CC BY
18
УДК 621.316
A.B. Радчеико, А. V. Rädchen ко, e-mail: mechta7102@mail.ru ДЛ. Поляков, D.A. Pofyakov, e-mail: poIyakawdmitry@yandex.ru К.И. Никитин, K.I. Nikitin, e-mail: nki@ngs.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия Omsk State Technical University. Omsk, Russia
ДИПОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ С ТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ DIPOLE MODEL OF INSULATION AGING
Произведен расчет дипольной модели старения нюляцьш кабеля. Расчетные результаты согласуются с реальным сроком службы изоляции.
Calculated tlie dipole model of insulation agmg The calculated results are agreement with actual life of msula-
Ключевые слова: кабель, частичные разряды, пробой изоляции
Keywords: cable, partial discharge, insulation breakdown
Актуальность. Вероятность возникновения деградашюнных отказов кабельных линий в пределах полного н межремонтного срока службы должна быть минимальна. Как н все материалы, полиэтиленовая изоляция подвержена деградации, зависящей от чистоты и однородности материала. Знание процесса старения изоляции поможет разработать и использовать прогнозирующую защиту электроустановки [1, 2, 3].
Модель старения изоляции. Полиэтиленовая изоляция кабелей содержит технологические и эксплуатационные дефекты на мнкроуровне, такие как мнкроразмерные воздушные полости, инородные включения, трещины (рис. 1) и др. Возникновение их может быть связано с процессом производства или прокладки и функционирования кабелей вследствие, например. периодических сжатий и расширений материала в режимах нагрузки. Сходные по cipyKiype с полиэтиленом н составляющие сотые доли миллиметров, инородные включения
342
вносятся или с гранулами полиэтилена или в процессе изготовления кабелей, но в определенный момент могут стать причиной образования дефекта. Микропустоты в структуре полиэтиленового материала заполняются газом из-за возникновения водяного пара и наличия летучих продуктов в производственных процессах сшивки и экструзии изоляции [4.5].
Во многих случаях основной причиной старения изоляции является электрическое поле высокой напряженности в местах расположения дефектов изоляции. Протекающий при этом процесс характеризуется ростом полых каналовндных структур в диэлектрике н развивающимися в изоляции частичными разрядами и носит название электрический трнннг. Периодически повторяющиеся частичные разряды разрушают изоляцию путем появления в ней мнкротрепщн, что приводит в итоге к ее пробою [6.7.8].
Частоту появления частичных разрядов определим через определение закона распределения их появления в диэлектрике. Процесс старения изоляции материала рассмотрим на примере полиэтилена высокого давления (полиэтилена ВД).
Общая химическая формула полиэтилена С пН2п. Физико-химический процесс старения. протекающий в изоляционном материале кабеля, заключается в том. что при пробое разрушаются связи атома углерода с соседними атомами углерода и образуются атомы водорода. которые, могут стать причиной возникновения пузырьков [9].
Образующийся свободный водород выбивается в качестве положительно заряженного иона Н~. который, в свою очередь, способствует ионизации н дальнейшему разрушению молекулярной структуры полиэтилена в целом, а углерод С' становится проводником.
На рис. 2 представлена упрощенная модель изоляции из полиэтилена ВД размерами 1x1 мм как грань куба 10x10 (рис. 2).
Пробой может произойти в любой точке рассматриваемого квадрата, поэтому рассмотрим квадрат как систему координат, где координаты пробоя определяются случайно [10].
Рнс. 1. Структура изоляции Рис. 2. Модель идеальной изоляции из полиэтилена
из полиэтилена с неоднородными включениями без дефектов неоднородных включении
В расчетах минимальное напряжение пробоя полиэтилена составляй 9 кВ/мм. Толщина изоляции кабелей с рабочим напряжением 6 кВ составляет 3,5 мм. Для проверки таких кабелей используют напряжение 12 кВ. Следовательно, по расчетам на 1 мм кабеля приходится напряжение 12/3,5 —3,4кВ/.им. Следовательно, считая, что пробой может пронзой-
3.4
тп только на одной прямой, необходимо пробить —— ■ 100% = 38% клеток, что при размере
10x10 составляет 10 * 0,38 ~ 4 клегки,
На рнс. За представлено минимальное количество (4) пробитых звеньев, для того чтобы произошел пробой изоляции. На рнс. 36 представлена одна из самых часто (20) выпа-
Зная количество молекул СН? в 1 мм2 и. используя полученную ранее статистику пробоев (рнс. 4), получаем, что нужно пробить от 2.49-1012 до 1.82-1013 молекул.
Рнс. 5. График зависимости количества координат, выпавших до пробоя, от количества пробоев при данном числе выпавших координат в 1мм изоляции
Максимальная частота фильтра для измерения частичных разрядов составляет 400 кГц. Исходя из этого, рассчитаем максимальное количество лет. после которого изоляция выйдет из строя:
*= = Л82 '0"-= 144 года.
/-кх-1 -г 4-105 0,01 -3600-8760
где вшах - минимальное количество молекул полиэтилена, которое нужно пробить, для того чтобы изоляция вышла из строя. 1 - количество часов в году, í - выбранная рабочая частота. 1 - количество секунд в одном часе. кх - коэффициент, учитывающий частоту появления частичных разрядов на разных стадиях старения изоляции.
Выводы. 1. Расчет днпольной модели старения изоляции позволил получить данные, совпадающие с реальным сроком службы изоляции высоковольтного оборудования, работающего в благоприятных условиях без учета внешних воздействий. Следовательно, данная модель была рассчитана верно и может быть использована в качестве основы для проведения последующих исследований уже с учетом внешних и внутренних факторов, влияющих на изоляцию.
2. Предложенная модель качественно соответствует результатам, полученным по методикам. приведенным в статьях [5,12].
Библиографический список
1. Никитин К. И. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций н подстанций / В. Н. Горюнов. К. И. Никитин. М. М. Сарычев // Омский научный вестник, - 2011. - № 3 (103). - С.211-213,
2. Никитин К. И. Возможные направления совершенствования релейной защиты . К. И. Никитин. О. А. Сидоров. А. А. Вырва. М. М. Сарычев // Омский научный вестннк. -2009.-№1(77).-С. 130-133.
3. Никитин К. И. Принципы построения, алгоритмы и модели токовых защит электроэнергетических систем. - Омск: ОмГТУ. 2012. - 240 с.
4. Кучерявая И.Н. Численное исследование распределения электрического и температурного поля в полиэтиленовой изоляции силового кабеля с мнкровключеннем // Труды Института электродинамики НАН Украины. Вып. 31. - Кнев. 2012. - С. 30-36.
5. R. Cselko. I. Berta. Challenges of partial discharge diagnostics of low-voltage cables // Journal of Electrostatics. - 71 (2013). - P. 558 - 563.
6. Кучннский Г.С. Частичные разряды в высоковолыных конструкциях. - М.: Изд. «Энергия». 1979. - С. 72-78.
7. Вдовнко В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. - М.: Наука. Н. - 2007.
8. D. Adliikaii. D.M. Hepburn. B.G. Stewart. PD characteristics and degradation in PET insulation with vented and unvented internal voids // Electric Power Systems Research 100 (2013). -P. 65-72.
9. Ткпнев А. П. Подвижность избыточных носителей заряда в полиэтилене низкой плотности / А. П. Тютнев. В. С. Саенко. Ю. Ф. Кундина. Е. Д. Пожидаев. А. В. Ванников // Химическая физика. -2002. - Т. 21. - № 7. - С. 30-40.
10. Иванова К.С.. Никитин К.II.. Поляков Д.А.. Радченко А.В. Статистическая модель старения изоляции // Электроэнергетика глазами молодежи : материалы IV Международная научно-техническая конференция. - Новочеркасск. 14-18 октября 2013. Т.1. - С. 324-327.
11. КонкинА. А.. ЗверевМ, П. Полиолефнновые волокна. -М,: Химия. 1966.
12. A. Najafi Pour. S.M. Shahrtask. A comprehensive circuit model for partial discharge activities in cable insulation due to electrical treeing // Electrical Power and Energy Systems. -(2013). T. 44 . - P, 646-655,
