ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКЕ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА ПРОЖИГАНИЯ
Основным назначением прожигания дефектной изоляции является снижение переходного сопротивления в месте дефекта, что позволяет применять методы, обеспечивающие быстрое и точное ОМП. Для большей части эффективных методов ОМП требуется, чтобы переходное сопротивление в месте повреждения было снижено до десятков, единиц или даже долей единиц Ома. Кроме того, для наиболее результативного применения индукционного метода весьма желательно «перевести» однофазное повреждение в двухфазное. Все это достигается путем прожигания изоляции в дефектном месте с помощью специальных установок.
Прожигание производится за счет энергии, выделяющейся в канале пробоя. При этом происходит обугливание изоляции в месте повреждения и снижение переходного сопротивления. Следует отметить, что прожигание также позволяет непосредственно и просто выявлять повреждения в концевых разделках и на вскрытых кабелях по нагреву, появлению дыма и запаха гари.
Стоимость, габариты и масса устройства для прожигания являются определяющими для всего комплекса аппаратуры, используемой в процессе поиска мест повреждения кабелей. На прожигание приходятся в большинстве случаев и основные составляющие затрат труда и времени при ОМП кабелей. Методы и устройства для прожигания должны удовлетворять следующим требованиям:
- обеспечивать обугливание и разрушение изоляционного материала в месте повреждения. Кроме того, для применения большинства методов ОМП (импульсных, индукционных и т. д.) необходимо создание проводящего мостика за счет выплавления металлических частиц из жилы и оболочки и снижение переходного сопротивления до единиц и долей Ома. Для применения же акустического метода необходимо разрушить проводящий мостик или исключить его образование;
- оказывать минимальное воздействие на неповрежденную изоляцию;
- иметь минимальные значения капитальных и эксплуатационных затрат;
- иметь минимальные габариты и массу;
- обеспечивать безопасные условия эксплуатации.
Как будет видно из дальнейшего, оптимальный режим прожигания реализуется при последовательном чередовании ступеней прожигания. Каждая ступень должна обеспечивать выделение максимальной энергии в минимальное время в поврежденном месте изоляции и обеспечивать наивысший КПД прожигания
(3.1)
где Wпр — энергия, выделяемая в месте повреждения; Wn — потери энергии в элементах схемы.
Основным видом изоляции силовых КЛ является бумажно-масляная изоляция. Ряд характерных свойств этой изоляции и вызывает необходимость в создании специальных устройств, обеспечивающих более или менее длительное выделение энергии в месте повреждения. В других видах изоляции (полиэтилен, поливинилхлорид и т. п.) условия прожигания существенно легче. Поэтому ниже будем вести рассмотрение применительно к бумажно-масляной изоляции. Изоляция трехжильных кабелей напряжением 1—10 кВ состоит из изоляции жил и поясной изоляции. Согласно ГОСТ 18410-73 толщины указанных частей изоляции следующие:
Толщина изоляции жилы кабелей 35 кВ с отдельно освинцованными жилами составляет 9—11 мм.
Изоляция состоит из лент кабельной бумаги толщиной 0,12 мм (реже 0,17 мм) и шириной около 15 мм, накладываемых с зазором 0,2—0,3 мм таким образом, чтобы очередной слой перекрывал зазоры предыдущего. Например, изоляция жил кабеля 6 кВ состоит из 18—20, а поясная — из 7—8 лент. Для придания кабелю жесткой округлой формы перед наложением металлической защитной оболочки используются бумажные заполнители. Бумажная изоляция под вакуумом пропитывается маслоканифолевым составом.
Электрическая прочность неповрежденной изоляции кабеля 6 кВ составляет 200—250 кВ, испытательное постоянное напряжение — 35—40 кВ. Поэтому повреждаются в подавляющем большинстве случаев явно дефектные места, причем протяженность дефектного участка измеряется долями миллиметра, реже миллиметрами. Первоначальный пробой кабельной изоляции лишь иногда носит характер радиального, т. е. проходящего по кратчайшему пути между жилой и оболочкой или между жилами. Поскольку напряженность электрического поля кабеля имеет как радиальную, так и тангенциальную составляющую, путь пробоя обычно существенно длиннее кратчайшего расстояния между электродами. При пробое за счет тепловой энергии происходит разложение пропитывающего состава, сопровождающееся газовыделением. При этом, с одной стороны, вытесняется пропиточный состав с трассы пробоя, снижая электрическую прочность, с другой стороны, поднимается давление в образующихся полостях, что повышает эту прочность. После пробоя давление снижается и полость начинает заполняться пропитывающим составом. Вследствие этого повторный пробой по сравнению с первым происходит обычно при несколько меньшем напряжении. При жирной пропитке напряжение пробоя может даже немного повыситься. Движение частиц массы способствует также некоторому смещению трассы пробоя. Многократное повторение пробоев приводит к образованию более или менее устойчивого разрядного канала. Эту стадию процесса целесообразно назвать начальным этапом прожигания.
Место повреждения на этом этапе можно представить схемой замещения, изображенной на рис. 3.1, а, где С — емкость кабеля; Рр — разрядник, напряжение пробоя которого соответствует напряжению пробоя разрядного канала; rп — сопротивление, условно отражающее выделение активной энергии при разряде емкости кабеля на разрядный канал; Uo и r0 — напряжение и внутреннее сопротивление источника, подключенного к КЛ.
Как показывают исследования [16], при пробое сопротивление канала значительно меньше волнового сопротивления кабеля. Поэтому после пробоя изоляции заряженного кабеля происходит процесс колебательного разряда с затратами энергии на активные потери в разрядном канале и кабеле. Коэффициент затухания силового кабеля а=(2,5-5) 10-4 с1/2/км.
Рис. 3.1. Схема замещения КЛ на различных этапах прожигания поврежденной изоляции.
a, б, в — начальный, промежуточный, заключительный этапы соответственно.
С учетом указанного значения а и опытных данных практически полное затухание процесса колебательного разряда для кабелей длиной от 0,1 до 5 км наступает через 50—300 мкс. Активными потерями в жилах и изоляции кабеля управлять не представляется возможным, но в схеме замещения ту часть активной энергии, которая выделяется в разрядном канале, можно всегда эквивалентировать потерями в таком сопротивлении rп, при разряде емкости С на которое выделится столько же тепла, сколько в действительных условиях.
При достаточно длительном повторении пробоев разложение пропиточного состава вблизи разрядного канала приводит к осушению прилежащей к нему области, что способствует возникновению обугливания стенок канала. Схема замещения для этого промежуточного этапа прожигания приведена на рис. 3.1, б, где rш — сопротивление, шунтирующее разрядный канал;
— эквивалентное сопротивление схемы. По мере обугливания стенок канала и прилежащей области изоляции значение сопротивления rш снижается. При прожигании на промежуточном этапе используются энергия разряда и тепло, выделяемые в сопротивлении rш (в обугленной изоляции).
Дальнейшее обугливание приводит к прекращению разрядов и образованию более или менее устойчивого проводящего мостика. Схема замещения для этого заключительного этапа прожигания представлена на рис. 3.1, в, где rп,м — сопротивление проводящего мостика между жилой и оболочкой (или между двумя жилами) кабеля.
Для использования индукционного метода определения места повреждения, как уже отмечалось, требуется снижение значения rп,м до единиц и даже долей единицы Ома. Для удовлетворения последнего требования недостаточно полного обугливания канала. Необходимо создание не угольного, а металлического проводящего мостика между жилой и оболочкой кабеля (либо между двумя жилами). Это достигается за счет выплавления с поверхностей жилы и оболочки металлических частиц, постепенно заполняющих разрядный канал. Выплавление происходит при токах в несколько десятков ампер.