Канискин В.А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса

Подождите немного. Документ загружается.

использовать метод наименьших квадратов. Величина энергии активации

необходима для определения константы скорости старения при хранении

хр

и в условиях эксплуатации К

пр

. В случае, если задан срок службы τ

кабельного изделия, величину минимальной наработки τ

можно

рассчитывать по формуле:

()

KK3600

1015,3K

вGaG

хрпр

cхр

допo

исхo

−

⋅⋅⋅−

−+

∆

(25)

4.2. Экспериментальные исследования старения изоляции из

ПВХП и корреляций эксплуатационных свойств с диагностическим

параметром ∆G.

Экспериментальные исследования показали, что тепловое старение

ПВХП сопровождается изменением размеров и потерей массы,

обусловленных десорбцией пластификатора.

Старение пластин различной толщины подтвердило теоретический

вывод о том, что десорбция лимитирована процессом конвективного

массообмена на поверхности. Зависимость времени достижения

одинаковой концентрации пластификатора 0,24 мг/мм

, построенная в

координатах функции τ/с=const=∆

(рис. 29), линеаризируется при n=1,

следовательно процесс протекает согласно уравнению (18).

Кинетические зависимости изменения исходной концентрации

пластификатора С

в изоляции, построенные в координатах функции

ℓnC

(τ) представляют собой изомеры, аппроксимированные прямыми

(рис. 30), величины тангенсов углов наклона которых к оси абсцисс

соответствуют константам скорости старения К.

Конструкция кабельного изделия влияет на кинетику старения. В

табл. 6 приведены результаты определения константы скорости старения

изоляции из ПВХП марки И 40-13А (рецептура 8/2) при температуре 90ºС

образцов кабелей, проводов и заготовок различных конструкций, близких

размеров и толщины изоляции.

Таблица 6.

Константы скорости старения изоляции из ПВХП образцов

кабельных изделий различной конструкции.

Марка

провода,

кабеля и

сечение

жилы, мм

Конструктивные

особенности

Диаметр

изоляции,

мм

Толщина

изоляции,

мм

Константа

скорости

старения,

-1

·10

ПВ 1; 1,0

Жила одно-

проволочная

2,75 0,78 6,2

ПВ 3; 0,75

Многопроволочная

жила и 7 проволок

диаметром 0,37 мм

2,75 0,78 7,4

МГШВ; 1,5

Обмотка волокном по

жиле

2,70 0,60 9,7

Заготовка

БПВЛ; 1,5

Без оплетки поверх

изолированной жилы

2,60 0,60 9,3

МКШ;

14·0,75

Поверх изолированных

жил обмотка лентой и

оболочка

2,2 0,5 3,3

БПВЛ;

1,0

Поверх изолированной

жилы лакированная

оплетка

2,2 0,45 6,4

Жила

кабеля

МКШ; 0,75

Без покрытий поверх

изолированной жилы

2,2 0,5 8,1

Исследование образцов провода одной марки различного сечения

показывает, что константы скорости старения зависят от толщины

изоляции и наружного диаметра провода. Так в табл. 7 приведены

геометрические размеры и константы скорости старения для изоляции из

ПВХП марки И 40-13А (рецептура 8/2) проводов марки ПВЗ различных

сечений.

Таблица 7.

Константы скорости старения изоляции из ПВХП провода марки ПВЗ

различного размера.

Сечение

жилы,

мм

Толщина

изоляции,

мм

Радиус

провода,

мм

Радиус

жилы,

мм

Константа

скорости,

-1

0,75 0,78 1,38 0,60 7,4·10

-10

6 1,40 3,00 1,60 8,5·10

-10

16 1,40 4,20 2,80 1,7·10

-9

35 1,50 5,75 4,25 3,4·10

-9

Диагностический параметр ∆G в изометрических условиях

определяют следующим образом: пробу изоляции (оболочки) кабельного

изделия взвешивают в исходном состоянии, а затем помещают в

воздушный термостат, нагретый до температуры (350±5)ºС, и

выдерживают в нем (20±5) минут. После старения пробу снова

взвешивают и рассчитывают величину ∆G по формуле (18).

По величине параметра ∆G можно оценить эксплуатационные

свойства кабельного изделия, с этой целью получены корреляционные

зависимости между диагностическим параметром, а также физико-

механическими свойствами изоляции. На рис. 31 представлены

зависимости электрической прочности изоляции толщиной (1±0,05) мм из

ПВХП разных марок от ∆G. Эти зависимости показывают, что в диапазоне

концентрации пластификатора 9–42% происходит увеличение

электрической прочности ПВХП при уменьшении содержания

пластификатора.

Получены графики изменения относительного удлинения при

растяжении до разрыва ∆ℓ от ∆G (те же марки ПВХП, представлены на

рис. 31), которые показывают, что с уменьшением количества

пластификатора происходит уменьшение величины относительного

удлинения. Причем при концентрации пластификатора более 25% (∆G

более 68% для рассмотренных рецептур) относительное удлинение ПВХП

практически не меняется и имеет значение, более 300%.

Каждому значению эксплуатационного параметра соответствует

определенное значение параметра ∆G. Отсюда следует, что предельным

значениям эксплуатационных свойств кабельного изделия,

обеспечивающим выполнение заданных функций, можно поставить в

соответствие минимально допустимое значение ∆G, которое необходимо

для расчета долговечности по формулам (23) и (25).

4.3. Закономерности старения кабелей и проводов с изоляцией

из ПЭ. Разработка метода диагностирования кабельных изделий с ПЭ

изоляцией по результатам микрокалориметрического анализа.

Рассматривается старение изоляции кабельных изделий,

изготовленной из композиций на основе ПЭ низкого и высокого давления.

Изоляция кабелей и проводов нагревостойкостью 100ºС и выше

подвергнута "сшивке" облучением (радиационная модификация).

Изменение комплекса физико-химических свойств ПЭ изоляции,

происходящее при старении, обусловлено протеканием радикально-

цепного процесса термоокислительной деструкции. С целью торможения

этого процесса в ПЭ растворены ингибиторы старения – антиоксиданты. В

рассмотренных композициях антиоксидантами являются фенолы и

ароматические амины, в молекулах которых имеются две или несколько

активных функциональных групп, расположенных близко друг от друга –

диамины, метилен- и тиобисфенолы.

Окисление предшествует растворение в ПЭ атмосферного

кислорода при переработке, хранении и эксплуатации. Для оценки влияния

диффузии кислорода на процесс ингибированного окисления ПЭ изоляции

рассмотрим случай сорбции кислорода образом плоской пластины

толщиной

и G, расположенной на металлической подложке, при этом в

образце содержится G

антиоксиданта и G

кислорода. Предположим, что

единица массы антиоксиданта

взаимодействуют с вG/GW

массовыми частями кислорода. Тогда скорость расходования кислорода V

в образце единичной массы составляет:

.Kв

===

(26)

так как известны плотности газообразного кислорода Р

и материала

образца Р, величину концентрации кислорода W

можно выразить также

через объем растворенного кислорода q

и объем образца q следующим

образом:

kkk

⋅

= (27)

Легко показать, что средняя относительная величина распределения

кислорода по толщине пластины

∆

, определяемая как отношение

разности концентрации кислорода у поверхности пластины W

и у

металлической подложки W

к концентрации у поверхности, зависит от

объемной растворимости воздуха в полимере Н и коэффициента диффузии

кислорода Д

pHD42.0

pKв

⋅⋅

−

∆

(28)

Теоретические расчеты показали, что при температуре эксплуатации

кабелей (Т<100ºС) величина

∆

, вычисляемая по уравнению (28), много

меньше 1. В этом случае, влиянием диффузии кислорода в ПЭ изоляции

можно пренебречь и время торможения процесса термоокислительной

деструкции, которая называется периодом индукции, определяется

содержанием антиоксиданта. При повышении температуры меняется

соотношение К

, D

и величина

∆

приближается к 1, что характеризует

процесс окисления при существенном недостатке кислорода, когда

окисление внутренней области ПЭ изоляции происходит с замедленной

скоростью, в этом случае условие постоянства величины V в уравнении

(26) не соблюдается.

Время надежной эксплуатации ПЭ изоляции кабельного изделия

обусловлено периодом индукции. Предложен принципиально новый

способ оценки индукционного периода окисления ПЭ по температуре

начала экзотермического эффекта при дифференциальной сканирующей

калориметрии (ДСК), которую проводят на пробах небольшой массы (3–5)

мг, взятых от изоляции кабеля или провода. Начало экзопика кривой ДСК

выбирают в точке (Т

но

) пересечения касательных к основанию (базовая

линия) и левому плечу пика (рис. 32).

При температуре Т

("базовой") реакция ингибированного окисления

имеет константу скорости К

, и время протекания этой реакции

регистрируется микрокалориметром. В динамическом режиме при

возрастании разности температур

ТТ −= с постоянной скоростью V

расход антиоксиданта починяется уравнению:

()

[]

.1аехр

−=−

(29)

В момент, когда W

≈0, реакция окисления переходит в стадию

интенсивной потери массы с тепловыделением, фиксируемым

микрокалориметром, как зкзоэффект. Из (29) приближено получим:

ТТ

но













⋅

≈−

l (30)

Уравнение (30) устанавливает зависимость величины Т

но

от

содержания антиоксиданта в ПЭ и скорости подъема температуры.

Величину Т

но

можно рассматривать как диагностический параметр для ПЭ

изоляции, аналогично параметру ∆G для изоляции из ПВХП.

Предполагаем, что расход антиоксиданта можно описать уравнением

реакции первого порядка, тогда из (29) получим линейную зависимость:

,ТКТ

исх

ноно

(31)

в которой К является константой скорости изменения параметра Т

но

, а

значение Т

но

исх

соответствует исходному состоянию ПЭ изоляции.

∆Н

услов.

един.

но

0 50 100 150 200 250 300 350 ºС

Рис. 32. Зависимость энтальпии (∆Н) температуры (Т) в воздушном

потоке при постоянной скорости нагрева 10 К/мин проб ПЭ марки 271-70,

взятых от изоляции кабеля марки КУПВ.

но

ºС

280

240

200

160

-3 -2 -1 0 ℓg W

Рис. 33. Зависимость параметра Т

но

от содержания антиоксиданта

(теоретическая прямая и экспериментальные точки).

2′

1′

но

10 20 30 40 50

0 1 2 3 4 ℓn V

330

230

Рис. 34. Зависимость величины Т

но

от скорости подъема

температуры для ПЭ марок: 1–1′–107–09К.

1 2

–

ℓ

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

но

ºС

250

240

230

220

210

200

0 1000 2000 3000 4000 5000 Ч

Рис. 35. Зависимость Т

но

(1) и W

(в полулогарифмических

координатах прямая 2) от времени теплового старения при температуре

90ºС провода марки МПМ–0,12 с изоляцией из ПЭ высокой плотности

марки 204–02К.

В случае если при диагностировании изоляции кабеля (провода)

после эксплуатации в течение τ

лет значение параметра Т

но

превышает

минимально допустимое значение Т

но

доп

, то остаточный срок службы τ

ост

рассчитывают по формуле:

ТТ

TТ

но

исх

но

доп

но

ост

ττ

⋅

−

(32)

4.4. Экспериментальные исследования старения ПЭ изоляции и

корреляций эксплуатационных свойств с диагностическим

параметром Т

но

Кинетику старения ПЭ изоляции исследовали на образцах

кабельных изделий, подвергнутых тепловому старению в различных

температурно-временных режимах. Экспериментально подтверждена

зависимость содержания антиоксиданта от диагностического параметра

но

На рис. 33 представлена зависимость величины Т

но

от содержания

антиоксиданта, полученная теоретически по результатам расчета по

уравнению (30), так же приведены результаты экспериментальных

исследований модельных образцов кабельного ПЭ низкой плотности марок

107-01К и 102-57 с различным содержанием антиоксиданта от 0,001 до

0,5% масс. Рассчитанные и экспериментальные результаты совпадают.

Экспериментальное исследование зависимости величины Т

но

от

скорости подъема температуры проведено на стандартных образцах ПЭ

низкой плотности двух марок. Нагрев проводили от температуры 50 до

350ºС, при этом скорость подъема температуры задавали 1,5 и далее

ступенями через каждые 5 град./мин. до 50 град./мин. (рис. 34).

Полученные зависимости линеаризованы (прямы 1′ и 2′) в координатах

функции:

но

=ƒ(ℓnV

), (33)

что подтверждает справедливость полученного теоретически уравнения

(30).

На рис. 35 представлены зависимости изменения Т

но

и W

для

изоляции из ПЭ высокой плотности от времени старения в различных

тепловых режимах, которые могут быть использованы для определения

величины К по уравнению (31). Исходя из теоретических предпосылок

разработанной методики, время надежной эксплуатации изоляции из ПЭ

определяется временем израсходования антиоксиданта до практической

(неработающей) концентрации, при этом величина параметра Т

но

ПЭ

изоляции принимает значение Т

но

доп

, не изменяющееся при дальнейшем

старении. Отсутствие защиты полимерной матрицы от

термоокислительного старения ведут к постепенному разрушению

полимера, и на глубоких стадиях – к растрескиванию.

Среди эксплутационных параметров ПЭ изоляции наиболее

чувствительными к тепловому старению являются физико-механические

характеристики. Графики изменения коэффициента старения по

относительному удлинению К

, равного отношению текущего значения ∆ℓ

к величине относительного удлинения в исходном состоянии ∆ℓ

, у

образцов ПЭ изоляции провода в процессе изотермического старения в

различных тепловых режимах представлены на рис. 36. Изломы

зависимостей характеризуют достижения в точках перегиба критической

концентрации использованного антиоксиданта агидола, исчерпание

индукционного периода окисления, и резкое возрастание скорости

старения.

Изменение электрических параметров ПЭ изоляции в процессе

старение не носит монотонного характера, поэтому об изменении

электрической прочности, например, удобнее говорить по смещению

эмпирической функции при высоковольтных испытаниях. Исследование

изменений эксплутационных свойств ПЭ изоляции и параметра Т

но

позволяет установить величину Т

но

доп

, необходимую при прогнозировании

долговечности, для предельных значений эксплуатационных параметров.

τ·10

-6

-ℓg K

0 5 10 15

Рис. 36. Зависимость логарифма К

для "сшитой" изоляции из ПЭ

марки 102–57 от времени старения при температуре: 1–150; 2–170;

3–200ºС.

4.5. Результаты практического использования методов

диагностирования кабелей и проводов.

Диагностирование технического состояния и прогнозирование

остаточного срока службы кабелей и проводов проводят при плановом

ремонте объекта, когда срок службы, установленный в нормативном

документе (НД) на изготовление кабельных изделий, истек или истекает к

моменту следующего ремонта и требуется решение вопроса о возможности

продолжение их эксплуатации; либо при внеплановом ремонте, когда

кабельная сеть объекта была подвергнута воздействиям факторов, не

предусмотренных в НД или уровень воздействия факторов,

предусмотренных НД, превышает установленные пределы.

В зависимости от заданных функций в объекте используют

различные марки кабельных изделий, вместе с тем для выполнения