автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ИССЛЕДОВАНИЙ КАЧЕСТВА СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ПРОПИТАННОЙ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ НА НАПРЯЖЕНИЕ ДО 35 KB.

1.1. Состояние производства и технический уровень силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.

1.1.1. Структура и объемы выпуска кабелей.

1.1.2. Технический уровень силовых кабелей.

1.2. Влияние технологии производства на качество кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.

1.2.1. Зависимость свойств изоляции от технологических режимов сушки-пропитки.

1.2.2. Исследования процессов пропитки и охлаждения кабелей после пропитки.

1.3. Исследования термического и термоэлектрического старения пропитанной бумажной изоляции.

1.3.1. Состав, структура и свойства бумаги для электрической изоляции.

1.3.2. Термическое старение непропитанной бумаги.

1.3.3. Старение изоляции при циклическом изменении тока нагрузки.

1.3.4. Представления о физических и физико-химических процессах при старении пропитанной бумажной изоляции кабеля.

1.3.5. Выделение газов в процессе старения пропитанной бумажной изоляции кабеля.

1.4. Физико-математические модели старения пропитанной бумажной изоляции силовых кабелей на напряжение 6-35 кВ.

1.5. Повреждаемость силовых кабелей в течение срока эксплуатации кабельных сетей.

1.6. Анализ опубликованных результатов исследований кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. Цели и задачи диссертации.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ

ПРОПИТАННОЙ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ.

2.1. Задачи исследований.

2.2. Исследование давления пропитывающего состава изоляции кабеля при изменяющейся температуре.

2.2.1. Экспериментальные исследования.

2.2.2. Теоретические оценки изменения давления пропиточного состава в кабеле при изменяющейся температуре.

2.3. Исследования свойств пропитанной бумажной изоляции при циклических режимах нагрузки кабелей.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Несмотря на интенсивное развитие производства силовых кабелей с полимерной изоляцией в России основным типом кабелей на среднее напряжение являются кабели с пропитанной бумажной изоляцией (ПБИ) в металлической оболочке. Их производство будет осуществляться и в ближайшей перспективе. Это обусловлено рядом причин. В первую очередь это обусловлено наличием развитой производственной базы на предприятиях, осуществляющих выпуск силовых кабелей, а также устойчивым спросом на этот тип кабелей как в России, так и в других странах. Во-вторых, это связано с уровнем готовности энергосистем к использованию в кабельных сетях кабелей с полимерной изоляцией взамен эксплуатирующихся в течение многих лет кабелей с ПБИ.

Бумажная пропитанная изоляция силовых кабелей отличается высоким уровнем электрических характеристик, стойкостью к термическим воздействиям и долговечностью. Однако уровень допустимых температур нагрева жил кабелей в значительной мере зависит от свойств изоляционных пропиточных составов. Поэтому для обеспечения надежности кабелей в эксплуатации прибегают к снижению допустимых температур нагрева, ограничению применения кабелей при прокладке по наклонным трассам и снижению токов нагрузки по сравнению с аналогичными кабелями с полимерной изоляцией. При решении задач, связанных с рациональным нормированием допустимых температур нагрева силовых кабелей с ПБИ, усовершенствованием изоляции кабелей, необходимо располагать информацией об особенностях механизма старения ПБИ при воздействии основных эксплуатационных факторов, а также владеть методами испытаний, позволяющими количественно оценить влияние этих факторов на долговечность ПБИ. В действующей нормативной документации, в том числе 6 в стандартах Международной электротехнической комиссии (МЭК) на кабели с ПБИ, а также в исследовательской практике такие методы отсутствуют.

Имеющиеся экспериментальные данные, характеризующие термическое или термоэлектрическое старение бумаги как элемента конструкции изоляции, не могут быть непосредственно использованы для прогнозирования долговечности силовых кабелей с ПБИ, так как они получены без учета особенностей механизма старения изоляции кабеля в реальных условиях эксплуатации.

Нормирование токов нагрузки кабелей непосредственно связано с установлением допустимых температур нагрева. Практический интерес к этому вопросу обусловлен тем, что токи нагрузки кабелей с ПБИ, нормированные в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ), значительно отличаются от нормированных значений в стандартах зарубежных производителей кабелей и расчетных значений. В этой связи требуется уточнение расчетов токов нагрузки, что позволит избежать режимов, приводящих к перегревам изоляции, а в ряде случаев более полно использовать нагрузочную способность кабеля. Решение перечисленных проблем, связанных с повышением эксплуатационных свойств силовых кабелей с ПБИ, определяет актуальность исследований, выполненных в данной диссертационной работе.

Цель работы. Целью работы является повышение допустимых температур нагрева силовых кабелей с ПБИ на основе экспериментально определенных закономерностей термоэлектрического старения изоляции, усовершенствование изоляции кабелей, а также уточнение методов расчета и корректировка допустимых токов нагрузки с учетом повышенного уровня температур нагрева жил кабелей.

Научная новизна. Разработана теория перемещения пропиточного состава в изоляции кабелей с вязким и нестекающим составами и изменения давления пропитывающего состава в процессе периодических циклов нагрева и охлаждения кабеля вследствие изменения тока нагрузки. Развиты 7 представления о локализации газовых включений в ПБИ при нагреве и охлаждении кабеля. Экспериментально и теоретически показано, что в период охлаждения кабеля в области около токопроводящей жилы (ТПЖ) всегда возникают газовые включения с давлением ниже атмосферного, что приводит к возникновению ионизации и снижению пробивного напряжения.

Экспериментально показано, что в процессе старения ПБИ при воздействии напряжения и циклического нагрева напряжение начала возникновения ионизации в газовых включениях увеличивается, что вызвано выделением газов при старении изоляции и повышением давления в газовых включениях.

Предложена физическая модель для описания процессов изменения давления в газовых включениях и развития ионизации в них, учитывающая как параметры технологических процессов изготовления кабеля, так и режимы эксплуатации.

Предложена физико-математическая модель старения ПБИ при одновременном воздействии напряжения и циклического изменения тока нагрузки. Определены константы, характеризующие кинетику термоэлектрического старения ПБИ, изучена закономерность изменения эквивалентного пробивного напряжения от температуры, предложен метод стендовых испытаний кабелей с ПБИ по подтверждению их срока службы.

Практическая ценность. Осуществлено на практике повышение допустимых температур нагрева ТПЖ силовых кабелей на напряжение 6-35 кВ. Экспериментально подтвержден нормированный 30-ти летний срок службы кабелей при повышенных температурах нагрева в эксплуатации.

Нормированы в технической документации значения допустимых токов нагрузки и токов короткого замыкания силовых кабелей, которые используются для выбора сечений жил кабелей при проектировании кабельных линий.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований давления пропиточного состава в кабеле при циклическом нагреве жил кабеля 8 могут быть использованы при решении задач конструирования, технологии производства и при эксплуатации кабелей в свинцовой или алюминиевой оболочках.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде:

- серии силовых кабелей с ПБИ на напряжение 6-35 кВ с повышенными температурами нагрева, выпускаемых по ГОСТ 18410-73 с изменением №5, на предприятиях России ОАО "Камкабель", ОАО "Иркутсккабель", ЗАО "Москабельмет", ОАО "Сарансккабель", ОАО "Севкабель" общим объемом до 10,5 тыс. км в год;

- изоляционного пропиточного состава с повышенной вязкостью и термостойкостью на основе кабельного масла и сэвилена в качестве загустителя для изоляции силовых кабелей на напряжение 1-6 и 10 кВ, изготавливаемого на ОАО "Камкабель" по патенту РФ № 1700599 "Пропиточный состав";

- нормированных в ГОСТ 18410-73 с изменением №5 уточненных значений токов нагрузки кабелей с ПБИ на напряжение 6-35 кВ, включенных в проект новой редакции Главы 1.3 "Правил устройства электроустановок" (ПУЭ), 7-го издания;

- уточненных значений допустимых токов короткого замыкания силовых кабелей на напряжение 1-35 кВ с учетом повышенных температур нагрева и токовой нагрузки, предшествующей короткому замыканию, нормированных в ГОСТ 18410-73 с изменением № 5;

- методики испытаний силовых кабелей с ПБИ на подтверждение нормированных значений срока службы, включенной в ГОСТ 18410-73 с изменением № 5.

Повышение допустимых температур нагрева жил кабелей и токов нагрузки позволило более эффективно использовать силовые кабели с ПБИ в 9 электрических сетях городов и промышленных предприятий. Использование усовершенствованных рецептур пропиточного изоляционного состава МП-ЗС обеспечило снижение себестоимости кабелей на напряжение 6-10 кВ.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований давления пропиточного состава силовых кабелей при циклических режимах токовой нагрузки.

2. Физическая модель процессов развития ионизации в газовых включениях в зависимости от давления пропиточного состава и параметров технологического режима изготовления кабеля.

3. Физико-математическая модель старения ПБИ силовых кабелей при воздействии циклического нагрева и напряжения и основанная на ней методика, обосновывающая режим стендовых испытаний по подтверждению срока службы.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на Всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка, исследования и эксплуатационные испытания кабельных изделий", Ереван, 1986г.

- на IV— Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов, компонентов и кабельных изделий, Москва, 2001г.

По теме диссертации опубликовано 8 работ (49 - 51, 55, 56, 59, 60, 63).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, содержащих результаты работы, заключения и списка литературы. Материал изложен на 128 страницах текста и иллюстрирован 50 рисунками. Список литературы содержит 65 наименований.

выводы

1. На основе экспериментальных исследований ПБИ силовых кабелей показано, что при циклических режимах нагрузки в период снижения токовой нагрузки давление пропиточного состава в области токопроводящей жилы снижается и сопровождается образованием газовых включений, давление в которых меньше атмосферного. Локализация газовых включений с пониженным давлением в области ТПЖ приводит к увеличению скорости старения ПБИ под действием ионизации.

2. Предложена физико-математическая модель ионизационного старения ПБИ и обоснован режим испытаний кабелей по подтверждению их срока службы.

3. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования перемещения пропитывающего состава и изменения давления в кабеле при нагреве и охлаждении. Показано, что на металлическую оболочку кабеля изнутри оказывает давление жидкий пропиточный состав и расширение бумажной изоляции. Теоретически обосновано, что суммарное давление пропиточного состава и каркаса бумаги могут вызвать растяжение свинцовой оболочки.

4. Предложена физическая и математическая модель изменения давления пропиточного состава в кабеле при нагревании и охлаждении, учитывающая дополнительную пропитку микропор в изоляции при повышении давления пропиточного состава. Установлено, что распределение давления пропиточного состава по толщине изоляции можно описать уравнением по форме аналогичным уравнению диффузии. При этом в уравнении давления коэффициент диффузии равен отношению коэффициента проницаемости к коэффициенту массоемкости.

5. Экспериментально определен коэффициент пропитки микропор, который в уравнении диффузии играет роль массоемкости. Определено время

167 релаксации давления пропиточного состава, которое в интервале температур 40-70 °С хорошо согласуется с расчетным значением.

6. Установлено, что при соблюдении нормированных технологических режимов изготовления кабеля критическая ионизация в газовых включениях не возникает при напряженностях поля в изоляции как в нормальном, так и в аварийном режиме эксплуатации.

7. Определены константы термического старения ПБИ силовых кабелей в диапазоне допустимых температур нагрева в эксплуатации. Предложен метод испытаний силовых кабелей по подтверждению срока службы, основанный на одновременном воздействии циклического нагрева ТПЖ и постоянно приложенного переменного напряжения, равного 1,73UH. Метод испытаний кабелей по подтверждению срока службы внесен в ГОСТ 18410-73.

8. Разработан усовершенствованный изоляционный пропиточный состав с применением сополимера этилена с винилацетатом в качестве загустителя. Пропиточный состав с использованием сэвилена в качестве загустителя защищен Патентом РФ. Нормированные рецептуры изоляционного пропиточного состава внесены в техдокументацию.

9. Применение изоляционных пропиточных составов с повышенными значениями вязкости позволило практически реализовать повышение длительно допустимых температур нагрева кабелей в нормальном режиме эксплуатации на 15 °С для кабелей 6 и 35 кВ и на 10°С для кабелей на напряжение 10 кВ. Новый уровень допустимых температур нагрева подтвержден экспериментально и внесен в ГОСТ 18410-73 с изменением № 5.

10. Уточнены значения допустимых токов нагрузки кабелей в нормальном режиме и токов короткого замыкания. Значения токов нагрузки кабелей внесены в ГОСТ 18410-73 и включены в согласованный проект Главы 1.3. ПУЭ седьмого издания.

168

1. Пешков И.Б., Мещанов Г.И., Каменский М.К. Современное состояние и основные тенденции развития силовых кабелей //Кабельная техника. -1997. -№ 12, 13 (250, 251).-С. 9-16.

2. Свистунов А.С. Направление работ по развитию кабельной сети Москвы // Кабели и провода. 2001. - № 3 (268). - С. 18-21.

3. Пешков И.Б., Уваров Е.И. Производство кабелей и проводов энергетического назначения. Перспективы и направления //Кабели и провода. 2001. - № 3 (268). - С. 22-26.

4. Каменский М.К., Никитина Н.А. Исследования долговечности бумажной пропитанной изоляции силовых кабелей, пропитанной нестекающим составом // Электротехническая промышленность. Сер. Кабельная техника. 1978. - № 9 (196).- С. 1-3.

5. Привезенцев В.А. Производство силовых кабелей. М-Л.: Госэнергоиздат, 1956.-448 с.

6. Выявление технического состояния кабельных линий на напряжение 6-10кВ с повышенными температурами нагрева в городских электросетях / Технический отчет. ПО "Союзтехэнерго", инв. номер 48652, -М.: 1988.-28 с.

7. Брагин С.М., Федосенко Р.Я., Волков М.И. О допустимых нагрузках на силовые кабели с вязкой пропиткой //Электричество. 1965. - № 5.-С. 30-35.

8. Горшков П.Н. Основы техники кабелей сильного тока. Л-М.: Госэнергоиздат, 1940.-303 с.

9. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 6 издание, М.: Энергоатомиздат, 1986. - 640 с.

10. Федосенко Р.Я. Надежность кабельных линий 6-10 кВ. М.: Энергия, 1973.- 158 с.169

11. Холодный С.Д. Технологическая термообработка изоляции кабелей и проводов. М.: Издательство МЭИ, 1994. - 160 с.

12. Холодный С.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов технологии обработки изоляции кабелей и проводов с целью интенсификации производства и повышения их качества: Дис. д.т.н. -Московский Энергетический Институт, 1979. 280 с.

13. Куц П.С., Пикус И.Ф. Теплофизические и технологические основы сушки высоковольтной изоляции. Мн.: Наука и техника, 1979. - 296 с.

14. Третьяков В.М., Холодный С.Д. Сушка и пропитка силовых кабелей. М.: Энергия, 1978.- 136 с.

15. Третьяков В.М. Исследование технологического процесса сушки кабелей высокого напряжения: Автореферат дис. канд. тенхн. наук. Московский энергетический институт, 1979. - 24 с.

16. Турутин B.C. Исследование ионизационных характеристик бумажной пропитанной изоляции кабелей: Автореферат дис. канд. техн. наук -Московский энергетический институт, 1977. 20 с.

17. Турутин B.C. О характеристиках частичных разрядов в пропитанной вязким составом бумажной изоляции кабелей с радиальным полем / Труды ВНИИКП. М.: Энергия, 1974. - вып. 17. - С. 3-8.

18. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 328 с.

19. Основы кабельной техники / Под ред. Привезенцева В.А. М.: Энергия, 1975.-472 с.

20. Холодный С.Д., Кузнецова Е.А. Аналитическое исследование процесса подпитки бумажной изоляции кабелей при охлаждении после пропитки //170

21. Электротехническая промышленность. Сер. Кабельная техника. 1978. -Вып. 12 (166).-С. 1-3.

22. Холодный С.Д., Кузнецова Е.А. Анализ условий образования газовых включений в пропитанной вязким составом бумажной изоляции силовых кабелей при эксплуатации // РЖ ВИНИТИ. Информэлектро, 1979. - № 5, № 2-д/79.

23. Холодный С.Д., Кузнецова Е.А. Исследование температурной зависимости коэффициента фильтрации бумажной изоляции силовых кабелей // РЖ ВИНИТИ. Информэлектро, 1979. - № 5, № 32-д/79.

24. Брейтвейт К.В. и др. Производство, свойства и применение электроизоляционных целлюлозных бумаг и картонов. М.: Энергия, 1970.-333 с.

25. Грейсух М.А. и др. Бумажно-масляная изоляция в высоковольтных конструкциях. M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 298 с.

26. Милов Б.Г. и др. Электроизоляционная бумага. М.: Лесная промышленность, 1974. - 278 с.

27. Неманихин В.Н., Комаровский JI.E. Производство тонких технических бумаг. -М.: Лесная промышленность, 1974. 247 с.

28. Никотин П.П., Пердшлетов А.Н., Каминский B.C. Материалы кабельного производства. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 311 с.

29. Яманова Л.В. Электроизоляционные материалы кабельного производства. -М.: Информстандартэлектро, 1967. 118 с.

30. Бронгулеева М.Н., Городецкий С.С. Кабельные линии высокого напряжения. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 514 с.

31. Морозова М.Н., Морозов С.Ф. Разработка модели термического старения материалов на основе целлюлозы. // Электрическая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. 1974. - Вып. 4.

32. P. Hernan, Halperin. "Research of stability of cable insulation". Electrical Engineering. 1936. - № 10. - Pp. 1074-1082.17)

33. Сиротинский JI.И. и др. Техника высоких напряжений. JI-M.: ГОНТИ, 1939.-400 с.

34. Эммануэли JI. Кабели высокого напряжения: Пер. с англ. ОНТИ, 1939. -85 с.

35. Брагин С.М. Тепловой расчет электрических кабелей. ОНТИ, НКТП, 1937.-341 с.

36. Федосенко Р.Я., Волков М.И. Надежность вертикальных участков кабельных линий 10 кВ //Электрические станции. 1977. - №3-С. 66-70.

37. Хромова Г.К., Крючков А.А., РысевА.С. Исследование процессов газообразования при стекании пропитанной бумажной изоляции маслонаполненных кабелей /Труды ВНИИКП. М.: Информэлектро, 1989.-Вып. 29.-С. 62-68.

38. РД 16.374-87. Определение электрических параметров бумажной изоляции кабелей высокого напряжения и оценка ее надежности.

39. Обследование маслонаполненных кабельных линий на напряжение 220 кВ Саратовской ГЭС / Технический отчет. АО "Фирма ОРГРЭС". М.: 1996. -26 с.

40. Endicott H.S., Hatch B.D., Sohmer R.G. Application of the Eyring model to capacitor aging data. IEEE. Transactions on component parts, vol. CP-12, March 1965, pp. 34-41.

41. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. -Л.: Энергия, 1979.-224 с.172

42. Иерусалимов М.Е., Ильенко О.С. Математическая модель многофакторного старения высоковольтной изоляции // Электричество. 1979. -№7.-С. 28-31.

43. Образцов Ю.В. Разработка усовершенствованных конструкций маслонаполненных кабелей: Дис. канд. техн. наук. Всесоюзный научно-исследовательский институт кабельной промышленности, 1984. - 172 с.

44. Аникеенко В., Градов В.Ф., ТрескинаМ.Н. Изучение бумажно-пропитаной изоляции силовых кабелей. // Томский политехнический инст. -1974.-Том282.-С. 40-43.

45. Дмитревский B.C. Расчет и конструирование электрической изоляции / Учебное пособие. М.: Энергоиздат, 1981 - 392 с.

46. Надежность кабелей и проводов для радиоэлектронной аппаратуры /Под ред. Л.И. Кранихфельда и И.Б. Пешкова. М.: Энергоиздат, 1982. - 199 с.

47. Толстиков С.В. Лапко И.Н. Анализ повреждаемости кабельных линий 6-10 кВ за 1999 г./Сб. докл. Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы развития городских кабельных сетей в современных условиях". Краснодар.: Советская Кубань, 2000.

48. Холодный С.Д. Каменский М.К. Исследования зависимости давления пропиточного состава в изоляции кабеля при переменной токовой нагрузке / Труды ВНИИКП. М.: 1987. - С. 39-48.

49. Каменский М.К. Никитина Н.А. Повышение допустимых температур нагрева силовых кабелей // Электротехника. 1983. - № 9. - С. 42-45.

50. Каменский М.К. Исследование ионизационных характеристик силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией при циклическом нагреве // Кабели и провода. 2001. - № 6 (271).- С. 19-23.

51. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: ГИФ-МЛ, 1958. -907 с.

52. Маценон П.Ф. Приближенный метод определения теплового износа электрической изоляции / Труды Днепропетровского строительного института. 1959. - Вып. 47. - С. 1-22.173

53. Montsinger V.M. Thermal characteristics power transformator. General Electrical Pev., 1946, vol. 49, № 4. pp. 1143-1148.

54. Каменский M.K. Оценка параметров термического старения бумажной пропитанной изоляции силовых кабелей // Кабели и провода 2001. - № 5 (270).-С. 16-18.

55. Городецкий С.С. Испытания кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. M-JL: Госэнергоиздат, 1956. 148 с.

56. Специальные испытания кабелей для исследования их физико-химических свойств при проведении стендовых испытаний для подтверждения ресурса в соответствии с требованиями ГОСТ 18410-73 / Технический отчет "ОРГРЭС", инв. № 49482. -М.: 1991. 18 с.

57. Патент РФ № 1700599. Пропиточный состав. НПО ВНИИКП заявл 25.01.1990г. № 4786430. Опубл. вБюл. № 47. 1991. -4 с.

58. Каменский М.К. Усовершенствование силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией / Тез. докл. IV Международная конференция по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов, МКЭМК-2001 (ICEMC-2001). Москва, 2001. - С. 32.

59. IEC Standard 60287. Calculation of the continuous current rating of cables (100 % load factor), Geneva, 1982. 127 p.

60. IEC Standard 60287-2-1. Calculation of thermal resistance, Geneva, 1994. -65 p.

61. Каменский M.K., Марголина T.M. Допустимые токи короткого замыкания силовых кабелей для стационарной прокладки // Электротехническая промышленность. Сер. Кабельная техника. 1984. - Вып. 5 (231). -С. 20-25.

62. IEC Standard 60986. Guide to the short-circuit temperature limits of electric cables weit a rated voltage from 1,8/3 (6) kV to 18/30 (36) kV. Geneva, 2000. -lip.

63. IEC Standard 60949. Calculation of thermally permissible short-circuit currents, taking into account non-adiabatic heating effects. Geneva, 1988. -14 p.