Анализ параметров кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, подверженного тепловому старению

Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, Россия; e-mail: , ORCID:

Буев С. А. Анализ параметров кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, подверженного тепловому старению. Вестник МГТУ. 2021. Т. 23, № 4. С. 341–349. DOI:

e-mail: , ORCID:

Buev, S. A. 2021. Analysis of XLPE cable parameters subject to thermo aging. Vestnik of MSTU, 23(4), pp. 341–349. (In Russ.) DOI:

Современные морские суда используют винторулевые колонки с электроприводом. Системами Azipod (компания ABB1) оборудуются круизные морские суда и танкеры. Винторулевые колонки гондольного типа позволяют при движении судна кормой разбивать льды, поэтому такие суда могут двигаться по Северному морскому пути без сопровождения ледокола (неэскортируемое плавание). В соответствии с Полярным кодексом2 судам, предназначенным для плавания в районах Арктики и Антарктики, присваивается ледовый и полярный класс. Суда, обеспечивающие перевозки сжиженного природного газа проекта "Ямал СПГ", имеют ледовый класс Arc 7 согласно Российскому морскому регистру судоходства.

Суда полярного класса длительное время двигаются кормой, поэтому они оборудуются дополнительным навигационным постом в кормовой части судна. Такие суда в соответствии с правилами классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства3 относятся к судам двойного действия (Double Acting Ship, DAS).

Движитель Azipod способен осуществлять вращение на 360°, что позволяет выполнять сложное маневрирование судном без помощи буксиров (например, в ходе постановки судна к причалу или при плавании в узкостях).

Мощность подобных установок достигает 5–22 МВт, поэтому для удовлетворения нужд подобных движителей на судне устанавливаются несколько дизель-генераторов. Для передачи электроэнергии используются судовые кабели, к которым предъявляются повышенные требования согласно стандарту IEC 60092-360 (2021)4 Международной электротехнической комиссии (МЭК)5.

Оборудование береговых энергосистем напряжением выше 33 кВ считается высоковольтным. Единые нормативные требования для судового высоковольтного электрооборудования в мировой практике не разработаны. Так, в США высоковольтными принято считать судовые системы напряжением выше 600 В, в России – выше 1 000 В ( Голиков, 2016 ).

В настоящее время на современные морские суда устанавливаются кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена или этиленпропиленовой резины, которые были известны еще с 1980-х гг. Промышленное производство данных кабелей в России началось сравнительно недавно. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена или этиленпропиленовой резины приходят на смену масло- и газонаполненным кабелям.

Несмотря на преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, вопросы по совершенствованию существующих и разработке новых методов диагностирования судового оборудования остаются актуальными, так как согласно статистическим данным 25 % аварий в электроустановках (приводивших в итоге к пожарам) связано с повреждениями, дефектами и пробоями в кабельной сети судна ( Власов и др., 2020 ).

В настоящей работе рассматривается метод аудита состояния изоляции на основе оценки изменения тангенса угла диэлектрических потерь в процессе теплового старения кабеля.

Материалы и методы

Общие сведения о кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена

Силовой кабель с изоляцией из полиэтилена напряжением 5 кВ впервые был применен в 1944 г. в США. Производители предполагали, что срок службы XLPE⁶-кабельных систем составит 20–30 лет, однако на практике кабельные линии "прослужили" половину от запланированного срока. Причина заключалась в несовершенстве кабельной конструкции, коррозии токопроводящих жил и возникновении водных триингов, приводящих к старению изоляции ( Hampton et al., 1997 ). При этом роль электрического поля (прежде всего при больших значениях его напряженности) являлась доминирующей по сравнению с остальными факторами, способствующими ускоренному старению материала (например, с воздействием внешней среды) ( Власов, 1980 ).

Современные производители кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена определяют срок службы не менее 30 лет7. Известно, что преимуществами полиэтилена являются высокая электрическая прочность;

низкие значения плотности, относительной диэлектрической проницаемости ε _r и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ; гибкость; стойкость к поглощению влаги ( Ларина, 1996 ).

Сшитый полиэтилен является одним из лучших полимеров для изготовления изоляции, так как имеет пространственную структуру молекулярной решетки. Сравнительные характеристики изоляции из различных материалов представлены в табл. 1 и 2 ( Ларина, 1996; Liu Xin-min, 2003 ). Указанные характеристики свидетельствуют о том, что сшитый полиэтилен, этилепропилен и кремнийорганическая резина имеют самую высокую температуру эксплуатации.

Таблица 1. Данные по температуре эксплуатации кабелей c различной изоляцией Table 1. Data of working temperatures for cables with different insulation

Материал изоляции	Обозначение изоляции	Длительная температура, °С	Предельно допустимая температура при коротком замыкании, °С
Полиэтилен	PE	70	150
Сшитый полиэтилен	XPLE	90	250
Поливинилхлорид	PVC	70	160
Этилепропилен	EPDM	90	250
Кремнийорганическая резина	HF S 95	95	Нет данных

Таблица 2. Параметры различных типов полимеров, используемых в изоляции кабелей Table 2. Parameters of some types of polymers used for cable insulation

Тип полимера	Удельное объемное сопротивление, Ом∙см	ε r	tgδ	Удельное термическое сопротивление δ, К∙м/Вт
Полиэтилен	1017	2,25	3∙10–4	3,8
Поливинилхлорид	1015	4,0	5∙10–2	7,0
Этиленпропилен	7∙1015	2,6	2∙10–3	6,1

В процессе эксплуатации в изоляции из сшитого полиэтилена могут возникать проводящие каналы – дендриты (триинги, древовидные образования). По способу происхождения выделяют три типа дендритов: дендриты электрического происхождения; водные триинги; дендриты химического происхождения.

При воздействии переменного тока и очень высоких значений импульсного напряжения развиваются триинги электрического происхождения. Электрические триинги связаны с процессом накопления в полимерном материале древовидных нарушений, обусловленных воздействием на диэлектрики ионизационных процессов при длительном электрическом старении кабеля ( Власов, 1980 ). Химическое древообразование появляется при накоплении в объеме изоляции кристаллических продуктов химических реакций, протекающих между кислотами и металлической жилой.

При проникновении влаги в изоляцию кабеля развиваются водные триинги. Данный процесс может возникать в результате повреждения оболочки кабеля, а также вследствие процесса диффузии через оболочку из полиэтилена. Дальнейшее развитие дефекта связано с действием электростатических сил на молекулы влаги.

При развитии водных триингов происходит значительное уменьшение сопротивления изоляции, что в итоге приводит к пробою, поэтому разработка методов по диагностированию подобных дефектов является востребованной и актуальной задачей.

Современные производители кабелей применяют нанокомпозиты на базе полиэтилена для совершенствования характеристик изоляции. Применение нанокомпозитов позволяет улучшить термомеханические и электрические свойства изоляции и повысить экономические характеристики.

При эксплуатации кабелей переменного тока и их соединений полимерные композитные материалы должны демонстрировать низкую электропроводность; индивидуальную диэлектрическую проницаемость и низкий коэффициент потерь; высокую диэлектрическую прочность на пробой; сопротивление частичному разряду; отсутствие электрических и электрохимических триингов; стабильность при более высоких рабочих температурах и т. д. На высоковольтных линиях постоянного тока изоляционные материалы должны отвечать двум дополнительным важным требованиям: 1) малые изменения электропроводности при различной температуре и напряженности электрического поля; 2) малый объем накопления заряда ( Plesa et al., 2018 ).

Методы диагностики XLPE-кабелей

В настоящее время все бóльшую актуальность приобретают разработка и применение неразрушающих методов контроля кабельных линий. Среди современных методов можно выделить метод измерения возвратного напряжения в изоляции, метод измерения тока релаксации, метод измерения частичных разрядов, метод испытания кабеля напряжением сверхнизкой частоты (0,1 Гц) ( Грешняков, 2018 ).

Неразрушающий метод оценки старения кабеля на основе анализа скорости распространения ультразвуковых волн и контроля твердости изоляции применяется для диагностики кабелей на атомных электростанциях ( Nishida et al., 1999 ).

Испытание XLPE-кабелей повышенным переменным напряжением регламентируется различными нормативными документами, в частности стандартом организации ПАО "Россети" (СТО 34.01-23.1-001-2017).

Однако при испытаниях кабеля повышенным напряжением возможно повреждение кабельных линий, в связи с чем на нефтеперекачивающих станциях для диагностики применяют метод отклика напряжения, который доказал свою эффективность ( Акбердин и др., 2008 ).

В работе ( Удовиченко, 2008 ) рассмотрены мониторинговые комплексы, диагностика которых основана на методе контроля температуры вдоль всей длины кабельных линий с передачей информации о локальных перегревах на пульт оператора. Применение указанных комплексов позволяет получать статистические данные по температуре кабеля в процессе его эксплуатации и оценивать на основании этой информации остаточный срок службы кабеля.

При проведении испытаний рекомендуется руководствоваться существующими стандартами (ГОСТ 10518-88, ГОСТ 12179-76).

Метод анализа параметров изоляции кабеля из сшитого полиэтилена в процессе ускоренного теплового старения

В процессе эксплуатации в изоляции кабеля происходят изменения, накапливаются дефекты, появляются трещины, разрушается оболочка кабеля и изоляция жилы. Для наблюдения за изменениями в изоляции в процессе старения применяют метод ускоренного теплового старения, когда кабель помещается на длительное время в термостат с температурой, превышающей температуру эксплуатации.

В ходе анализа параметров изоляции кабеля из сшитого полиэтилена в процессе его ускоренного теплового старения использовался кабель марки ПвБПнг(А)-HF длиной 2 м, имеющий пять медных жил сечением 35 мм2 с изоляцией, изготовленной из сшитого полиэтилена. Броня кабеля состояла из стальных лент; оболочка выполнена из ПВХ-пластиката.

В выбранном в качестве объекта исследования кабеле ПвБПнг(А)-HF для изолирования жил реализована силановая сшивка; данный кабель использовался на напряжение до 1 кВ.

Кабели ПвБПнг(А)-HF по конструктивному исполнению и техническим характеристикам соответствуют международному стандарту IEC 60502-2(2014) МЭК8 и гармонизированным документам Европейского комитета по электротехнической стандартизации9 (HD 605 S2 и HD 620 S2).

В ходе исследования кабель ПвБПнг(А)-HF помещался в термостат с температурой 120 °C, где выдерживался в течение длительного времени. Периодически для оценки параметров изоляции кабель вынимался из термостата и кондиционировался до комнатной температуры (20–22 °C); затем проводились замеры тангенса угла диэлектрических потерь измерителем параметров изоляции Тангенс-2000 по схеме, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения tgδ и емкости изоляции С кабеля с использованием прибора Тангенс-2000: 1 – фиксирование клеммы высоковольтного кабеля на броне исследуемого объекта;

2 – фиксирование клеммы измерительного кабеля на месте соединения оголенных жил кабеля Fig. 1. Measurement scheme of tgδ and С of the XPLE cable by the Tangent-2000 device:

1 – fixing the terminal of high voltage cable to the armour of the under study object;

2 – fixing the measurement cable to the connection of all core together

Измерения параметров кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена проводились при испытательном напряжении 500 В после охлаждения кабеля до комнатной температуры (18–22 °С).

Результаты и обсуждение

Результаты измерений параметров tgδ и емкости изоляции С кабеля ПвБПнг(А)-HF с помощью прибора Тангенс-2000 при тепловом старении кабеля представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Экспериментальные данные измерений параметра tgδ кабеля ПВБПнг(A)-HF

Fig. 2. Experimental data of tgδ of XLPE cable PvBPng (A)-HF

Значение тангенса угла диэлектрических потерь на протяжении всего проведения эксперимента изменялось незначительно: параметр tgδ находился в пределах 0,1 %. Показания емкости изоляции при первом измерении выросли на 5 %, далее в течение 1 800 ч теплового старения не изменялись; после 2 000 ч наблюдений незначительно понизились по сравнению с начальными данными.

Рис. 3. Экспериментальные данные измерений емкости изоляции кабеля ПВБПнг(A)-HF Fig. 3. Experimental data of capacity measurement of XLPE cable PvBPng(A)-HF

Полученные данные свидетельствуют о стойкости изоляции к повышенным температурам. Для определения дополнительных данных выполнены измерения tgδ и емкости изоляции между жилами кабеля. Для этого схема измерений (рис. 1) была изменена: клемма высоковольтного кабеля подключалась к одной из жил кабеля; клемма измерительного кабеля фиксировалась на другой жиле кабеля; результаты измерений представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Значения tgδ изоляции при измерении между жил кабеля ПвБПнг(А)-HF в различные периоды теплового старения

Fig. 4. Data of tgδ when measured between cores of the PvBPng (A)-HF cable in different periods of thermal aging

Рис. 5. Значения емкости изоляции при измерении между жил кабеля ПвБПнг(А)-HF в различные периоды теплового старения

Fig. 5. Insulation capacitance values when measured between conductors of PvBPng (A)-HF cable in different periods of heat aging

Таким образом, в течение времени теплового старения значения тангенса угла диэлектрических потерь XLPE-изоляции жилы изменялись в пределах 0,2–0,3 %; параметры емкости XLPE-изоляции жилы – в пределах 150–200 пФ (рис. 4 и 5).

Заключение

Согласно требованиям международного электротехнического стандарта IEC 60092-360 (2021) максимальная рабочая температура изоляционных материалов, применяемых на морских силовых установках, не должна превышать 90 оС. Исследуемый XLPE-кабель сохраняет свои характеристики при температуре 120 оС в течение длительного времени, что свидетельствует о стойкости изоляции к повышенным температурам, поэтому данный кабель может сохранять свои свойства при аномальном локальном температурном перегреве.

Диагностирование судовых кабелей методом измерения параметров его изоляции (контроля значений тангенса угла диэлектрических потерь и емкости) целесообразно применять при аудите судового оборудования.

Учитывая сложность доступа к месту прокладки кабельных линий, разнообразие марок и типов кабелей, используемых на судне, необходимо использовать различные методы диагностики, не ограничиваясь традиционным измерением сопротивления изоляции и проверки кабеля на пробой повышенным напряжением, что регламентируется различными нормативными документами. Так, правилами Российского речного регистра предусмотрена проверка нового кабеля напряжением 0,7–1,0 кВ испытательным переменным напряжением 3 кВ в течение 5 мин10.

Перспективным направлением совершенствования судового оборудования является комплексный подход к его диагностике с использованием устройств контроля параметров изоляции и тепловизоров методом количественной инфракрасной термографии в закрытых комплектных установках с передачей данных оператору посредством спутниковых каналов связи ( Власов и др., 2019; Устройство …, 2019 ).

Дальнейшая работа по разработке диагностической модели кабеля предусматривает изучение условий эксплуатации судового электрооборудования, определение диагностических параметров и выявление основных воздействующих факторов, оценку показателей надежности, прогнозирование состояния объекта .