Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и обоснование задач исследования 9
1.1. Факторы, воздействующие на изоляцию силовых кабелей в условиях эксплуатации 10
1.2. Методы оценки состояния изоляции КЛ 18
1.3. Прогнозирующие модели оценки состояния изоляции КЛ : 31
1.4. Задачи исследования 37
2. Статистическое исследование влияния на изоляцию городских КЛ напряжением 6-10 кВ факторов, обусловленных проектными решениями 39
2.1. Глубина прокладки К Л 40
2.2. Поворот кабельной трассы 46
2.3. Параллельная прокладка КЛ. Пересечение КЛ с городскими коммуникациями 49
2.4. Пересечение КЛ проезжей частью 50
2.5. Оценка влияния факторов, обусловленных проектными решениями, на изоляцию КЛ 54
2.6. Выводы 59
3. Статистическое исследование влияния на изоляцию гродских КЛ напряжением 6-10 кВ факторов, обусловленных уровнем эксплуатации 61
3.1. Токи рабочего режима 63
3.2. Токи аварийного режима 66
3.3. Проведение земляных и наземных работ 71
3.4. Оценка работы обслуживающего персонала 76
3.5. Выводы 79
4. Статистическое исследование влияния на изоляцию городских КЛ напряжением 6-10 кВ климатических факторов 81
4.1. Климатические параметры: температура и осадки 81
4.2. Методика территориального деления кабельных сетей 83
4.3. Связь процесса увлажнения грунта с уровнем повреждаемости изоляции городских КЛ 86
4.4. Выводы 91
5. Прогнозирование повреждаемости изоляции КЛ городских электрических сетей
5.1. Математическая модель повреждаемости изоляции городских К Л 94
5.2. Методика составления прогноза повреждаемости изоляции городских КЛ 101
5.2. Алгоритм сбора и хранения информации о состоянии изоляции городских КЛ напряжением 6-10 кВ 104
5.4. Рекомендации по улучшению условий электробезопасности персонала и населения 110
5.5. Выводы 112
Заключение 114
Литература 116
Приложения 131
- Прогнозирующие модели оценки состояния изоляции КЛ
- Параллельная прокладка КЛ. Пересечение КЛ с городскими коммуникациями
- Проведение земляных и наземных работ
- Связь процесса увлажнения грунта с уровнем повреждаемости изоляции городских КЛ
Введение к работе
Актуальность работы. Состояние изоляции кабельных линий (КЛ) определяет условия безопасной эксплуатации, надёжного электроснабжения и экономичной работы кабельных сетей. В последнее время в связи с внедрением новых технологий и увеличением потребления электроэнергии растёт длина городских кабельных сетей. Так, если на начало 2000 года на балансе филиала ОАО «МРСК Урала» «Челябэнерго ПО ЧГЭС», включающего в себя 5 предприятий районных электрических сетей (РЭС), находилось 1681 КЛ с пропитанной бумажной изоляцией напряжением 6-Ю кВ общей протяжённостью 815 км, то на конец 2008 года эксплуатировалось 2054 КЛ протяжённостью 994 км. С каждым годом растёт число КЛ, выработавших нормативный срок службы в 30 лет, установленный заводом-изготовителем. Из-за старения изоляции и большой протяжённости городских кабельных сетей у обслуживающего персонала увеличивается объём работы, связанный с осмотром кабельных трасс, выездом на место повреждений, проведением высоковольтных испытаний и ремонтов. Это не может не сказываться на условиях труда персонала и безопасности проживающего вблизи трасс населения.
На первый взгляд, решение этого вопроса заключается в замене старых кабелей новыми и современными, например, из сшитого полиэтилена. Замена таких кабелей займёт много времени, потребует больших физических и финансовых затрат, а воздействие на изоляцию факторов, которые сокращают срок службы кабеля, останется. В этом случае возникает проблема определения механизма воздействия на изоляцию факторов, характерных для конкретных участков городской сети, для которых прогноз повреждаемости изоляции КЛ будет достоверным.
Решение поставленной задачи может быть получено путём анализа необходимой статистической информации об эксплуатации КЛ с использованием вероятностно-статистического метода оценки состояния изоляции. Точность расчётов зависит от полноты исходных данных. Пробой изоляции городских КЛ является редким событием. По справочным данным средняя частота устойчивых отказов КЛ напряжением 6-10 кВ (со) составляет 7,5 шт./ЮО кмтод. Для г. Челябинска в зависимости от РЭС со варьируется от 2 до 17 шт./100 кмтод. В связи с тем, что хранящаяся на предприятиях информация никак не используется в целях повышения надёжности функционирования кабельных сетей, часть её может быть утеряна, часть - не отражена должным образом в отчётной документации. Поэтому разработка алгоритма сбора и хранения информации о состоянии КЛ и воздействующих на неё факторах в виде, удобном для проведения качественного инженерного и статистического анализа, также является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники на период до 2010 года и поддержана в 2008 году грантом по программе развития научно-исследовательских работ
студентов, аспирантов и молодых учёных в высших учебных заведениях Челябинской области, осуществляемой Министерством образования и науки РФ и Правительством Челябинской области.
Цель работы - предупреждение аварийного состояния изоляции городских КЛ для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и населения.
Идея работы - прогнозирование повреждаемости изоляции городских КЛ на основе ретроспективного изучения статистики отказов кабелей.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1.В городских сетях ряд пробоев изоляции кабелей подчиняется геометрическому распределению независимо от территории прокладки КЛ.
Деление кабельных сетей в зависимости от территории прокладки на группы, для которых характерно определённое сочетание факторов, позволяет прогнозировать повреждаемость отдельных участков КЛ.
Алгоритм сбора и хранения данных, позволяющий проводить оценку состояния изоляции кабельных сетей в условиях более полной статистической информации.
Методика составления прогноза и математическая модель повреждаемости городских КЛ, учитывающие совокупное воздействие различных факторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением аппарата математической статистики и теории вероятностей, большой выборкой данных (3002 пробоя 2054 КЛ протяжённостью 994 км за 76 лет эксплуатации, 6523 акта на монтаж муфт, климатические параметры за 14 лет), удовлетворительным совпадением результатов, полученных при проведении расчётов, с данными, полученными при эксплуатации КЛ в реальных условиях.
Значение работы. Научное значение работы заключается в том, что:
- обосновано применение геометрического распределения при
прогнозировании дискретной величины пробоев изоляции городских КЛ;
проведена оценка внешних факторов, воздействующих на состояние изоляции, и установлено влияние территории прокладки КЛ на срок службы изоляции кабелей;
разработаны методика составления прогноза и математическая модель повреждаемости изоляции городских КЛ, оценивающие состояние изоляции отдельных участков КЛ.
Практическое значение работы заключается в следующем:
предложены рекомендации по продлению срока службы городских КЛ, которые улучшают условия электробезопасности и могут быть использованы при проектировании кабельных сетей, выборе схем трассировки линий;
разработана электронная база данных, позволяющая проводить оценку состояния изоляции кабельных сетей в условиях более полной статистической информации;
- получен прогноз повреждаемости городских КЛ по месяцам на
ближайший год для отдельных территорий прокладки;
- применение разработанной методики прогнозирования повреждаемости
КЛ позволяет составить вероятностно-территориальную карту кабельных сетей,
на которой указывать наиболее опасные участки с максимальной
повреждаемостью КЛ.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Научные положения, выводы и рекомендации внедрены в работу городских электрических сетей филиала ОАО «МРСК Урала» «Челябэнерго ПО ЧГЭС». Используются Южно-Уральским государственным университетом в лекционном курсе «Передача и распределение электрической энергии» при обучении студентов специальностей 140204 («Электрические станции»), 140205 («Электроэнергетические системы и сети»), 140203 («Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»), а также в лекционном курсе «Основы электробезопасности» при обучении студентов специальности 280101 («Безопасность жизнедеятельности в техносфере»).
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены: на XIII и XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2007, 2008); на Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна 2008» (Комсомольск-на-Амуре, 2008); на Международной научной конференции «Охрана труда и социальная защита работников» (Киев, 2008); на XVI Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2008); на II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007); на I и II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2007, 2009); на Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технология -экология» (Киров, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств» (Ростовская область, п. Персиановский, 2008); на IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009); на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2006 - 2009 гт.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК, получено свидетельство об отраслевой регистрации разработанной математической модели.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 19 таблиц, список используемой литературы из 125 наименований.
Прогнозирующие модели оценки состояния изоляции КЛ
Для составления прогнозирующей модели на основе вероятностно-статистических методов необходимы как можно более точные и полные данные об эксплуатации кабельных сетей. Информация об эксплуатации КЛ отражена в диспетчерских журналах, паспортах на КЛ, где хранятся- технические характеристики: марка, сечение, длина, год прокладки участков КЛ, данные о профилактических испытаниях; акты на монтаж муфт, в которых указывается марка соединяемых концов, тип муфты, марка мастики, причина монтажа и эскизируется место монтажа; трасса КЛ, где показана привязка КЛ к местности. На основании данной информации ежегодно составляются отчёты о параметрах кабельной сети и уровне повреждаемости. Анализ данных вручную занимает много времени и сил и делает данный способ хранения информации морально устаревшим в век информационных технологий. Предлагаемая в [62] компьютерная информационная система для обслуживания городских электрических сетей позволяет оперативно получать информацию о состоянии КЛ и предотвращает случайную потерю данных, что, в свою очередь, сокращает степень неопределённости в процессе управления и способствует повышению эффективности эксплуатации сетей.
При эксплуатации системы электроснабжения очень важно управлять риском возникновения аварийных ситуаций и оценивать их последствия [68]. Для этого определяются все причины аварий и последствия от этих аварий, характеризуемые определённым видом риска (рис. 1.5).
Для управления риском служит управляющая система, на вход которой подаётся информация об авариях I и сообщается цель управления Z. Управляющая система может осуществлять два вида воздействия на ситуацию: Vn - на причины аварий, Vo - на объект в пределах выделенного ресурса W на управление. Для выбора содержания возможных воздействий за основу принята модель эксплуатации [64], где одной из частных целей является обеспечение минимума аварийности. Из возможных воздействий на объект важное место занимает техническое обслуживание [63]. Модель процесса технического обслуживания осуществляет оценку потенциальных возможностей существующей стратегии обслуживания (рис. 1.6). Например, если принимается цель - обеспечение минимальной вероятности пропуска дефекта при испытании, то периодичность испытаний- не должна превышать времени жизни дефекта [66]. Если же в качестве цели управления объектом ставится достижение минимума холостых испытаний, то необходимо увеличить периодичность.
Таким образом, рассмотренные цели требуют противоположного воздействия на периодичность испытаний. На основании данной модели осуществляется поиск оптимальной периодичности испытаний.
В случае, когда авария произошла, актуальной становится задача сокращения времени восстановления работоспособности. В [10, 13] предлагается адаптивная математическая модель повреждаемости системы электроснабжения с учётом каскадного развития аварии в виде: где TQ — среднее время наработки на отказ до первого отказа; тв — среднее время восстановления после у-ых отказов; у - индекс, учитывающий число одновременно отключенных фидеров распределительной сети 6-Ю кВ.
Первое слагаемое модели определяется состоянием оборудования, уровнем эксплуатации, системой планово-предупредительных ремонтов и квалификацией обслуживающего персонала распределительных сетей. Второе слагаемое определяется количеством выездных бригад, квалификацией и технической оснащённостью персонала для поиска повреждённых участков сети.
Для оценки первого слагаемого и составления прогноза поведение изоляции городских кабельных линий 6-10 кВ предлагаются статистические модели (табл. 1.2). Каждая их этих моделей учитывает отдельный фактор или группу факторов. В первой модели [67] учитывается климатический фактор в предположении, что изменения метеорологических параметров происходят с цикличностью в 12 месяцев. Во второй и третьей моделях [3] при составлении прогноза повреждаемости КЛ учитывается комбинация части режимных параметров с физическими и схемными характеристиками КЛ. В четвёртой модели [53] используется статистика только по причинам отказов без учёта каких-либо факторов.
Анализ собранных данных за 76 лет эксплуатации КЛ филиала ОАО «МРСК Урала» «Челябэнерго ПО ЧГЭС» показал, что предлагаемые ранее модели учитывают не все факторы, да и объём выборок не достаточен.
Кроме того, рассматривая все кабели вместе и усредняя статистическую информацию, утрачивается возможность выявления значимости воздействий каждого из факторов на кабель с учётом его индивидуальных особенностей эксплуатации, таких как трасса прокладки, режимные параметры, уровень эксплуатации и других.
Исходные данные получены при анализе паспортов на КЛ напряжением 6-10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией общей протяжённостью 994 км, которые проложены непосредственно в земле (2054 шт.); актов на монтаж муфт (6523 шт.); трасс прокладки КЛ (2054 шт.); диспетчерских журналов, отчётов о метеорологических условиях на территории г. Челябинска за 14 лет. В качестве исследуемых величин были приняты: число пробоев КЛ (у = 3002 шт.); календарный срок службы изоляции от момента прокладки до пробоя (ju); среднемесячные климатические параметры: температура на поверхности грунта (t\), температура в грунте на глубине 0,8 м (/2), количество выпавших осадков (q). В качестве состояния изоляции рассматривались рабочее состояние и состояние пробоя. Все факторы были разделены на три группы: обусловленные проектными решениями, эксплуатационные и климатические.
На основании собранного материала для проведения анализа все факторы разделены на три группы: обусловленные проектными решениями, эксплуатационные, климатические.
Параллельная прокладка КЛ. Пересечение КЛ с городскими коммуникациями
По ПУЭ допускается параллельно прокладывать до 6 КЛ в одной траншее с расстоянием по горизонтали между кабелями не менее 100 мм. В условиях уплотнённой застройки кабель пересекается с подземными городскими коммуникациями, в местах пересечения с которыми он прокладывается в трубах. Анализ кабельных трасс показал, что только 10 % КЛ не имеют ни с чем пересечений [41].
Соблюдение расстояний между КЛ и коммуникациями при прокладке исключает тепловое воздействие на изоляцию. Однако кабель с подземными сооружениями и коммуникациями может образовывать гальванические пары, что способствует развитию коррозии металлических оболочек при наличии дефектов в защитных оболочках [25].
Из общего числа случаев пересечения КЛ с городскими подземными коммуникациями по всем сетям г. Челябинска доля повреждений кабеля рядом с ними мала (табл. 2.3).
Наибольшее число пробоев КЛ, приходящееся на 100 коммуникаций, происходит при пересечении кабеля с теплотрассой. Вероятно, из-за несовершенства теплоизоляции при пересечении кабеля с теплотрассой появляются участки перегрева. При этом металлическая оболочка кабеля расширяется. Возникают газовые включения, в которых происходят ЧР, приводящие к пробою изоляции. Но все эти процессы происходят постепенно, занимая длительный промежуток времени.
Таким образом, если и есть влияние городских коммуникаций, то оно не значительно и не приводит к резкому снижению срока службы кабеля. Наибольшую опасность подземные коммуникации и параллельная прокладка нескольких КЛ в одной траншее представляют при проведении земляных работ, когда существует вероятность либо непосредственно повредить изоляцию кабеля, в результате чего ремонтный персонал может оказаться под напряжением, либо в изоляции могут образовываться микродефекты из-за последующего уплотнения грунта.
В черте города, помимо пересечения с подземными коммуникациями, КЛ, имеющие протяжённость в среднем 300 - 800 м, прокладываются в трубах под проезжей частью. Доля пробоев изоляции кабеля у проезжей части составляет 5,6 % от общего числа пробоев изоляции. Основными факторами, ведущими к отказу КЛ, в данном случае являются вибрация и уплотнение грунта от проезжающего транспорта, наличие блуждающих токов в земле вблизи рельсового электрифицированного транспорта, а также нарушение целостности защитных покровов при протягивании кабеля сквозь трубы.
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией могут работать только в том случае, если они заключены в защитную оболочку. Для кабелей марки АСБ защиту выполняет свинцовая оболочка. Следовательно, непременным условием надёжной работы силовых кабелей является сохранение свинцовой оболочкой её первоначальных свойств в течение всего срока службы кабелей. Между тем опыт показывает, что в ряде случаев эксплуатации создаются такие условия, которые приводят к разрушению свинцовой оболочки. Примером является воздействие различного рода сотрясений и вибраций. Для кабелей, проложенных непосредственно в земле, источником вибрации является автотранспорт.
В [86] дорожная конструкция рассматривалась как упругая колебательная система, для которой было установлено, что заметное гашение колебаний наблюдается при высоте насыпи 4 м и более, но это не реально сделать в условиях городской застройки. Там же определено, что резонансу (наложению и совпадению частоты вынужденных колебаний при высокой скорости горизонтального движения вертикальной нагрузки от автотранспорта с частотой колебаний дорожной конструкции) подвержены асфальтобетонные покрытия толщиной от 3 до 15 см и высоте насыпи 1 - 2 м при скорости подвижной нагрузки 80 и 120 км/ч. Кабель обычно прокладывается на глубине 0,7 м, следовательно, он подвергается воздействию вибрации.
Распространение колебаний зависит от двух факторов: интенсивности движения автотранспорта, режима упругой работы слоев грунта. Второй фактор хорошо прослеживается при сравнении статистических данных о повреждаемости изоляции кабелей со свинцовой и алюминиевой оболочкой в зависимости от месяца года (рис. 2.6).
Наибольшее количество пробоев кабеля марки АСБ происходит во втором квартале года с максимумом в июне. Можно полагать, что в данный период дорожная конструкция имеет упругий режим работы, что способствует распространению колебаний на глубину. Под действием вибрации образуются дефекты, а уже имеющиеся в свинце микротрещины развиваются и приводят к полному разрушению герметичности оболочки. По образованным каналам в кабель проникает влага, различные соли и кислоты, находящиеся в грунте, что приводит к ухудшению изоляционных свойств конструкции.
Во время эксплуатации такой дорожной конструкции могут возникать обстоятельства, приводящие к изменению режима её упругой работы. Причиной является подтопление дороги из-за продолжительных дождей в осенний период. Вследствие водонасыщения прочные связные грунты становятся слабыми, вязкими. За счёт вязкости происходит затухание колебаний во времени. В результате вибрация становится малозначимой, и повреждаемость кабелей марки АСБ снижается.
В отличие от свинца алюминий менее подвержен воздействию вибрации вследствие специфических свойств металла. Основной причиной повреждения около дороги кабелей ААШв с алюминиевой оболочкой является нарушение целостности шлангового покрытия. При прокладке, а также при замене под дорожным полотном участок КЛ протягивают сквозь асбестовые трубы. Вследствие низких физико-химических характеристик шланговое покрытие не выдерживает возникающих усилий тяжения и местных нагрузок, в результате чего появляются порывы, заусенцы и царапины кабеля [25]. После механического разрушения защитных покровов происходит коррозия металлических оболочек кабеля. Кабели, проложенные непосредственно в земле, подвергаются почвенной коррозии, обусловленной воздействием химических реагентов, и электрокоррозии блуждающими токами. При попадании на чистую поверхность металлической оболочки постороннего вещества образуется гальваническая пара с разностью потенциалов, протекает ток. Выход тока по закону Фарадея сопровождается переносом металла в электролит. При электрохимическом эквиваленте железа 1,04 г/А ч за год при токе в 1 А будет потеряно 9,1 кг железа.
При коррозии кабелей блуждающими токами количественный эффект разрушения металла намного превосходит эффект разрушения его почвенной электрокоррозией. Основными факторами, определяющими характер и размеры коррозии блуждающими токами, являются значение и направление блуждающих токов, переходное сопротивление между грунтом и кабелем, взаимное расположение источников блуждающих токов и трасс прокладки КЛ, состояние защитных покровов на кабелях. Загрязнение грунта солями (особенно вблизи дорог) и промышленными стоками при наличии влаги является необходимым условием для протекания электрохимического процесса грунтовой коррозии. В связи с низким качеством защитных покровов наиболее подвержены коррозии кабели марки ААШв. Разъедание оболочки и попадание паров воды в изоляцию приводит к росту повреждаемости этих кабелей в осенний период (рис. 2.6).
Таким образом, в связи со специфическими свойствами металлов не рекомендуется использовать кабели со свинцовой оболочкой на участках трассы, проходящей под проезжей частью или вблизи её. Для таких участков наиболее подходят кабели с алюминиевой оболочкой марки ААБ, ААШв. Для более надёжной работы кабелей марки ААШв необходимо либо улучшать физико-химические свойства шлангового покрытия, либо усовершенствовать способ прокладки. В настоящее время вместо асбестовых труб применяются гофрированные трубы, которые наносят меньшее разрушение защитным оболочкам, но они не находят широкого применения из-за создаваемых ими неудобств при замене повреждённых участков кабеля. Кабель марки ААБ имеет защитную броню и алюминиевую оболочку и предназначен для прокладки в грунте с высокой коррозионной активностью, с наличием блуждающих токов. Из-за такой конструкции применение кабеля марки ААБ позволит снизить повреждаемость изоляции КЛ, проложенных вдоль проезжей части.
Проведение земляных и наземных работ
На кабель, проложенный в земле, воздействует множество факторов, ухудшающих электрические и механические характеристики изоляции, приводящие к её старению и последующему пробою. Ухудшение параметров КЛ происходит непрерывно и связано с накопительным характером развития дефектов и повреждений в элементах.
На основании анализа статистических данных об эксплуатации КЛ был выявлен важный фактор, который ранее учёными назывался, но не учитывался в виду сложности в прогнозирующих моделях [3, 53, 67] — уровень обслуживания кабельных сетей обслуживающим персоналом [38, 76, 113].
Изначально на срок службы изоляции влияют условия хранения и транспортировки изделия, качество элементов КЛ. Определить участки КЛ с ослабленной изоляцией возможно при визуальном осмотре, проверке изоляции на влажность, приемо-сдаточных испытаниях. Качество монтажа можно определить на основании расчёта интенсивности отказов по статистической информации о сроке службы КЛ. Типичная зависимость интенсивности отказов от времени службы изделия приведена на рис. 3.4. В этой зависимости выделяются три периода «жизни» изделия: приработка тІ5 основной период работы т2 и заключительный период работы r3.
На основании расчёта интенсивности отказов [96, 118] по статистическим данным о первом пробое изоляции кабелей при рабочем напряжении (рис. 3.5) определено, что время выявления грубых дефектов изоляции с низкой начальной прочностью составляет до трёх лет, г2 равняется от 3 до 30—32 лет, г3 - свыше 32 лет. При этом в период приработки происходит до 15 % повреждений изоляции кабеля в работе в ранее неповреждённом месте, причём, из них 55 % происходит в период до 1,5 лет. Данные цифры свидетельствуют о явных дефектах монтажа КЛ, которыми являются повреждение защитных покровов при транспортировке, укладке по сложным трассам и протаскивании через трубы, засыпка кабеля мёрзлым грунтом, камнями, мусором.
Для уже проложенных КЛ наибольшую опасность имеют земляные работы в охранной зоне, которые проводятся с использованием специальной техники: экскаватора, ямобура, баровых грунторезных машин, грузоподъёмных механизмов и др. По статистике доля механических повреждений при строительстве и благоустройстве города, составляет до 15 % от общего числа повреждений изоляции. Задача снижения уровня механических повреждений является организационной, связанной с согласованием земляных работ с персоналом электрических сетей, проведением работ в присутствии их представителя, а также защитой кабеля с помощью кирпича.
Помимо непосредственного порыва кабеля при применении специальной техники происходит уплотнение грунта, что может вызвать деформацию и / или проколы защитных оболочек кабеля. Степень повреждения будет определять остаточный ресурс изоляции. При этом нельзя точно сказать, когда и как произошло повреждение. Статистическая зависимость числа пробоев изоляции в работе в ранее неповреждённом месте от срока эксплуатации (рис. 3.6) до 33-го года эксплуатации имеет убывающий характер. Согласно логике, чем старше кабель, тем больше он испытывает негативных воздействий, и тем чаще должен выходить из строя. Получается, что на уровень повреждаемости, в большей мере, влияют дефекты и микротрещины, появившиеся в результате некачественного проведения монтажных работ.
Выявление данного факта может быть проведено при сравнении КЛ, проложенных параллельно в один год, в одной траншее, изначально одной марки и сечения. Такие КЛ составляют 85 % от общего числа кабельных трасс.
Считается, что качество материала и монтажа кабелей, параллельно проложенных в одной траншее, одинаковое, так как они прокладывались с одного барабана, одной монтажной бригадой, в одно и то же время. Выполнение указанных условий позволяет утверждать, что первичным воздействующим на изоляцию фактором является условие обслуживания кабельных трасс, а режимные параметры и факторы окружающей среды являются вторичными и способствуют уже начавшемуся процессу разрушения элементов КЛ. На рис. 3.7 представлен эскиз места прокладки в 1994 году двух КЛ марки ААШв 3x150 в частном секторе параллельно переулку без асфальтового покрытия. Первое повреждение изоляции кабеля 2 произошло 18.10.1995 г. через год после прокладки. При восстановлении кабеля в октябре месяце в увлажнённом грунте в местах, где проезжала спецтехника, произошла усадка грунта, что, вероятно, привело к опасным механическим напряжениям в оболочках кабеля. В результате через 5 дней 23.10.1995 г. рядом происходит пробой изоляции в целом месте. Ещё через год на этом же участке трассы определено сразу 4 места повреждения изоляции, в результате чего весь участок кабеля был заменён. Трудно определить: данный участок кабеля изначально имел заводской дефект или был повреждён механически.
Связь процесса увлажнения грунта с уровнем повреждаемости изоляции городских КЛ
Согласно выделенным выше особенностям территорий прокладки КЛ фильтрация влаги в грунте будет разная. Например, для первой территории наличие асфальтового покрытия препятствует быстрому проникновению влаги в грунт, а постоянное уплотнение грунта вызывает уменьшение его пористости и, следовательно, влажности. Во многом влияние грунтово-климатического фактора зависит от наличия дефектов и микротрещин. Поэтому на участках трассы, где проводятся земляные или наземные работы, которые приводят к механическим повреждениям защитных оболочек кабеля, процесс развития пробоя занимает меньше времени.
Для определения интервала времени (у/„), через который вода отфильтровывается в грунт, а пары влаги проникают в уже имеющиеся дефекты в изоляции, рассчитан ранговый коэффициент корреляции между числом пробоев изоляции (у) и количеством осадков (q), выпавших в і-м месяце. Расчёт проводился по порядку для следующих предположений: 1. Время у/ — до 1 месяца, т.е. сравнивались ранги параметров q{, и у{. 2. Время y/q = l месяц, т.е. сравнивались ранги параметров qt и yi+i. 3. Время y/q =2 месяца, т.е. сравнивались ранги параметров q{ и yi+2. 4. Время у/ = 3 месяца, т.е. сравнивались ранги параметров qi и yi+3 . 5. Время ц/д =4 месяца, т.е. сравнивались ранги параметров qt и yi+4 Поочередно сдвигая у относительно q, расчёт проводится до того, пока коэффициент корреляции не примет наибольшее значение. Полученный сдвиг соответствует искомому интервалу времени y/q (рис. 4.3).
В качестве примера в табл. 4.1 приведены значения коэффициентов связи между числом пробоев изоляции и количеством выпавших осадков для территорий одного из РЭС.
Получено, что наибольшее время проявления увлажнения грунта в рассматриваемом РЭС наблюдается на территории дворов многоэтажных домов и учреждений. Результаты расчёта интервалов \//q по другим РЭС в целом и с учётом территориального деления представлены в табл. 4.2. В среднем время проявления влияния осадков на состояние изоляции изменяется от одного до трёх месяцев.
Полученные коэффициенты корреляции не максимальны и показывают слабую линейно-возрастающую связь между рассматриваемыми переменными. Это свидетельствует о том, что влияние климатического параметра на уровень повреждаемости изоляции есть, но оно не единственное. На основании вышесказанного с учётом полученного интервала времени y/q проведём сравнение повреждаемости изоляции в полноводный и засушливый период на примере данных по РЭС 1 на территории дворов многоэтажных домов и учреждений.
По данным метеорологической службы установлено, что для рассматриваемого мегаполиса с 1986 по 1989 г., а также с 2000 г. по настоящий день наблюдается полноводный период со значительным количеством осадков в виде снега и дождя. Период 1990 — 1993 гг. — засушливый, с большим числом месяцев в году без осадков.
Сопоставим повреждаемость изоляции КЛ (рис. 4.4) с климатическими параметрами в 2002 и 2006 годах (рис. 4.5). В качестве исследуемых величин были приняты следующие среднемесячные климатические параметры: количество выпавших осадков (П), температура на поверхности грунта ( 2), температура в грунте на глубине 0,8 м ( ?).
За период с апреля по июнь гистограммы осадков для 2002 года и для 2006 года одинаковы по форме с той лишь разницей, что в 2006 году их количество было больше, что и сказывается на количестве повреждений в данный год (рис. 4.4). Значительное количество выпавших осадков в июле 2006 года (173 мм) приводит через два месяца к росту повреждаемости изоляции.
В 2006 году за период с июня по сентябрь выпало 315,9 мм осадков (229,3 мм в 2002 году за тот же период) при средней температуре на поверхности грунта за четыре месяца 17,7 С (17,5 С в 2002 году). Осадки, выпавшие в 2006 году, не успевают испариться и уходят в почву. В результате происходит увлажнение грунта, способствующее растворению солей, образованию кислот и слабых электролитов в грунте, ускорению химических процессов, распространению блуждающих токов. Всё это, в свою очередь, приводит к электрохимической коррозии металлической оболочки кабеля, а также при повышенных температурах — к проникновению молекул воды в поры шлангового покрытия кабеля вследствие гибкости цепи полимера. В ноябре 2006 года происходит пробой изоляции. В 2002 году осадки, выпавшие в июне (70,5 мм), под действием положительных температур (+19,8 С) частично испаряются, а осадки, выпавшие в октябре - 58 мм, ноябре - 56,8 мм, способствуют пробоям в декабре.
Годовое количество выпавших осадков за 2002 год составляет 454,2 мм, за 2006 год - 579,3 мм. Для сравнения был рассмотрен засушливый 1991 год с годовым количеством осадков 295,7 мм. В этом году пробой происходит только в октябрь (рис. 4.4). Анализируя климатические параметры года, можно утверждать следующее: высокие температуры и дефицит влаги (рис. 4.6) создают благоприятные условия для почвенной засухи. Суховей усиливает вредное воздействие засухи, так как температура в суховейном потоке в дневные часы, как правило, превышает 30 С, а влажность воздуха понижается до 30 % [82]. Ветер увеличивает испарение и усиливает суховейный эффект. При отсутствии осадков в апреле и мае грунт пересыхает, вследствие чего образуются трещины в почве.
