Научная статья на тему 'Определение скорости разрушения полиэтиленовой изоляции линий электропередачи под воздействием температуры'

Определение скорости разрушения полиэтиленовой изоляции линий электропередачи под воздействием температуры Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
236
78
Поделиться
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИЯ / ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИЗОЛЯЦИЮ / ПОЛИЭТИЛЕН / ПОЛИЭТИЛЕНОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ / СРОК СЛУЖБЫ ИЗОЛЯЦИИ / ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ИЗОЛЯЦИИ / ELECTRICAL INSULATION / INFLUENCE OF TEMPERATURE ON POLYETHYLENE INSULATION / POLYETHYLENE / POLYETHYLENE INSULATION / SERVICE TIME OF INSULATION / RESIDUAL LIFE OF INSULATION

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Поляков Дмитрий Андреевич, Юрчук Дмитрий Анатольевич, Кощук Галина Андреевна, Никитин Константин Иванович

Рассмотрено влияние температуры на полиэтиленовую изоляцию линий электропередачи. На основе известной зависимости константы скорости реакции от температуры определена функция скорости разрушения материала от температуры. Рассчитан срок службы изоляционного материала от температуры. Выявлено, что в области рабочих температур изоляции (до 90 °C) влияние температуры незначительно и срок службы составляет сотни лет, с повышением же температуры он значительно сокращается. В реальных условиях при рабочих температурах срок службы полиэтиленовой изоляции гораздо меньше, что объясняется влиянием электромагнитного поля и других деструктивных факторов.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Поляков Дмитрий Андреевич, Юрчук Дмитрий Анатольевич, Кощук Галина Андреевна, Никитин Константин Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Determination of destruction rate in power line polyethylene insulation under influence of temperature

The paper considers the influence of temperature on the polyethylene insulation of power lines. The known dependence of the reaction rate constant of temperature determines function of destruction rate of temperature. The service time of insulating material of temperature is calculated. The results of the investigations demonstrate that in the range of operating temperatures of insulation (up to 90 °C) influence of temperature is insignificant and service time is hundreds of years. If temperature exceeds 90 °C service time considerably reduces. In real conditions at operating temperatures service time is considerably less. This is explained by effect of electromagnetic field and other destructive factors.

Текст научной работы на тему «Определение скорости разрушения полиэтиленовой изоляции линий электропередачи под воздействием температуры»

4. Расчет погрешностей определения потерь электрической энергии в проводах повышенной пропускной способности из-за неучета атмосферных и режимных факторов / Е. В. Петрова [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2 (120). — С. 191 — 197.

5. Гиршин, С. С. Учет температуры элементов сети при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / С. С. Гиршин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 1 (117). - С. 137-142.

6. Учет температуры проводов повышенной пропускной способности при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / А. Я. Бигун [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1-1. - С. 212.

7. Учет температурной зависимости сопротивления неизолированного провода при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / Е. В. Петрова [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 1. - С. 284-291.

ПЕТРОВА Елена Владимировна, старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

ГИРШИН Станислав Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

БИГУН Александр Ярославович, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий.

Адрес для переписки: barsbigun@list.ru

Статья поступила в редакцию 20.04.2016 г. © Е. В. Петрова, С. С. Гиршин, А. Я. Бигун, В. Н. Горюнов

УДк 621315 Д. А. ПОЛЯКОВ

Д. А. ЮРЧУК Г. А. КОЩУК К. И. НИКИТИН

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ

Рассмотрено влияние температуры на полиэтиленовую изоляцию линий электропередачи. На основе известной зависимости константы скорости реакции от температуры определена функция скорости разрушения материала от температуры. Рассчитан срок службы изоляционного материала от температуры. Выявлено, что в области рабочих температур изоляции (до 90 °С) влияние температуры незначительно и срок службы составляет сотни лет, с повышением же температуры он значительно сокращается. В реальных условиях при рабочих температурах срок службы полиэтиленовой изоляции гораздо меньше, что объясняется влиянием электромагнитного поля и других деструктивных факторов.

Ключевые слова: электроизоляция, влияние температуры на изоляцию, полиэтилен, полиэтиленовая изоляция, срок службы изоляции, остаточный ресурс изоляции.

Введение. В процессе эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП) их изоляция подвергается ряду разрушающих воздействий, одним из которых является температура [1-3].

Температура изоляции зависит от следующих факторов:

— величины тока, протекающего по жилам проводов ЛЭП;

— температуры окружающей среды (земли или воздуха);

— внешнего температурного воздействия (например, нагрева под воздействием солнечных лучей);

— наличия дефектов в изоляции, в которых могут появляться частичные разряды [1, 2, 4] и которые способны вызывать нагрев локальных объемов изоляционного материала.

Учет влияния температуры изоляции линий электропередачи позволит определять остаточный ресурс электроизоляционного материала путем расчета аппаратно-программным комплексом на основе данных о факторах, разрушающих изоляцию (в том числе о температуре изоляции) [5, 6].

Для выявления остаточного ресурса изоляции требуется определить зависимость скорости разрушения изоляции и ее остаточного ресурса от температуры, чему и посвящена данная статья.

Скорость реакции при термической деструкции полиэтилена (процесс разрушения макромолекул под влиянием повышенных температур) зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет протекание физических и химических реакций, а скорость протекания этих процессов определяется кинетической химической реакцией.

Процессы, протекающие при разрушении полиэтилена под воздействием температуры, можно подразделить на два вида:

— термическая деструкция (разрушение макромолекул полиэтилена под воздействием температуры);

— термоокислительная деструкция (разрушение молекул полиэтилена под воздействием температуры при участии в реакции кислорода). При термоокислительной деструкции происходит усадка изоляции — и в ней появляются поры и трещины.

Определение скорости разрушения полиэтилена от воздействия температуры. Скорость деструкции полиэтилена зависит от скорости химических

реакций, происходящих при его разрушении. Известно, что скорость химических реакций от температуры определяется законом Аррениуса [1]:

к, (Т ) = К уИ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Фо-

кТ

(1)

где Ша — энергия активации одной молекулы; к — постоянная Больцмана; Т — температура в кельвинах.

Согласно [1] скорость химических реакций (скорость уменьшения молекул в единице объема вещества) при разрушении изоляции выражается формулой

я(0 к - н6 = ко. dt

(2)

где N — количество молекул вещества в единице объема в данный момент времени.

Отсюда количество молекул вещества в единице объема при постоянной температуре будет выражаться функцией

(3)

где Ng — количество мокекул оещества в единице объема до начала разрушения.

Ввиду того чео ввмпература изоляционного материала (сшитого полиэтилена) в процессе эксплуатации меняется и зависит оа многих факторов, учитывая (1) — (3), склкрс-ь ралрушения материала будет выражатьсо ф ормуло й

-Д5

-1,0

З7г.е

Температур"- 'С

363.2 355.4

350,9

-2,01 1,54

1 1 1 1 1 1 1 1 1

I 1 1

%58

161

Рис. 1. График Аррениуса для процесса термической деструкции полиэтилена [7]

я (с) к КЦТ)Ои

-К,(ГП

(4)

где К(Т) — коэффициенг скоросей химических реакций при температуре в данныИ момонт времени.

Согласно (4) чтс-лнеразрушеиных молекул вещества в единиле о-ъсма следуит рассматривать как функцию от скояости рав)зошения материала:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

N

= |Я(С)РС:

(5)

Определение числа ноpазрушeнаыx умлекул в единице объема вещества тулОуется д/ш выявления остаточного ресурса изоляционного материала. При использоеатии улазан—е. методики

7,ООЕ-Ю

5,ООЕ-Ю

> 3,00Е-Ю

2,ООЕ-Ю

1,ООЕ-Ю

0,00Е+00

200

250

300 350

т,к

400

450

Рис. 2. Зависимость скорости реакции от температуры

- ес

о, к Nуи

Таблица 1

т, к V, 1/с т, лет т, к V, 1/с т, лет

203 3,99Е-18 837 859 658,82 313 4,57Е-14 73 142,75

213 9,33Е-18 358 237 693,91 323 1,07Е-13 31 273,12

223 2,18Е-17 153 169 142,34 333 2,50Е-13 13 371,23

233 5,10Е-17 65 489 440,57 343 5,84Е-13 5717,04

243 1,19Е-16 28 000 854,22 353 1,37Е-12 2444,39

253 2,79Е-16 11 972 126,05 363 3,20Е-12 1045,13

263 6,53Е-16 5 118 836,77 373 7,48Е-12 446,86

273 1,53Е-15 2 188 624,62 383 1,75Е-11 191,06

283 3,57Е-15 935 774,66 393 4,09Е-11 81,69

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

293 8,35Е-15 400 102,51 403 9,57Е-11 34,93

303 1,95Е-14 171 068,99 413 2,24Е-10 14,93

на практике необходимо определить функцию зависимости скорости реакций от температуры (4).

Константу скорости реакции можно рассчитать по графику Аррениуса для процесса термодеструкции полиэтилена (рис. 1).

Для определения зависимости константы скорости реакции от температуры необходимо знать уравнение прямой, представленной на рис. 1, а также координаты двух точек, через которые она проходит.

Примем, что прямая проходит через точки с координатами (372,6; -1,05) и (355,4; -1,7). Температура на графике указана в градусах Цельсия, а для расчета переведем ее в кельвины, прибавив 273 К. Таким образом, получим, что прямая проходит через точки с координатами (645,6; -1,05) и (628,4; -1,7).

Согласно уравнению прямой, проходящей через две точки, получим

Отсюда

\%К=И) = 0,369-Е - 24,89

где Т — темперкту— а в Кельвинах. Отсюда

К, (И) = 1 80-0369'г-24-8

(6)

(7)

С учетом (7) скор ость реакции от температуры (4) в относительных едкницахза одну секунду будет иметь зависимость, представленную на рис. 2.

При испольио—бнии статистич еской модели старения изоляции [-] нии общего про боя изоляции требуется разрушить 10 % молекул СН2. Отсюда, учитывая (3), скок службы изо2нхии от температуры может быть рассчитан по формуле

И - 64й,6 1сК, (И) + 1,0й

628,4 - 64й,6

- 1,Г + 1,0й

1п0,9

К1 (И) - 8Г60- 3600

(8)

лет

Срок службы изоляции в области температур выше 80 °С представлен на рис. 3.

Результаты расчета для графиков (рис. 2, 3) представлены в табл. 1.

Выводы. Результат расчета срока службы изоляционного материала от температуры показал, что в области рабочих температур изоляции срок службы очень велик и скорость разрушения материала мала, однако при увеличении температуры более 90 °С срок службы существенно сокращается. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации линий электропередачи изоляция подвергается воздействию электромагнитного поля и других деструктивных факторов, которые ускоряют старение изоляции, тем самым дополнительно сокращая срок ее службы. Полученные результаты планируется использовать в дальнейших исследованиях в области определения остаточного ресурса электроизоляционных материалов.

Библиографический список

1. Кучинский, Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях / Г. С. Кучинский. - Л. : Энергия, 1979. - 224 с.

2. Кучинский, Г. С. Изоляция установок высокого напряжения / Г. С. Кучинский, В. Е. Кизеветтер, Ю. С. Пинталь ; под общ. ред. Г. С. Кучинского. - М. : Энергоатомиздат, 1987. -368 с.

3. Брацыхин, Е. А. Технология пластических масс / Е. А. Брацыхин, Э. С. Шульгина. - 3-е изд., перераб. и доп. -Л. : Химия, 1982. - 328 с.

4. Вдовико, В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / В. П. Вдовико. - Новосибирск : Наука, 2007. - 155 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Горюнов, В. Н. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций и подстанций /

B. Н. Горюнов, К. И. Никитин, М. М. Сарычев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. -2011. - № 3 (103). - С. 211-213.

6. Никитин, К. И. Опережающее автоматическое включение резерва / К. И. Никитин, М. М. Сарычев, В. Д. Степанов, Е. Н. Еремин, К. В. Хацевский // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 1 (107). -

C. 237-238.

7. Мадорский, С. Термическое разложение органических полимеров / С. Мадорский ; перевод с англ. Д. Г. Вальковского [и др.] ; под ред. С. Р. Рафикова. - М. : Мир, 1967. - 328 с.

8. Никитин, К. И. Определение срока службы изоляции / К. И. Никитин, Д. А. Поляков // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 3. - С. 129-132.

ПОЛЯКОВ Дмитрий Андреевич, ассистент, аспирант кафедры теоретической и общей электротехники.

ЮРЧУК Дмитрий Анатольевич, студент гр. Э 136 Энергетического института.

КОЩУК Галина Андреевна, ассистент кафедры теоретической и общей электротехники. НИКИТИН Константин Иванович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теоретической и общей электротехники. Адрес для переписки: polyakowdmitry@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 14.04.2016 г. © Д. А. Поляков, Д. А. Юрчук, Г. А. Кощук, К. И. Никитин

Книжная полка

Быстрицкий, Г. Общая энергетика / Г. Быстрицкий. - 3-е изд., стер. - М. : КноРус, 2016. - 296 с. -ISBN 978-5-406-02763-9.

Приведены сведения о невозобновляемых и возобновляемых энергетических ресурсах, их характеристики; рассмотрены основы теплотехники: положения технической термодинамики и основы теплообмена. Даны схемы и принципы работы тепловых электрических станций, газотурбинных установок, АЭС, гидравлических и ветровых электрических станций. Представлено основное тепловое оборудование ТЭС: паровые и водогрейные котлы, паровые турбины и нагнетательные машины. Соответствует федеральному государственному образовательному стандарту среднего профессионального образования третьего поколения.

Для студентов учреждений среднего профессионального обучения, может быть использовано студентами электротехнических специальностей вузов, а также работниками электростанций и промышленности.

Михеев, Г. Электротехника и энергетика. Цифровая диагностика высоковольтного электрооборудования / Г. Михеев. - М. : ДМК Пресс, 2015. - 298 c. - ISBN 978-5-97060-268-3.

В книге приводятся традиционные и новые ресурсосберегающие методы и устройства диагностики подстанционного оборудования электростанций и электрических сетей энергосистем, такого как силовые трансформаторы на классы напряжения 35...750 кВ и установленные на них регуляторы под нагрузкой, а также высоковольтные выключатели 6.500 кВ и разрядники 35.500 кВ.

Книга рассчитана на инженерно-технический персонал предприятий, электростанций и электросетей, выполняющий работы по ремонту, эксплуатации и диагностике высоковольтного электрооборудования, а также на научных работников, студентов и аспирантов, занимающихся вопросами диагностики и контроля мощных силовых трансформаторов, коммутационных аппаратов, средств защиты от перенапряжения.