Публикации

Подтверждение срока службы кабелей с изоляцией из этиленпропиленовой резины

11.03.2021

Боев Андрей Михайлович
кандидат технических наук, заместитель технического директора ООО «ХКА»

В силовых электрических сетях в настоящее время все шире применяют кабели с изоляцией из этиленпропиленовой резины (ЭПР). Эти кабели изготавливают на номинальное переменное напряжение до 35 кВ, а так же такие кабели применяют в сетях постоянного напряжения. Конструкция кабелей на переменное напряжение до 3 кВ включительно состоит из медных или алюминиевых токопроводящих жил, изоляции из ЭПР и различных защитных покровов. На напряжение 6 кВ и более в конструкцию кабеля вводят электропроводящие полимерные экраны, накладываемые на токопроводящие жилы и изоляцию.

Каучук, используемый при производстве ЭПР, является терполимером, полученным при сополимеризации этилена с пропиленом или этих двух мономеров с несопряженным диеном (третьим мономером) представляющим собой углеводород с двойными связями, которые расположены в боковых звеньях молекул. В качестве третьего компонента, вводимого для облегчения вулканизации в количестве 0,5-3 мол. %, чаще всего используют этилиденнорборнен, реже - дициклопентадиен, 1,4-гексадиен и метилтетрагидроинден. На рис. 1 приведена химическая формула терполимера этилена с пропиленом и дициклопентадиеном. 

Химическая структура этиленпропиленового каучука.jpg

Рис. 1. Химическая структура этиленпропиленового каучука. 

Резины, полученные на основе этиленпропиленовых каучуков обладают комплексом ценных свойств: озоно- и термостойкостью, химической стойкостью, а также относительно высокими физико-механическими показателями.

Вулканизация этиленпропиленового каучука происходит в присутствии органических пероксидов при температуре свыше 120 оС. Примерный рецептурный состав ЭПР приведен в таблице 1. В резину возможно введение большого количества сажи и минеральных масел. 

Таблица 1. 

Рецептурный состав ЭПР

  Наименование компонента   Содержание, массовые части 
  Каучук Nordel   100
  ПЭ низкой плотности   5
  Каолин   60
  Оксид цинка   5
  Оксид свинца (90% распределенный в ЭПР)   5
  Парафин
  5
  Винил-Силан   1
  Поли-дигидрохинолиновый антиоксидант   1,5
  Перекись дикумила   2,6

Эксплуатационные характеристики основных современных электроизоляционных материалов, используемых в производстве силовых кабелей, приведены в таблице 2. 

Таблица 2 

Эксплуатационные характеристики современных электроизоляционных материалов

 Характеристика   СПЭ     ЭПР   HEPR    КО
  Удельное объемное сопротивление, Ом*см   >1016     1014
  1014   1014
  Диэлектрическая прочность, кВ/мм   40-80     30-60
  30-60   23
   Диэлектрическая постоянная       2,3   2,7-3,2   2,7-3,2   3,2
  Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ)
  4*10-4    40*10-4   40*10-4   80*10-4
  Макс. рабочая температура на жиле, оС
  90   90   90 (105)
  180
  Температура при коротком замыкании, оС   250   250   250   350
  Испытание на усадку (Макс.), %   4   -
  Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ)      4*10-4
  40*10-4   40*10-4   80*10-4
  Макс. рабочая температура на жиле, оС
  90 90    90   180
  Температура при коротком замыкании, оС    250   250   250   350
  Кислородный индекс (% О2)      18-26   18-30
  18-30
  20-27


Применение изоляции из ЭПР требует дальнейшего изучения с точки зрения надежности в условиях длительной эксплуатации. В данной работе предложена методика экспресс оценки срока службы силовых кабелей с изоляцией из ЭПР, рассчитанных на номинальное переменное напряжение 3 кВ, при условии их эксплуатации в сети постоянного напряжения 4,5 кВ. 

При разработке для методики подтверждения срока службы кабелей исходили из того, что основным воздействующим фактором, в процессе длительной эксплуатации кабеля является электрическое напряжение постоянного и переменного тока. 

Известно, что при длительном воздействии электрического напряжения возникает пробой электрической изоляции. Значение пробивного напряжения можно определить, исходя из его зависимости от времени воздействия на изоляцию, которая выражается некоторой функцией времени: 

Uпр=F(t)                                                                  (1) 

где Uпр – пробивное напряжение, 
t – время воздействия напряжения до пробоя. 

Старение изоляции при электрическом воздействии может быть описано следующим законом: 

Un×t=const                                                          (2) 

где U – приложенное напряжение,
n –показатель степени, некоторая постоянная величина. 

Значение показателя степени n определяют эмпирически. Для электрической изоляции силовых кабелей, работающей на постоянном напряжении, минимальное значение n составляет 10 [1]. Такое значение использовано в рассматриваемой методике. 

Уровень постоянного испытательного напряжения рассчитали, используя уравнение: 

Udc=U0×K                                                        (3) 

где U0 –рабочее напряжение кабеля, 
K– коэффициент электрического старения. 

Коэффициент электрического старения без учета перегрузок может быть определен: 

K1= n√ (t0 / t1 )                                       (4) 

где t0 – срок службы, 
t1 – время ускоренного электрического старения. 

Однако, в процессе эксплуатации кабелей могут возникать допустимые перенапряжения, которые следует учитывать коэффициентом резерва (Kp). Для электрических сетей, работающих при номинальном напряжении до 20 кВ величина Kp равна 1,2. Таким образом, коэффициент электрического старения с учетом коэффициентом резерва может быть определен: 

K = K1 × Kр = Kр × n√(t0 / t1 )                                           (5) 

В таблице 3 приведены значения параметров, необходимые для расчета времени испытаний при постоянном напряжении равным 16,5 кВ, там же приведен расчет значения коэффициента электрического старения с учетом коэффициента резерва. 

Таблица 3. 

Расчет длительности испытаний

Срок службы (назначенный), лет
Срок службы (назначенный), ч Коэффициент электрического старения (К1 Коэффициент электрического старения с учетом резерва (К) Длительность испытания (старения), ч
30 30х8760= 262 800 10 √262800/4=3,03 1,2х3,03= 3,64 4

       

Таким образом, время, необходимое для подтверждения срока службы кабелей с изоляцией из ЭПР принимаем равным 4 ч в условиях эксплуатации в сети постоянного напряжения 4,5 кВ. 

Испытания проводят на двух образцах кабеля длиной не менее 10 м, без учета концевых разделок. 

Первый образец подвергают воздействию переменного напряжения 4U0 (7,2 кВ) частотой 50 Гц в течение 4 ч. Второй образец подвергают воздействию постоянного (выпрямленного) напряжения 16,5 кВ в течение 4 ч. После испытаний повышенным напряжением первый образец кабеля подвергают воздействию переменного напряжения по ГОСТ 2990 при ступенчатом повышении напряжения до пробоя изоляции. Значение напряжения на первой ступени – 9 кВ, повышение напряжения на каждой последующей ступени должно быть равным 1,8 кВ. Продолжительность воздействия напряжения на каждой ступени не менее 5 мин. 

Если пробоя изоляции не произойдет при напряжении 70 кВ, то испытание прекращают, и это значение принимают за пробивное напряжение. 

После испытаний повышенным напряжением второй образец кабелей подвергают воздействию постоянного напряжения по ГОСТ 2990 при ступенчатом повышении напряжения до пробоя изоляции. Значение напряжения на первой ступени – 20 кВ, повышение напряжения на каждой последующей ступени должно быть равным 5 кВ. Продолжительность воздействия напряжения на каждой ступени не менее 5 мин. 

Если пробой изоляции не произойдет при напряжении 70 кВ, то испытание прекращают, и это напряжение принимают за значение пробивного напряжения. 

Объектом исследования выбраны кабели силовые торговой марки HoldCab® EPR-F LV STF(A) 1x500мк/25-3 фактической длиной 15 м. Кабель изготавливают по ТУ 16.К73-130-2015 «Кабели, не распространяющие горение, с изоляцией из этиленпропиленовой резины». Изоляция этих кабелей выполнена из ЭПР марки ЭПТИ-50, по составу близкая к приведенному в таблице 1 каучуку.

В таблице 4 проведены результаты проведенных электрических испытаний изоляции из ЭПР силового кабеля типа HoldCab®.

Таблица 4

Результаты электрических испытаний изоляции из ЭПР силового кабеля типа HoldCab®

 Воздействующий фактор    Нормированное значение, кВ Фактическое значение, кВ 
  Переменное напряжение 4UO частотой 50 Гц в течение 4 ч   -   7,2
  Пробивное переменное напряжение частотой 50 Гц   35   45
  Постоянное напряжение в течение 4 ч   -   16,5
  Пробивное постоянное напряжение   35   68,5

Анализ приведенных результатов испытаний показал, что образцы исследованного кабеля выдержали электрические испытания, при этом фактическое значение пробивного напряжения изоляции значительно превышает нормированные значения.

Таким образом, согласно приведенной методике подтвержден установленный показатель надежности силового кабеля, при этом подтверждена возможность длительной эксплуатации кабеля при воздействии постоянного напряжения.





Список литературы:

1. Brown M. Accelerated life testing of EPR-insulated underground cable // IEEE Electrical Insulation Magazine. – 1991. – Vol. 7, № 4. – P. 21-26/

2. Гук Д.А., Каменский М.К., Крючков А.А., Николаева М.А., Степанова Т.А., Шувалов М.Ю. Стойкость кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена к термическому старению. Испытания и исследования // Кабели и провода. – 2020. - №4 (384). – С.15-22.

3. Духовской В.П., Бобылев С.В., Боев А.М. Композиционные диэлектрики / Под ред. С.В. Серебрянникова. - М.: Издательство МЭИ, 2001. – 72 с.

4. Боев А.М. Разработка и оценка надежности самонесущих изолированных проводов: дис. канд. тех. наук /. – М., 2004. - 116 с.



×
Заявка на совместную разработку
При отправке данных я даю согласие на обработку персональных данных

* - Поля, обязательные для заполнения

×
Заказать звонок
При отправке данных я даю согласие на обработку персональных данных
×
Забыли пароль?
Рекомендуем загрузить архивом полный пакет документов.
Для дальнейшей работы потребуются:
  • карточка предприятия с реквизитами
  • копии учредительных документов
  • копии свидетельства о регистрации
  • копии свидетельств о постановке на налоговый учет
  • копии документов, подтверждающих полномочия лица на подписание соглашения
При отправке данных я даю согласие на обработку персональных данных
×
×
Товар добавлен в корзину.
Данный сайт использует файлы “cookie”. Продолжая просмотр сайта, вы соглашаетесь с использованием файлов “cookie”.
ОК