Электрическая прочность изоляции кабелей

Наиболее важной характеристикой любого электрического силового кабеля является его электрическая прочность, так как нарушение ее выводит из строя кабельную линию.

Неоднородность структуры изолирующего слоя кабеля

Всякий диэлектрик, применяемый на практике, всегда обладает какой-то неоднородностью структуры и свойств. Так, например, изоляция кабелей высокого напряжения имеет слоистый характер, резиновая изоляция неоднородна, так как она получается путем смешения каучука с мелкоизмельченными порошками минеральных наполнителей и смягчителями.

Даже такие материалы, как синтетические диэлектрики (полиэтилен, стирофлекс и др.), обладают большей или меньшей неоднородностью строения или неоднородностью, обусловленной методом получения этих материалов, например из-за наличия остаточных ионов, внесенных в материал катализаторами процесса полимеризации, и недостаточной отмывки материала после его изготовления.

Наличие неоднородности в практическом диэлектрике всегда приводит к ослаблению его электрической прочности и ускоряет процесс старения диэлектрика под влиянием нагревания и длительного воздействия приложенного к диэлектрику напряжения.

Неоднородность физического строения вызывает местное увеличение напряженности поля в диэлектрике и ведет к преждевременному пробою изоляции.

Пробой диэлектрика и виды пробоя

Из всех электрических характеристик изолирующих материалов, применяющихся в кабелях высокого напряжения, наибольшее значение имеет электрическая прочность, так как от нее зависит надежность работы кабеля.

Пробивное напряжение изолирующего материала является сложной функцией физических свойств материала, его размеров, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.

Величина напряженности электрического поля, при которой преодолевается сопротивление диэлектрика действию на него электрического поля, определяет величину электрической прочности материала, которая выражается в в/см или кв/мм.

На практике принято говорить об электрической прочности при постоянном и переменном напряжении, а по длительности действия напряжения различают электрическую прочность: импульсную, кратковременную и длительную.

Пробой является следствием непосредственного действия электрического поля на изолирующий материал, когда энергия электрического поля в диэлектрике превращается в работу образования свободных носителей электрических зарядов.

Наличие в диэлектрике свободных зарядов на определенной ступени количественного накопления и скорости перемещения переводит диэлектрик в новое состояние, когда он теряет электрическую прочность и перестает быть диэлектриком.

Из всех весьма разнообразных видов действия электрического поля на диэлектрик, которые могли бы привести к электрическому пробою, можно указать на следующие:

• разрушение молекулы или кристаллической решетки;
• ионизация диэлектрика;
• передвижение ионов в электрическом поле.

Под влиянием тепла, выделяющегося в жилах кабеля и в изолирующем слое (диэлектрические потери), появляется тепловое поле, зависящее также от условий охлаждения кабеля.

Для современных кабелей высокого напряжения тепловые расчеты тесно связаны с электрическими, так как энергия электрического поля переходит в тепло, рассеиваясь в диэлектрике, что вызывает нагревание кабеля. В свою очередь, нагревание кабеля снижает электрическую прочность изоляции.

Пробой кабеля чаще всего происходит под влиянием обоих факторов — электрического поля и нагревания. В этом смысле говорят о теплоэлектрическом или тепловом пробое кабеля.

В том случае, когда количество тепла, выделяющегося в кабеле, больше или меньше количества тепла, отводимого от кабеля в окружающую среду, электрический кабель будет нагреваться (в первом случае) или охлаждаться (во втором). Температура кабеля или провода будет изменяться во времени по закону, близкому к экспоненциальному.

Большое значение имеет определение максимального допустимого перегрева жил кабеля над окружающей средой, равного разности максимальной допустимой температуры жил кабеля и окружающей среды.

Максимальная допустимая температура жил кабеля во всех стандартах и нагрузочных таблицах определяется в зависимости от рабочего напряжения кабеля и его конструкции.

Если в результате воздействия электрического поля на диэлектрик происходит нагревание диэлектрика с ослаблением его электрической прочности, то происходит тепловая форма пробоя.

Электрический пробой характеризуется тем, что величина электрической прочности не зависит от температуры, длительности действия напряжения и почти не изменяется с толщиной диэлектрика.

Место пробоя представляет собой маленькое отверстие без следов обгорания. Такой пробой иногда называется «прокалывающим» пробоем. Чаще всего электрический характер разрушения диэлектрика получается при импульсном пробое твердых диэлектриков.

Наиболее близко к реальным условиям стоит тепловая теория пробоя в случае вычисления пробивного напряжения кабельной изоляции при нагревании ее потерями, в жиле и диэлектрике.

В этом случае говорят о тепловой неустойчивости изоляции кабеля, возникающей из-за плохого отвода тепла в окружающую среду при значительном выделении тепла в кабеле и большом температурном коэффициенте потерь.

Кроме электрического и теплового пробоя твердых диэлектриков в литературе и на практике часто встречается название «ионизационный» пробой.

В настоящее время под ионизационным пробоем твердого диэлектрика понимают пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале. Этот вид пробоя часто встречается в слоистой изоляции кабелей, конденсаторов, бакелитовых втулок и тому подобных изделий.

Развивающаяся в газовых включениях ионизация как бы подготавливает диэлектрик к пробою, ослабляя его в этом месте. Ионизация газовых включений и вторичные процессы, связанные с ионизацией, протекают во времени, разрушая материал с течением времени все более и более, как бы по частям.

В соответствии с результатами испытаний изолирующих материалов на электрическую прочность можно предпололожить, что в действительности электрическая прочность применяемых на практике изолирующих материалов определяется не столько механизмом пробоя, сколько местной неоднородностью поля, создающей резкое местное повышение напряженности электрического поля, а также характером и интенсивностью подготовительных процессов в диэлектрике, как, например, процессов ионизации газовых включений, химического изменения вещества и других.

Вероятно, что подготовительные процессы развиваются наиболее интенсивно именно в тех местах, в которых наблюдается местное повышение напряженности электрического поля. Можно сказать, что местное повышение напряженности поля, вызывая развитие подготовительных процессов, приводит к образованию слабого места в изоляции, которое и пробивается затем чаще всего по закону теплового пробоя.

Влияние неоднородности электрического поля и неоднородности материала на электрическую прочность

Известно, что электрическая прочность подавляющего большинства диэлектриков с увеличением толщины снижается. Это снижение прочности приписывается влиянию неоднородности поля, а именно, усилению напряженности поля у краев электродов. Отсюда появилось название «краевой» эффект.

Таким образом, максимальное значение электрической прочности любого твердого изолирующего материала может быть получено только при условии устранения краевого эффекта. Это значение электрической прочности можно назвать внутренней прочностью материала, так как оно не зависит от толщины образца и характеризует испытываемый материал.

Электрическая прочность диэлектрика в резко неоднородном поле имеет минимальное значение. Результаты экспериментов показывают, что при устранении краевого эффекта получается прямолинейная зависимость пробивного напряжения от толщины материала.

Неоднородность электрического поля (краевой эффект) и неоднородность самого испытываемого материала, например, включения газов, пленки масла в кабельной изоляции, ведут к снижению электрической прочности и к разбросу отдельных значений, которые все же группируются по законам математической статистики около некоторого среднего значения.

Отношение минимально возможного значения электрической прочности к рабочей напряженности в изолирующем слое кабеля определяет надежность работы его в эксплуатации.

Надежность работы уменьшается с увеличением поверхности соприкосновения изолирующего слоя с жилой кабеля, так как число слабых мест пропорционально поверхности и, следовательно, вероятность появления слабого места возрастает с увеличением поверхности по законам математической статистики.

Зависимость электрической прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия

Электрическая прочность кабельной изоляции зависит от рода приложенного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения.

Наибольшая электрическая прочность получается при постоянном напряжении, а наименьшая — при переменном напряжении. В последнем случае электрическая прочность изоляции сильно зависит от длительности приложения напряжения, так как подготовительные процессы в изоляции при переменном напряжении развиваются во времени.

Причиной резкого снижения электрической прочности при длительном приложении переменного напряжения является процесс старения, протекающий в диэлектрике под влиянием электрического и теплового полей (ионизация газовых включений и нагревание), который сводится по существу к медленному изменению физико-химических свойств диэлектрика, связанному с местным ослаблением электрической прочности.

Такие изменения характерны для неоднородных диэлектриков, содержащих различные поры или включения, малоустойчивых по отношению к термическим и химическим воздействиям веществ.

Повышение электрической прочности при длительном приложении напряжения, например, в маслонаполненных кабелях не может быть использовано при конструировании кабелей, так как импульсная (кратковременная) прочность будет ограничивать предел применения кабеля. Поэтому для современных кабелей высокого напряжения большое значение получает импульсная прочность, характеризующая стойкость кабеля по отношению к кратковременным воздействиям различных перенапряжений.

Источник

Прочность изоляции кабеля это

Электрическая прочность — это минимальное значение напряжённости электрического поля, при которой наступает пробой изоляции. Электрическая прочность изоляции является сложной функцией физиче­ских свойств материала, размеров образца, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.

Различают два основных вида пробоя однородных диэлектри­ков: электрический и тепловой. Кроме того, существует еще иониза­ционный пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале.

Существенное влияние на механизм пробоя в слоистой изоля­ции оказывает развитие скользящих разрядов вдоль лент. Электри­ческая прочность применяемых на практике диэлектриков суще­ственно зависит от неоднородности поля, а также от характера и интенсивности таких процессов в них, как ионизация газовых вклю­чений и химические изменения материала изоляции. Наличие сла­бых мест приводит к тому, что отдельные образцы одного и того же материала пробиваются при различном напряжении, т. е. к по­явлению разброса значений электрической прочности, который зависит от степени однородности диэлектрика.

Обычно пробивное напряжение оценивается средним значени­ем многочисленных результатов испытаний отдельных образцов. Для кабельной изоляции вследствие большой протяженности ка­беля необходимо определить главным образом минимальное зна­чение пробивного напряжения, возможного при данной техноло­гии производства.

В связи с целым рядом факторов, определяющих пробивное на­пряжение изоляции, выбор рабочей напряженности электрического поля является сложной и ответственной частью расчета кабеля. Методы оценки пробивного напряжения и экспериментальные значения электрической прочности кабельной изоляции, а также методика выбора и расчета рабочей напряженности изоляции ка­белей будут рассмотрены далее. При этом необходимо рассмотреть влияние тонких пленок газов и масел на пробой кабельной изоля­ции, разряды в воздушных включениях, зависимость электричес­кой прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия.

Напряженность поля в газовых (а при переменном напряжении — и в масляных) включениях будет выше, чем в однородной изоляции. Это приводит к уменьшению электрической прочности изоляции, так как эти включения в электри­ческом отношении представляют собой ее наиболее слабые места. Как известно, электрическая прочность газа зависит от его при­роды и (согласно закону Пашена) является функцией произведе­ния плотности (давления) и толщины слоя газа: U_np = f ( pA ).

Под электрической прочностью газовой пленки понимается на­пряженность электрического поля Е_н, при которой начинаются разряды в газе.

Зависимость U_np = f ( pA ) имеет вид кривой с резко выражен­ным минимумом. Минимальное значение U_np для воздуха соответ­ствует рА = 750 Па × мм и равно 327 В. Для меньших значений рА пробивное напряжение возрастает, потому что плотность воздуха (или толщина слоя А) значительно уменьшается и ионизирующее столкновение в газовом промежутке А становится все менее веро­ятным. Для рА > 750 Па × мм пробивное напряжение возрастает при­мерно по линейному закону, который нарушается лишь при абсо­лютном давлении более 2 МПа.

Закон Пашена в полном виде установлен для газовых промежут­ков между металлическими электродами. В изоляции кабелей газовые включения располагаются или внут­ри изоляционного слоя, или между изоляционным слоем и металличес­кой поверхностью жилы либо обо­лочки. В этом случае возможны от­клонения от закона Пашена, особен­но в области малых значений pD , так как возможно развитие разрядов по поверхности газовых включений.

Для воздушных прослоек, распо­ложенных между стеклянными пла­стинами, С. М.Брагиным была по­лучена зависимость U_np от рА при переменном напряжении, которую можно рекомендовать для прибли­женных расчетов в кабельной изо­ляции (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения пленки газа от про­изведения рΔ

Электрическая прочность газовой пленки зависит также от при­роды самого газа. Для повышения электрической прочности газо­наполненных кабелей применяют элегаз ( SF ₆ ) и фреон ( CC 1₂ F ₂ ). Электрическая прочность этих газов примерно в 2,2 — 2,5 раза выше электрической прочности воздуха.

При постоянном напряжении и высокой начальной напряжен­ности поля Е_н в газовом включении возникает ионизация, в ре­зультате которой на некоторое время (примерно на 10 -7 с) газ становится проводником. При этом на поверхности включения об­разуется свободный поверхностный заряд. Плотность заряда распределяется таким образом, что на­пряженность поля этого заряда час­тично компенсирует внешнее при­ложенное поле и результирующее поле в газовом включении будет зна­чительно уменьшается. Это приво­дит (при некоторой напряженности поля погасания Е_п) к прекращению ионизации, и воздушное включение снова становится непроводником (рис. 2). Период существования ионизации на рисунке обозначен ∆ t ₁ . В дальнейшем свободные заряды стекают через диэлектрик, и напря­женность поля во включении нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени релак­сации . Если бы не происходило ионизации, то напряжен­ность поля достигла бы некоторого значения Е_в, но при Е = Е_н ионизация возникает снова и цикл повторяется. Время цикла определяется в основном перио­дом между погасанием и зажиганием ∆ t ₂ , который зависит от по­стоянной времени релаксации τ. Значение τ для высококачествен­ных диэлектриков находится обычно в пределах от нескольких се­кунд до десятков секунд (в полиэтилене — нескольких часов).

Рис. 2. Напряженность элект­рического поля при разрядах в воздушных включениях

При переменном напряжении после ионизации в газовом вклю­чении также возникают поверхностные заряды, поле которых в один полупериод направлено против внешнего поля. Но в следу­ющий полупериод внешнее поле изменяет направление, и поле зарядов уже не ослабляет его, а усиливает, что приводит к новой вспышке ионизации. В зависимости от внешнего напряжения частота этих вспышек может быть в два или более раз выше частоты напря­жения, т. е. возможно возникновение интенсивной ионизации.

Таким образом, влияние ионизации на процесс старения изо­ляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном напряжении.

Наличие интенсивной ионизации при переменном напряже­нии является одним из основных факторов, ограничивающих ра­бочую напряженность поля в изоляции.

Отказ (выход из строя) кабеля происходит вследствие накопле­ния признаков старения в процессе эксплуатации или ускоренных испытаний. Многочисленные эксперименты показали, что время наработки (до пробоя изоляции) для заданных температуры Т, напряженности электрического поля Е и степени старения может быть представлено функцией

где А и п — постоянные коэффициенты для данной изоляции; W — энергия активации процесса старения, Дж/моль; R = 8,31 Дж/(моль•К).

Зависимость t_p от Е представ­лена на рис. 3. На участке 1 коэффициент п велик вследствие малого времени воздействия на­пряжения (импульсов), а на уча­стке 2 при меньшей напряжен­ности поля значение п суще­ственно уменьшается. На этом участке возникают частичные разряды. На участке 3, где интенсивность частичных разрядов слабая, коэффи­циент п снова возрастает. По дан­ным многочисленных публика­ций, электрического старения на участке 3 почти не происходит, если интенсивность частичных разрядов в изоляции не превышает некоторого безопасного уровня.

Рис. 3. Логарифмическая зависи­мость t _р от Е:

1. 3— участки характеристики

В кабелях с изоляцией, пропитанной вязким электроизоляционным составом, возможно образование газовых включений, в которых возникают частичные разряды. Исследования при циклическом режиме нагревания и охлаждения были проведены для кабелей на напряжение 35 кВ марок ААШв 1×120 и АСШв 1×150 l изоляцией, пропитанной составом МП-2, и марки ЦАСШв с пропиткой нестекающим составом МП-5. Образцы кабелей длиной 30 м с герметизированными концевыми заделками подвергали цикли­ческому нагреванию и охлаждению до температуры окружающей среды. Внутри жилы и под оболочкой были смонтированы медные трубки, соединенные с манометрами. Установлено, что в период охлаждения давление в кабеле становится ниже атмосфер­ного, что приводит к образованию газовых включений с пони­женным давлением. В соответствии с законом Пашена это способ­ствует возникновению частичных разрядов.

Измерения зависимости tgδ от напряжения показали, что в пе­риод нагревания приращение его с повышением напряжения от­сутствует, а это свидетельствует об отсутствии частичных разрядов. В период охлаждения происходит увеличение tgδ, что характерно для напряжения нормальной эксплуатации кабелей или меньшего. Это особенно важно при перенапряжениях, возникающих в кабе­лях в режимах с одноместным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (при линейном напряжении вместо фаз­ного между жилой и оболочкой).

В период нагревания изоляция подвергается медленному старе­нию по механизму термической деструкции. В период охлаждения происходит ее старение под действием ионизации в газовых вклю­чениях, а термическое старение замедляется в связи с понижени­ем температуры. Для выражения такого комплексного старения предложена эмпирическая зависимость, подтвержденная экспери­ментально:

где U_np — пробивное напряжение.

На рис. 4 приведены зависимости пробивного напряжения образцов от времени старения при различных температурах, соот­ветствующие формуле (2). Из рис. 4 можно получить зависимость

.

Рис. 4. Логарифмическая зависимость пробивного напряжения изоля­ции от времени старения при различной температуре

Если цикл испытаний составляет 8 ч, то для подтверждения 30 лет срока службы кабеля на 10 кВ при длительно допустимой температуре нагревания жилы 70 °С необходимо, чтобы он выдер­жал без пробоя испытания в течение 400 циклов при напряжении 17,3 кВ и максимальной температуре в цикле 90 °С. Этот норматив применяется при испытаниях кабелей, если произошли измене­ния в составе изоляции.

В маслонаполненных кабелях повышенное давление в пропиты­вающем бумажную изоляцию масле предотвращает образование газовых включений и возникновение в них частичных разрядов. При термическом старении изоляции происходит возрастание tgδ и постепенное повышение температуры изоляции, которое при­водит в конечном счете к тепловому пробою.

В процессе старения пропитанной бумажной изоляции проис­ходит выделение газообразных продуктов термической деструкции: водорода, метана, СО₂, СО и др. Содержание газов в пропитываю­щем составе определяют по пробам масла, взятым из кабельной линии с применением метода газовой хроматографии. Если содер­жание газов превысит предел их растворимости в пропитывающем составе при нижнем пределе давления в кабельной линии, могут образовываться газовые включения и возникать частичные разряды, которые приведут к ускоренному старению и пробою изоляции.

При расчете полиэтиленовой изоляции кабелей высокого на­пряжения используют средние значения допустимой напряженно­сти электрического поля в изоляции, а также проводят расчет по электрической прочности при воздействии импульсных перена­пряжений (аналогично маслонаполненным кабелям). Толщину изо­ляции определяют по формуле

где U — расчетное напряжение; Е_р — расчетное значение средней напряженности поля.

В качестве изоляции применяют полиэтилен низкой плотно­сти, сшитый с применением перекиси дикумила. Процесс сшива­ния и охлаждения изоляции проводят при повышенном давлении (1 . 2 МПа), что предотвращает образование газовых включений и частичных разрядов в изоляции.

В формуле (1) п > 12 при отсутствии влаги (имеется металли­ческая оболочка) и п ≈ 10 при возможности воздействия влаги в процессе эксплуатации.

Многочисленные экспериментальные данные по старению по­лиэтиленовой изоляции показали, что в ней образуются дефекты, получившие название триинги. Различают электрические и водные триинги. После эксплуатации в течение нескольких лет кабелей на напряжения 6. 10 кВ при контакте с влагой триинги увеличива­ются по длине и, достигая нескольких десятых долей миллиметра, приводят к пробою изоляции.

Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 432 с.

Источник