Силовые кабели - Внутренний вакуум в кабеле

При эксплуатации кабельных линий был замечен ряд явлений, которые некоторое время не находили себе достаточно убедительных объяснений. Так, например, кабели, выдержавшие на заводе весьма суровые испытания напряжением, значительно превосходящим рабочее, в конце концов часто пробиваются при нормальной эксплуатации без наличия внешних причин. В особенности такие явления часто наблюдались на длинных кабельных линиях. Кроме того, наблюдалось, что большинство электрических пробоев, т. е. пробоев, зависящих от внутренних причин, происходит в ранние утренние часы, когда кабели работают без нагрузки в холодном состоянии. Было замечено, что пробиваются даже такие кабели, которые, будучи сняты с линии, показывают отличные данные в смысле электрической прочности при испытаниях в лаборатории. Впервые в литературе объяснение этим явлениям было дано W. A. Del Маг’ом [44], который объяснял все эти явления возникновением внутреннего вакуума в кабелях. Причины образования внутри кабеля вакуума — две: 1) очень высокий термический коэффициент расширения пропиточной массы кабеля по сравнению с коэффициентами для других составных частей кабеля; 2) отсутствие эластичности у свинцовой оболочки, что влечет за собой при перегревах или при изгибах кабеля возникновение внутренних пустот. Употребляемая для пропитки кабельная масса имеет коэффициент термического расширения порядка от 0,8-10-3 до 1,0-10-3 на 1°С, что на много превышает соответствующие величины для других составных частей кабеля, а именно для меди 0,05-10-3 и для волокна бумаги 0,09-10-3. По подсчетам Del Маг’а термические сокращения массы приводят к тому, что если предположить все изменения объема пропиточной массы сосредоточенными в одном месте, то при длине кабеля в 400 т, отпущенного с завода целиком заполненного массой при 25° С, кабель будет на 10 м. совершенно лишен пропиточной массы, если он проложен при 0 С, так как при этом объем массы сократится на 2,5%. В действительности пустоты распределятся по всей длине кабеля более или менее равномерно мелкими пузырьками, причем, чем меньше эти отдельные пустоты по размеру, тем кабель лучше. Подобного рода сокращения легко наблюдать на массе, если ее поместить в нагретом состоянии в стеклянную пробирку, а затем эту пробирку запаять. При охлаждении такой пробирки разные пропиточные массы образуют различный характер пустот: иногда с крупными разрывами, иногда с образованием мелких пузырьков. В кабеле охлаждение начинается снаружи, поэтому приток массы на освобождаемое вследствие ее сокращения место идет от центра кабеля к периферии, благодаря чему, если между проволоками проводящей жилы нет достаточного количества массы, от массы освобождаются наиболее электрически напряженные слои изоляции, прилегающие к жиле. Точно так же и воздух проникает внутрь кабеля, главным образом, по пустотам между проволоками жилы.
Второй причиной вакуума в кабеле являются пустоты, образующиеся благодаря неэластичности свинцовой оболочки.
Del Маг оценивает возрастание внутреннего объема от этой причины в 0,5%, что при предположении, что масло занимает одну треть объема изоляции, обусловливает вакуум примерно такого же порядка, как и от термического сокращения пропиточной массы.
Внутренний вакуум может быть измерен с помощью напаянных на конце кабеля вакуумметров. Del Маг для кабеля в диапазоне температур от 25 до 0°С дает измеренный вакуум 22—23 дюйма (53 cm) по вакуумметру, укрепленному на одном конце кабеля. При этих условиях по его подсчетам ионизация получится при того напряжения, которое требуется для ионизации при атмосферном давлении. Под влиянием внутреннего вакуума получается также часто наблюдаемое сжимание свинцовых соединительных муфт.
Расширение пропиточной массы при рабочей температуре дает в кабеле, имевшем полную пропитку при нормальной температуре, сильно повышенное давление порядка 4—5 at. Это давление в начальной стадии может быть неравномерным вдоль длины кабеля; выравнивание давления внутри кабеля происходит с различной скоростью в зависимости от вязкости пропиточной массы: при вязком компаунде оно идет несколько часов, а при жидком, как, например, в маслом наполненных кабелях, идет очень быстро.
Величина напряжения ионизации в кабелях зависит от внутреннего вакуума. Del Маг, исходя из исследований Реек’а, касающихся ьеличины напряжения ионизации воздуха, а также приняв согласно работам Shanklin’a [49] и Dubsky’ro, что пузыри воздуха в кабеле при атмосферном давлении ионизируются при градиентах около 19 кВ/cm, составил табл. 8, дающую отношения между градиентами напряжения в кабеле и давлениями воздуха, заключенного в кабеле, причем для очень малых пустот эти отношения не выдерживаются, но по опыту они правильны для больших пустот, находящихся в кабеле. Согласно табл. 8 для любого кабеля можно определить внутреннее давление, при котором начнется ионизация, если известен его максимальный градиент напряжения.
Таблица 8
Зависимость между градиентом напряжения ионизации и внутренним даилением в кабеле по W. A. Del Маг’у

Рассуждения W. A. Del Маг’а показывают, что при слишком большом наполнении кабеля массой в нем легко могут получиться пустоты с резко уменьшенным давлением по сравнению с кабелем, в котором присутствуют воздушные включения. В связи с этим не безынтересно отметить, что в 1933 г. в Америке было отмечено, что благодаря сильному улучшению техники пропитки кабеля около 20% новых кабелей страдали в
эксплуатации появлением продольных разрывов свинцовых оболочек. Некоторое время в Америке полагали, что небольшое количество воздуха в кабеле даже полезно, так как он служит подушкой при термическом расширении компаунда. Однако ионизация пустот была найдена менее вредной, чем ионизация газовых включений, ибо пленка газа в кабеле остается в одном и том же месте и только расширяется и сжимается, а место образования пустот меняется. Кроме того, при ионизации пустот не образуется активного озона, как это может иметь место при ионизации воздушных включений. Поэтому в настоящее время американцы все-таки считают, что кабель должен быть полностью наполнен, а с дефектами в свинцовой оболочке они борются путем применения примоточных свинцовых прессов, при применении которых отсутствуют продольные швы в свинцовых оболочках.

Фиг. 41. Зависимость между внутренним давлением в кабеле и процентным содержанием воздуха в изоляции для случая "зимней" прокладки по С. F. Напson’y.

Фиг. 40. Зависимость между давлением в кабеле и процентным содержанием воздухв изодяции для случая .летней" прокладки по С. F. Напson’y.
Сотрудник Del Маг’а С. F. Hanson подсчитал для разного содержания воздуха в кабеле то внутреннее давление, которое будет господствовать в кабеле при максимальной нагрузке летом и минимальной нагрузке зимой, и изобразил результаты вычислений в виде кривых, приведенных на фиг. 40 и 41. При вычислениях С. F. Hanson исходил из следующих условий:

1. максимальная рабочая температура изоляции летом 40° С;
2. минимальная рабочая температура изоляции зимой 20° С;
3. температура изоляции при летней прокладке 30°С;
4. то же, при зимней прокладке 15° С;
5. внутреннее давление в кабеле, которое вызывает необратимое расширение свинцовой оболочки, 4 at;
6. кабель считается на концах герметически закрытым;
7. степень пропитки выражается процентом объема воздуха в пропитанном кабеле от общего воздуха в кабеле перед пропиткой.

Кривые фиг. 40 и 41 показывают, что „зимние" прокладки, т. е. прокладки в холодное время, предпочтительнее, чем прокладки летом. Нужно, однако, обратить внимание на то, что температура зимних прокладок здесь указана вовсе не низкой, при низких же температурах прокладывать кабелей вообще невозможно, так как при этом легко могут быть
повреждены как изоляция, благодаря тому что смазывающая способность пропиточной массы в этих случаях утрачивается, так и свинцовая оболочка. Обычно кабельные заводы не допускают прокладок без специальных мер для прогрева кабелей при температурах ниже 0°С, а иногда и ниже -1-5° С.