Влияние электрического и магнитного полей на коррозию алюминиевых оболочек силовых кабелей

В системе электроснабжения потребителей городских электрических сетей одним из самых протяжённых элементов являются силовые кабели напряжением 6 (10) кВ. Необходимо отметить, что коррозионные воздействия зачастую являются первопричиной развития пробоя изоляции, так как при разрушении металлических оболочек кабелей начинается процесс диффузии и сорбции влаги с различными ионами солей из грунта в изоляцию.

Анализ статистики повреждаемости кабелей и их причин, проведённый нами в городских сетях Челябинска и Нефтекамска, показал, что существует разница в процессе повреждений изоляции кабельных линий (КЛ), находящихся под напряжением (т. е. под воздействием электрического поля КЛ), но без нагрузки и нагруженных КЛ (т. е. под воздействием магнитного поля КЛ) [1]. Данные поля, как показывает практика эксплуатации, и статистика повреждаемости являются дополнительными факторами, влияющими на скорость коррозии металлических оболочек кабелей (нами проводилось сравнение процесса коррозии кабелей, работающих в разных условиях – на холостом ходу, под напряжением, под напряжением и нагрузкой) по отношению к процессу коррозии, например от блуждающих токов.

Целью данных исследований стало определение интенсивности процесса коррозии металлических оболочек кабелей в трёх режимах работы: 1) без воздействия электрического и магнитного полей; 2) под воздействием электрического поля; 3) кабель под воздействием магнитного поля.

Методика исследований

В качестве образцов использовались отрезки трёхжильного кабеля, сечением жил 120 мм2 в алюминиевой оболочке (типа ААШв) диаметром 40 мм и длиной 500 мм. Для удобства наблюдения процесса коррозии алюминиевой оболочки во времени с образцов кабеля был снят наружный защитный покров в виде выпрессованного шланга – оболочки из поливинилхлорида. С одной стороны, образец был плотно изолирован концевой муфтой, с другой – три жилы раздвинуты для подключения к установке – источнику электрического и магнитного полей. Образцы помещались в 3 % мас. раствор NaCl объёмом 1 л, находящийся в прозрачном полиэтиленовом цилиндре. Глубина погружения образцов 22 см. Температура 20 ± 2 °C.

Исследовались три типа образцов: 1 – холостой, контрольный (К-образец); 2 – под напряжением 6 кВ (E-образец); 3 – под действием однофазного вращающегося магнитного поля напряжённостью до 50,2 Э (4 • 10 3 А • м ^{- 1} ) (М-образец).

Для проведения испытаний была разработана и создана установка (рис. 1), состоящая:

• 1)    из стандартного испытательного прожигающего аппарата по испытанию диэлектриков синусоидальным электрическим напряжением частотой 50 Гц (АИД-70) для подключения кабеля под высоковольтное напряжение 6 кВ;

• 2)    L - ячейк и для с оз д а н и я к р угового вращающегося магнитного поля с н а пряжё н н ос ть ю д о 4 - 10 3 А • м ^{- 1}. L -ячейк а п ре д с т а вляет собой статор, в пазах которого уложены 3 оди на ковы е о б мотк и , н ача л о которых сд в и н уто по окружности на угол 120 градусов. Схем а с о е д и н е н и я о б м оток – з в е зд а. Для п олу че н и я п е ре ме н н ого в ращ ающ е го м а гн и тн ого п о ля на обмотки подавалось трёхфа зн ое нап ряж е н и е , че ре з трё х фа зн ый ЛАТ Р ( 0–380) В. Для получения однофазного пере менн ого магн и тн ого п о ля об мот ки собирались последовательно и на них пода в а лось од н о фа зн о е напряжение через ЛАТР (0–2 20) В. В ячейку помещался цилиндр с раствором, в котором находился М-образец.

Рис. 1. Экспериментальная установка испытаний на коррозию 1 – высоковольтная установка (до 70 кВ) для подключения экспериментальных образцов кабеля под напряжение 6 кВ; 2 – L -ячейка для создания кругового вращающегося магнитного поля; 3 – экспериментальные образцы силовых кабелей

Изу че н и е в н е ш н е го ви д а тв ёрдых продуктов коррозии производилось в изуа л ьн о н а ми к роскопе МПБ-2 и п утё м фотограф ирования с использованием тринокулярног о с те р е оми к р ос к о па Nikon SMZ 745T.

К он троль к орроз и он н о го п роцесса оболочек производился с применение м х и ми че с к ог о а н а л и з а п роб рас тв ора н а с о д е рж а н ие алюминия, использовался спектрометр э ми с с и он н ый Optima 2100 DV (160 – 900 н м ). рН оп ред еляли н а рН-метре рН-673.М. Концентрация хлорид-ионов в р а с тв оре ( г /л ) оп р е д елялас ь ти тр ованием нитратом ртути в кислом растворе с и нд и к а то ром д и- ф е н и лк а рбаз и дом п о ст а нд а ртн ой ме то д и к е [ 2 ] .

Твёрдые п ро д у к ты к ор ро зи и (осадки на поверхности образцов и отслоив ш ие с я от н и х н а д н е цилиндров) изучались двумя н е зависимыми физическими методами: диффере н ц и а л ьн ой ск а н и р ующ е й к алори ме три и (ДСК ) и рентгено с тру к ту рн ым а н а ли зом ( Р С А) .

Ди ффере н ц иа льн у ю с ка ни р ующую калориметрию осуществляли на синхр он н ом те рми ч еском анализаторе Netzsch 449C в к ору н д ов ых т игл ях, в а тм осфере воздуха со скоростью нагрева 10 К/мин.

Р ентгенострук ту рн ый ан али з производился с применением дифрактометр а Д Р ОН-3, излучением CuK a , п ри 35 к В ( 2 5 мА) в д и а п а зон е от 10 до 90 ° . Для анализа дифрактограмм использова л и б а зу ре н тге н ов ск их спе к тров IC DD P DF2.

Результаты и их обсуждение

О см о т р исх о дны х о бр азц о в алюминиевых оболочек кабелей показал, что н а их повер х но ст и им еют ся т ех но л о г ич еские о севые царапины. Образцы находились в электролит е 6 8 4 0 ч . Во здейс т вию эл ект р ич еско г о и м агнит но г о по л ей он и по двергались периодически в общей сложности 524 ч.

Осмотр после испытаний показал, что процесс коррозии локализуется преимущественно внутри технологических дефектов (Е - образцы) и на краях дефектов (М - образцы). Характерный вид начальных коррозионных образований представлял собой одиночные шарообразные углуб- ления в алюминиевой оболочке кабеля, которые при дальнейшем процессе коррозии соединялись между собой (на рис. 2 приведён пример для М-образца). На границе «воздух – электролит» наблюдалась характерная для алюминия и его сплавов язвенная (питтинговая) коррозия.

Рис. 2. Фотография алюминиевой оболочки кабеля, рассмотрен процесс коррозии в магнитном поле

На рис. 3 при в е де н ы д ифр актограммы продуктов коррозии трёх иссл ед у е мых э к с п е ри ментальн ых обра зц ов . Ан а лиз д и ф рактограмм представлен в таблице; выявлены фа зы ба й е ри та , ги ббсита и бемита.

На рис. 4 при в ед ены те р м олитические кривые ТГ и ДСК твёрдых пр о д у к тов к оррози и для трёх э к с п е ри м е н та льных об ра зц ов .

Рис. 3. Дифрактограммы исследуемых осадков из образцов

Анализ дифрактограмм исследуемых осадков из образцов

Выявленные характерные дифракционные максимумы на дифрактограммах									Состав осадка. Соответствие характерных дифракционных максимумов следующим структурам
К-образец			Е-образец			М-образец
Угол	Площадь	Макс. %	Угол	Площадь	Макс. %	Угол	Площадь	Макс. %
14,2	238,89	20,93	14,2	64	4,11	14,1	83,36	9,45	Бемит
18,6	379,55	36,47	18,7	164,32	11,86	18,6	360,26	32,74	Байерит, Гиббсит
20,6	186,28	27,45	20,6	45,76	4,56	20,6	128,49	20,14	Гиббсит
26,9	53,56	11,65	26,8	35,61	4,93	26,8	45,58	5,12	Гиббсит
27,5	18,79	3,62	27,6	82,92	11,59	27,6	66,6	10,89	NaCl
29,3	21,88	3,42	29,4	10,47	1,55	29,4	12,05	2,69	Гиббсит
31,9	209,44	41,28	31,9	758,32	100	31,9	449,61	100	NaCl
33,3	4,71	1,18	–	–	–	32,7	28,84	4,4	Байерит
36,8	115,62	8,76	–	–	–	36,9	186,07	9,32	Гиббсит
37,9	249,69	9,61	38,30	109,42	2,55	37,9	295,22	10,76	Гиббсит, бемит
39,7	118,75	6,45	–	–	–	39,9	84,43	4,99	Гиббсит, байерит
40,8	277,13	37,39	40,8	31,41	3,1	40,8	66,79	8,01	Байерит
43,8	5,06	0,99	–	–	–	43	0,3	0,72	Байерит, гиббсит
45,7	168,25	31,14	45,7	376,12	50,23	45,7	280,84	54,46	NaCl
47,5	44,52	3,49	–	–	–	47,6	59,64	3,54	Гиббсит
48,5	73,22	3,55	48,5	22,27	1,46	49,2	64,71	4,07	Гиббсит, байерит
51,1	6,42	1,18	–	–	–	51	6,12	1,05	Гиббсит
53,4	98,14	14,15	53,4	10,69	1,28	53,5	12,49	2,3	Байерит
54,4	30,6	2,76	54,1	17,51	2,46	54,3	9,34	1,9	Гиббсит
56,7	35,15	7,31	56,7	104,68	13,18	56,7	84,2	15,49	NaCl
57,8	11,09	1,58	–	–	–	–	–	–	Гиббсит
59,6	19,89	2,04	–	–	–	59,6	2,32	0,79	Байерит
–	–	–	–	–	–	60,5	3,86	0,85	Гиббсит
64,1	156,3	7,57	64,4	58,4	1,55	64,1	111,74	4,72	Байерит
66,4	42,03	4,67	66,400	47,95	5,02	66,4	45,76	5,91	Гиббсит
67,5	37,18	3,29	–	–	–	–	–	–	Гиббсит
68,3	24,08	3,49	–	–	–	–	–	–	Байерит
69,8	14,83	1,25	–	–	–	–	–	–	Байерит
70,9	45,59	4,28	–	–	–	–	–	–	Байерит
75,5	34,32	5,66	75,5	104,92	10,77	–	–	–	NaCl
79	19,35	2,24	–	–	–	–	–	–	Гиббсит
81,8	20,29	1,12	–	–	–	–	–	–	Гиббсит
–	–	–	84,2	69,84	6,98	84,2	35,19	5,45	NaCl

ТГ, % 100

ДТА, отн. ед.

100  200  300  400  500  600  700  800  900 1000

Рис. 4. Термограммы трёх экспериментальных образцов

-5

Т, °C

Данные ДСК полностью подтвердили данные рентгеноструктурного анализа:

• 1.    В составе осадка, образовавшегося в растворе, в котором находился образец под влиянием магнитного поля (М-образец), преобладает бемит γ -AlOOH , характеризуемый чётким эндо максимумом на 328 °C, (распад с образованием γ -Al₂O₃ ) и размытым максимумом на ≈ 850 °C (фазовый переход γ -Al₂O₃ → δ -Al₂O₃ ) [3, 4].

• 2.    Составы осадков растворов, в которых находились образцы кабеля без воздействия полей и под влиянием электрического поля, содержат одинаковые составляющие. Эндо максимумы на 350–360 °C показывают наличие неустойчивого α -Al(OH)₃ (байерита), γ -Al(OH)₃ (гиббсита) и перехода с распадом на смесь оксидов χ, η , γ -Al₂O₃ (преимущественно χ -Al₂O₃ ). При 475–500 °C происходит фазовый переход χ -Al₂O₃ в ϰ -Al₂O₃ . При 800–850 °C переход в δ -Al₂O₃ .

Таким образом, независимыми методами определено, что под влиянием магнитного и электрического полей на поверхности оболочек кабелей в условиях эксперимента образуются байе-рит, гиббсит и бемит.

Силовые кабели 6(10) кВ прокладываются в грунте на глубине 0,7 м. За счёт атмосферных осадков и грунтовых вод, содержащих кислород и ионы солей, создаются условия для электрохимической коррозии алюминия.

Любые границы раздела фаз энергетически неоднородны. В соответствии со статистикой Больцмана, на поверхности имеются активные (энергия больше средней) и пассивные участки (энергия меньше средней). Естественно, что химическое взаимодействие начинается на активных участках.

На активных участках происходит окисление алюминия:

AT ^ Al^{3 +}+ 3e.                                                                     (1)

Катионы Al^{3 +} переходят в раствор, электроны – на пассивные участки, где они ассимилируются полярными молекулами воды с восстановлением ионов водорода:

2e + 2H₂O ^ H 2 + 2OH - .                                                       (2)

Окислительный и восстановительный процессы пространственно разделены, но совершаются одновременно.

Ионы Al^{3 +} и OH ^- мигрируют встречно, образуя осадок, состав которого, как показал рентгеноструктурный анализ и дифференциально-термический анализ, содержит фазы байерит Al(OH)₃ , гиббсит Al(OH)₃ , бемит AlOOH.

Так как в растворе появляются заряженные частицы, то возникает возможность управления электрохимическим процессом.

Валовые уравнения можно представить так:

2Al + 2H₂O + O₂ → 2AlOOH ↓ + H₂ ↑ .                                             (3)

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ ↓ + 3H₂ ↑ .                                                  (4)

Выделяющийся газообразный водород разрывает гидроксидную плёнку, отслаивает её от алюминиевой оболочки кабеля, образуя участи коррозии. Это обеспечивает непрерывность процесса коррозии. Отслоившиеся чешуйки продуктов оседают на дне цилиндров.

Продукты реакции (уравнение (3), (4)) диссоциируют, и в растворе накапливаются ионы Al^{3 +} . Содержание Al^{3 +} в электролите в зависимости от времени экспериментов представлено на рис. 5.

Рис. 5. Суммарные графики изменения концентрации Al^{3 +} в течение времени эксперимента (заштрихованные точки соответствуют экспериментальным; полые точки соответствуют линейным зависимостям, полученным аппроксимацией экспериментальных точек с достоверностью R ² >  0,95 )

Кинетика коррозионного процесса

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости концентрации

C (Al³⁺) в мг/л от времени т в часах (см. рис. 5):

Cк = 0,002604ч,(5)

CEi = 0,003415ч,(6)

Cmi = 0,005021^т,(7)

CE2 = 2,099 + 0,002778ч,(8)

Cm2 = 6,342 + 0,002390ч.(9)

Из формы зависимостей концентрации катионов Al³⁺ в растворе от времени испытаний ( C (Al³⁺) = f ( т )), приведённых на рис. 5, можно сделать заключения:

• 1.    Зависимости исходят из C (Al³⁺) = 0 при времени т = 0.

• 2.    Кривые изменения концентрации C (Al³⁺) = f ( т ) в осадке раствора, в которых находились образцы под влиянием электрического и магнитного полей расположены выше кривой контрольного эксперимента . Это подтверждает влияние собственного магнитного и электрического полей КЛ на коррозию алюминия.

• 3.    Зависимость для контрольных образцов (К) является линейной и описывается уравнением C к = K к т .

• 4.    Зависимости для образцов (Е) и (М) состоят каждая из двух линейных участков. Начальная (первая область), время т = 0 ^ -2400 часов, описываются уравнениями C _Е1 = K _Е1 т и C _м1 = K _м1 т . При времени т > 2400 часов (вторая область): C _Е2 = a _Е2 + K _Е2 т и C _м2 = a _м2 + K _м2 т .

Выводы

• 1.    Экспериментально доказана зависимость скорости коррозии алюминиевых оболочек силовых кабелей напряжением 6 (10) кВ, на примере кабеля типа ААШв (6 кВ), от воздействия собст-

• венного магнитного и электрического полей, что является дополнительным фактором, ускоряющим процесс коррозии металлических оболочек кабелей (например, от блуждающих токов).

• 2.    Скорость коррозии в однофазном вращающемся магнитном поле больше, чем в электрическом (при рассмотренных условиях эксперимента). В условиях испытаний минимальная скорость коррозии наблюдается в отсутствии воздействий электрического и магнитного полей.

• 3.    Собственное магнитное поле трёхфазного кабеля имеет вращающийся характер и вызывает дополнительные вихревые токи в металлических оболочках кабеля, кроме того, вращающийся характер магнитного поля и его градиент могут влиять на процесс массообмена вблизи оболочки кабеля, что вероятно и является причиной дополнительного влияния на процесс коррозии. В условиях эксплуатации силового кабеля данный фактор действует совместно с блуждающими токами. Для установления механизмов влияния собственного электрического и магнитного полей КЛ необходимы дальнейшие системные исследования с учётом конструкционных особенностей силовых кабелей 6(10) кВ и условий их эксплуатации.

• 4.    Проведённые исследования необходимы для разработки конструктивных решений при проектировании силовых кабелей для оптимизации параметров магнитного и электрического полей, выборе расположения фаз кабеля (так например фазы могут располагаться в ряд или в треугольник, при расположении треугольником происходит компенсация общего магнитного поля кабеля; жилы могут иметь круглую и секторную форму; при секторной форме и расположении треугольником происходит выравнивание картины электрического поля, что может замедлить процесс коррозии).