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

Испытания материалов и полуфабрикатов ставят основную цель проверки их соответствия стандартам и техническим условиям. В некоторых случаях при испы­ таниях материалов могут решаться вопросы их техноло­ гичности, определение режима изготовления изделия и ряд других.

Цель пооперационного контроля — выявление брако­ ванных элементов после их изготовления. Например, испытание токопроводящих' жил после их скрутки на крутильных машинах, испытание изоляции после опера­ ции ее наложения и вулканизации и ряд других. Приме­ нение пооперационного контроля позволяет своевремен­ но выявить нарушение технологического режима и ввести необходимые коррективы. Кроме того, бракованные эле­ менты исключаются из дальнейшего технологического процесса, что уменьшает производственные расходы.

Контрольные испытания готового кабеля позволяют произвести отбраковку изделий, не отвечающих норма­ тивным требованиям.

Таким образом, серия кабелей должна подвергаться как типовым, так и контрольным испытаниям. В ГОСТ на высоковольтные гибкие кабели предусматривается проведение только контрольных испытаний. Ограничен­ ность контрольных испытаний не позволяет оценивать ряд практически важных прочностных характеристик и параметров надежности кабеля.

5-2. КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫ ТАНИЯ И ЗОЛЯЦИИ Т О КО ПРО ВО Д ЯЩ ЕЙ ЖИЛЫ

Контрольные испытания изоляции токопроводящей жилы проводятся после ее изготовления. Основная цель испы­ тания— выявление дефектов изоляции, возникающих при ее изготовлении. К таким дефектам относятся расслое­ ние изоляции, вздутия, разнотолщинности, непромесы резиновой смеси и т. д.

Все контрольные испытания подразделяются на не­ разрушающие и могущие привести к разрушению изо­ ляции (разрушающие).

Неразрушающие испытания позволяют выявить от­ дельные виды дефектов. Например, измерение напряже­ ния начала ионизации позволяет выявить вздутия изо­ ляции, наличие в ней пор и некоторые другие.

В настоящее время неразрушающие методы испыта­ ния изоляции токопроводящих жил высоковольтных гиб-

130

ких кабелей стандартами не предусмотрены. Однако в литературе все чаще и чаще пояівляются предложения по производству таких испытаний. Поэтому целесообраз­ но рассмотреть некоторые из этих испытаний и оценить эффективность их примене­ ния. К таким испытаниям от­

носятся измерение tgS изо­ ляции и определение напря­ жения начала ионизации.

Наличие иеодиородностей

вструктуре электроизоля­ ционного материала приво­ дят к повышению tg б. В гл. 3 показано, что электрическая прочность и долговечность

ляции. На рис. 5-1 даются изображение изоляции с не­ однородностью и схема ее замещения.

Измеренная величина

tg 5= 1 / (c'jCR) ,

где

R = RiRz/(Ri-’r R2) ; C=C] + C2;

Ri, C1 — сопротивление и емкость бездефектного участка изоляции; Rz, С2 — сопротивление и емкость дефектного участка изоляции.

Учитывая, что

Ri— 1/(соСт tg 6 1 ); /?2= 1/(coC2 + tg 6 2 ) ,

получаем после преобразования:

где tg 6 1 , tg 6 2 — тангенс угла диэлектрических потерь бездефектного и дефектного участка изоляции.

Мы .рассмотрели случай параллельного расположения дефектного и бездефектного участков изоляции. Нетруд­ но показать, что формула (5-1) справедлива и при по­ следовательном включении дефектного и бездефектного участков.

С целью оценки чувствительности измерения поло­

именно сосредоточенные дефекты создают наиболее вы­ сокие локальные напряженности поля ов изоляции. Чтобы повысить чувствительность метода диэлектрических по­ терь, необходимо измерять-tg б на отдельных, очень не­

tg б на объектах с малой емкостью. Кроме того, при сплошном контроле изоляции токопроводящей жилы по отдельным небольшим участкам резко возрастут трудо­ вые затраты.

Интересно было обнаружить связь между tg б и вре­ менем до пробоя изоляции.

Нами проводились специальные опыты на образцах изолированных токопроводящих жил длиной 1 м. На этих образцах измерялся lg б, и затем они выдержива­ лись до пробоя при повышенном напряжении. Результа­ ты эксперимента приводятся на рис. 5-2. Проведенные опыты показывают, что корреляции между tg б и време­ нем дс пробоя изоляции не наблюдается. Такое явление, по-видимому, объясняется тем, что tg б определяется рас­ средоточенными дефектами в изоляции, а время до ее пробоя является функцией наибольшей локальной на­ пряженности поля.

Измерение tg б изоляции токопроводящих жил кабе­ ля является малоэффективным средством выявления ее дефектов.

132

Многими авторами [Л. 46—48] для контроля качества изоляции высоковольтных кабелей предлагается исполь­ зовать измерение напряжения начала ионизации. В ряде работ показано, что под действием разряда в газовых включениях происходит эрозийный износ [Л. 49] и изме­ нение структуры изоляции, что приводит к сокращению ее срока службы. Были сделаны попытки связать срок

с целью установления связи между сроком службы изо­ ляции и напряжением начала ионизации. Опыты прово­ дились на изолированных токопроводящих жилах кабе­ ля КШВГ. В образцах токопроводящих жил измерялось напряжение начала изоляции, а затем они выдержива­ лись до пробоя при приложенном напряжении. По ре­ зультатам эксперимента оценивался коэффициент корре­ ляции который и являлся критерием связи между на­ пряжением начала ионизации и сроком Службы изоляции кабеля. Коэффициент корреляции подсчитывался по фор­ муле

Ті — время до пробоя г-го образца; UH— математическое

ожидание напряжения начала ионизации; т — математи­ ческое ожидание времени до пробоя изоляции: оии — среднеквадратичное отклонение напряжения начала ио­ низации; ат— среднеквадратичное отклонение времени

до пробоя; .<?.■—число образцов, испытанных в данной партии.

Входящие в выражение (5-2) величины рассчитыва­ лись по формулам:

ПП

133

Условием наличия связи между Uu и т является не­ равенство

|г|>/,,{тг. (5-3)

При 99% доверительной вероятности tq равно 2,58. Среднеквадратичное отклонение коэффициента кор­

реляции

_ I — г-

*г---- і7т ’

В табл. 5-1 даются результаты обработки экспери­ ментальных данных.

^ п э г ~ Ю ^ н з о л

Данные табл. 5-1 показывают, что условие существо­ вания корреляционной связи между ІІИ и т не выполня­ ется ни для одной из испытанных партий.

Отсутсівие корреляционной связи между напряже­

вытянутых в направлении, перпендикулярном полю. Наи­ большая локальная напряженность поля и наименьший

134

срок службы изоляции имеют место при ионизированных порах, вытянутых в направлении поля.

Проведенный анализ показывает, что напряжение на­ чала ионизации в изоляции кабеля не позволяет одно­ значно судить о сроке ее службы. Однаіко если U„ выше рабочего напряжения, то процесс ионизационного ста­ рения изоляции будет исключен. С целью обеспечения

Рис. 5-3. Схема непрерывного контроля изоляции кабеля по напря­ жению начала ионизации.

длительной работы изоляции нельзя допускать появле­ ния ионизации в газовых включениях при рабочем на­ пряжении, т. е. должно соблюдаться условие £/и> Н раб.

Для контроля изоляции кабеля по напряжению на­ чала ионизации были разработаны различные установ­ ки, схема одной из которых показана на рис. 5-3.

Работа установки осуществляется следующим обра­ зом. Изолированная токопроводящая жила 3 перематы­ вается с барабана 1 на барабан 2. Синхронно с движе­ нием токопроводящей жилы перемещается магнитная лента 13. Скорость движения ленты пропорциональна скорости движения токопроводящей жилы. При своем движении жила проходит через устройство, состоящее из изолированной трубы 5 и трех кольцевых электродов 4. На средний кольцевой электрод подается напряжение

135

несколько выше рабочего 6. Два крайних электрода за­ земляются. В кольцевые электроды для ионизации воз­ душного зазора и увеличения его проводимости встав­ лены радиоактивные элементы. Высокочастотная состав­ ляющая разряда в газовом включении улавливается кольцевым зондом 7 и подается к усилителю 9, сигнал от которого запускает импульсный генератор 10. Им­ пульс от генератора 10 подается на записывающую го­ ловку 14, и на магнитной ленте делается отметка. Для контроля правильности записанного сигнала и исключе­ ния случайных помех служит схема, состоящая из зонда 8, усилителя 11 и управляющего контура 12. Если зон­ дом 8 улавливаются высокочастотные составляющие га­ зового разряда, то сигнал от управляющего контура 12 не попадает на стирающую головку 15. При отсутствии ионизации в газовом включении под зондом 8 управля­ ющее устройство подает напряжение на стирающую го­ ловку 15. Таким образом устраняются неправильные слу­ чайные записи сигналов от зонда 7.

Записанные на магнитной ленте сигналы через чи­ тающую головку 16 и усилитель 18 заставляют сраба­ тывать маркирующее устройство 19, которое делает по­ метку на токопроводящей жиле. После срабатывания маркирующего устройства сигнал стирается стирающей головкой 17.

Описанное устройство для своей работы требует тща­ тельной настройки схемы и хорошей экранировки. Кроме того, схема достаточно сложна и громоздка. Это ограни­ чивает область применения непрерывного контроля изо­ ляции кабеля по напряжению начала ионизации. Раз­ работка простых схем непрерывного контроля изоляции по напряжению начала ионизации является насущной потребностью кабельной техники.

Основным способом контроля изоляции кабеля в на­ стоящее время является испытание ее повышенным на­ пряжением, т. е. разрушающие испытания.

Испытание повышенным напряжением производят после наложения изоляции на токопроводящую жилу (пооперационный контроль). Кроме того, испытания по­ вышенным напряжением проводят после изготовления кабеля (испытание готовой продукции).

Существенное значение при разрушающих испыта­ ниях приобретает выбор величины повышенного напря­ жения и времени его приложения.

136

Естественно, чем выше напряжение н больше время его действия, тем вероятнее пробой дефектной изоляции. С другой стороны, при более высоких напряжениях ве­ роятность повредить изоляцию, которая могла бы дли­ тельно работать в эксплуатации, возрастает. Повышен­ ное напряжение и время его приложения должны быть выбраны такими, чтобы в процессе испытания выявить наибольшее количество дефектов п одновременно не ухудшить «здоровую» изоляцию.

Максимальную напряженность поля и наивысшее значение испытательного напряжения для кабеля мож­ но найти, воспользовавшись уравнением надежности (3-42). Действительно, чтобы не происходило заметного ухудшения здоровой изоляции, Р ( т) должно равняться единице. Из уравнения (3-42) следует, что при Р(т), равном единице, z равно нулю. Из (3-43) при 2 = 0 по­ лучим:

V ( A e ~ bT p/ £ ) 2 + y2 ° 2

Пользуясь уравнением (5-4) и данными табл. 3-3, рассчитываем допустимое время выдержки для изоляции кабеля КШВГМ (табл. 5-2).

Т а б л и ц а 5-2

В ГОСТ для высоковольтных гибких кабелей 6 кв указывается, что они должны испытываться напряже­ нием 15 кв в течение 5 мин. Данные табл. 5-2 показы­ вают, что при указанном в ГОСТ времени испытатель-

137

пое напряжение можно увеличить до 20 кв. Здоровая изоляция кабеля при этом не будет испытывать замет­ ного ухудшения.

Если изоляцию кабеля испытывают несколько раз, то суммарное время приложения напряжения не должно превышать величин, указанных в табл. 5-2. Например, если изоляция испытывается после ее наложения на жилу и в готовом кабеле одним и тем же напряжением 2 0 кв, то суммарное время воздействия не должно пре­ вышать 7,8 мин.

Уравнение (5-4) позволяет оценить допустимые на­ пряжения и время его приложения при различных усло­ виях испытания.

Основная задача испытания — выявить опасные де­ фекты, которые могут вызвать быстрый отказ изоляции. Для оценки выявляемых при испытании дефектов сде­ лаем следующее допущение: изоляция будет пробита при испытании, если в каком-либо месте появится на­

ксимальная напряженность поля в электроизоляционной

в (5-6), определим граничные характеристики дефекта, которые выявляются при испытании. В табл. 5-3 приво­ дятся рассчитанные граничные характеристики дефекта,

1 38

Как видно из табл. 5-3, снижение испытательного на­ пряжения уменьшает возможность выявления дефекта. Так, при испытательном напряжении 0,8Uном нельзя ВЫ- явить дефекты с ѵ, равном 5.

Следует отметить, что дефекты, имеющие уі меньше указанных в табл. 5-3, при ІІпом, не будут существенно изменять вероятность безотказной работы. Исключением являются газовые включения, размеры которых при дли­ тельной ионизации в них увеличиваются. Поэтому испы­

Разработка типовых испытаний изоляции должна спо­ собствовать улучшению конструкции и дать реальные параметры для более правильного выбора режима ее эксплуатации.

Программа и объем типовых испытаний должны быть выбраны таким образом, чтобы получить макси­ мальную информацию о кабельной изоляции при мини­ мальных затратах.

При типовых испытаниях измеряются размеры изо­ ляции (внутренний и внешний диаметры) и ее колеба­ ния, напряжение начала ионизации, параметры уравне­ ния надежности изоляции и ряд других характеристик.

Типовые испытания проводятся на выборках из дан­ ной серии готовой продукции. Отобранные образцы должны достаточно полно представлять испытуемую се­ рию. В то же время количество образцов, взятых для испытаний, не должно быть чрезмерно большим, так как в этом случае увеличивается стоимость испытания.

Не останавливаясь на вопросах контроля размеров, которые указываются в ГОСТ, рассмотрим вопросы испытания изоляции кабеля по напряжению начала ионизации и определению параметров уравнения надеж­ ности.

139