Вопрос о влиянии на кабельный диэлектрик остаточного воздуха и влажности, остающихся в диэлектрике в результате производственного процесса сушки и пропитки, имеет большее значение как для производства, так и для эксплуатации, ибо он определяет собой качество кабеля и производственный процесс. Влияние остаточных воздуха и влажности на качество кабеля можно рассматривать с двух сторон: с одной стороны, как влияние на электрические характеристики кабеля, а с другой стороны, как влияние химического воздействия воздуха и влажности на материал изоляции, особенно при наличии электрического поля. Эти вопросы подробно изучались J. В. Whiteheal, F. Hainburger’on и W. В. Коиwenhoven’on [75], результаты исследований которых принимались во внимание при проектировании новых американских кабельных заводов. Эти исследования проводились над образцами, сделанными в лаборатории. Исследователи пришли к заключению, что большая или меньшая степень влажности, оставшейся в кабеле после процесса сушки и пропитки, влияет на величину потерь в диэлектрике, но не влияет на характер течения этой величины в зависимости от напряжения. Иными словами, в отношении влияния на электрические характеристики эта остаточная влажность не представляет для кабелей низкого и среднего напряжения особого вреда, так как по абсолютной величине потери все же остаются ничтожными. Для кабелей высокого напряжения дело обстоит уже иначе. Чтобы получить превосходный диэлектрик, нет нужды обязательно добиваться удаления абсолютно всей влаги из бумаги, что, кстати сказать, представляет очень большие трудности. Исследования показали, что при воздушной сушке, т. е. при сушке без применения вакуума в токе теплого воздуха, главная часть влаги уходит из кабеля при температуре около 75—83° С. Период такой воздушной сушки в 72 часа при 105° С делает кабельный диэлектрик превосходным изолятором. Сушка под вакуумом, однако, сильно ускоряет процесс; так, при давлении 2—5 мм рт. ст. вышеуказанная сушка при 105° С будет производиться только в течение 12—24 час. Предварительно невысушенная бумага, помещенная в пропиточную массу при 105° С и проваренная в ней в течение 24 час. при давлении в 3 мм рт. ст., дает превосходный диэлектрик. При пропитке важно давать вакуум для удаления воз уха, однако вакуум до 10 мм рт. ст. дает одинаковые результаты, выше 10 мм в изоляции получаются воздушные пузыри н как следствие ионизация. Важно, чтобы свинцовая оболочка была наложена туго для избежания образования воздушных пузырей в изоляции.
На интересный характер изменений в изоляции кабеля от влажности воздуха под влиянием электрического поля показывают исследования К. S. Wyatt’a, Е. W. Spring’a и С. Н. Fellow [133].
Эти исследователи нашли очень любопытные изменения в изоляции как старых, так и искусственно состаренных напряжением трехжильных кабелей на рабочее напряжение 24 кВ. Они подвергли исследованию слой за слоем бумажную пропитанную изоляцию, причем применяли два метода исследования, а именно: измерение tg 8 при 60° С и определение процентного содержания в пропиточной массе, изготовленной из чистого минерального масла, гидрофилей, являющихся продуктом окисления масла. На фиг. 46 показаны в виде кривых результаты измерений по обоим методам, причем индекс „а“ относится к кабелю, состарившемуся в эксплуатации, индекс "б“ — к искусственно состаренному кабелю и индекс „с" — к новому кабелю. Кривые показывают, что слои бумаги, прилегающие к свинцовой оболочке и к медной жиле, состарились более всего, причем эти слои показывают как самые худшие электрические характеристики, так и наибольшее содержание продуктов окисления. Так как причиной этих изменений является окисление массы, то авторы исследования указывают на следующие источники кислорода в кабеле:
- воздух, оставшийся в массе или изоляции во время производства;
- воздух, всосанный во время монтажа;
Фиг. 46. Зависимость коэффициента мощности и количества гидрофилей в кабельной изоляции от бумажной ленты в кабеле по К. S. W yatt’y.
- воздух, всосанный через муфты или через дырки в свинцовой оболочке;
- влажность в бумаге, которая может быть разложена электролитически;
сама бумага, которая может создавать кислород двумя путями: или отщеплением кислорода от молекул целлюлозы под действием ионизации или растворением в масле лигнина, смолы и вспомогательных материалов, которые в малых количествах присутствуют в кабельных бумагах, причем наиболее вероятно влияние лигнина.
Главным источником кислорода в изоляции по мнению исследователей является воздух, проникающий в кабель вдоль проволок жилы или между свинцовой оболочкой и изоляцией. Во всяком случае, около жилы и в воздушных пространствах около свинцовой оболочки скорее всего возможно возникновение ионизации. Что воздух может далеко проникать в кабель вдоль проволок, подтверждает то обстоятельство, что вода может проникать через открытый конец кабеля внутрь его на 50—100 м. при охлаждении от рабочей температуры до окружающей, как показывает опыт эксплуатации.
Форма кривых фиг. 46 не подтверждает того предположения, что эти кривые обусловливаются электролизом переменного тока содержащейся в кабеле влажности, так как в этом случае нет основания ожидать увеличения по краям кривых. Замечено, что подобные же кривые получаются и в результате хранения кабелей на складе, что показывает, что здесь причиной изменений в изоляции служит не только одно электрическое поле кабеля.
С вышеописанным явлением окисления изоляции не следует смешивать так называемого воскообразования, которое получается в кабеле в результате ионизации. Впервые такое воскообразование было замечено в американских кабелях, пропитанных петролатом. Эти кабели дали очень хорошие результаты при исследованиях в лаборатории на электрические характеристики, но спустя несколько месяцев эксплуатации стало обнаруживаться большое число пробоев. В результате обследования оказалось, что в изоляции кабелей появилось новое раньше неизвестное вещество, названное воском X, которое хотя и является само по себе прекрасным изолятором, но занимает меньший объем, чем пропиточная масса, из которой он образовался. Благодаря увеличению объема пустот при образовании воска X и получились многочисленные пробои кабелей. Оказалось, что все масла способны образовывать, хотя в ничтожной степени по сравнению с петролатом, этот воск X, причем прибавка к пропиточной массе канифоли понижает эту способность. В результате этого опыта пропитка петролатом больше не применяется. С. F. Hirshfield, А. А. Meyer и L. Н. Connell [134] объясняют образование воска X тем, что все углеводороды под действием электрического разряда или другой ионной бомбардировки образуют большие молекулы. Один из конечных продуктов этого образования всегда твердый и, в основном, эквивалентен воску X, а другой — водород. Твердый воск А — прекрасный диэлектрик, но водород, выделенный как газовый пузырь в изоляции, служит источником ионизации.
Наблюдения над появлением воска в кабелях были сделаны и в Германии. Dr. Kirch (137) говорит, что по их наблюдениям одинаковая степень воскообразования получается на кабелях:
Кабели, на которых проводились эти наблюдения, имели пропиточную массу из густых парафинистых масел с точкой каплепадения по Уббелоде 35-45° С.
