УДК 621.315.611.015.5.1.004.63
СТАРЕНИЕ И ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Эпштейн, Бернштейн, Шоу (США) 1
1 Μ. М. Epstein, В. S. Bernstein, Μ. Т. Shaw. Ageing and failure in solid dielectric materials. Доклад 15-01 на сессии СИГРЭ 1982 г. Пер. с англ. Э. М. Попова.
Введение.
Для оценки срока службы силовых кабелей, используемых в энергосистемах, довольно часто применяют метод ускорения процесса старения, которое обычно осуществляют за счет повышения нагрузок (частоты, напряжения или температуры) при воздействии как одной нагрузки, так и различных комбинаций их.
Подобный подход основан на допущении, что повышенные нагрузки не вызывают изменений в механизме старения и могут дать корректную оценку срока службы кабеля.
До настоящего времени вопросу оценки степени достоверности, которую дают различные методы ускорения процесса старения, уделялось явно недостаточное внимание. Поэтому до сих пор не известно, насколько идентичны физические и химические изменения, которые происходят в диэлектрике в процессе эксплуатации и при ускоренных испытаниях.
Изучению этой проблемы посвящены исследования, проводимые в США по инициативе Министерства энергетики и института Electric Power Research Institute. Часть этих работ касается изучения физических и химических изменений молекулярной структуры полимерных материалов кабелей при старении при рабочих нагрузках в ходе эксплуатации и при ускоренном старении в лабораторных условиях.
Характер таких изменений может дать ключ к установлению подобия или различия механизмов ускоренного старения и старения в процессе эксплуатации. Испытания по оценке электрических характеристик дают представление о поведении изоляции, но не вскрывают характера изменений, происходящих в изоляционных материалах, которые подвергаются воздействию различных нагрузок. Определенную полноту информации обеспечивает исследование характеристик диэлектриков при старении, проведенное в данной работе.
В докладе приведены результаты, полученные при исследовании: распределительного кабеля на номинальное напряжение 15 кВ, старение которого происходило в условиях эксплуатации, с изоляцией из высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ);
аналогичного кабеля, не находившегося в эксплуатации, который хранился 8 лет на складе;
моделей кабелей с изоляцией из ВМПЭ и сетчатого полиэтилена (СПЭ), которые подвергались ускоренному старению в лабораторных условиях.
В распоряжении исследователей кабеля, прошедшего эксплуатацию, находились образцы с изоляцией из ВМПЭ, и поэтому часть испытаний была проведена на таких образцах.
Экспериментальная часть.
Для исследования были выбраны натурные образцы кабеля на напряжение 15 кВ с изоляцией из ВМПЭ, поставленные одной и той же фирмой-изготовителем, прошедшие эксплуатацию в течение 7 лет при средней, по оценке, напряженности поля 1,57 кВ/мм и не находившиеся в эксплуатации, хранившиеся на складе. Конструкция моделей с изоляцией из ВМПЭ и СПЭ, обеспечивающая распределение напряженности электрического поля, аналогичное характерному для стандартных кабелей на напряжение 15 кВ, описана ранее [1]: жила из алюминиевых проводников изолировалась экструдированным полиэтиленом (толщина изоляции 2,54 мм).
Ускоренное испытание старения проводили при частотах до 600 Гц, напряженности электрического поля 13,0 кВ/мм и температуре проводника 90° С.
В каждом из исследовавшихся образцов можно выделить три участка: активный участок; участок, примыкающий к кабельной муфте, и свободный конец, который не подвергался воздействию электрической нагрузки и не имел изоляционного покрытия. На участке, примыкающем к кабельной муфте, имелась ’’горячая” точка, которая в связи с активными потерями подвергалась воздействию более высоких температур, чем остальная часть образца.
Ряд испытаний был выполнен на листовых образцах, полученных при прямом прессовании порошка полиэтилена низкой плотности.
Испытания предусматривали определение степени кристаллизации методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), молекулярно-массового распределения методом гель-хроматографии и стойкость к окислению также методом ДСК. В ряде случаев для измерений использовались методы ИК-спектроскопии, хемилюминесценции, оптической и электронной микроскопии, жидкостной хроматографии и электронного спинового резонанса.
Результаты и дискуссия.
Содержание вещества в кристаллической фазе. Типичные термограммы, определенные методом дифференциальной сканирующей калориметрии, образцов изоляции ВМПЭ кабеля на напряжение 15 кВ, хранившегося на складе и бывшего в эксплуатации, приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, термограмма для образца кабеля, бывшего в эксплуатации, сдвинута в область более высоких температур; температура кристаллизации составляет 109,4±0,6°С. У образца кабеля, хранившегося на складе, температура кристаллизации составляет 1073±0,3оС. Эта разница представляется значимой при доверительном интервале 99,5% [2]. При испытании образцов кабеля, взятого после эксплуатации, наблюдался экзотермический характер процесса при 60°С; можно предположить, что он обусловлен накоплением в полимерном материале низкомолекулярных парафинов [2, 3]. У образцов кабеля, хранившегося на складе, этого не наблюдалось.
Таблица 1. Морфологические изменения в изоляции активных участков модельных кабелей из ВМПЭ и СПЭ после старения в лабораторных условиях по данным дифференциальной сканирующей калориметрии
* В скобках - изменение содержания по отношению к контрольному образцу. Примечание, а - разрушение изоляционного покрытия, б - пробой участка, примыкающего к кабельной муфте, который подвергался перегреву.
Рис. 1. Термограммы, определенные методом-дифференциальной сканирующей калориметрии, продольных срезов изоляции ВМПЭ образцов кабеля на напряжение 15 кВ после эксплуатации (1) и хранения на складе (2)
С учетом площади термограммы под экзотермами изоляция образцов кабеля, бывшего в эксплуатации, имеет более высокую степень кристаллизации (около 2,4%) по сравнению с образцами кабеля, хранившегося на складе.
Для кристаллических полимеров, подвергавшихся термообработке, характерно повышение температуры плавления [2]. Результаты калориметрических испытаний показали, что кабель, бывший в эксплуатации, подвергался воздействию более высоких температур, чем кабель, хранившийся на складе. Аналогичные исследования были выполнены на моделях кабелей, которые подвергались воздействию ускоренного старения. В табл. 1 приведены результаты испытаний моделей кабелей в исходном состоянии (контрольные образцы) и после ускоренного старения. Как для ВΜΠЭ, так и для СПЭ установлена температурная зависимость степени кристаллизации: образцы, прошедшие старение при 90°С, имеют тенденцию к увеличению степени кристаллизации, при старении при 50— 70°С степень кристаллизации не изменяется или слегка понижается. На рис. 2 приведены термограммы пяти образцов, подвергнутых старению, и одного контрольного образца.
В моделях кабелей увеличение степени кристаллизации после старения при 90°С было гораздо большим (17-27%), чем в образцах кабеля, бывшего в эксплуатации (2,4%). На термограммах, полученных для ВМПЭ, наблюдался изотермический участок при 60°С, более резко выраженный для образцов, подвергавшихся старению при 90°С, чем для образцов, бывших в эксплуатации.
Рис. 2. Термограммы, определенные методом дифференциальной сканирующей калориметрии, образцов модели кабелей до старения (2) и после ускоренных испытаний (указаны номера образцов)
Эти изменения в морфологии, видимо, обусловлены более жесткими условиями ускоренного старения по сравнению с условиями старения в процессе эксплуатации. У большинства испытанных образцов, особенно у образцов, подвергавшихся старению при 90°С, наблюдалось четкое различие степени кристаллизации на трех участках кабеля. Это различие, вероятно, обусловлено разными тепловыми нагрузками на этих участках в процессе старения. Однако в полученных данных наблюдается некоторая нестабильность, которую невозможно объяснить исходя только из температуры проводника.
Очевидно, что температура при старении сильно влияет на содержание вещества в кристаллической фазе и при оценке старения при высоких температурах следует проявлять известную осторожность. Прямая корреляция результатов испытаний кабелей, бывших в эксплуатации, и кабелей, прошедших ускоренное старение, невозможна ввиду вероятного влияния повышенных значений частоты и напряженности электрического поля на модели при испытаниях. Общее влияние температуры выражено на термограмме вполне четко, но для выяснения роли взаимодействующих факторов требуются дополнительные данные. В табл. 1 включены также данные по времени до электрического пробоя. Однако не было сделано попыток установить корреляцию с результатами диагностических испытаний. Сделан вывод, что в моделях электрическому пробою предшествует слияние внутренних полостей малых размеров в более крупные [4]. Это наиболее явно обнаруживается на участках кабеля, подверженных самым большим температурным напряжениям, т. е. на участке, примыкающем к концевой муфте.
Это слияние внутренних полостей было обнаружено методом оптической микроскопии в окрашенных срезах моделей с изоляцией ВМЦЭ, которые подвергались старению при 50, 70 и 90°С. В моделях с изоляцией из СПЭ слияние внутренних полостей было отмечено при температуре старения 90°С, хотя и в меньшей степени, чем у образцов с изоляцией из ВМПЭ. У образцов с изоляцией из СПЭ при температурах старения 50 и 70°С тенденция к увеличению внутренних полостей гораздо менее выражена, чем при температуре 90°С. Возможно, это обусловлено сшитой структурой СПЭ, ограничивающей молекулярную подвижность.
