CC BY
57
Техніка сильних електричних та магнітних полів
УДК 621.319
Г.В. Безпрозванних, А.М. Бойко
ЕЛЕКТРОСТАТИЧНІ ПРОЦЕСИ В СИЛОВИХ КАБЕЛЯХ
Виконано спостереження контактної електризації зразків силових кабелів. Встановлено, що контактна різниця потенціалів, що утворилась при розділені вільних зарядів на поверхнях контактуючих матеріалів, залежить від конструкції кабелів, застосованих матеріалів та схеми обстеження. Представлено часові ряди дрейфу ємності та тангенсу кута діелектричних втрат, який обумовлено нестабільністю процесу трибоелектричного заряджання поверхонь, які контактують.
Выполнено наблюдение контактной электризации образцов силовых кабелей. Установлено, что контактная разность потенциалов и емкость, образованная при разделении свободных зарядов на поверхностях контактирующих материалов, зависит от конструкции кабелей, применяемых материалов и схемы обследования. Представлены временные ряды дрейфа емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленного нестабильностью процесса трибоэлектрической зарядки контактирующих поверхностей.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ ТА АНАЛІЗ ПУБЛІКАЦІЙ Статична електрика представляє сукупність явищ, що пов’язані з виникненням, збереженням та релаксацією вільного електричного заряду (електронів, іонів на поверхні або в об’ємі діелектричних матеріалів, на ізольованих провідниках, між провідником та ізоляцією.
При контакті двох матеріалів з різними властивостями електричний заряд переходить з одного матеріалу на інший. Це явище відомо як контактна електризація або контактне заряджання. При постійному терті матеріалів це явище називається як трибоелект-ризація, трибоелектричне заряджання або просто три-бозаряджання [1-4]. Перенос електричних зарядів обумовлено контактною різницею потенціалів внаслідок різної роботи виходу, наприклад, електронів фі та ф2 (при контакті двох металів, рис.1) або ефективній роботі виходу (при контакті металу та діелектрика або двох діелектриків, рис.2):
Енергія
фі
777777777^
N
\
Метал ^
W77777777 Рівень Фермі ^ Метал
а) до контакту
eUK
фі
7777777773
Метал 1 ^ (+)
Ф77777777
Метал 2 % (-)
б) після контакту Рис. 1
ДіелектрикІ
і і.
— ф2
Е
Діелектрик 2
а) до контакту
Діелектрик І (+)
Діелектрик 2 (-)
б) після контакту Рис. 2
При молекулярно-іонній моделі контакту металу - діелектрик вільний електрон інжектується в поверхню акцептора діелектрика [1].
Контактна різниця потенціалів Щ для металів визначається як:
ф1 -ф2
Uk =-
(1)
де е =1,6-10- Кл - заряд електрона.
При контакті двох діелектриків можливі енергетичні рівні для електронів розташовуються на поверхні, яка називається поверхнею стану [1]. Перехід електронів з заповненої поверхні стану діелектрика 1 на незаповнену поверхню стану діелектрика 2 (рис.
2,а) відбувається за рахунок різниці ефективних робіт виходу двох поверхонь. Переніс заряду можливий
© Г.В. Безпрозванних, А.М. Бойко
ф
2
Ф
2
Є
тільки в тому випадку, коли рівні Фермі співпадають (див. рис 2,а та рис. 2,б). При цьому енергія Фермі діелектрика 1 та 2 змінюється на Ді та Д2 відповідно. Переніс заряду призводить до появи різниці потенціалів иР2о між поверхнями:
(Ф2 ~а2) - (Фі +Аі)
и
(2)
Заряд, що переноситься, при контакті як двох металів, так і діелектриків, визначається контактною різницею потенціалів, та ємністю, яка утворилась при розділені зарядів на поверхнях контактуючих металів (металу та діелектрика, діелектриків).
В табл. 1 наведено амплітудні значення щільності заряду після контакту полімерних матеріалів з металом в залежності від умов контакту.
Таблиця 1
Полімерній матеріал Щільність заряду, пКл/см2 Умови контакту
Поліетилен 500 Повітря, контакт
5000 Повітря, тертя
10000 Вакуум, тертя
Політетрафторетилен 3000 Вакуум
7000 Повітря, контакт
20000 Вакуум, тертя
200000 Вакуум, обертання
Нейлон 100000 Вакуум, контакт
100000 Вакуум, обертання
Поліімід 300000 Вакуум, обертання
Полікарбонат 100000 Вакуум, обертання
рами технологічних процесів. Стікання зарядів може частково відбуватися в разі заземлення металевих екранів кабелю [5], а на інших контактуючих поверхнях відбувається переніс зарядів, що призводить до виникнення контактної різниці потенціалів, побічної ємності та додаткових втрат на електропровідність. що є джерелом старіння полімерної ізоляції.
Ціллю статті є спостереження за електростатичними процесами в зразках силових кабелів різної конструкції та з різними матеріалами, які призводять до виникнення контактної різниці потенціалів, флуктуацій ємності та тангенсу кута діелектричних втрат в часі.
в)
Контактна електризація є причиною виникнення значних потенціалів та термоелектронних струмів, значення яких залежать від діелектричних властивостей матеріалів, значення їх взаємного тиску при стиканні, вологості та температури поверхонь. Так, в залежності від типу полімеру при контакті та терті ме-тал-полімер, полімер-полімер виникають потенціали до декількох тисяч вольт, що може призвести до електростатичного пробою (Б8Б) [3].
За рахунок перерозподілу електронів на поверхнях контактуючих матеріалів виникає подвійний електричний прошарок з протилежними знаками електричних зарядів (див. рис. 1,б та 2,б) - електрична ємність, яка суттєво залежить від типу матеріалів.
Схематично процес контакту двох матеріалів з релаксацією заряду представлено на рис. 3: позиція а - до контакту; б - контакт та переніс заряду; в - розділення контактуючих матеріалів; г - релаксація зарядів.
ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ В електроізоляційних конструкціях, зокрема, в силових кабелях, між струмопровідними жилами та ізоляцією, ізоляцією та металевими екранами спостерігається постійний контакт (позиція "б" на рис. 3). Можливість накопичення заряду статичної електрики визначається як інтенсивністю виникнення, так і умовами стікання зарядів. Інтенсивність виникнення зарядів визначається фізико-хімічними властивостями матеріалів та технологічного обладнання, які застосовуються при виготовленні кабелів, а також парамет-
<=>
г)
Рис. 3
МЕТОДИКА ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Вимірювання контактної різниці потенціалів (и) зразків силових кабелів виконано цифровим мультиметром АРРА 106, електричної ємності та тангенсу кута діелектричних втрат на частоті 120 Гц та 1 кГц -цифровим вимірювачем Е7-22.
Нижче наведено результати обстежень чотирьох зразків силових кабелів практично однакової довжини (1,2-1,3 метра).
1. Кабель ЦААБНлГ-3х 150-6 кВ трьохжильний з паперово-просоченою ізоляцією, алюмінієвими жилами перерізом 150 мм2 на напругу 6 кВ.
В такому кабелі кожна струмопровідна жила має фазну ізоляцію на основі кабельного паперу. Поверх фазної на всі три ізольовані жили накладається шляхом обмотки поясна ізоляція також з кабельного паперу. В процесі експлуатації властивості фазної та поясної ізоляції - різні, між ними - прошарки просочення. Цілком ймовірно, що при контакті фазної та поясної ізоляції буде виникати різниця потенціалів.
На рис. 4 наведено залежності контактної різниці потенціалів від часу спостереження для двох схем обстеження: а) одна фаза відносно металевої алюмінієвої оболонки; б) три фази разом відносно металевої алюмінієвої оболонки.
иь тУ
саморозряду ПВХ пластикату: від 5 до 50 с в залежності від складу. Для поліетилену стала саморозряду дорівнює 18000 с [4].
Рис. 5
Рис. 4
Для останньої схеми обстеження контактна різниця потенціалів більше, що обумовлено наявністю більших контактуючих поверхонь, зокрема, трьома фазними з відповідними частинами поясної ізоляції.
2. Кабель АВВГ-4х120 чотирьохжильний з алюмінієвими жилами перерізом 120 мм2 з полівінілхло-ридною (ПВХ) ізоляцією та захисною оболонкою на основі ПВХ пластикату без металевих оболонок на напругу 1 кВ.
Між поряд розташованими ізольованими жилами є повітряний зазор. Властивості двох діелектриків -ПВХ пластикату та повітря - різні, що обумовлює появу потенціалу та додаткової ємності.
На рис. 5 наведено зміни в часі контактної різниці потенціалів для двох фаз, що безпосередньо знаходяться в контакті (крива 1), та не контактуючих (крива 2).
Часові залежності ємності контактуючих фаз та тангенсу кута діелектричних втрат для частоти 1 кГц показано на рис. 6 та рис. 7 відповідно. Під час проведення вимірювань на 500 секунді на кабель діяла механічна сила, що призвело до короткочасного розділення контакту та релаксації зарядів (див. рис. 3,в,г). Відповідно до цього відбулося зменшення ємності (рис. 6, стрибок вниз на залежності) та зростанню тангенсу кута діелектричних втрат (рис. 7, стрибок вверх). Зростання тангенсу кута діелектричних втрат в цей час обумовлено наявністю вільних не скомпен-сованих зарядів, - втратами на електропровідність:
* ^ 1
є = є +----= є +------, (3)
] ю ] юру
*
де є - комплексна діелектрична проникність; яка складається з дійсної частини є - відносної діелектричної проникності та уявної, що характеризує втрати в ізоляції на круговій частоті ю: с - провідність та р„ -питомий об’ємний опір ізоляції.
Відновлення ємності до початкових значень відбулося за 4 секунди, що пов’язано з малою сталою т
Рис. 6
Рис. 7
3. Кабель ПвБВнг-3х35+1х16-1 кВ зі зшитою поліетиленовою ізоляцією, ПВХ проміжною оболонкою та зі сталевою бронею (рис. 8) на напругу 1 кВ. Три жили - перерізом 35 мм2, одна - 16 мм2.
Для поруч розташованих ізольованих жил однакового перерізу 35 мм2 контактна різниця потенціалів дорівнює -350 мВ, причому має практично однакові значення на всьому періоді спостереження (рис. 9,а). Для віддалених жил однакового перерізу - зменшується від +350 мВ до 0, переходить в область від’ємних значень до -150 мВ і поступово наближається до 0 за той же час спостереження, що і для поруч розташованих жил.
Рис. 8
а
б
Для віддалених жил в кабелі з поліетиленовою ізоляцією на протязі 40 хвилин спостерігається контактна різниця потенціалів на відміну від кабелю з ПВХ ізоляцією (порівняйте рис. 5, крива 2 та рис. 9,б). Це обумовлено високими електрофізичними властивостями поліетиленової ізоляції. Відповідно з цим характер зміни ємності та тангенсу кута діелектричних втрат для зшитої поліетиленової ізоляції при дії механічної завади (натискання на кабель) - однаковий (стрибки на рис. 10,а,б - для частоти 120 Гц; в,г - для частоти 1 кГц). Висока щільність поверхневих пасток поліетилену (1014 еВ-1 м-2) [4] призводить до того, що зі зменшенням ємності тангенс кута діелектричних втрат також зменшується (на відміну від характеру зміни для ПВХ пластикату - рис. 6, 7).
4. Одножильний кабель ПвБВнг-1х240-6 кВ (рис. 11) з мідною жилою перерізом 240 мм2, зі зшитою поліетиленовою ізоляцією, напівпровідниковими екранами по жилі та ізоляції, мідним екраном, проміжною ПВХ оболонкою та мідною бронею на напругу 6 кВ.
Наявність напівпровідникових екранів не призвела до суттєвого зменшення контактної різниці потенціалів (рис. 12).
Введення в поліетилен сажі призводить до зменшення питомого об’ ємного опору, при чому значення такої напівпровідникової композиції не повинно перевищувати 105 Ом-м [6]. При значеннях р„<105 Ом-м контактна електризація не виникає [4]. Кабелі зі зшитою поліетиленовою ізоляцією з напівпровідниковими екранами напругою 20 кВ мають такі ж значення контактної різниці потенціалів ик та характер зміни в часі [7].
Для проміжної ПВХ оболонки контактна різниця потенціалів не перевищує 15 мВ (абсолютне значення) (рис. 13).
0
С, -Р
2.27’
2.265
2.26
2.255
2.25
0.00455 0.0-4 0.035 0.03 0.0 25 0.02
Цттигог"
ііКвь.
Л
Рис. 10
Рис. 11
ик тУ
Рис. 12
-9
2.275-10
а
а
І. С
б
б
в
г
ВИСНОВОК
Електростатичні процеси, пов’язані з контактною електризацією матеріалів конструктивних елементів силових кабелів, призводять до появи контактної різниці потенціалів, додаткової ємності та діелектричних втрат на електропровідність.
Експериментально показано, що контактна різниця потенціалів суттєво залежить від діелектричних матеріалів та схеми обстеження силових кабелів.
Встановлено характер зміни ємності та тангенсу кута діелектричних втрат для ізоляції на основі ПВХ пластикату та зшитої поліетиленової.
Наявність в конструкції кабелів зі зшитою ізоляцією напівпровідникових екранів по жилі та ізоляції не призводить до зменшення контактної різниці потенціалів в порівнянні з кабелями без таких екранів, що пов’язано, очевидно, з властивостями наночасток сажі в кабельній композиції.
Під дією контактної електризації в силових кабелях з паперово-просоченою та зшитою поліетиленовою ізоляцією має місце повільний постійний процес її старіння, навіть при відключенні від навантаження.
При діагностичних обстеженнях силових кабелів за діелектричною абсорбцією необхідно забезпечити умови вимірювання ємності та тангенсу кута діелектричних втрат без впливу механічних завад на кабель. Інакше можливо отримати підвищенні значення тангенсу кута діелектричних втрат для ПВХ ізоляції та зменшені - для поліетиленової. Так, для обстежених кабелів спостерігається: для ПВХ ізоляції - збільшення tg5 на 3G %, для поліетиленової ізоляції - зменшення tg5 на частоті 12G Гц - в 2 рази.
СПИСОК ЛІTЕРATУРИ
1. Castle P.G. Contact charging between insulators / P.G. Castle // Journal of Electrostatics, 1997. - № 4G-41, pp. 13-2G.
2. Bailey A.G. The charging of insulator surface / A.G. Bailey // Journal of Electrostatics, 2GG1. - № 51/52, pp. 82-9G.
3. Kwetkus B.A. Gas breakdown in contact electrification/ B.A. Kwetkus, K. Satller, H.C. Siegmann // Journal Physics Dielectric: Applied Physics, 1992. - № 25. - 139 p.
4. Беспрозванных A. В. Термо-трибо-электрический потенциал для оценки старения полимерной изоляции /Д.В. Беспро-званных // Вестник НТУ "ХПИ". - 2GG9. - № 27. - С. 16-24.
5. Безпрозванних Г.В. Експериментальне визначення три-боелектричного потенціалу в неекранованих та екранованих кабелях / Г.В. Безпрозванних, A.M. Бойко // Електротехніка і електромеханіка. - 2G12. - № 3. - С. 56-6G.
6. Беспрозванных AB. Обоснование электрофизических характеристик полупроводящих экранов силовых кабелей высокого напряжения со сшитой изоляцией / AB. Беспрозванных, Б.Г. Набока|, Е.С. Москвитин // Електротехніка і електромеханіка. - 2G1G. - № 3. - С. 42-45.
7. Безпрозванних Г.В. Бойко A.M. Трибоелектричний ефект в електроізоляційних конструкціях / Г.В. Безпрозванних, A.M. Бойко // Тези доповідей ХХ міжнародно-практичної конференції, ч. II (15-17 травня 2G12 р., Харків) / Харків, НТУ "ХИТ. - 324 с.
Bibliography (transliterated): 1. Castle P.G. Contact charging between insulators / P.G. Castle // Journal of Electrostatics, 1997. - № 40-41, pp. 13-20. 2. Bailey A.G. The charging of insulator surface / A.G. Bailey // Journal of Electrostatics, 2GG1. - № 51/52, pp. 82-90. 3. Kwetkus B.A. Gas breakdown in contact electrification/ B.A. Kwetkus, K. Satller, H.C. Siegmann // Journal Physics Dielectric: Applied Physics, 1992. - № 25. -139 p. 4. Besprozvannyh A.V. Termo-tribo-'elektricheskij potencial dlya ocenki stareniya polimernoj izolyacii /A.V. Besprozvannyh // Vestnik NTU "HPI". - 2GG9. - № 27. - S. 16-24. 5. Bezprozvannih G.V. Eksperimental'ne viznachennya triboelektrichnogo potendalu v neekranovanih ta ekranovanih kabelyah / G.V. Bezprozvannih, A.M. Bojko // Elektrotehrnka і elektromeharnka. - 2G12. - № 3. - S. 56-60.
6. Besprozvannyh A.V. Obosnovanie 'elektrofizicheskih harakteristik poluprovodyaschih 'ekranov silovyh kabelej vysokogo napryazheniya so sshitoj izolyaciej / A.V. Besprozvannyh, B.G. Naboka, E.S. Moskvitin // Elektrotehrnka і elektromeharnka. - 2010. - № 3. - S. 42-45.
7. Bezprozvannih G.V. Bojko A.M. Triboelektrichnij efekt v elektroіzolyacіjnih konstrukdyah / G.V. Bezprozvannih, A.M. Bojko // Tezi dopovіdej HH mіzhnarodno-praktichnoї konferencn, ch. II (15-17 travnya 2012 r., Harkrv) / HarkW, NTU "HPI". - 324 s.
Надійшла 25.05.2013
Безпрозванних Ганна Вікторівна, д.т.н., проф.,
Бойко Антон Миколайович Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" кафедра електроізоляційної та кабельної техніки 610G2, Харків, вул. Фрунзе, 21
тел. (G57) 7G7-6G-1G, e-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
Bezprozxannych G.V., Boyko A.M.
Electrostatic processes in power cables.
Observation of contact electrification of power cable samples is made. It is revealed that the contact potential difference and the capacity formed under separation of free charges on the surfaces of the contacting materials depend on cable design, applied materials, and inspection schemes. Time series of capacity drift and dielectric loss tangent caused by instability of triboelectric charging of the contacting surfaces are presented.
Key words - contact electrification, triboelectric charging, contact potential difference, capacity drift, dielectric loss tangent.
