), обрабатывались по методике, предложенной в [1] Сименсом, и просматривались под микроскопом типа МЕТАМ Р-1 в отраженном и поляризованном свете, а также при необходимости, в проходящем свете с помощью биологического микроскопа МБИ-15. Для фотографирования срезов использовалась микрофотонасадка типа МФН-12.
Просмотр срезов показал, что уже после 300 ч испытаний при напряжении как 5 кВ, так и 3 кВ у образцов, находившихся в контакте с соленой водой, появились единичные тонкие нити водных триингов, расположенных в направлении от наружного края к середине среза. С увеличением продолжительности испытаний количество триингов, их форма и размер резко изменились (рис. 1 и 2). Триинги проникли в глубь изоляции, образуя практически по всему периметру кабеля полосу, по форме напоминающую ряд деревьев различной высоты с кроной, обращенной к центру — к токопроводящей жиле (см. рис. 2). В дальнейшем триинги продолжали свой рост, распространяясь на большую толщину слоя изоляции. Характерно, что все наблюдаемые под микроскопом триинги обнаружены в срезах с образцов, проходивших испытания в соленой воде. Первые малого размера единичные (1—2 по периметру) водные триинги в пресной воде были замечены только после 2000 ч испытаний при U=5 кВ и последующего повышения напряжения до 8 кВ (еще через 200 ч) и 9 кВ (еще через 120 ч).
Таким образом, первый этап исследований показал, во-первых, что для возникновения и роста водных триингов нет необходимости создавать искусственные участки с резко неоднородным полем и сверхвысокой напряженностью и, во-вторых, отчетливо выявилось весьма существенное отличие в воздействии на полиэтилен пресной и соленой воды.

Рис. 1. Единичные водные триинги в срезе с образца после 300 ч испытаний в соленой воде при Е = 3,8 МВ/м (70-кратное увеличение)

Рис. 2. Водные триинги в образце после 800 ч испытаний в соленой воде при Е=6,3 МВ/м (70-кратное увеличение)

Кроме исследования изоляции на моделях, просматривались срезы кабеля после длительного пребывания в технической воде при температуре 55±3°С и напряжении 14 кВ (Е=3,8 МВ/м). Испытаниям были подвергнуты отрезки кабеля КПК 7,5/27 , включающие технологические сростки, т. е. участки, где были спаяны проволоки токопроводящей жилы и под давлением залиты расплавленным полиэтиленом до диаметра, равного диаметру кабеля. Как показали результаты обследования состояния изоляции до и после испытаний, в местах сростков обнаружены значительные дефекты — расслоения, воздушные пузыри, посторонние примеси и т. п.
Кроме дефектов изготовления, на срезах у всех образцов имелись различных размеров водные триинги типа "бант" и "ветка", расположенные практически по всей площади среза. Микроскопическое исследование срезов подтвердило предположение, что для образования водного триинга необходима какая-либо неоднородность в изоляции вне зависимости от места ее расположения и напряженности электрического поля. Все водные триинги типа "бант" развиваются как бы от дефекта, а он остается в середине (рис. 3). Некоторые триинги имеют длину от 2 до 3 мм, что составляет около трети всей толщины изоляции. Следует отметить, что ни в одной из известных публикаций по исследованиям кабелей с полиэтиленовой изоляцией после старения в течение 5-10 лет не отмечалось развития водных триингов таких размеров, какие имели место при старении изоляции сростков кабеля КПК 7,5/27. Однако непрерывные испытания отдельных отрезков данного кабеля при напряженности электрического поля 3,8 МВ/м в течение 8266 ч, несмотря на большое число водных триингов, не привели к пробою. Возможно, определяющим фактором в данном случае явилась достаточно низкая напряженность поля, а также расположение самих водных триингов: они при своем развитии не образовали цепочку и находились на большом расстоянии друг от друга.

Рис. 3. Водные триинги типа "бант" в средней части среза изоляционного слоя, развившиеся вблизи дефекта (68-кратное увеличение)

Заключение. Предложенная методика позволяет на простых по конструкции моделях проводить исследования триингообразования в полимерной изоляции при контакте с водой в кабелях практически любых марок и классов напряжения.
Исследования изоляции моделей кабеля КПК 7,5/27, выполненного из полиэтилена низкой плотности марки 153.01 К (ГОСТ 16336-70), показали, что данная изоляция активно вступает в реакцию с соленой водой. После 300 ч испытаний независимо от напряженности поля (6,3 и 3,8 МВ/м) обнаруживаются единичные водные триинги, число которых с увеличением времени испытаний быстро возрастает. Водные триинги типа "дерево", возникающие в результате контакта с соленой водой (при наличии электрического поля), постепенно разрастаясь по всему периметру и сливаясь, образуют сплошное кольцо шириной 1/3 и более толщины слоя изоляции. Характеристики этого видоизмененного полиэтилена предстоит определить в дальнейших этапах работы.
Обследование отрезков полномасштабных кабелей, включающих технологические сростки, после длительных испытаний, не приведших к пробою, в пресной подогретой до 55 °C технической воде при напряженности электрического поля 3,8 МВ/м, выявило в толще изоляции многочисленные водные триинги типа "бант" и "ветка", расположенные как вблизи жилы, так и у оболочки. Некоторые триинги имеют длину 2—3 мм. По-видимому, триинги типа "бант" даже больших размеров не оказывают заметного влияния на электрическую прочность. При сравнении срезов с непробитых кабелей, испытывавшихся 4000 ч и более 8000 ч, на данном этапе исследований не выявлена тенденция к видоизменению формы и росту водных триингов этого типа в зависимости от времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shaw М. Т., Shaw S. H. Water Treening in solid Dielectrics / IEEE. Trans on Electr. Insul. Vol. E1-19. N 5.1984. Ss. 419-452.