Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов оценки технического состояния кабелей электротехнических комплексов и систем 8
1.1. Анализ аварийности электрических кабелей 8
1.2. Практический опыт диагностики силовых кабельных линий методом отклика напряжения
1.3. Измерение электрического сопротивления металлических элементов конструкции кабелей 16
1.4. Измерение параметров изоляции кабелей 21
1.5. Испытания повышенным напряжением 39
1.6. Выводы по первой главе 47
Глава 2. Исследования влияние эксплуатационных факторов на динамические и статические свойства признаков состояния электрических кабелей 48
2.1. Воздействие электрического поля 48
2.2. Кратковременная и длительная электрическая прочность изоляции кабелей 51
2.3. Тепловое старение и окисление изоляции 61
2.4. Изменение состояния кабелей в условиях увлажнения 65
2.5. Исследования влияния эксплуатационных факторов на увлажнение в кабельных композициях на основе полиэтилена 77
2.6. Выводы по второй главе 83
Глава 3. Анализ моделей функционирования систем оценки технического состояния кабельных сетей электротехнических комплексов и систем 85
3.1. Исходные модели 85
3.2. Частотные модели свойств кабелей 88
3.3. Моделирование при воздействии перенапряжений на динамические свойства 112
3.4. Моделирование температурных пространств для кабелей 116
3.5. Оценка состояния кабелей в системе управления режимами работы, ремонтом и обслуживанием ЭКС 128
3.7. Выводы по третьей главе 135
Глава 4. Обоснование мультипараметрического пространства признаков технического состояния кабелей 137
4.1. Обоснование критерия работоспособности кабеля 137
4.2. Обоснование математической модели ресурса 148
4.3. Расширенная трактовка математической модели ресурса 154
4.4. Корреляционный анализ признаков технического состояния кабелей на основе поливинилхлоридной изоляции 166
4.5. Разработка метода диагностирования кабельных изделий с полиэтиленовой изоляцией по результатам микрокалориметрического анализа.. 179
4.6.Выводы по четвертой главе 186
Глава 5. Экспериментальные исследования признаков технического состояния кабелей и обоснование мультипараметрических методов ! 87
5.1. Измерение характеристик частичных разрядов в электрической изоляции силовых кабелей 187
5.2. Испытание кабелей сигналом сверхнизкой частоты 193
5.3. Методика мультипараметрической оценки технического состояния кабелей
5.4. Методика оценки технического состояния кабелей при различных интенсивности эксплуатационных факторов 201
5.5. Выводы по пятой главе 208
Заключение 209
Библиографический список 211
- Анализ аварийности электрических кабелей
- Воздействие электрического поля
- Исходные модели
- Обоснование критерия работоспособности кабеля
Введение к работе
Эксплуатация кабелей, кабельной арматуры, вводов, муфт во многом определяет эффективность функционирования электротехнических комплексов и систем (ЭКС). Управление обслуживанием, ремонтом и режимами работы оборудования, действия оперативного персонала и средств противоаварий- ной автоматики, функционирование систем мониторинга являются неотъемлемыми элементами эксплуатации кабелей, основой которых является оценка технического состояния (ОТС).
Современные условия характеризуются сочетанием старых кабелей с современными кабелями, отличающимися конструктивно исполнением и новыми материалами, когда традиционные методы оценки состояния не решают в полной мере возникающие при эксплуатации задачи. Остроту проблеме ОТС придает необходимость внедрения технологии эксплуатации кабелей и ЭКС по состоянию. Многие дефекты и аномальные режимы можно обнаружить только в результате измерения и последующей обработки комплекса первичных признаков. Такие задачи требуют обработки большого объема данных, широкого использования информационных технологий. Поэтому для создания современных технологий оценки состояния кабелей, способных удовлетворить требования ЭКС, необходим высокий уровень экспериментальных и теоретических исследований широкого класса задач: изучение свойств кабелей в условиях возникновения и развития дефектов, обоснование новых признаков и сочетаний признаков, формирующих признаковые пространства, разработка методических основ и способов ОТС, совершенствование технических средств, реализующих предлагаемые методы.
Другими словами, оценка состояния кабелей является важнейшим элементом всех основных аспектов эксплуатации ЭКС. Актуальность решения задач совершенствования методов и средств оценки состояния неоднократно отмечалась на международных и отечественных семинарах, конференциях, форумах, посвященных электроэнергетике, в правительственных и отраслевых решениях.
В первой главе диссертации дан обзор методов оценки состояния и проведен анализ повреждаемости изоляционных конструкций и арматуры кабелей ЭКС, их конструктивных узлов. Сформулированы задачи исследований, обеспечивающие необходимость учета статических и динамических свойств признаков технического состояния, учитывающих влияние смежного электрооборудования ЭКС, а также новых материалов и конструктивного исполнения кабелей, влияющего на их эксплуатационные свойства.
Проблемам, связанным с оценкой технического состояния электрооборудования уделялось внимание многими отечественными и зарубежными учеными, что отражено в соответствующих публикациях: в области общей теории технической диагностики [1, 2, 3, 4, 5]; в области оценки состояния кабелей и кабельных сетей [2, 6, 7, 8, 9]. Значительный вклад в теорию и практику обеспечения эффективности внесли исследования переходных процессов [10, 11, 12, 13, 14], надежности и методов ее обеспечения с помощью методов и средств ОТС [15, 16, 17, 18, 19]. Особое место в создание систем ОТС занимает международный научно-технический семинар «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования». Именно на этом семинаре учеными обсуждены и сформулированы подходы по таким вопросам, как теории мультипараметрической ОТС на основе многофакторного анализа; новые методы оценивания, учитывающие конструктивное исполнение современного оборудования и кабелей; внедрение новых технических решений. Книги, изданные по материалам тридцати заседаний семинаров, охватывают, по существу, все аспекты ОТС [20].
Решения в этой области подготовили необходимые предпосылки для создания научных основ оценки технического состояния электрооборудования. Вместе с тем их анализ показывает, что традиционные методы и средства оценки имеют ограниченные возможности и требуют дальнейшего совершенствования.
Во второй главе проведен анализ влияния эксплуатационных факторов на кабели. В процессе эксплуатации на кабели, кабельную арматуру, концевые и промежуточные муфты влияет ряд факторов, определяющих динамические и статические свойства изоляции: воздействие электрического поля; воздействие теплового поля; воздействие окружающей среды; механические воздействия; воздействие агрессивных агентов окружающей среды или продуктов, образовывающихся в компонентах электрической изоляции. Все перечисленные факторы должны быть учтены при анализе свойств, характеризующих состояние кабелей. Они зависят не только от материалов и конструкции кабелей, но и от состояния существующего смежного оборудования и ЭКС в целом.
В третьей главе проведено исследование развития дефектов и старения кабелей, разработан комплекс моделей функционирования систем ОТС кабелей, электротехнических комплексов и систем, дан анализ признаковых пространств, которые обеспечивают нормирование, компактность признаков, формирование разделяющих поверхностей, ранжирование признаков технического состояния с целью организации многоэтапной процедуры оценивания.
В четвертой главе дано обоснование мультипараметрического пространства признаков технического состояния кабелей. В частности, на основе анализа диэлектрических свойств кабелей выбрана характеристика, чувствительная к старению. Такой характеристикой является местоположение tgSм, смещение которого адекватно связано с ресурсом.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований по методам измерения частичных разрядов, определения параметров кабелей при проведении испытаний сигналом сверхнизкой частоты, обоснована мультипараметрическая методика оценки состояния кабелей.
Полученные зависимости позволяют учесть все факторы, воздействующие на кабель в процессе эксплуатации, установить численные значения показателей ресурса кабелей с различными изоляционными конструкциями.
Анализ аварийности электрических кабелей
Целью функционирования системы оценки ТС кабелей является повышение эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем, которое включает в себя несколько направлений: повышение аппаратной надежности кабелей, совершенствование нормативных требований к эксплуатации, методическое и техническое совершенствование ремонтно- восстановительных работ, развитие организационно-экономических методов эксплуатации, совершенствование методов и технических средств оценки состояния кабелей. Причем в каждом из этих направлений задачи оценки технического состояния являются важнейшим элементом эксплуатации. Необходимо отметить, что перечисленные направления являются частью общей задачи обеспечения надежности, безопасности и экономичности электротехнических комплексов, объединенных сложной системой взаимодействия [34, 89, 101].
Особенно важную роль в последние годы оценка состояния приобретает в связи с внедрением в ЭКС технологий эксплуатации, основанных на мониторинге технического состояния оборудования.
Оценка состояния ЭО, являясь важнейшим аспектом эксплуатации ЭКС, всегда была предметом внимания при проведении исследований отечественных и зарубежных ученых. Существенный вклад в развитие систем технической диагностики внесли исследования В.В. Клюева, A.B. Мозгалевского, H.A. Биргера, ПЛ. Пархоменко, Я.Б. Данилевича, Ю.Н. Львова, А.Г. Овсянникова, В.А. Савельева, В.А. Канискина и др.
Значительный вклад в анализ методов и средств оценки состояния энергетического оборудования как важнейшего инструмента обеспечения надежности, безопасности и экономичности, в развитие теории, ускорение внедрения в практику внесли участники Международного научно-технического семинара «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования».
Для поддержания кабельного хозяйства в работоспособном состоянии, предупреждения отказов и его преждевременного износа требуется выполнение профилактических мероприятий по техническому обслуживанию, диагностированию, ремонту и управлению режимами.
Правило, устанавливающее выбор периодичности, состава и объема профилактических мероприятий принято, называть стратегией технического обслуживания [14,24, 29].
Наиболее перспективным направлением является использование стратегии ремонтов по техническому состоянию. Основой для реализации такой стратегии являются методы и средства оценки технического состояния, которые определяют его работоспособность и необходимость в соответствующем управляющем воздействии. Целесообразность использования технологий эксплуатации по состоянию выдвигает и новые задачи перед системами оценки состояния, поднимает актуальность связанных с ними задач. Более того, реализация этой стратегии невозможна без методической базы, на основе которой формируется и совершенствуется система оценки технического состояния.
Последние годы в электротехнических комплексах все больше применяются кабельные линии с изоляционными конструкциями на полимерной ос нове. С точки зрения оценки состояния, этот вид изоляционных конструкций является новым. Но уже имеющийся небольшой опыт показывает, что традиционно превалирующие методы измерения, которые были характерны, например, для маслопропитанной изоляции, имеют очень ограниченные возможности.
Использование комплексных методов ограничивается отсутствием методической основы. Другим важным аспектом ограниченности возможностей комплексных методов анализа является зависимость результатов от факторов, которые учесть детерминированными методами невозможно, следовательно, необходима разработка методик, основанных на корреляционном анализе.
Очень важно постоянно получать информацию о фактической электрической прочности ЕПр изоляции кабеля в условиях эксплуатации. Косвенная информация о состоянии изоляции должна быть получена неразрушающими методами. Таким методом, чувствительным к ухудшению изоляции, является метод поляризации с очень большими постоянными времени. Применяемые р;анее методы диагностики ненадежны, так как неизвестны точные соотношения между результатами испытаний и основными процессами в электрической изоляции кабелей.
Следующие диэлектрические параметры являются наиболее значимыми с точки зрения оценки состояния изоляции: а) при переменном напряжении - диэлектрические потери и емкость (относительная диэлектрическая проницаемость ег) при 50 Гц и при очень низких частотах; б) при постоянном напряжении - измерение токов утечки (токовый отклик) при заряде или при разряде изоляции кабеля, т.е. определение активной /а и реактивной составляющей /р токов; измерение отклика напряжения изоляции кабеля, т.е. зависимостей напряжения саморазряда Ш(/) и восстанавливающегося напряжения /г(0 от времени.
По измеренным параметрам, характеризующим состояние изоляции, можно рассчитать коэффициенты абсорбции, коэффициенты дисперсии, соотношение емкостей и сопротивлений, измеренных при разных временах.
Воздействие электрического поля
На силовые кабели, работающие в электрических сетях, воздействуют следующие виды напряжения: рабочее напряжение, внутренние и внешние перенапряжения.
Все сети России на номинальное напряжение до 35 кВ включительно работают с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью (заземление через дугогасящую катушку). В этом случае возможна длительная работа при наличии однополюсного замыкания на землю, так как ток замыкания ограничен и определяется емкостным сопротивлением фаз на землю с учетом компенсации тока дугогасящей катушкой. При этом происходит смещение нейтрали на фазное напряжение, а изоляция неповрежденных фаз подвергается длительному воздействию линейного напряжения сети.
Сети на номинальное напряжение 110 кВ и выше работают с эффективно заземленной нейтралью, а в сетях 330 кВ и выше применяется глухое заземление нейтрали. Нейтраль считается эффективно заземленной, если при одно- или двухполюсном замыкании на землю в любой точке сети вынужденная составляющая напряжения на здоровой фазе относительно земли не превосходит 0,8 наибольшего рабочего линейного напряжения сети, или 0,8-73 = 1,4 наибольшего фазного напряжения. В сетях с эффективным заземлением нейтрали это повышение наибольшего фазного напряжения длится только на период времени ликвидации аварии (отключения короткого замыкания). В связи с достаточно большими токами короткого замыкания в этих сетях ликвидация аварии должна происходить за время срабатывания релейной защиты - доли секунды, в редких случаях - несколько секунд.
При расчете изоляции за расчетное рабочее напряжение обычно принимается: - для кабелей, работающих в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью - наибольшее рабочее линейное напряжение сети; - для кабелей, работающих в сетях с эффективно заземленной нейтралью - наибольшее рабочее фазное напряжение сети, равное: и раб .ф.наиб и,10М Кр/ 1з. Наиболее важной характеристикой перенапряжения является максимальное напряжение имакс или кратность Кп по отношению к амплитуде наибольшего рабочего фазного напряжения ираб.ф. „аиб Кп — макс / лД"У раб.ф.наиб Для оборудования вводится коэффициент расчетной кратности перенапряженности Кпр, который выбирается из технико-экономических соображений с учетом характеристик защитных устройств. В последнее время расширяется применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН). При этом расчетные кратности внутренних перенапряжений могут быть значительно снижены При ударе молнии перенапряжение, воздействующее на оборудование, определяется остающимся напряжением на защитном аппарате и превышением напряжения АНц на защищаемом объекте над остающимся напряжением на разряднике. Значение А\]п зависит от расстояния 1п между разрядником и защищаемым объектом и крутизны а набегающей волны: А(/12 =2а-1п/С, где С - скорость света. Расчетные значения напряжений, воздействующих на изоляцию при грозовых перенапряжениях определяется по зависимости: ивозд.гроз — гроз ост.разрч где иоСт.разр остающееся напряжение на разряднике при токах координации (5 кА для ином 110 и 220 кВ и 10 кА для ином 330 кВ); К - коэффициент, учитывающий перепад напряжения А1112 между разрядником и защищенным объектом. При надлежащем ограничении крутизны набегающей волны и рациональном расположении разрядников на подстанции принимают для силовых трансформаторов Кгроз=\,2, для остального оборудования Кгроз=\,3- 1,4. Применение ОПН позволяет существенно снизить воздействующие перенапряжения не только внутренние, но и грозовые.
Кратковременная электрическая прочность. Электрическая прочность является статистической (случайной) характеристикой, поэтому она зависит от многих факторов и подлежит обязательной статистической обработке. Существенное влияние на электрическую прочность оказывает тип изоляции, однородность электрического поля, неоднородность изоляции, технологические дефекты и многие другие факторы.
Электрическая прочность для бумажно-пропитанной изоляции (БПИ) кабелей зависит от типа изоляционных бумаг, их толщины, от пропиточной массы (в качестве загустителя вязких нефтяных масел применяются канифоль и полиэтиленовый воск), от качества сушки и пропитки бумаг, от количества воздушных включений (их может быть 1-3% по объему) и их расположения и др. Электрическая прочность бумажной изоляции зависит от толщины бумажных лент (соответственно и толщины зазоров пропиточной массы между слоями бумажных лент). Однако БПИ имеет низкую рабочую напряженность электрического поля, поэтому кабели низкого напряжения наматываются из бумажных лент одной толщины (обычно 120 мкм), но кабели напряжением 35 кВ уже наматываются из бумажных лент толщиной 80 и 120 мкм. Пробой БПИ при переменном напряжении начинается с пробоя воздушных включений и зазоров, заполненных пропиточной массой. Существенную роль оказывает на электрическую прочность качество технологии сушки и пропитки БПИ. Бумажные ленты при относительной влажности воздуха 70-80% и нормальной температуре содержат 6-8 % влаги. Влага имеет различные виды связи с бумагой. Адсорбционно связанная влага - влага, которая в виде мономолекулярного слоя удерживается на поверхности капилляров. Осмотически связанная влага - это влага в замкнутых сосудах (включениях) и влага набухания; существует влага капиллярная и влага смачивания. Химически связанную с целлюлозой влагу практически удалить при сушке невозможно. Основное содержание влаги в бумажной изоляции составляет капиллярная и адсорбционная влага. Чем выше номинальное напряжение кабеля, тем меньше влаги должна содержать изоляция. Для качественной сушки бумажную изоляцию сушат при повышенной температуре под вакуумом [82, 9298, 102].
Пробой бумажно-масляной изоляции (БМИ) маслонаполненных кабелей при переменном напряжении начинается с пробоя масляного зазора. Поэтому применение более тонких бумаг (0,015; 0,020; 0,030; 0,045; 0,080 и т.д. до 0,240 мм) в области больших напряженностей электрического поля, приводящих к уменьшению толщины масляного зазора, позволяет существенно повысить пробивную напряженность масляных прослоек и увеличить электрическую прочность БМИ в целом.
Для маслонаполненных кабелей применяется избыточное давление масла: для низкого давления - 0.3 МПа, для высокого - 1.5 МПа, что дает значительный рост кратковременной электрической прочности БМИ. При изменении избыточного давления от 0,1 до 1,2 МПа электрическая прочность БМИ увеличивается в 1,8 раза. Это можно объяснить увеличением электрической прочности прослоек масла Епр от 40 до 70 кВ/мм с повышением давления.
Импульсная прочность БМИ равна Епр „„„= 85-135 кВ/мм. Зависимость импульсной прочности для БМИ от толщины бумаги, ее плотности не отличается от аналогичных зависимостей для напряжения промышленной частоты. Избыточное давление масла практически не отражается на импульсной прочности БМИ, так как не влияет на импульсную прочность масляных прослоек.
Исходные модели
Изменения, происходящие в кабельных сетях в целом и в их отдельных узлах, определяют значения физических величин, характеризующих эти изменения. Чем глубже изучены закономерности зависимостей этих величин (признаков состояния), процессов, связанных с дефектами, от самих дефектов, тем с большей достоверностью можно решать задачи диагностики, прогнозирования и определения первопричин отказов (расследования аварий). Одним из наиболее эффективных способов исследования процессов, происходящих в кабелях, а также исследования качества функционирования является моделирование.
В процессе построения моделей определяются основные связи составляющих частей и присущие объекту закономерности, отсеиваются второстепенные аспекты. Рассмотрим обобщенные модели с целью выработки задач построения систем оценки состояния кабелей.
Возникновение и развитие дефекта, а следовательно статика и динамика признаков состояния, зависят от ряда факторов. Проведем анализ этих факторов с целью дальнейшей детализации модели.
Оператор, который отражает зависимость физического изъяла от конструкции dK и от материала dM различны и это отражается на рис. 3.1,6 операторами DK(dK, ак) и DM(dM, ам) соответственно. Здесь коэффициенты ак и ам это коэффициенты учитывающие влияние на дефект соответственно конструкции и материала. Оператор D (dK, dM) учитывает результирующее изменение признака х за счет двух составляющих.
Приведенные на рис. 3.1, а, б модели являются простейшими, ориентированными на монопараметрические методы оценки состояния, которые применяются в простейших случаях. В реальных условиях, как уже говорилось в главе 1 целесообразно использование комплексных методов, когда применяются два и более признаков технического состояния кабелей. На данном этапе анализа обобщенных моделей целесообразно введение понятия однородности и неоднородности признаков состояния кабелей. Так, например, характерными свойствами признаков состояния, полученных в результате хроматографического анализа, являются следующие: одинаковые единицы измерения, выраженные через концентрацию газов; одинаковая зависимость всех признаков от степени развития дефекта (чем больше концентрация газа, тем больше масштабы разрушения или старения). При наличии таких свойств признаки целесообразно отнести к однородным. При невыполнении хотя бы одного из приведенных свойств возникают дополнительные задачи при оценке состояния как MOHO-, так и мультипараметрическими методами. Первая группа задач - это задачи моделирования, которые бы отражали адекватную зависимость (прямую или инверсную) признаков состояния от степени развития дефекта. Вторая группа задач - это создание методов преобразования первично измеренных сигналов в сигналы, которые бы совместно формировали единое признаковое пространство. В соответствии с принятыми представлениями непосредственно измеренные сигналы целесообразно назвать первичными признаками технического состояния, а их сочетания при невыполнении хотя бы одного из условий неоднородным признаковым массивом. Таким образом однородность признаков определяет задачи разработки методов преобразования первичных сигналов, что по существу является первым кругом проблем анализа признаков технического состояния [44,46,47].
Комплекс проведенных исследований показал целесообразность использования многочастотных методов для оценки состояния изоляционных конструкций различных типов кабелей. Однако построение алгоритмов оценки состояния требует анализа частотных свойств изоляции. В простейшем случае при приложении переменного синусоидального напряжения через диэлектрик протекают следующие составляющие тока: емкостной ток, обусловленный геометрической емкостью изоляции; ток абсорбции, обусловленный релаксационными поляризациями; сквозной ток проводимости. С повышением частоты приложенного напряжения релаксационные поляризации затухают и ток абсорбции исчезает. Частота, на которой исчезают релаксационные поляризации, а сопротивление и емкость изоляции перестают зависеть от частоты, названа граничной частотой.
Обоснование критерия работоспособности кабеля
Электрические кабели при работе подвергаются воздействию различных эксплуатационных факторов: рабочей напряженности, перенапряжениям, повышенным температурам, влажности, механическим нагрузкам и т.д. Эти воздействия приводят к старению электрической изоляции, к пробоям и выходу из строя кабельных изделий. В связи с возрастающими требованиями к надежности и бесперебойному питанию потребителей возникает необходимость определения наработанного ресурса кабелей в условиях эксплуатации и остаточного ресурса.
Традиционным подходом при оценке ресурса является установление взаимосвязи между величиной среднего ресурса и воздействующими на изоляцию кабеля эксплуатационными факторами. Особое значение имеют нераз- рушающие методы контроля состояния и прогнозирования надежности кабелей.
В основе неразрушающего метода используется подход, основанный на определении корреляционной зависимости характеристик изоляции кабелей с характеристиками, прямо связанными с ресурсом кабелей. Корреляция значений этого параметра с наработкой устанавливается экспериментально. Известно, что основной причиной выхода из строя кабелей с полиэтиленовой изоляцией, находящихся под длительным воздействием повышенных температур и механических нагрузок при рабочих напряжениях, является растрескивание оболочек и изоляции кабелей. Стойкость к растрескиванию количественно определяется температурой холодостойкости; установлено, что в результате термомеханического старения в условиях эксплуатации ряд характеристик кабеля хорошо коррелируют с изменением холодостойкости, в ряде случаев определяющей ресурс кабелей с ПЭ изоляцией.
При разработке таких методов необходимо провести исследования на образцах кабелей с целью выявления параметров-критериев работоспособности кабеля и их зависимостей от основных воздействующих факторов. Далее на основе анализа полученных экспериментальных данных выбрать параметр, в зависимости от которого строится математическая модель ресурса. Этот параметр должен удовлетворять следующим условиям: - соответствовать физическому механизму старения изоляции кабеля в процессе работы; - достаточно легко измеряться; - сохранять свои свойства и значимость при переходе от опытных образцов к строительным длинам кабеля. Для выбора параметра и построения физической модели ресурса необходимо знать физические механизмы процессов, приводящих к старению изоляции. В первую очередь на склонность материала к старению влияют технологические факторы, приводящие к изменениям в структуре материала.
Технологические процессы переработки ПЭ при наложении изоляции и оболочек кабеля методом экструзии обусловливают незавершенность процессов кристаллизации и появление остаточных внутренних напряжений. Для композиций ПЭ низкой плотности, используемых для изоляции и оболочек кабелей, характерна структура с развитой поверхностью раздела аморфной и кристаллической фаз. Степень кристалличности не превышает 40%. Внутренние напряжения в дальнейшем приводят к усадке изоляции и оболочки по длине кабеля. Оба этих процесса предопределяют в условиях повышенных температур при эксплуатации кабелей изменения в надмолекулярной структуре ПЭ вследствие дополнительной кристаллизации и релаксации внутренних напряжений. Эти изменения усиливаются при одновременном воздействии на кабель температуры и механических нагрузок. В свою очередь изменения в надмолекулярной структуре ПЭ неизбежно влияют и на характеристики изоляции кабеля.
Наблюдаемые при термомеханическом старении ПЭ изоляции кабелей структурные изменения фиксируются методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Как показали исследования, при этом не происходит изменений основных параметров широкоуглового рассеяния, а также степени кристалличности и размеров кристаллитов. В то же время интенсивность малоуглового рефлекса необратимо возрастает (рис. 4.1), что позволяет сделать вывод об изменениях в надмолекулярной структуре ПЭ после длительной выдержки при повышенной температуре. Аналогичный вывод сделан и на основе изучения термограмм плавления ПЭ полиэтилена до и после длительного отжига.
На термограммах плавления ПЭ, наблюдается дополнительный пик плавления при более низких температурах по сравнению с основным пиком (рис. 4.2, 4.3), о том, что в результате длительного теплового старения ПЭ в механически напряженном состоянии происходит упорядочение промежуточных областей на границе раздела кристаллической и аморфной фаз. Зависимости, приведенные на рис 4.3, позволили выбрать в качестве параметра - критерия работоспособности величину АГ=Г0 - Т\ - разность температур между основным и дополнительным пиками плавления, где Г0 - температура основного максимума на термограмме плавления, независящего от времени старения; Т\ - температура второго максимума плавления, появляющегося после старения.
Калориметрические исследования показывают рост энтальпии плавления при увеличении времени теплового воздействия. На рис. 4.4 приведены зависимости, свидетельствующие о корреляции возрастания энтальпии плавления с уменьшением электрической прочности, причем эти процессы наблюдаются не только при тепловом старении, но и при фотостарении. Также установлено, что при достижении на кривой энтальпии насыщения происходит появление микротрещин на поверхности образцов и резко снижается их механическая прочность.
Основной причиной, приводящей к изменению энтальпии плавления независимо от вида воздействия термического или ультрафиолетового облучения считают физические перестройки структуры, приводящие к изменению свободной энергии системы, что в свою очередь, приводит к накоплению внутренних дефектов, повышению внутренних напряжений уменьшению механической и электрической прочности. В качестве параметра старения берут величину, соответствующую сдвигу кривой энтальпии плавления относительно кривой, характеризующей временную зависимость энтальпии при фотостарении исходного образца.
В работе получены данные об изменении степени кристалличности в процессе теплового старения ПЭ. При этом можно говорить о наличии критического состояния ПЭ, характеризуемого определенным значением, степени кристалличности в условиях рекристаллизации при старении. Этот факт позволяет применить перколяционный механизм разрушения, однако параметры преложенной авторами модели не могут быть реально определены и модель нуждается в уточнении и доработке, так как наблюдаемые изменения степени кристалличности практически находятся в пределах погрешности измерений.
Несмотря на имеющиеся в работах [7, 19, 32] противоречия, можно считать установленным факт, что уменьшение ресурса кабелей с ПЭ изоляцией обусловлено структурными изменениями в процессе теплового старения. Поэтому правомочно ставить задачу выбора такого параметра-критерия работоспособности, который чувствителен к изменению структуры образца на любом уровне ее организации.
