книги из ГПНТБ / Дмитревский, В. С. Высоковольтные гибкие кабели

Таким образом, для изделий, не подвергающихся ме­ ханической нагрузке, известны все параметры, позволя­ ющие рассчитать z. Это позволяет по результатам экс­ периментов оценить значения р и ѵ0. Рассчитывая z для

Рис. 3-6. Распределение вероятностей безотказ­ ной работы изоляции токопроводящей жилы ка­ беля КШВГМ.

времени до пробоя каждого образца в данной группе, строят зависимость 1п [—1пР(т)]—In г от 1/г. В качестве примера на рис. 3-6 приводится построенная для изоля­ ции КШВГМ зависимость Іп[—1пР(т)]—\nz от 1/2.

_00

Экспериментальные значения удовлетворительно укла­ дываются на прямую. Из уравнения (3-42) получим:

из которых нетрудно найти и0 и р.

Проведенные расчеты позволили определить все па­ раметры распределения безотказной работы, кроме у. Значение у наиболее просто определяется при постоян­ ном о. В эксплуатации основная механическая нагрузка на изоляцию создается при изгибе, кручении или вытяж­ ке кабеля. Относительная деформация изоляции с тече­ нием времени остается неизменной.

С течением времени происходит релаксация механи­ ческого напряжения в полимерной и резиновой изоля­ ции. Время релаксации механических напряжений зави­ сит от свойств изоляции, температуры, относительной де­ формации и составляет величину порядка нескольких часов. Эти особенности работы кабельной изоляции дела­ ют .целесообразным ее испытание при постоянной дефор­ мации. Испытания изогнутых изолированных токопрово­ дящих жил показали, что время до пробоя изоляции практически не зависит от радиуса изгиба, если послед­ ний изменялся в пределах от 5 до 15 диаметров по изо­ ляции. Это объясняется тем, что время до отказа изо­ ляции зависит от а, установившееся значение которого остается практически постоянным при изменении радиуса изгиба от 5 до 15 диаметров изолированной токопрово­ дящей жилы.

В эксплуатации радиус изгиба обычно находится в пределах от 5 до 15 диаметров кабеля. Проведенные эксперименты позволяют при расчете надежности изоля­ ции учитывать два случая его прокладки: 1) прямой кабель; 2) изогнутый кабель. Влиянием радиуса изги­ ба кабеля на надежность его изоляции можно прене­ бречь.

Таким образом, возникает задача фактически опре­ делить два показателя надежности деформированной

101

изоляции у и гг. Между тем при расчете надежности де­ формированном изоляции достаточно знать произведение уст. Произведение уа деформированной изоляции явля­ ется функцией температуры, которую согласно уравне­ нию (3-35) можно записать:

Пользуясь результатами испытаний I, 5 и 6-й групп, определяем значения уосто и bі. Для этого по уравнению (3-50) рассчитывают уст при температуре Д, а затем — при 7Y

Предложенная методика определения параметров распределения вероятностей безотказной работы элек­ трической изоляции позволяет на основе экспериментов произвести их расчет без использования сложной вы­ числительной техники.

В табл. 3-3 приводятся значения параметров надеж­ ности изоляции кабеля КШВГМ на 6 кв, найденные на основе экспериментов.

Т а б л и ц а 3-3

Данные табл. 3-3 могут быть использованы для рас­ чета надежности изоляции в условиях эксплуатации. Ве­ личина ß указана для изолированной токопроводящей жилы длиной 1 м. При большей длине ее следует пере­ считать по формуле (3-38). Описанную методику реко­ мендуется применять при типовых испытаниях изоляции высоковольтных гибких кабелей.

102

при £ = £„], п £ = 1,15ц,,. Как видно из табл. 3-4, при х больше 50 мкм увеличение пробивной напряженности поли па 10% вызывает рост Ег/Е на порядок. Можно предположить, что в газовых вклю­ чениях толщиной больше 50 мкм развивается искровой разряд, а при меньших значениях таунсендовский.

При искровом разряде в газовом включении следует ожидать более интенсивное эрозийное разрушение стенок газового включения. Это обусловлено более концентрированным воздействием искрового разряда на стенки поры.

Поверхностное разрушение полимерного диэлектрика при иониза­ ции в газовом включении сопровождается его деструкцией с выде­ лением газообразных продуктов, а также образованием чистого углерода. Выделяющиеся продукты, оседая на стенках газовой поры, шунтируют ее и резко уменьшают интенсивность ионизации и эро­ зийного разрушения материала. Скорость затухания ионизации резко возрастает при уменьшении радиуса газового включения [Л. 43]. Та­ ким образом, эрозийный износ вероятен в случае плоской газовой поры, имеющей большие размеры вдоль эквипотенциальной плоско­ сти. Очевидно, в этом же случае можно ожидать наибольшего сни­ жения электрической прочности полимера за счет изменения его структуры под действием ионизации в газовом включении.

Пооводнмость ионизированного газового включения велика, и приближенно можно принять в формуле (3-33) 1/ѵ= 0. Тогда ло­ кальная напряженность поля будет определяться средней напряжен­ ностью поля и величиной у. Значение у найдем из формулы

где г — радиус анодного пятна, который определим {Л. 42]:

(3-60)

В этих выражениях их — тепловая энергия электронов, эв\ х — расстояние, пройденное лавиной, см\ 5 Пр — пробивная напряженность поля, в/см; г — радиус, см.

При больших значениях х в плоской газовой поре за счет тан­ генциальной составляющей напряженности поля может появиться поверхностный разряд, который вызовет увеличение радиуса г. По­ верхностный разряд, следовательно, приводит к уменьшению у. Ра­ диус поверхностного разряда

зависящий от полярности разряда; гп — радиус, см.

При расчете у рассматривался фактически одполавиниый разряд.

104

наименьшим значением у. Изменение Е м/Е хорошо объясняет экспе­ риментальные зависимости срока службы пленочной изоляции от тол­ щины газового включения.

С увеличением толщины газового включения при постоянном зна­ чении средней напряженности поля срок службы изоляции должен изменяться по кривой с минимумом. Такие результаты действительно наблюдались в [Л. 44].

Газовые включения, имеющие большую протяженность вдоль экви­ потенциальной поверхности, могут встретиться при многослойной изо­ ляции или на границе изоляции и электрода. Применяя эластичные полупроводнщие экраны по токопроводящей жиле и по изоляции, можно значительно уменьшить вероятность появления плоских газо­ вых включений.

Как показали микроскопические исследования, газовые включе­ ния в твердых диэлектриках имеют форму эллипсоида вращения. При таких формах газовых включений при длительном действии напряже­ ния наблюдается быстрое затухание ионизации, которое сопровож­ дается уменьшением ѵ и, следовательно, £ ы/£.

Затухание ионизации связано с шунтированием газового вклю­ чения продуктами разложения диэлектрика под действием разряда. С течением времени продукты разложения диффундируют в мате­ риал, и степень шунтирования газового включения уменьшается. При этом наблюдается новая вспышка ионизации. Периодически повто­ ряющиеся вспышки ионизации приводят к постепенному разрушению диэлектрика.

Наличие затухания ионизации в газовых включениях приводит к увеличению срока службы изоляции по сравнению с теми данными, которые получены на модельных диэлектриках. Однако существова­ ние ионизации в газовых включениях при рабочем напряжении вы­ зывает старение электроизоляционного материала. Поэтому в конст­ рукции всегда должно выполняться условие: напряжение начала ионизации выше рабочего напряжения. При выполнении этого усло­ вия ионизационное старение будет несущественно, и надежность элек­ трической изоляции можно определить по формулам § 3-4.

3-7. НАД ЕЖ НО СТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ЗО ЛЯЦИ И В ЭК СП Л У А Т А Ц И О Н Н Ы Х УСЛ О ВИ ЯХ

Полученные в § 3-4 уравнения надежности электриче­ ской изоляции справедливы только при постоянных ве­ личинах нагрузки Е, а и Т. В условиях эксплуатации изоляция кабеля будет подвергаться действию как по­ стоянных нагрузок, так переменных и случайных. В гл. 1 дается расчет нагрузок, действующих на изоляцию.

Расчет надежности электрической изоляции кабеля при эксплуатационных нагрузках находим по формуле

Р (х) = Ш і * f<( ' , к т' ) ? (з> Е’ т' т)djdEdTd^ (3-63)

105

f\ie f ^ T j — условная Плотность вероятности откгР

зов электрической изоляции; ср(ог, В, Т, т ) — плотность распределения вероятностей нагрузок.

Условная плотность вероятности отказов изоляции определяется путем дифференцирования уравнения (3-42) по т. В настоящее время неизвестна плотность распре­ деления вероятностен нагрузок. Это не позволяет найти

Разбивая весь интервал времени эксплуатации кабе­ ля на достаточно малые отрезки и определив нагрузки, действующие в течение каждого интервала, нетрудно подсчитать вероятность отказа изоляции по выражению

(3-64).

Однако расчет по формуле (3-64) неудобен и требует большой вычислительной работы, что в практике не всегда приемлемо. Решение задачи существенно упроща­ ется при периодически повторяющихся нагрузках.

Рассмотрим в этом плане действующие на изоляцию нагрузки.

Температура изоляции, как показано в гл. 1, опреде­ ляется температурой окружающей среды и токовой па-

106

грузкой на кабель. Зная режим работы потребителя, ■всегда можно определить температуру изоляции кабеля. В гл. 1 дается годовой график температуры изоляции. Вряд ли можно ожидать изменения годового графика температур в другие годы эксплуатации. Таким обра­ зом, температурный режим работы изоляции ежегодно будет повторяться с небольшими отклонениями, кото­ рыми можно пренебречь.

Механические нагрузки а определяются деформаци­ ей кабеля и температурой изоляции. Вероятность нахож­ дения участка гибкого кабеля в деформированном со­ стоянии зависит только от условий работы потребителя и не зависит от времени года и температуры. Для де­ формированного участка кабеля величина а является функцией температуры. Если температура изменяется с периодом в 1 год, то и а будет иметь ту же периодич­ ность изменения.

Рабочее напряжение остается практически неизмен­ ным в течение всего срока эксплуатации изоляции. Ве­ роятность появления данной амплитуды перенапряжений в течение заданного промежутка времени не зависит от рассматриваемого интервала времени эксплуатации. Иными словами, распределение вероятностей амплитуд перенапряжений является стационарной случайной функ­ цией. Вместе с тем вероятность отказа изоляции при действии одного и того же напряжения зависит от тем­ пературы. Так как температура изоляции периодически повторяется, то с такой же периодичностью должна по­ вторяться степень опасности действия напряжения.

Проведенный анализ действия нагрузок на изоляцию показывает, что степень опасности ее отказа при механи­ ческой и электрической нагрузках зависит от температу­ ры. 'Периодическое повторение температуры со временем влечет за собой такую же периодичность воздействия механических и электрических нагрузок. Температу­ ра изоляции кабеля, проложенного на открытом возду­ хе, имеет период повторения, равный 1 году. При про­ кладке кабеля в других условиях, например в помеще­ нии, можно вызвать изменение продолжительности пе­ риода. Однако такие условия относятся к частным, не­ типовым случаям работы изоляции.

Периодичность повторения нагрузок позволяет заме­ нить случайные и переменные нагрузки эквивалентными. Эквивалентной нагрузкой называют такую постоянную

107

нагрузку, при действии которой в течение времени т ве­ роятность отказа изоляции равна вероятности ее отказа при Действии переменной и случайной нагрузок за тот же промежуток времени т. Для подсчета эквивалентной нагрузки необходимо выбрать время т.

Целесообразно время т принять равным периоду по­ вторения нагрузок, т. е. т для типовых условий работы кабеля должно равняться 1 году. Согласно определению эквивалентной нагрузки и уравнению (3-64) получим:

ницу времени, подсчитываемая по (3-65) при подстанов­ ке в него эквивалентных напряженности поля Еэ, меха­ нического напряжения 0 Эи температуры Тэ; тп — время, равное периодичности повторения нагрузок (для кабелей его принимают равным 1 году).

Подставляя в (3-66) значения вероятностей отказов изоляции в единицу времени из (3-65), находим уравне­ ние для определения эквивалентных нагрузок:

(уа)э и Ts. Чтобы определить каждую эквивалентную нагрузку, воспользуемся следующими особенностями, вытекающими из условий работы изоляции.

108

При нормальных условиях работы изоляции

D>V (Ae bT°f$E3)2 + (Т^)э2Х

V (Ае ЬТѴ ? Е ^ + (Ѵ»)э

Влияние электрической и механической нагрузки на величину эквивалентной температуры оказывается на­ столько малым, что им можно пренебречь.

Расчет Е0 и (уа)п проводим при следующих допуще­ ниях: 1) £ э определяют при (уа)э= (уст)г= 0; 2) (уа)э подсчитывают при Еэ= Е і — 0.

Принятые допущения дают несколько завышенные значения Еэ и (уа)э.

Надежность изоляции кабеля рассчитывается по (3-42) и (3-43) при подстановке в них найденных эквива­ лентных нагрузок.

Целесообразно использовать следующий порядок рас­ чета надежности изоляции. Определяют температуру изоляции кабеля и составляют таблицу продолжительно­ сти действия отдельных температур.

По формуле (3-55) определяют (уст)і при каждой тем­ пературе и заносят в ту же таблицу. В качестве примера дается табл. 3-5, составленная указанным способом для

дж

Затем рассчитывают время действия различных амплитуд перенапряжений. С этой целью разбивают функцию распределения вероятностей амплитуд перена­ пряжений на интервалы. Минимальная амплитуда пере­ напряжений принимается равной рабочему напряжению, максимальная — напряжению срабатывания разрядника.

109