Старение и пробой экструдированной изоляции кабелей - Исследование структуры изоляции

Кратковременная и длительная электрическая прочность на цилиндрических моделях была определена с целью исследования влияния на механизм пробоя специальных факторов, таких, как насыщение изоляции газами под давлением или предварительная выдержка при высоких значениях напряженности электрического поля.
Оба эти фактора исследовали для изучения структуры экструдированного диэлектрика. Было установлено, что электрическая прочность всех испытанных материалов значительно улучшилась при полном насыщении элегазом при давлении 1 МПа. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что пробой связан с наличием микропустот и последующей ионизацией. При насыщении элегазом, обладающим большой электрической прочностью, возрастает напряжение начала ЧР.

Таблица 2. Влияние насыщения элегазом на электрическую прочность некоторых изоляционных материалов
Электрическая прочность, МВ/м

В табл. 2 приведены результаты определения электрической прочности при ступенчатом подъеме напряжения (выдержка на ступени 10 мин) до и после насыщения элегазом некоторых материалов. Испытания были проведены на цилиндрических моделях и проверены на кабелях напряжением 20 кВ.
Испытания на срок жизни, проведенные на одинаковых моделях без насыщения и с насыщением изоляции элегазом, показали, что по крайней мере при высоких уровнях напряженности электрического поля насыщение газом под давлением не столь значительно влияет на наклон кривой срока жизни (рис. 6). Напряженность начала ЧР в микропустотах, видимо, возрастает, но скорость старения не изменяется. Это указывает на наличие в обоих случаях одного и того же механизма старения, для проявления которого требуется время несколько секунд или минут.
Было изучено влияние предварительной выдержки образцов под напряжением на электрическую прочность изоляции. В табл. 3 приведены результаты определения кратковременной электрической прочности (скорость подъема напряжения 1 кВ/с) изоляции цилиндрических моделей до и после предварительной выдержки образцов при напряженности электрического поля 30 МВ/м в течение 16 ч беспрерывно вплоть до начала испытаний.

Таблица 3. Электрическая прочность на переменном токе цилиндрических макетов до и после предварительного кондиционирования
Электрическая прочность, МВ/м*

* В числителе - данные для материала, находящегося в исходном состоянии, в знаменателе - для материала с предварительной выдержкой под напряжением.

Это исследование проводилось в связи с явлениями возникновения неожиданных пробоев кабелей после перерывов в подаче напряжения в ходе длительных испытаний при очень высоких напряженностях электрического поля.

Рис. 6. Кривые жизни цилиндрических моделей при комнатной температуре:
1 - экструдированный полипропилен в исходном состоянии; 2 — экструдированный полипропилен 2, насыщенный элегазом при давлении 1 МПа; 3 — сшитый полиэтилен в исходном состоянии; 4 — сшитый полиэтилен, пропитанный газом при давлении 1 МПа

Было установлено (см. табл. 3), что предварительная выдержка под напряжением, если напряжение приложено в течение достаточно длительного времени и без перерыва вплоть до начала испытаний на пробой, может привести к значительному повышению кратковременной электрической прочности изоляции. Такое повышение кратковременной электрической прочности может быть обусловлено повышением давления в пустотах, возникающего вследствие разрядов, причем это давление исчезает после снятия напряжения через достаточно продолжительный период времени.
Как эффект, наблюдающийся при насыщении изоляции элегазом, так и эффект предварительной выдержки под напряжением говорят в пользу обоснованности предположения о том, что наличие микродефектов, которые можно представить себе в виде микропустот, является причиной пробоя, по крайней мере в тех случаях, когда превышается некий критический уровень напряженности электрического поля для данного кабеля.
Исследование влияния воздействия внешней среды. Исследования такого типа можно проводить только в ходе длительных испытаний, поскольку для развития действия указанных механизмов обычно требуется длительное время.
Типичной проблемой является поведение экструдированной изоляции в присутствии воды. Для изучения этого вопроса в течение многих лет широко используются цилиндрические модели, особенно когда нужно провести сравнение и оценить новые материалы.
С помощью рассматриваемых моделей успешно исследовалось воздействие и других факторов, таких, как температура, температурный градиент, напряженность электрического поля, влияние типа воды и т. д.
Использование небольших моделей для изучения воздействия воды на экструдированную изоляцию носило весьма фундаментальный характер и позволило получить многочисленные результаты, особенно в части скорости ухудшения основных электрических характеристик (электрической прочности, tgδ, сопротивления изоляции) [7].
В связи с вышеизложенным старение цилиндрических макетов представляется нам весьма многообещающей методикой как для сравнения скорости ухудшения состояния изоляции, так и для оценки параметров материалов в различных условиях окружающей среды.
Однако рассматриваемые цилиндрические модели не подходят для получения данных по абсолютным значениям характеристик, связанных со сроком службы кабелей в условиях эксплуатации в воде или во влажной почве.

Рис. 7. Продолжительность срока жизни предварительно насыщенной изоляции моделей в воде при температуре 70°С и напряженности электрического поля 20 МВ/м в зависимости от толщины изоляции

Применение малоразмерных макетов для таких целей оказалось неудовлетворительном. Поэтому во избежание получения ошибочных результатов в таких случаях необходимо использовать образцы кабелей. В подтверждение вышесказанному ниже приведены значения наклона п кривой срока жизни изоляции, полученные при испытаниях цилиндрических моделей и образцов кабелей в воде при 70°С и напряженности от 5 до 20 МВ/м:
Значения п, полученные на моделях, резко отличаются от результатов, полученных при испытании натурных кабелей даже в тех же самых температурных условиях. Этот факт можйо объяснить действием ускоряющих факторов, обусловленных самой природой тонкослойной изоляции моделей, что влияет на характер диффузии воды, проявления неоднородности экранировки, распределения напряженности электрического поля по толщине изоляции. Указанные предположения нашли подтверждение, когда толщина изоляции моделей была увеличена до 4 мм (типичная толщина изоляции кабелей на средние напряжения).
Влияние толщины изоляции на результаты испытания модели при исследовании механизма ухудшения изоляции в воде требует дальнейшего изучения. Дело в том, что при исследованиях на моделях с изоляцией, полностью насыщенной водой до наложения электрической нагрузки, на образцах с различной толщиной изоляции получен большой разброс значений срока жизни даже при одинаковых уровнях электрической нагрузки (рис. 7), что указывает на весьма сильное воздействие приложенного напряжения на механизм диффузии воды в изоляцию.

Выводы.

Исследования механизмов пробоя и старения экструдированной изоляций методом испытания на моделях позволяют получить надежные результаты в случае использования соответствующих моделей.
Во всех рассмотренных в данной работе случаях пригодность тех или иных типов моделей для конкретных видов испытаний была проверена постановкой контрольных опытов и сравнением с результатами испытаний натурных кабелей.

Исследования влияния крупных дефектов и изоляции, таких, как макропористость, полости, разрезы, успешно проводились на плоских моделях, что позволило прийти к заключению о том, что контрольные электрические испытания позволяют обнаруживать основные дефекты подобного рода.
Результаты кратковременных и длительных испытаний на плоских и цилиндрических моделях показали, что основным механизмом старения при высоких напряжениях, возможно, являются ЧР в микропустотах. Исследование влияния микродефектов изоляции и экранов требует применения цилиндрических моделей в целях получения достоверных результатов.
Цилиндрические модели с успехом могут использоваться для исследования влияния температуры, и наоборот, исследования влияния окружающей среды, такие, как контакт с водой, весьма трудно проводить на моделях в силу возможного усиления этого влияния из-за малых толщин изоляции моделей. В результате этого можно ожидать весьма сильного ускорения старения и слишком сильного ухудшения характеристик по сравнению с таковыми в реальных условиях эксплуатации. Поэтому в этих случаях для получения надежных выводов требуется выполнять испытания на полных кабелях. Тем не менее модели имеют весьма важное значение в деле исследования механизмов старения материалов в воде.