Старение и пробой экструдированной изоляции кабелей

УДК 621.315.2.048.015.51.001.42
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ СТАРЕНИЯ И ПРОБОЯ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА МОДЕЛЯХ
Джерарди, Метра, Вецеллио (Италия)¹    .
Введение. Проблема оценки и выбора моделей для исследования экструдированных материалов, предназначенных для работы при высоких напряжениях, являлась всегда важной и зачастую весьма трудноразрешимой задачей. Во всяком случае, корректная оценка характеристик конкретного макета и точное определение условий испытаний являются наиболее важными факторами в деле получения каких-либо знаний о конкретных исследуемых свойствах с достаточной степенью достоверности. Проверенная и подтвержденная согласованность результатов, получаемых на моделях с результатами, наблюдаемыми в реальных исследуемых системах (в нашем случае в силовых кабелях), имеет принципиально важное значение для выработки правильных заключений о пригодности модели по крайней мере в том случае, когда исследуемая система представляет собой не просто материал, а сложную структуру. Ниже рассмотрены два основных вида моделей: плоские и цилиндрические, дано описание ряда опытов, выполненных на этих моделях и рассматриваются соответствующие результаты, а также дано их сравнение с результатами, полученными на кабелях.
Оба вида моделей использованы для исследования Механизмов пробоя и старения в связи с двумя типичными группами дефектов, встречающихся в кабельных структурах.
К первой группе относятся так называемые макродефекты или локализованные дефекты, которые возникают по причине нарушения технологии, наличия посторонних включений в материале или механических повреждений. В принципе такие дефекты можно устранить проведением соответствующих электрических испытаний. В связи с этим исследования были в основном нацелены на оценку влияния макродефектов на электрическую прочность изоляции в целях выбора условий испытаний, наиболее подходящих для их обнаружения. Исследование механизма старения при наличии таких дефектов было ограничено временем того же порядка, что и контрольное испытание на кабелях (до 30 мин). Этот вид исследований проводился на плоских макетах.
Ко второй группе дефектов относятся так называемые микродефекты, которые можно считать присущими самой природе изоляционного материала и технологическому процессу изготовления изоляции кабелей. Типичным примером таких дефектов могут служить микропустоты и небольшие неоднородности полупроводящего экрана.

¹ L. Gherardi, Р. Metra, В. Vecellio. Study of ageing and breakdown phenomena in extruded insulation by tests on models. Доклад 15-13 на сессии СИГРЭ 1982 г. Пер. с англ. Э. М. Попова.

Исследование подобных дефектов было направлено на изучение длительного старения в целях прогнозирования срока службы данной конструкции кабеля после удаления макродефектов соответствующими методами контрольных испытаний. Для таких исследований использовались цилиндрические макеты.
Плоские модели вырезали либо из кабелей больших размеров с экструдированной изоляцией, либо из отливок при помощи специального инструмента, который позволял делать срезы толщиной до десятых долей миллиметра с достаточно хорошей равномерностью.
Для снижения уровней напряжения при испытаниях на кратковременную электрическую прочность использовались образцы толщиной не более 0,5 мм. При исследовании более сложных систем, таких, как, например, макеты с дефектами, использовались образцы толщиной до 1,5 мм. Методика кратковременных испытаний обычно предусматривала испытание 20 образцов, которые устанавливали между плоскими электродами с закругленными кромками, а затем помещали в отдельные стеклянные контейнеры, заполненные жидким диэлектриком. Конструкция системы электродов позволяла подвергать исследуемые образцы механическому давлению.
Группу из 20 отдельных образцов испытывали на переменном напряжении, увеличивая приложенное напряжение ступенями по 2,5 кВ через каждые 30 мин.
Для каждого образца по продолжительности испытаний и количеству выдержанных ступеней рассчитывали эквивалентную электрическую прочность Е, отнесенную к стандартному времени T0 = 30 мин, для чего использовались методы теории распределения Вейбулла [1 ].
Полученные в результате испытаний 20 значений пробивного напряжения вместе с расчетными кумулятивными вероятностями пробоя интерполировали по методу максимального подобия. Все последующие сравнения результатов испытаний различных групп образцов проводились на основе двух параметров: коэффициента дисперсии b и номинальной электрической прочности Е0, соответствующей вероятности пробоя 0,63.
Испытания проводились на различных моделях, которые показаны на рис. 1. Модель D широко использовали для исследования различных материалов, поскольку она позволяла оценивать электрические свойства данного материала. Другие типы моделей использовались в тех случаях, когда нужно было сфокусировать внимание на каком-либо конкретном виде дефекта.
Длительные испытания проводили также и на моделях с особыми видами дефектов, цель которых состояла в оценке скорости старения в одинаковых условиях.
Подобные испытания проводили при нескольких значениях напряжения, чтобы определить наклон п кривой срока жизни.
Исследование структуры изоляции. Возможность проведения испытаний на электрическую прочность на плоских образцах, вырезанных непосредственно из кабелей больших размеров, представляет особый интерес для получения информации об изменении качества изоляции по объему.

Рис. 1. Типы плоских образцов моделей (бездефектные и с искусственными дефектами, цифры - размеры, мм) :
а - образцы типа А (порезы различной глубины); б - образцы типа В (открытые щели, расположенные в разных местах); в - образцы типа С (цилиндрические полости, расположенные в разных местах); г — образцы типа D (бездефектные образцы) и типа Е (образцы с включениями)

Наряду с этим в связи с малым размером образцов можно было ожидать, что такие испытания смогут дать информацию о среднем качестве экструдированной изоляции. Однако было бы совершенно нереальным опираться на этот метод при прогнозировании (или для предотвращения) возникновения отказов при особо низких напряжениях в гораздо более крупных объемах, например на отрезке кабеля. С другой стороны, эти модели позволяют обнаруживать изменения электрических характеристик по объему изоляции.
В качестве примера на рис. 2 приведены результаты определения кратковременной электрической прочности на плоских образцах, вырезанных из кабеля на напряжение 150 кВ с изоляцией из этиленпропилена. Можно видеть, что на плоских образцах было установлено наличие двух различных наборов значений электрической прочности в зависимости от месаа отбора образцов в кабеле: одна группа образцов, взятых с участка со стандартным качеством изоляции, а вторая — из дефектной части кабеля с пористой изоляцией, что было установлено в ходе предварительного осмотра.
Результаты испытаний образцов кабеля также даны на рис. 2, что позволяет провести количественное сравнение с результатами испытаний образцов. Большой разброс значений электрической прочности, полученных на образцах кабелей, согласуется с фактом присутствия локализированных дефектов в изоляции, определенной при испытаниях плоских моделей.
Было выполнено исследование для проверки положения о том, что явления старения, вызванные ЧР в пустотах в массе изоляционного материала, являются наиболее важными факторами, влияющими на характеристики полимерных материалов [2].

Хорошо известно, что такие материалы в принципе нельзя считать однородными, поскольку гетерогенность, обусловленная как природой материала, так и самим технологическим процессом, всегда присутствует в материале, по крайней мере на уровне микродефектов.
Для ускорения процессов старения в изоляции выполняли стандартный, воспроизводимый дефект. По этой причине для проведения исследований была выбрана модель Са (рис. 1), поскольку такая конфигурация образцов уже предлагалась ранее [3] для проведения исследований сопротивления изоляционных материалов внутренним разрядам. На моделях типа Са было проведено большое количество испытаний на срок службы с такими материалами, как этиленпропилен, полиэтилен и пропитанная бумага.
Как видно из рис. 3, кривые срока жизни, полученные в результате таких испытаний, проведенных на модели Са, характеризуется весьма низкими уровнями напряженности по сравнению с типичными значениями, характерными для бездефектных кабелей, проходивших испытания в течение такого же времени.

Такое различие, обусловленное, видимо, ослабленными точками, преднамеренно введенными в диэлектрик, было довольно легко предсказать, хотя бы и приближенно. Для испытанных материалов экспонента срока службы, рассчитанная методом экстраполяции результатов испытаний плоских моделей, дает значения, хорошо согласующиеся со значениями, определенными на кабелях. Цилиндрические модели и кабели с газовой изоляцией, обладающие высокой электрической прочностью, имеют более высокую длительную электрическую прочность при той же самой экспоненте срока жизни (кривая 3).

Рис. 2. Распределение значений электрической прочности при ступенчатом подъеме напряжения (выдержка на ступени 30 мин) плоских образцов типа D, вырезанных из бездефектного участка (кривая 1) и из дефектного участка (кривая 2) одного и того же кабеля с экструдированной полипропиленовой изоляцией и образцов кабеля (3)
Рис. 3. Кривые жизни, полученные на плоских образцах типа С, для различных видов изоляционных материалов в сравнении с кривыми жизни, определенными на коротких отрезках кабеля:
1 — экструдированный полипропилен, плоские образцы; 2 - экструдированный полипропилен, образцы кабелей; 3 — кабели с изоляцией из экструдированного полипропилена после насыщения элегазом при давлении 1 МПа; 4 - полиэтилен, плоские образцы; 5 - полиэтилен, образцы кабелей; 6 - пропитанная бумага, плоские образцы; 7 - пропитанная бумага, образцы кабелей

Это указывает на то, что угол наклона кривой срока жизни зависит от механизма старения за счет внутренних микроразрядов, в то время как максимальное значение времени жизни связано размером или формой дефектов. Принимая во внимание тот факт, что крупные дефекты в кабельной изоляции можно устранить путем соответствующих контрольных испытаний, для проведения исследований на длительное старение требуются модели с дефектами, аналогичными дефектам, которые остаются в поставляемых кабелях.
Поскольку в плоских моделях типа D могут появляться пробои в областях с неравномерной напряженностью электрического поля, то для проведения длительных испытаний ’’бездефектной” изоляцией предпочтительно использовать цилиндрические модели.                                                                               ·
Исследование крупных локализированных дефектов. Плоские модели могут также оказаться полезными для исследования основных факторов, влияющих на электрический пробой в полимерных материалах, а также для исследования механизма действия таких факторов.
Типичным примером локализованных дефектов в кабелях с экструдированной изоляцией являются большие неоднородности на границе раздела между изоляцией и полупроводящим экраном. Этот вид дефекта имел особо важное значение несколько лет тому назад, до тех пор, пока не был разработан процесс одновременной экструзии экранов и изоляции. Было установлено, что отсутствие прочной связи между изоляцией и наружным полупроводящим экраном могло быть возможной причиной механических напряжений во время тепловых циклов, что зачастую вело к пробою кабеля.
Моделирование таких дефектов, которые ведут к появлению ЧР большой интенсивности, выполнялось на плоских образцах, которые подвергали воздействию ЧР по нескольким методикам, в том числе и по методике МЭК [4].
Испытательное устройство, рекомендуемое МЭК, вызывает резкое изменение интенсивности разрядов при изменении напряжения, что затрудняет получение кривой срока жизни в таких условиях и ограничивает максимально возможное значение подаваемого напряжения. Однако сравнение различных материалов при одинаковых электрических воздействиях и различных механических нагрузках позволило провести их классификацию по стойкости к воздействию ЧР (рис. 4), которая хорошо согласуется с реальными характеристиками срока службы, полученными для тех же самых материалов при их использовании в кабелях с ленточным полупроводящим экраном [5 J.
В результате отмеченных выше усовершенствований технологии, разрешивших существующую проблему, представилось возможным сконцентрировать усилия исследователей на изучении дефектов в массе изоляционного материала.
В частности, было исследовано влияние ряда дефектов, таких, как порезы, полости, трещины, которые могут присутствовать в изоляционных материалах. Для этого была проведена серия испытаний на плоских образцах, выполненных из полипропиленового компаунда. Образцы обладали отличными электрическими свойствами, но в них преднамеренно ввели отмеченные выше дефекты. Надрезы выполнялись острым хирургическим ножом, что помогало моделировать возможные типы дефектов, которые можно обнаружить в изоляции реальных кабелей. Как изображено на рис. 1, исследовались надрезы с различной глубиной (Аа, Ав, Ас), открытые щели, расположенные в различных местах (Ва, Вв, Вс), и цилиндрические полости, аналогичные тем, что использовавшись при исследовании структуры изоляции типов Са и Св, которые сопоставляли с компактной изоляцией типа D. Кроме того, были испытаны образцы, полученные при срезах с кабелей с различными дефектами типа заранее обнаруженных включений или больших конгломератов частиц наполнителя.

Рис. 4. Время жизни различных изоляционных материалов под воздействием ЧР (определенное по методике МЭК, в функции от механического удлинения:
1 — экструдированный полипропилен (n=10:21); 2 - поливинилхлорид (n=8); 3 — полиэтилен низкой плотности (n=7:11); 4 - сшитый полиэтилен (n=7:11); 5 - бутиловый каучук (n=6:10); 6 — натуральный каучук (n=4:8)

Результаты испытания на кратковременную электрическую прочность на переменном токе (30 мин выдержки на ступени), которые приведены на рис. 5, показывают, что некоторые виды дефектов ведут к очень низкой электрической прочности. Типы образцов приведены на рис. 1, материал образцов — экструдированный полипропилен. Особую опасность, в частности, представляют открытые щели (тип В), худшим случаем является тот, когда они расположены около электродов (Вb и Вc). В то же время цилиндрические полости представляются несколько менее серьезными дефектами. Поведение надрезов (дефект типа А) весьма непредсказуемо, они ведут себя то как открытые щели, то как совершенно целостная изоляция. В нескольких образцах наблюдался пробой, место расположения которого не совпадало с местом расположения разреза. Данный эффект, видимо, можно связать со случайным характером возможности закрытия или раскрытия стенок .разреза во время испытания. В первом случае дефект можно не обнаружить даже самыми чувствительными методами определения ЧР, поскольку такая ситуация характеризуется весьма высокой напряженностью, необходимой для начала ЧР, после чего сразу же следует электрический пробой. Наличие больших конгломераций частиц наполнителя не имеет особо опасных последствий, по крайней мере в том случае, если они хорошо связаны с основной изоляцией.
В заключение можно сказать, что наиболее опасным и одновременно затруднительным случаем является наличие пустот любой формы в изоляции, особенно когда такая пустота находится в контакте с электродами. Помимо снижения электрической прочности на переменном токе наличие таких пустот может обусловить случайный пробой во время контрольных испытаний кабеля переменным напряжением, когда кабели высокого напряжения подвергаются воздействию напряженности электрического ноля в диапазоне 10—15 кВ/мм.

Рис. 5. Распределение значений электрической прочности плоских образцов при ступенчатом подъеме напряжения (выдержка на ступени 30 мин) экструдированного полипропилена с различными искусственными дефектами (А-Е - см. рис. 1)

Поэтому такой тип испытаний представляется подходящим для обнаружения и устранения наиболее опасных типов дефектов, и он становится все более и более распространенным [6].

Цилиндрические модели.

Описание цилиндрических моделей (миниатюрных кабелей). Цилиндрические модели предназначены для наиболее точной имитации конструкции и структуры кабелей. На медный провод диаметром 1,8 мм наносят соответствующий полупроводящий слой до получения общего диаметра 2,8 мм, затем наносят изоляцию (толщиной 1,45 мм), а затем еще один слой полупроводящего экрана. Такую модель можно изготовлять, как и обычные кабели, методом одновременной многослойной экструзии, что позволяет получить прочный контакт между полупроводящим экраном и изоляцией. Толщина изоляции была выбрана таким образом, чтобы получить напряженность поля у экрана, численно равную приложенному напряжению.
Испытания на кратковременную электрическую прочность обычно проводили путем постепенного повышения напряжения переменного тока со скоростью 1 кВ/с на двух комплектах образцов по 20 образцов в каждом (один длиной 1, другой — 15м).
Более длительные испытания, обычно со временем выдержки на ступени около 10 мин, проводили в целях исследования механизма пробоя и для оценки кривой срока жизни.
Длительную электрическую прочность определяли на 10 образцах длиной 1 м, которые выдерживали при выбранной температуре и в заданных условиях окружающей среды, при постоянном значении напряжения (испытания на срок жизни) или с длительной выдержкой (обычно 1 нед) на каждой ступени.
При необходимости на таких же моделях выполняли испытания на постоянном токе и импульсные испытания, причем при кратковременных испытаниях можно использовать модели без наружного полупроводящего слоя, погружая неэкранированную модель в воду. В силу того что на цилиндрические модели легко воздействовать разными нагрузками,
концентрируя воздействие их в местах с равномерной напряженностью электрического поля, модели оказываются весьма полезными для оценки действия этих факторов на электрическую прочность. Модели имели простую по конструкции и эффективную концевую заделку, что позволило получать высокие напряженности электрического поля в изоляции в течение длительного времени.
Систематическое использование таких моделей дало результаты, хорошо согласующиеся с результатами, полученными на натурных кабелях.
Оценка электрических характеристик изоляции. Как уже отмечалось ранее [1], цилиндрические модели хорошо подходят для оценки электрических параметров кабельной изоляции. Такая базисная оценка может выполняться при определении характеристик как при кратковременных, так и при длительных воздействиях. Ниже приведены результаты определения электрической прочности изоляции, полученные на цилиндрических моделях и на реальных кабелях на номинальное напряжение 60 кВ с изоляцией из одного и того же экструдированного полипропиленового компаунда:
Электрическая прочность на переменном токе
(максимальное значение), МВ/м цилиндрические модели              ,               58/57
кабели на 60 кВ................................................... 44/39
Импульсная прочность (максимальное ' значение),
МВ/м
цилиндрические модели.................................... 105/95
кабели на 60 кВ................................... ............... 70/64
Электрическая прочность на постоянном токе
(средняя), МВ/м
цилиндрические модели.................................... 100/91
кабели на 60 кВ........................................... 70/63
Примечание. В числителе - при комнатной температуре, в знаменателе - при 100°С.

Электрическая прочность на переменном токе определялась при ступенчатом подъеме напряжения с выдержкой на ступени в течение 10 мин. Электрическая прочность определялась при комнатной температуре и при 100°С.
В табл. 1 приведены результаты определения п — показателя степени кривых срока жизни, полученных при испытании цилиндрических моделей и реальных кабелей.
Определение кривой срока жизни проводилось при комнатной температуре и при температуре, превышающей рабочую на 5—10°С, при неизменном напряжении (20-30 МВ/м) и при ступенчатом подъеме напряжения с выдержкой в течение 1 нед на каждой ступени. Из табл. 1 видно, что значения п, полученные при испытании цилиндрических моделей и кабелей с одной и той же изоляцией, достаточно близки. Необходимо отметить, что вышеупомянутые модели являются представительными только в отношении кабелей, изготовленных методом одновременной экструзии и с проволочным металлическим экраном. В этом случае наиболее важным фактором является температура, а не механические напряжения.

Таблица 1. Значения показателя степени кривых срока службы*, полученных при определении длительной электрической прочности цилиндрических моделей и реальных кабелей
Модель

*В числителе - при комнатной температуре, в знаменателе - при 100°С.

Поэтому при испытаниях на цилиндрических моделях нс требуется циклического нагрева.