Способ определения электрической прочности полимерной изоляции

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля электрической прочности. Изобретение позволяет оценить неразрушающим методом для конкретной изоляции жилы минимальную (пороговую) напряженность, еще не снижающую электрическую прочность изоляции, и акустической локацией определить местонахождение слабого звена. Сущность: электроакустические преобразователи устанавливают на концах жилы. Жилу с изоляцией помещают частично под слой воды. Напряжение на жиле ступенчато повышают до значения, при котором предшествующая непрерывная акустическая эмиссия, затухающая во времени, сменяется дискретной незатухающей. По этому значению напряжения судят о максимальной напряженности, еще не снижающей во времени электрическую прочность изоляции, в частности свое пороговое значение.

 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля электрической прочности.

Известны методы контроля электрической прочности по параметрам, косвенно связанным с ней, например, по тангенсу угла потерь [1]. Такие методы дают лишь интегральную оценку электрической прочности изоляции без информации о ее слабом звене и месте его расположения.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению акустический способ [Сборник руководств по наладочным работам. М.: Энергия, - 1975, ч.II., Кузнецов П.А. Определение мест повреждения одножильных силовых кабелей электроакустическим методом / Энергетик, 1969, №11, с.32-34] определения местонахождения "заплывающего" пробоя и остаточной прочности поврежденной пробоем изоляции, включающий установку чувствительных микрофонов на почву над кабелем, постепенное повышение напряжения на жиле, регистрацию звука электрического пробоя и определение таким образом местонахождения слабого звена.

Недостаток прототипа - дополнительные повреждения изоляции в процессе ее контроля.

Цель работы - определение электрической прочности полимерной изоляции без снижения этой прочности.

Цель достигают тем, что, как и в прототипе, устанавливают акустоэлектрические преобразователи, повышают на жиле с изоляцией напряжение и регистрируют акустические сигналы, но в отличие от прототипа акустоэлектрические преобразователи устанавливают на концах жилы, жилу с изоляцией помещают частично под слой воды, напряжение на жиле ступенчато повышают до значения, при котором предшествующая непрерывная акустическая эмиссия, затухающая во времени, сменяется незатухающей дискретной акустической эмиссией, и по этому значению судят о максимальной (пороговой) напряженности Е₀, еще не снижающей во времени электрическую прочность изоляции, в частности само значение Е₀. Использование жилы как волновода с преобразователями на концах позволяет регистрировать акустическое событие в любой области полимерной изоляции с толщиной до 8 мм и определять координату этого события по длине жилы. Между макромолекулами полимерной изоляции существует капилляры с диаметром в несколько нанометров [4], куда свободно проникают молекулы воды с диаметром 0,25 нм. Переменное электрическое поле ускоряет проникновение молекул воды в капилляры изоляции [1], а так как молекулы воды полярны, то под действием переменного электрического поля они работают как отбойные молотки, создавая в порах высокое давление электроосмоса [2]. Это явление получило название микрокавитации и обуславливает зарождение и развитие дефекта изоляции в виде пузырьков - водный триинг [3]. Под действием осмотического давления капилляр увеличивает свои размеры до ˜2 мкм, при этом давление в нем снижается. Увеличение диаметра капилляра приводит к кристаллизации полимера в граничной области [4], при этом образуется область с плотной упаковкой отдельных частей макромолекул - кристаллиты - и прослойки с рыхлой упаковкой других сегментов макромолекул. Кристаллизация сопровождается преодолением слабых связей между отдельными сегментами молекул, что не сопровождается освобождением значительной энергии. В силу этого единственным акустическим откликом материала при зарождении водного триинга может быть шум микрокавитации, затухающий при выдержке изоляции под постоянной напряженностью Е или соответствующем ему напряжении U. Дальнейшее развитие водного триинга при повышении Е возможно только разрывом внутримолекулярных связей с высокой энергией [5]. Разрыв такой связи вызывает лавину разрывов перенапряженных связей в прослойке между кристаллитами, что сопровождается образованием микротрещин [5] и незатухающей акустической эмиссией (АЭ). Эти известные факты физики разрушения полимера и использовали при обосновании второго отличительного признака изобретения. Вместе с тем при Е>Е₀ будет происходить развитие водного триинга, то есть снижение электрической прочности изоляции, которая приведет сначала к тепловому пробою, а затем и к электрическому. При Е<Е₀ развитие водного триинга (микрорастрескивание) не будет иметь место. Следует отметить, что строго уловить значение Е₀ весьма затруднительно, так как при незначительно большей Е микрорастрескивание и соответствующие АЭ будут редкими событиями, например, раз за час. Но для оценки Е₀ можно ограничиться Е_АЭ, обеспечивающей частоту импульсов АЭ от 1 до 3 за 10 секунд, и для перехода к Е₀ снижать Е_АЭ на заведомо достаточную часть, например на 5%.

Реализацию способа проводили на изоляции из полиэтилена, который растворяли в толуоле при 80°С и наносили в виде лака кистью на U-образную жилу из отожженной меди диаметром 10 мм. Толщина δ покрытия в 2 слоя после высыхания не превышала 0.2 мм, что позволило рассчитать напряженность по формуле Е=U/δ. На концах жилы нарезали резьбу для установки стаканов с уплотнением, предотвращающим вытекание масла. В стаканы с маслом опускали торцы пьезодатчиков акустикоэлектронной установки АФ-15. Для ускорения зарождения водного триинга описанный образец погружали в воду, так чтобы уровень воды был на 15 мм ниже начала резьбы на жиле. Ступенчато повышая напряжение U на жиле, находили то его значение U_АЭi, при котором предшествующая непрерывная АЭ, затухающая во времени, сменялась дискретной незатухающей АЭ. Определив U_АЭi на 225 образцах, каждый из них выдерживали 240 дней под переменным напряжением 0.95 U_АЭi, снова определяли значение U_АЭi на каждом образце, рассчитали 225 отношений значений U_АЭi до и после выдержки 240 дней, каждое из которых обозначали Получили среднее и дисперсию Эти результаты доказывают случайность отличия от 1, а следовательно, и сохранение значений U_АЭ и Е₀ после 240 дней пребывания под переменным напряжением. Вместе с тем, они позволяют утверждать, что точность определения U_АЭ, а следовательно и Е₀, составляет 4% при доверительной вероятности 0.95. В следующем опыте каждый образец выдержали 240 дней под напряжением U_i=1,05 U_АЭi и получили и Здесь значимое отличие от 1 доказывает, что U>1.05 U_АЭ (или Е>1.05 Е₀) уже снижает электрическую прочность изоляции.

Предложенный способ позволяет оценить неразрушающим методом для конкретной изоляции жилы минимальную (пороговую) напряженность, еще не снижающую электрическую прочность изоляции, и акустической локацией определить местонахождение слабого звена.

Источники информации

1. Канискин В.А. Влияние эксплутационных факторов на электрические свойства и диагностика полимерной изоляции кабелей: Дис...д.т.н. / СПбГТУ. - Санкт-Петербург, 1999. - 283 с.

2. Mole G. A mecanism of water treeing in polyethylene cable insulation / World Elektrotechnical congress in Moscow, 1977. Sect. 3А, paper 64, p.164.

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

4. Трелоар Л. Физика упругости каучука. - М.: ИЛ, 1953. - 240 с.

5. Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р.Регель, А.И.Слуцкер, Э.Е.Томашевский. - М.: Наука, 1974. - 560 с.

Способ определения электрической прочности полимерной изоляции, включающий установку акустикоэлектрических преобразователей, повышение напряжения на жиле и регистрацию акустических сигналов, отличающийся тем, что электроакустические преобразователи устанавливают на концах жилы, жилу с изоляцией помещают частично под слой воды, напряжение на жиле ступенчато повышают до значения, при котором предшествующая непрерывная акустическая эмиссия, затухающая во времени, сменяется дискретной незатухающей и по этому значению судят о максимальной напряженности, еще не снижающей во времени электрическую прочность изоляции, в частности, свое пороговое значение.