Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях
Выполнена оценка напряжения начала частичных разрядов (ЧР) в многожильных кабелях разной структуры. Для кабелей с плотной конструкцией напряжение определяется путем построения траекторий силовых линий в воздушных зазорах между изолированными жилами. В кабелях, для которых присущи большие объемы своб...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13137 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях / А.В. Беспрозванных // Техн. електродинаміка. — 2010. — № 1. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — pос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-13137 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Беспрозванных, А.В. 2010-10-29T12:42:48Z 2010-10-29T12:42:48Z 2010 Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях / А.В. Беспрозванных // Техн. електродинаміка. — 2010. — № 1. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — pос. 0204-3599 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13137 621.315 Выполнена оценка напряжения начала частичных разрядов (ЧР) в многожильных кабелях разной структуры. Для кабелей с плотной конструкцией напряжение определяется путем построения траекторий силовых линий в воздушных зазорах между изолированными жилами. В кабелях, для которых присущи большие объемы свободного пространства между жилами разных повивов, оценка напряжения начала ЧР выполняется по напряженности поля на поверхности изоляции жил. Виконано оцінку напруги початку часткових розрядів (ЧР) у багатожильних кабелях різної структури. Для кабелів з щільною конструкцією напруга визначається за траєкторіями силових ліній у повітряних зазорах між ізольованими жилами. В кабелях, для яких характерні великі об’єми вільного простору між ізольованими жилами різних повивів, оцінка напруги початку ЧР виконується за напруженістю поля на поверхні ізоляції жил. Estimation of partial discharges initial voltage in bundled cables of various structure is performed. For compact structure cables the voltage is measured by field line tracing in air gaps between insulated conductors. For cables with free spaces between their lay-ups, estimation of partial discharges initial voltage is performed according to the field density on conductor insulation surface. ru Інститут електродинаміки НАН України Теоретична електротехніка та електрофізика Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях High electric field and partial discharges in bundled cables Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| spellingShingle |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях Беспрозванных, А.В. Теоретична електротехніка та електрофізика |
| title_short |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| title_full |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| title_fullStr |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| title_full_unstemmed |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| title_sort |
сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях |
| author |
Беспрозванных, А.В. |
| author_facet |
Беспрозванных, А.В. |
| topic |
Теоретична електротехніка та електрофізика |
| topic_facet |
Теоретична електротехніка та електрофізика |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
High electric field and partial discharges in bundled cables |
| description |
Выполнена оценка напряжения начала частичных разрядов (ЧР) в многожильных кабелях разной структуры. Для кабелей с плотной конструкцией напряжение определяется путем построения траекторий силовых линий в воздушных зазорах между изолированными жилами. В кабелях, для которых присущи большие объемы свободного пространства между жилами разных повивов, оценка напряжения начала ЧР выполняется по напряженности поля на поверхности изоляции жил.
Виконано оцінку напруги початку часткових розрядів (ЧР) у багатожильних кабелях різної структури. Для кабелів з щільною конструкцією напруга визначається за траєкторіями силових ліній у повітряних зазорах між ізольованими жилами. В кабелях, для яких характерні великі об’єми вільного простору між ізольованими жилами різних повивів, оцінка напруги початку ЧР виконується за напруженістю поля на поверхні ізоляції жил.
Estimation of partial discharges initial voltage in bundled cables of various structure is performed. For compact structure cables the voltage is measured by field line tracing in air gaps between insulated conductors. For cables with free spaces between their lay-ups, estimation of partial discharges initial voltage is performed according to the field density on conductor insulation surface.
|
| issn |
0204-3599 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/13137 |
| citation_txt |
Сильное электрическое поле и частичные разряды в многожильных кабелях / А.В. Беспрозванных // Техн. електродинаміка. — 2010. — № 1. — С. 23-29. — Бібліогр.: 9 назв. — pос. |
| work_keys_str_mv |
AT besprozvannyhav silʹnoeélektričeskoepoleičastičnyerazrâdyvmnogožilʹnyhkabelâh AT besprozvannyhav highelectricfieldandpartialdischargesinbundledcables |
| first_indexed |
2025-11-26T00:08:29Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:08:29Z |
| _version_ |
1850592593389289472 |
| fulltext |
ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1 23
УДК 621.315
А.В.Беспрозванных, канд.техн.наук (Нац. техн. ун-т «ХПИ», Харьков)
CИЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В
МНОГОЖИЛЬНЫХ КАБЕЛЯХ
Выполнена оценка напряжения начала частичных разрядов (ЧР) в многожильных кабелях разной структуры.
Для кабелей с плотной конструкцией напряжение определяется путем построения траекторий силовых линий
в воздушных зазорах между изолированными жилами. В кабелях, для которых присущи большие объемы сво-
бодного пространства между жилами разных повивов, оценка напряжения начала ЧР выполняется по напря-
женности поля на поверхности изоляции жил.
Виконано оцінку напруги початку часткових розрядів (ЧР) у багатожильних кабелях різної структури. Для
кабелів з щільною конструкцією напруга визначається за траєкторіями силових ліній у повітряних зазорах між
ізольованими жилами. В кабелях, для яких характерні великі об’єми вільного простору між ізольованими жила-
ми різних повивів, оцінка напруги початку ЧР виконується за напруженістю поля на поверхні ізоляції жил.
Введение. Сильным считается такое электрическое поле, при котором в изоляции возникают
новые физические явления, до этого не свойственные [2,3]:
а) частичные разряды (ЧР) – пробои слабых мест, как правило, воздушных включений; возни-
кающие при этом каналы разрядов ведут к интенсивной деструкции органических диэлектриков (ПЭ,
ПВХ, ЭПР и др.), из-за чего ЧР не допустимы в полимерной изоляции;
б) инжекция зарядов в толщу сплошного твердого диэлектрика из электродов, приводящая к
появлению объемных зарядов (ОЗ); ОЗ искажают распределение электрического поля в диэлектрике,
приводя к повышению локальной напряженности в 5–8 раз (!). Это ведет к необратимым изменениям
твердого диэлектрика − возникновению дендритов − древовидных каналов неполного пробоя;
в) электролюминесценция (ЭЛ) – свечение твердого диэлектрика в результате рекомбинации
электронов, инжектируемых в диэлектрик из электродов, и дырок; дырки – участки приповерхност-
ных слоев диэлектрика, с положительным избыточным зарядом, возникшим из-за ухода электронов на
электроды.
Конструктивной особенностью многожильных кабелей (контрольных и силовых) является
неоднородность диэлектрика в изоляционных промежутках между жилами, жилами и экраном. В
контрольных кабелях между полимерной изоляцией жил есть воздушные щелеобразные зазоры (мик-
рокапилляры), обладающие гигроскопическими свойствами (т.е. способностью поглощать водяные
пары и низкомолекулярные продукты разложения изоляции из атмосферы). В силовых кабелях с
бумажно-масляной изоляцией кроме микронеоднородностей, обусловленных различием свойств
клетчатки и пропитки, есть макронеоднородности свойств фазной и поясной изоляции, межфазного
заполнения. В силовых кабелях с полимерной изоляцией есть воздушные промежутки возле жилы, в
межфазном пространстве.
Неоднородность диэлектрика приводит к тому, что указанные выше пороговые явления (ЧР,
ОЗ, ЭЛ) начинаются значительно раньше, чем в сплошной однородной изоляции, т.е. при меньших на-
пряжениях. Причиной тому является перераспределение поля, из-за чего на отдельных участках воз-
никают повышенные падения напряжения и напряженность электрического поля. Так, если в сплош-
ной полимерной изоляции образование зарядов начинается при напряженностях ЕОЗ=10–20 МВ/м, то в
воздушных зазорах – при напряженностях всего 2,1 МВ/м (пробивная напряженность воздуха в
миллиметровом диапазоне толщин).
Цель статьи – условия возникновения сильного электрического поля в многожильных кабелях,
т.е. напряжения, при котором в воздушных зазорах возникает критическая напряженность Екр либо
критическое падение напряжения Uкр , достаточные для развития частичных разрядов.
Изоляционный промежуток между двумя жилами. Это наиболее простой случай, анализ
которого поможет найти подходы к решению поставленной задачи для многожильных кабелей.
© Беспрозванных А.В., 2010
24 ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1
Между жилами введен небольшой зазор h , чтобы на первоначальном этапе таким способом избежать
проблем, связанных с ростом погрешности вычислений для близко расположенных узлов.
Плотность поверхностных зарядов на границах раздела сред найдем в результате решения
СЛАУ метода вторичных источников [4−6]
A Us× = , (1)
где s − матрица-столбец неизвестных расчетных плотностей вторичных зарядов, Кл/м2; U −
матрица-столбец, первые Ne членов которой отражают заданные потенциалы узлов, лежащих на элек-
тродах, а остальные равны нулю; A − квадратная матрица коэффициентов, элементы которой ija на-
ходятся по формулам, вытекающим из интегральных уравнений Фредгольма первого рода для узлов,
лежащих на электродах, и второго рода – для узлов, лежащих на границе раздела диэлектрических
сред (в данном случае изоляции жил и воздушных зазоров между ними)
( )
0
0
0
0
0
0
1 ln
2 11 ln
2 /(2 )
1
2
1cos ,1
2
j
ij
e
j
j
ij
e
ij i
j
ij
r l i j
r i Nr l i j
l e
a
i j
i N N
l i j
r
p e
p e
e
b
p e
ì ü× D " ¹ï ïïï = ¸ýï ï× D " =ï D ïï þ=í ü" =ï ï
ï ï = + ¸ýï
ïï- × × ×D " ¹
ïï þî
r n
, (2)
где i – номер узла, в котором ищутся характеристики поля; j – номер узла, в котором находится
вторичный заряд; rij – расстояние до точки i от точки j; r0 – расстояние от точки i до достаточно
удаленной точки, потенциал которой можно принять нулю (r0 принимается равным 1 м); Δlj – ширина
полосок элементарных линейных зарядов на поверхностях жил и их изоляции; ni – единичный вектор
нормали к границе раздела сред в точке i; ),cos( iij nr – косинус угла между векторами ni и rij;
12
12
ee
ee
b
+
-
= − параметр, связанный с разностью диэлектрических проницаемостей по направлению
нормали к границе раздела сред; ε2, ε1 – относительные диэлектрические проницаемости сред на гра-
нице раздела в точке i по направлению нормали; ε0 – электрическая постоянная; Ne – число узлов,
лежащих на электродах; Nd – число узлов, лежащих на границах раздела диэлектрических сред;
N=Ne+Nd – общее число узлов.
Для узлов, расположенных на поверхности изоляции жил близко один от другого (когда
rij<Δlj), выбираем уточненную формулу, вытекающую из метода Боголюбова-Крылова для сетки K
вспомогательных узлов на участке Δlj:
Плотность вторичных зарядов σ во вспомогательных узлах принимается такой же, как и в
основном узле. Порядок СЛАУ при этом остается прежним, но точнее вычисляются выражения вида
( )*
*
* 1 *
cos ,K ij i
j
j ij
l
r=
×Då
r n
, в слагаемых которых быстро изменяются числители и знаменатели для близко
расположенных узлов i и j* (j*=1÷K).
После решения СЛАУ (1) напряженность электрического поля (нормальная составляющая)
находится по формулам
0
0
/ , 1
/(2 ) (1 1/ ) , 1
i e
in
i e
i N
E
i N N
s e
s e b
= ¸ì
= í × + = + ¸î
. (3)
На рис. 1 показаны результаты расчета максимальной напряженности в зазоре между изолиро-
ванными полиэтиленом (ПЭ) жилами от толщины зазора h при потенциале жилы 1 кВ, сечении жил 2,5 мм2,
толщине изоляции 0,6 мм и относительной диэлектрической проницаемости ПЭ изоляции ε =2,1 (кривая 1 −
расчетная, кривая 2 − экстраполированная).
ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1 25
При повышении напряжения на жиле от 1 кВ до 1,2 кВ пропорционально возрастет напря-
женность электрического поля в воздушном зазоре и достигнет критической величины Екр=2,1 МВ/м,
при которой воздух пробивается. Казалось бы, минимальное напряжение появления ЧР в промежутке
«жила-жила» должно составлять Uнчр=1,2 кВ. В действительности, экспериментально наблюдаемые
значения Uнчр выше. Причина этого заключается в повышении электрической прочности малых воз-
душных промежутков из-за изменения характера пробоя. Для малых промежутков одной лавины элек-
тронов недостаточно, чтобы инициировать пробой. Требуется несколько лавин, а они появляются при
большем напряжении – так называемый
многолавинный характер пробоя.
Падение напряжения на зазоре
толщиной h=7 мкм составляет всего U=1,74
В/мкм × 7мкм=12 В, что значительно мень-
ше пробивного напряжения такого про-
межутка: Uпр=220 В (при нормальных усло-
виях). Пробивная напряженность при этом
равна Епр=Uпр/h=220/7 =20–30 В/мкм =20 –
30 МВ/м, что почти на порядок превышает
критическую напряженность Екр=2,1 МВ/м,
характерную для больших воздушных про-
межутков (миллиметрового диапазона).
Поэтому воздушный зазор между
изолированными жилами пробивается не по
пути наименьшего расстояния, а по той силовой линии, падение напряжения вдоль которой
достигнет пробивного. Поскольку пробивное напряжение воздушных промежутков Ubr зависит от их
толщины (и давления воздуха – закон Пашена), то для нахождения той силовой линии, вдоль которой
падение напряжения достигает величины, достаточной для развития пробоя, сравним падения
напряжения вдоль разных силовых линий в зазоре между изолированными жилами. Для этого
построим траектории силовых линий.
Компоненты вектора напряженности электрического поля в произвольной точке с
координатами (xk, yk) находим путем суперпозиции (наложения) полей отдельных линейных зарядов
2
0 1
2
0 1
1
2
1
2
j N
j k j
x
kj kjj
j N
j k j
y
kj kjj
x xE
r r
y yE
r r
s
pe
s
pe
=
=
=
=
ì -
= ×ïï
í -ï = ×
ïî
å
å
. (4)
Движение к следующей точке (xk+1, yk+1) вдоль силовой линии будем осуществлять по каса-
тельной. Для этого воспользуемся формулами, вытекающими из метода Рунге-Кутта
{ 1
1
cos
sin
k k k
k k k
x x l
y y l
a
a
+
+
= + D ×
= + D × , (5)
где Δl – шаг движения вдоль силовой линии (приращение криволинейной координаты); ka ─
средневзвешенный угол между вектором касательной к силовой линии и единичным вектором оси
абсцисс; 1 2 3 42 2
6
k k k k
k
a a a aa + + +
= ; αk1 – αk4 – углы касательных к силовой линии, определяемые в
начале, середине и конце каждого k-го шага Δl;
1
1 1
2
1 1
2 2
3
2 2
arctg
0 5 cos 0 5 sinarctg
0 5 cos 0 5 sin
0 5 cos 0 5 sinarctg
0 5 cos 0 5 sin
y k k
k
x k k
y k k k k
k
x k k k k
y k k k k
k
x k k k k
E ( x , y ) ,
E ( x , y )
E ( x . l , y . l ) ,
E ( x . l , y . l )
E ( x . l , y . l ) ,
E ( x . l , y . l )
a
a a
a
a a
a aa
a a
=
+ D × + D ×
=
+ D × + D ×
+ D × + D ×
=
+ D × + D ×
(6)
Рис. 1
26 ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1
3 3
4
3 3
cos sinarctg
cos sin
y k k k k
k
x k k k k
E ( x l , y l )
E ( x l , y l )
a a
a
a a
+ D × + D ×
=
+ D × + D ×
.
Для правильного определения углов, касательных к силовой линии, необходимо учитывать, в
каком квадранте находится угол, т.е. принимать во внимание знаки числителя и знаменателя в
выражениях вида ( )arctgk y xE / Ea = . Если знаки числителя и знаменателя – положительные, угол – в
первом квадранте; если отрицательные – в третьем квадранте; если числитель – положительный, а
знаменатель отрицательный – второй квадрант, в противном случае – четвертый квадрант. Особые
случаи, когда знаменатель – нулевой: тогда искомый угол равен «плюс» π/2, если числитель
положительный, и «минус» π/2, если – отрицательный.
При построении силовых линий находятся их длины k
k
SL l= Då и падения напряжения
mk k
k
U( SL ) E l= × Då . На рис. 2 показан ряд зависимостей U( SL ) при напряжениях 1, 2, 4 и 8 кВ для
системы двух изолированных полиэтиленом (ПЭ) жил и пробивного напряжения Ubr воздушного
промежутка при нормальном давлении.
Как видно из рисунка, при напряжении около 4,2 кВ произойдет касание линий пробивного
напряжения воздуха brU ( SL ) и падения напряжения U( SL ) вдоль силовой линии. Касание
произойдет в точке, соответствующей силовой линии с длиной SL= 2·10-4 м = 0,2 мм. Значит, именно
вдоль этой линии и произойдет пробой воздушного промежутка. В случае изоляции жил,
выполненной из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ), напряжение начала ЧР снижается и
составляет около 2,8 кВ.
Слои поверхностных загрязнений (про-
дукты разложения изоляции) имеют повышен-
ную диэлектрическую проницаемость, из-за
чего напряженность поля в воздушном зазоре
может сильно возрастать. Однако ширина об-
ласти повышенной напряженности поля весь-
ма мала, поэтому она чаще всего не захва-
тывает область развития ЧР.
Таким образом, пробои воздушных
промежутков между изолированными жилами
сечением 2,5 мм2, покрытых изоляцией из ПЭ
или ПВХ, толщина которой равна радиусу
жил, должны начинаться при напряжении 3 – 4
кВ (действующее значение). При этом пары
воды, адсорбированные микрокапиллярами в
зоне контакта изолированных жил, не должны
влиять на напряжение начала ЧР, т.к. разряд развивается вдоль силовой линии, удаленной от зоны
контакта. На условия возникновения ЧР не должно существенно влиять также сильное поле,
возникающее в области контакта, т.к. пробивное напряжение малых воздушных зазоров существенно
выше падения напряжения на них (при указанных выше потенциалах жил 3 – 4 кВ). Исключение
возможно в случаях, когда в зоне контакта из-за сильного поля идет диссоциация частиц загрязнений
(низкомолекулярных продуктов разложения изоляции) и генерируются заряженные частицы. Попадая
в зону формирования лавин, они могут приводить к снижению напряжения ЧР.
Изоляционные промежутки пучка жил. Особенностью поля системы изолированных жил
есть появление силовых линий, проходящих вдоль зоны контакта поверхностей соприкасающихся
изоляций жил (силовая линия 1 на рис. 3).
Выполнив интегрирование падения напряжения вдоль отрезков силовых линий, располо-
женных в воздушных зазорах, сопоставим их с пробивным напряжением воздушных промежутков по
Пашену (кривая Ubr на рис. 2). Так, для пучка из 7 изолированных жил получаем длины отрезков для
силовых линий: 1 ─ 0,74; 3 ─ 0,29 и 5 ─ 0,14 мм (рис. 3) и соответствующие им падения напряжения:
454, 291 и 172 В при потенциале центральной жилы 1 кВ и нулевом – остальных 6-ти жил. Оценка
напряжения начала ЧР в системе изолированных жил получается такой же, как и в случае пары изолиро-
Рис. 2
ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1 27
ванных проводов: Uнчр = 4,2 кВ. Качественное отличие заключается в том, что с ростом напряжения в
системе пучка жил условие возникновения ЧР начинает выполняться и для тех силовых линий, которые
проходят тангенциально к зоне контакта. При напряжении, несколько выше 4 кВ, произойдет касание
кривых U(SL) и Ubr(SL). Пробои воздушных зазоров начнутся при напряжении Uнчр = 4,2 кВ при длинах
силовых линий 150 – 300 мкм (силовые линии 3 и 5 рис. 3). При напряжении 6 кВ ЧР охватят область
микрокапилляров между соприкасающимися поверхностями изоляции жил, когда длина силовой ли-
нии, охваченной разрядом, достигнет 700 – 800 мкм (силовая линия 1 рис. 3)
Таким образом, при напряжении,
несколько большем, чем напряжение начала
ЧР, частичные разряды охватят зону отло-
жений низкомолекулярных продуктов разло-
жения (НМП) изоляции. Это может отра-
зиться на характеристиках ЧР: частоте, фазе,
кажущейся амплитуде. Следовательно, в
пучке изолированных жил НМП могут быть
обнаружены, но при напряжениях, больших
напряжения начала ЧР.
Трехповивный многожильный
кабель. В трехповивном кабеле направ-
ление скрутки жил второго повива проти-
воположно направлению скруток жил пер-
вого и третьего повивов. Из-за этого плот-
ность кабеля оказывается меньшей, чем в
случае однонаправленной скрутки, а гиб-
кость – больше. Разнонаправленная скрутка
приводит к увеличению зазоров между
изолированными жилами разных повивов. Из-за этого достаточно знать напряженность поля на
поверхности изоляции жил, чтобы оценить напряжение начала ЧР. Действительно, вдоль
изолированной жилы всегда найдется «большой» воздушный промежуток, падение напряжения на
котором окажется наиболее близким к пробивному. Расчеты выполнены при единичных значениях
потенциалов выбранных жил – 1 В. Пропорциональным пересчетом на уровень критической
напряженности Енчр = 2,1 МВ/м выполняется оценка напряжения начала ЧР.
В случае же кабелей с однонаправленной скруткой такой подход неприменим. Требуется
рассчитывать траектории силовых линий в воздушных зазорах, падения напряжения на них и
выбирать наиболее неблагоприятные ситуации, когда падение напряжения достигает пробивного.
При единичном потенциале жилы (φ=1 В) напряженность на поверхности изоляции превы-
шает 1500 В/м = 1,5 кВ/м. Напряженность начала ЧР составляет Енчр = 2,1 МВ/м. Следовательно, ЧР в
кабеле начнутся при потенциале жилы Uнчр = (2,1 МВ/м)/( 1,5 кВ/м)*1В = 1,4 кВ. Пониженное
напряжение начала ЧР в многоповивных кабелях разнонаправленной скрутки по сравнению с пучком
жил однонаправленной скрутки или парой жил является следствием «распушенности» таких кабелей,
из-за чего объем воздушных зазоров возрастает, вероятность неблагоприятного сочетания параметров
«длина силовой линии – пробивное напряжение изоляционного промежутка» ─ увеличивается.
Расчеты показывают, что практически везде преобладают нормальные составляющие напря-
женности электрического поля на границах раздела сред En, поэтому тангенциальной Eτ составляю-
щей напряженности поля можно пренебречь. Сильная тангенциальная составляющая напряженности
поля может появиться в трещинах изоляции. Появление таких трещин наиболее вероятно в изоляции
жил внешних повивов многожильных каабелей. Изоляция этих жил при изогнутом кабеле находится
периодически в растянутом, а периодически в сжатом состоянии. В растянутом – на тех участках, где
жилы оказались на внешней стороне изогнутого кабеля; в сжатом – на внутренней стороне кабеля. В
процессе старения кабеля изоляция жил теряет эластичность, становится жесткой. Растягивающее усилие
приводит к появлению трещин. При наличии трещины силовые линии целиком расположены в воздухе.
Напряженность поля на поверхности жил возрастает (сравни позиции 1 – случай нормального состояния
жилы и 2 – при наличии трещины, рис. 4). Но остается меньше пробивной напряженности на поверхности
здоровой части изолированной ПЭ жилы (позиция 3 рис. 4). Различие напряженностей поля усиливается в
случае применения полярной изоляции жил, например, из ПВХ пластикатов.
Рис. 3
28 ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1
Таким образом, возникновение ЧР в микротрещинах маловероятно по двум причинам. Во-
первых, из-за того, что напряженность поля на поверхности нормальных участков изоляции
оказывается выше, а во-вторых, из-за затруд-
нения развития лавинного разряда в микро-
трещинах.
Выявления трещин в изоляции по
характеристикам ЧР возможно только в слу-
чае грубых дефектов изоляции. Так, напря-
жение начала частичных разрядов в состарен-
ном образце 14-жильного контрольного
кабеля КПоСГ-14х2,5 ОП УЮАЭС-07 с поли-
этиленовой изоляцией на 20–80 % меньше по
сравнению с новым, что видно из показанных
на рис. 5 интегральных функций распределения
импульсов частичных разрядов. При повыше-
нии напряжения частота импульсов ЧР в соста-
ренном образце растет медленнее, чем в новом
[7−9]: активизация ЧР в трещинах начинается
при низких испытательных напряжениях, из-за
чего дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к сильным изменениям разрядных характеристик.
Если ширина трещин меньше 0,1 мкм, они обладают гигроскопическими свойствами, т.е. поглощают пары
воды и НМП из атмосферы. Повышенная напряженность поля в трещинах способствует их выявлению,
на-пример, путем измерения
тангенса угла диэлектричес-
ких потерь [1].
Заключение.
1. Особенностью мно-
гожильных кабелей есть не-
однородность изоляционных
промежутков, содержащих
твердый диэлектрик и воз-
душные зазоры. Напряжен-
ность электрического поля в
малых воздушных зазорах
(толщиной около 10 мкм) мо-
жет возрастать в 2 и более раз
по сравнению со средней на-
пряженностью. Пробивная же
напряженность малых воздуш-
ных зазоров выше, чем больших (толщиной около 1 мм), в 10−15 раз. Поэтому условия для пробоев
воздушных зазоров (возникновения ЧР) появляются раньше не в местах наибольшей напряженности поля
(микронных зазорах между соприкасающимися изолированными жилами), а вдоль тех отрезков силовых
линий, падение напряжения на которых достигает пробивного значения.
2. Для многожильных кабелей с плотной упаковкой (кабели однонаправленной скрутки)
напряжение начала ЧР определяется путем построения траекторий силовых линий в воздушных
зазорах между изолированными жилами и определения падения напряжения на них. Условием
возникновения ЧР является достижение падения напряжения на участке силовой линии в воздушном
зазоре величины пробивного напряжения последнего.
3. Построение траекторий силовых линий в воздушных зазорах выполняется путем
пошагового движения по направлению, определяемому как средневзвешенное значение углов 4-х
касательных: в начале, середине и конце каждого k-го интервала. Весовые коэффициенты для углов,
определенных в середине интервалов, в 2 раза больше, чем для крайних положений на интервале
(метод Рунге-Кутта).
4. Для многожильных кабелей со свободной упаковкой (разнонаправленная скрутка повивов,
парная скрутка с разными шагами), отличающихся большим объемом свободного пространства,
Рис. 4
Рис. 5
ISSN 0204-3599. Техн.електродинаміка. 2010. № 1 29
оценку напряжения начала ЧР можно выполнить по напряженности поля на поверхности тех участков
изоляции жил, которые соседствуют с крупными воздушными полостями.
5. Напряженность поля на поверхности изоляции (в воздушных зазорах) выше, чем на по-
верхностях жил. Это является результатом перераспределения напряженности за счет разных
диэлектрических проницаемостей изоляции жил и межфазного пространства. Поэтому частичные
разряды будут возникать именно в воздушных зазорах между изолированными жилами.
6. При потенциале на жиле 1 кВ максимальная напряженность в воздушных зазорах между
жилами достигает 1,5 МВ/м. При потенциале жилы 1,4 кВ напряженность в зазорах достигнет
величины 2,1 МВ/м, что достаточно для возникновения ЧР. Таким образом, в многожильных кабелях
с полиэтиленовой изоляцией частичные разряды могут начинаться уже при напряжении 1,4 кВ.
7. В случае ПВХ изоляции жил (ε2=4,2) напряженность в воздушных зазорах кабеля достигает
2,8 МВ/м (при потенциале жил 1 кВ). Следовательно, напряжение начала ЧР в этом случае составит
всего: Uнчр = (2,1 МВ/м)/( 2,8 кВ/м)*1В = 750 В.
8. В случае появления трещин в изоляции напряженность на поверхности жил возрастает (в 1,5
– 2 раза в зависимости от типа изоляции), но остается ниже, чем на поверхности здоровых участков
изоляции. Поэтому выявления трещин в изоляции по характеристикам ЧР возможно только в случае
грубых дефектов.
9. Напряжения начала ЧР в контрольных кабелях в ряде случаев оказывается ниже испы-
тательных напряжений (по крайней мере, для кабелей разнонаправленной скрутки). Поэтому
измерения характеристик ЧР возможно при подаче испытательных напряжений, не опасаясь при этом
повреждения здоровой изоляции жил кабелей.
1. Беспрозванных А.В. Диэлектрическое сканирование поперечной структуры многожильных кабелей
методом совокупных измерений. // Техн. електродинаміка. − 2008. − № 3. − C. 30–37.
2. Божко И.В., Петухов И.С., Ращепкин А.П. О напряженности электрического поля начала частичных
разрядов в твердой изоляции // Техн. електродинаміка − 2001. − № 5. − С. 18−23.
3. Бржезицький В.О., Ісакова А.В., Рудаков В.В. та ін. Техніка і електрофізика високих напруг. − Х.:
НТУ «ХПІ», Торнадо, 2005. − 930 с.
4. Колечицкий Е.С. Расчет электростатических полей устройств высокого напряжения. − М.:
Энергоатомиздат, 1983. − 158 с.
5. Набока Б.Г. Расчеты электростатических полей в электроизоляционной технике. − К: ИСДО, 1995. − 120 с.
6. Набока Б.Г., Кононов Б.Т., Нечаус А.А. Асимптотические характеристики и подобие электроста-
тических полей соленоидов // Електротехніка і Електромеханіка. − 2003. − №2. − С. 96−101.
7. Набока Б.Г., Беспрозванных А.В., Гладченко В.Я. Методика измерения дифференциальных
амплитудных спектров импульсов частичных разрядов // Электричество. – 1990. – № 11. – С. 71– 74.
8. Набока Б.Г., Беспрозванных А.В., Гладченко В.Я. Диагностика высоковольтной изоляции с помощью
многоканальных анализаторов. // Электричество. – 1991. – № 5. – С. 5 – 9.
9. А.с. №1577524 SU A1 5G01R31/14. Способ неразрушающего контроля конденсаторов с твердым
диэлектриком / Набока Б.Г, Беспрозванных А.В., Гладченко В.Я. , Малахов В.А.(СССР) – N4460048/24-21 // БИ.
– 1990. – № 3.
Надійшла 30.03.2009
|