Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей
Показано, что при анализе процессов появления свободной влаги в полимерной изоляции силовых кабелей целесообразно применять высокочастотную релаксационную спектроскопию. Приведены расчетные и экспериментальные частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения изоляци...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134802 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, М.А. Щерба // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 3. — С. 18-24. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859958028629966848 |
|---|---|
| author | Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Щерба, М.А. |
| author_facet | Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Щерба, М.А. |
| citation_txt | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, М.А. Щерба // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 3. — С. 18-24. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технічна електродинаміка |
| description | Показано, что при анализе процессов появления свободной влаги в полимерной изоляции силовых кабелей целесообразно
применять высокочастотную релаксационную спектроскопию. Приведены расчетные и экспериментальные
частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения изоляции
кабелей. Выявлено, что при длительном ее увлажнении пики релаксационных потерь смещаются в область
более высоких частот и возникают дополнительные максимумы, соответствующие рассеянию энергии на
новых элементах изоляции. Диапазон изменения частоты релаксационных потерь зависит от концентрации
свободной влаги в изоляции и ее электрофизических и морфологических свойств.
Показано, що при аналізі процесів виникнення вільної вологи в полімерній ізоляції силових кабелів доцільно застосовувати
високочастотну релаксійну спектроскопію. Наведено розрахункові та експериментальні частотні
залежності тангенсу кута діелектричних втрат від ступеню зволоження ізоляції кабелів. Виявлено, що при
тривалому її зволоженні піки релаксаційних втрат зміщуються в область більш високих частот та виникають
додаткові максимуми, які відповідають розсіюванню енергії на нових елементах ізоляції. Діапазон змінення
частоти релаксаційних втрат залежить від концентрації вільної вологи в ізоляції та її електрофізичних і
морфологічних властивостей.
It is shown that application of the high-frequency relaxation spectroscopy is expedient at the analysis of processes of
appearance of free moisture in the polymeric insulation of power cables. The calculated and experimental frequency
dependences of dielectric loss tangent on the degree of humidification of cable insulation are given. It is revealed that
at prolonged moistening of insulation the peaks of relaxation losses are displaced into area of higher frequencies and
there are the additional maxima corresponding to dispersion of energy dissipation in the new elements of insulation.
The range of change of frequency of relaxation losses depends on concentration of free moisture in insulation and its
electro-physical and morphological properties.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:21:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
18 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3
УДК 621.315.4
ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
ОТ СТЕПЕНИ УВЛАЖНЕНИЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ
А.В. Беспрозванных1, докт.техн.наук, А.Г. Кессаев1, М.А. Щерба2*, канд.техн.наук
1 – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт",
ул. Багалея, 21, Харьков, 61002, Украина. E-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
2 – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт",
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина. E-mail: m.shcherba@gmail.com
Показано, что при анализе процессов появления свободной влаги в полимерной изоляции силовых кабелей целе-
сообразно применять высокочастотную релаксационную спектроскопию. Приведены расчетные и экспери-
ментальные частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения изоля-
ции кабелей. Выявлено, что при длительном ее увлажнении пики релаксационных потерь смещаются в область
более высоких частот и возникают дополнительные максимумы, соответствующие рассеянию энергии на
новых элементах изоляции. Диапазон изменения частоты релаксационных потерь зависит от концентрации
свободной влаги в изоляции и ее электрофизических и морфологических свойств. Библ. 19, табл. 1, рис. 5.
Ключевые слова: полиэтиленовая изоляция, электрическая схема замещения, тангенс угла диэлектрических
потерь, водные микровключения, триинги, диэлектрическая спектроскопия, релаксационные процессы.
Введение. Появление свободной влаги в полиэтиленовой (ПЭ) изоляции кабелей энергетиче-
ского назначения является одной из основных причин локального усиления в ней электрического по-
ля (ЭП) и ее ускоренной деградации [1, 2, 4–19]. Усиление ЭП возникает возле выпуклых поверхнос-
тей токопроводящих, в частности, водных микровключений и зависит от их электрофизических
свойств, размеров, формы, ориентации взаимной и относительно силовых линий поля [5]. Возле
сильно вытянутых вдоль ЭП водных включений и между ними возникают наибольшие усиления поля
и увеличения сил взаимодействия с ним и между собой поверхностных зарядов, наведенных на вклю-
чениях [5, 7, 16]. Возникающие пульсирующие давления включений на ПЭ изоляцию способствуют
появлению и развитию в ней микротрещин, а также заполнению их влагой (в результате явлений
электрофореза и диэлектрофореза [5]) и образованию водных триингов (ВТ). Такие триинги обычно
имеют белую окраску, а при наличии в воде продуктов коррозии меди или железа – темную или го-
лубую. На ориентированных вдоль ЭП длинных и слабо разветвленных ВТ быстро возникают элек-
трические триинги сквозного пробоя изоляции [4, 9–15]. Поэтому анализ степени увлажнения ПЭ
изоляции силовых кабелей и развития в ней водных триингов может быть положен в основу методов
оценки степени ее деградации, усиления в ней ЭП, а также ее надежности и остаточного ресурса.
Выбор метода исследования. В работе [13] показано, что ПЭ изоляция с сильно разветвлен-
ными ВТ может иметь удельную электропроводность σ ≈ (10-2
– 10-3) См/м (а неº10-14
См/м, как в сухой
изоляции) и относительную диэлектрическую проницаемость – ε ≈ 15–20 (а не 2,3). В [7, 8, 12, 13]
обосновано, что изменение напряженности ЭП Е от 20 до 100 (200) кВ/мм увеличивает значение σПЭ в
103 (109) раз, т.е. до 10-11
(10-5) См/м. Эти результаты показывают, что изменение степени увлажнения
изоляции можно оценивать прямым измерением значения σ. Но в [7] уточнено, что в начальной ста-
дии увлажнения ПЭ изоляции кабелей на 330 кВ [5, 6] напряженность поля возле водных включений
повышается в 5–6 раз (до 100 кВ/м), а значение σ – в 103
раз (до 10-11
См/м), но ток проводимости
практически не изменяется. Измерение изменений тока проводимости ПЭ изоляции становится воз-
можным при Е ≥130 кВ/мм, или σ ≥ 10-9
См/м, что уже соответствует очень сильной ее деградации.
В [13, 14, 17–19] описаны методы оценки потерь электроэнергии при поляризации ПЭ изоля-
ции с использованием ее комплексной частотно зависимой диэлектрической проницаемости
ε(ω)=ε'(ω) – jε''(ω), где ε'(ω) – ее действительная составляющая; ε''(ω) – мнимая составляющая, учиты-
вающая указанные потери; ω = 2πf – круговая частота; f – частота изменения ЭП; εо = 8,85·10-12 Ф/м –
электрическая постоянная. Диэлектрическая спектроскопия в диапазоне частот до 100 Гц, 10 кГц и 2
МГц основывалась на прямых измерениях диэлектрических потерь, связанных с токами смещения в
изоляции, а такие измерения являются очень длительными и не позволяют оценить условия появле-
ния в ней разных релаксационных процессов, вызывающих диэлектрические потери.
© Беспрозванных А.В., Кессаев А.Г., Щерба М.А., 2016
ORCIG ID: * http://orcid.org/0000-0001-6616-4567
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3 19
Целью данной работы было определение частотной зависимости тангенса угла диэлектриче-
ских потерь в полиэтиленовой изоляции силовых кабелей от степени ее увлажнения с применением
высокочастотной диэлектрической спектроскопии для анализа условий возникновения различных
релаксационных процессов, вызывающих общие диэлектрические потери в изоляции.
Постановка задачи. Согласно [4] для ПЭ изоляции характерны три релаксационных процес-
са. Первый – низкочастотный α - процесс связан с движением основной полимерной цепи, наблюдае-
мый возле температуры стеклования, а его интенсивность растет с увеличением степени кристалли-
зации изоляции. Второй – среднечастотный β - процесс вызывает движение группы цепей и ответвле-
ний в аморфной фазе полимера. Третий – высокочастотный γ - процесс связан с дипольно-группо-
выми потерями в аморфной фазе и локальной межмолекулярной релаксацией ниже температуры
стеклования. В [9–12] показано, что влага и ВТ возникают в аморфной фазе ПЭ изоляции, а диполь-
ная поляризация свободной (не связанной) воды происходит в мегагерцовом диапазоне. Таким обра-
зом, повышение концентрации свободной влаги в изоляции может изменять зависимость тангенса уг-
ла диэлектрических потерь tg δ от частоты колебаний ω воздействующего ЭП и вызывать появление
новых релаксационных энергетических максимумов. Определим tg δ как функцию
tg δ (ω) = [ε''(ω) + σ / ω ε0] / ε'(ω) . (1)
Применим схему замещения ПЭ изоляции с тремя релаксаци-
онными RC-цепочками, описанную в [2] и представленную на рис. 1,
где С0 – емкость быстрых видов поляризации изоляции, а релаксаци-
онные цепочки R1С1, R2С2 и R3С3 отражают более медленные виды ее
поляризации, R0 – сопротивление утечки зарядов с емкостей цепочек; r –
активное сопротивление соединительных проводов. Потери электро-
энергии при ее перераспределении между емкостями RC - цепочек [3]
учитывать не будем.
Заменив все последовательные RiCi - цепочки (где i = 1, 2, 3) эк-
вивалентными параллельными Rп iCп i, получим
tg δi = RiωCi ; Cп i = Сi /(1 + tg δi
2) ; Rп i = 1/(Cп i ω tg δi) . (2)
Объединив все элементы, включенные параллельно, получим эквива-
лентные значения емкости Cп е, сопротивления Rп е и тангенса угла диэлектрических потерь tg δе, оп-
ределяемые как
Cп е = C0 + Cп 1 + Cп 2 + Cп 3 ; 1/Rп е = 1/R0 + 1/Rп 1 + 1/Rп 2 + 1/Rп 3 ; tg δe = 1/Rп еωCп е. (3)
На рис. 2, а, б показаны зависимости емкости и тангенса угла потерь многозвенной схемы за-
мещения от частоты при r = 10 Ом, C0 =1 мкФ, R0 = 109 Ом, C1 = 0,1C0, C2 = 0,1C0, C3 = 0,1C0.
Постоянные времени (τ=RС) релаксационных цепочек равны: для кривой 1 – τ1=1000 с; τ2=100 с
и τ3=10 с; кривой 2 – τ1=1000 с; τ2=10 с и τ3=0,1 с; кривой 3 – τ1=100 с; τ2=1 с и τ3=0,01 с.
а б
Рис. 2
Рис. 1
20 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3
С ростом частоты емкость и действительная составляющая комплексной диэлектрической
проницаемости уменьшаются. В области низких частот (при f < 10-1 Гц) уменьшение частоты вызыва-
ет увеличение tgδ, что характеризует влияние энергетических потерь на проводимость ПЭ изоляции.
Максимумы частотной зависимости tgδ, связанные с рассеянием энергии релаксационной цепочкой
R3C3, наблюдаются для кривых 1, 2 и 3 на рис. 2, б при частоте 0,1; 1 и 10 Гц соответственно.
На рис. 3, а показано возникновение релаксационных энергетических максимумов, опреде-
ляемых электрофизическими характеристиками полупроводящих (саженаполненных) экранирующих
слоев по жиле и ПЭ изоляции силовых кабелей на средние напряжения.
Кривая 1 соответствует случаю, в котором оба полупроводящие экранирующие слоя силовых
кабелей имеют одинаковые характеристики; кривая 2 – когда диэлектрические свойства полупрово-
дящего слоя по жиле более высокие, чем слоя по изоляции (точнее, когда относительная диэлектри-
ческая проницаемость первого слоя меньше в 2 раза, а его удельная проводимость – в 100 раз по
сравнению с аналогичными характеристиками второго слоя); кривая 3 – когда полупроводящий слой
по жиле имеет более низкие диэлектрические свойства по сравнению с экранирующим слоем по изо-
ляции (точнее, когда относительная диэлектрическая проницаемость первого слоя больше в 2 раза, а
его удельная проводимость – в 100 раз по сравнению с характеристиками второго слоя).
Накладывание водоблокирующего гидрофильного слоя в виде ленты на полупроводящий эк-
ран по изоляции обуславливает появление релаксационного максимума в диапазоне частот ~ 1 кГц и
двух менее выраженных максимумов в области более высоких частот (кривая 4). С увлажнением изо-
ляции происходит смещение релаксационных максимумов, обусловленное дипольной поляризацией
микровключений свободной воды, в более высокочастотную область, что подтверждает кривая 5.
В таблице показана дисперсия действительной
составляющей ε'(ω) комплексной диэлектрической про-
ницаемости ε(ω) полупроводящих экранов по жиле и
изоляции при изменении частоты ЭП [15]. Учет этой
дисперсии в исходном (неувлажненном) состоянии
изоляции вызывает увеличение значений tgδ(f) (кри-
вая 1 на рис. 3, б), а в увлажненном состоянии – воз-
никновение менее выраженного дипольного максиму-
ма в мегагерцовом диапазоне (кривая 2 на рис. 3, б).
Физическое моделирование увлажнения ПЭ
изоляции. Образцы нового кабеля на 35 кВ (со сшитой
ПЭ изоляцией, полупроводящими слоями по жиле и
изоляции, а также водоблокирующим гидрофильным
полупроводящим барьерным слоем) в течение 2 меся-
цев находились в условиях 100% влажности (в специ-
ально изготовленном коробе из полиэтиленовой плен-
ки). В исходном состоянии и после увлажнения резонансным методом выполнялось измерение емко-
сти и тангенса угла диэлектрических потерь измерителем добротности (куметром) ВМ 560. Частота
генератора изменялась от 50 кГц до 35 МГц. Основная погрешность составляла ~ 1%.
Значение действительной
составляющей ε'(ω) комплексной
диэлектрической проницаемости ε(ω) Частота,
МГц
полупроводящего
экрана по жиле
полупроводящего
экрана по изоляции
0,0001 1000 600
0,0005 950 550
0,001 900 425
0,005 875 400
0,01 850 380
0,05 725 300
0,1 650 280
0,5 500 250
1,0 400 200
5,0 300 150
10,0 225 100
а б
Рис. 3
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3 21
Для исключения резонансных явлений между собственной емкостью и индуктивностью кабе-
ля в мегагерцовом диапазоне длина образцов составляла 20 см. Увлажнение и измерение проводилось
при температуре 20оС. Ее повышение приводило к смещению частотной зависимости тангенса угла
диэлектрических потерь и дипольных максимумов в область более высоких частот.
По результатам двух измерений емкости и добротности контуров (а именно, по измерениям:
1). C1, Q1 – без образца с калибровочной индуктивностью; 2). C2, Q2 – с образцом кабеля без калиб-
ровочной индуктивности) определялись емкость Cx (и соответственно действительная составляющая
комплексной диэлектрической проницаемости) и тангенс угла диэлектрических потерь tgδx образцов
кабеля по формулам
Сx = С1 – С2 , tg δx = (Q2
-1 – Q1
-1) С1 / Сx . (4)
Результаты измерений обрабатывались с помощью сплайна. Вид аппроксимирующего сплай-
на выбирался из условия минимальной ошибки: для силового кабеля в исходном состоянии ошибка
аппроксимации наибольшая (по модулю) и составляла – 2·10 -19 при частоте 0,1 МГц (рис. 4, а, ниж-
ний рисунок), для всех остальных – равна 0.
На рис. 4 показаны частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь исходной
изоляции (рис. 4, а) и 3-х ее увлажненных образцов (рис. 4, б, в и г). В исходном состоянии, отражае-
мом на частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь, виден релаксационный макси-
мум I при частоте 10 – 12 МГц, обусловленный наличием свободной воды (рис. 4, а). В то же время в
образцах кабеля после увлажнения ПЭ изоляции этот максимум выражен слабо.
Важно, что после увлажнения ПЭ изоляции на частотных зависимостях тангенса угла диэлек-
трических потерь в трех образцах возникли три дополнительных характерных релаксационных
всплеска: максимум II – в области ~ 7 МГц (не очень ярко выраженный, что связано, очевидно, с ад-
сорбцией свободной влаги гидрофильным водоблокирующим барьером), максимум III – при частоте
порядка 4 МГц и максимум IV – при частоте 0,7 – 0,8 МГц. Характер физических исследований зави-
а б
Рис. 4
в г
22 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3
симостей и значения тангенса угла диэлектрических потерь согласуются с данными расчета, выпол-
ненного на основе математической модели (такие данные представлены на рис. 3, б).
В работе были проведены также исследования релаксационных максимумов в двухслойной
термопластичной ПЭ изоляции радиочастотного коаксиального кабеля РК-50. Полученные результа-
ты, которые показаны на рис. 5, характерными релаксационными энергетическими максимумами в
высокочастотном диапазоне также подтверждают наличие влаги в таком кабеле.
В исходном состоянии, который отражается на рис. 5, а, пик релаксационных потерь I, обу-
словленный наличием влаги (из-за длительного хранения кабеля), проявляется при частоте 8 МГц.
После увлажнения изоляции в течение 2-х месяцев этот пик смещается в диапазон более высоких
частот, как показано на рис. 5, б, а также появляются два дополнительных релаксационных максиму-
ма – на частоте 2 МГц (пик II на рис. 5, б) и 6 МГц (пик III на рис. 5, б).
Заключение. 1. Полученные результаты подтверждают эффективность применения метода
высокочастотной спектроскопии для выявления водных микрообразований свободной влаги в поли-
мерной изоляции новых кабелей и эксплуатируемых во влажной среде. В частности подтверждено,
что при увлажнении изоляции возникшие пики релаксационных энергетических потерь смещаются в
область более высоких частот и появляются дополнительные релаксационные максимумы, связанные
с рассеянием энергии на новых водных микровключениях разных размеров и конфигураций.
2. С применением последовательно-параллельной схемы замещения определены частотные
зависимости тангенса угла диэлектрических потерь исходной и увлажненной неоднородной много-
слойной изоляционной системы силовых кабелей, включающей полупроводящие экраны по жиле и
изоляции, полиэтиленовую изоляцию и полупроводящий водоблокирующий барьерный слой.
Диэлектрическая спектроскопия полимерной изоляции, выполненная на основании результа-
тов математического моделирования, с учетом дисперсии действительной составляющей комплекс-
ной диэлектрической проницаемости саженаполненных полиэтиленовых композиций экранов по жи-
ле и изоляции согласуется с результатами физического моделирования образцов силовых кабелей.
3. Релаксационный максимум вблизи частоты 10 МГц свидетельствует о присутствии свобод-
ной влаги в полиэтиленовой изоляции недавно изготовленных силовых кабелей.
В процессе увлажнения образцов силового кабеля с вулканизированной полиэтиленовой изо-
ляцией и радиочастотного кабеля с термопластичной полиэтиленовой изоляцией появляются допол-
нительные релаксационные максимумы, связанные с рассеянием энергии в результате дипольной по-
ляризации кластеров воды разных размеров. Диапазон частот проявления этих релаксационных по-
терь зависит от электрофизических и морфологических свойств полимерной изоляционной системы.
Высокочастотная диэлектрическая спектроскопия полимерной изоляции позволяет выявлять
появление свободной влаги в электроэнергетических и радиочастотных кабелях.
1. Беспрозванных А.В., Набока Б.Г. Математические модели и методы расчета электроизоляционных кон-
струкций. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2012. – 108 с.
2. Беспрозванных А.В., Набока Б.Г., Москвитин Е.С. Обоснование электрофизических характеристик по-
лупроводящих экранов силовых кабелей высокого напряжения со сшитой изоляцией // Електротехніка і Елек-
тромеханіка. – 2010. – № 3. – С. 82–86.
Рис. 5
а б
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3 23
3. Супруновская Н.И., Щерба А.А. Процессы перераспределения электрической энергии между парал-
лельно соединенными конденсаторами // Техн. електродинаміка. – 2015. – № 4. – С. 3–11.
4. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. – М.: Издательство иностранной литературы, 1960. – 439 с.
5. Шидловский А.К., Щерба А.А., Золотарев В.М., Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Кабели с полимерной
изоляцией на сверхвысокие напряжения. – К.: Ин-т электродинамики НАН Украины, 2013. – 552 с.
6. Щерба А.А., Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Электромагнитные процессы в кабельной линии с поли-
этиленовой изоляцией на напряжение 330 кВ // Техн. електродинаміка. – 2013. – № 1. – С. 9–16.
7. Щерба М.А., Подольцев А.Д. Распределение электрического поля и плотности тока возле водных вклю-
чений полимерной изоляции высоковольтных кабелей с учетом ее нелинейных свойств // Техн. електродина-
міка. – 2016. – № 1. – С. 11–18.
8. Boggs S.A. Semi-empirical high-field conduction model for polyethylene and implications thereof // Dielectrics
and Electrical Insulation. – IEEE Transactions on 2.1. – 1995. – Рр. 97−106.
9. Bellet J.J., Matey G., Rose L., Rose V. Some Aspects of the Relationship between Water Treeing, Morphology,
and Microstructure of Polymers // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 1987. – Vol. EI–22. –
No 2. – Pp. 211–217.
10. Ciuprina F., Teissèdre G., Filipini J.C. Polyethylene crosslinking and water treeing // Polymer. – 2001. –
Vol. 42. – Pр. 7841–7846.
11. Dissado L.A. Understanding electrical trees in solids: from experiment to theory // IEEE Transactions on Di-
electrics and Electrical Insulation. – 2002. – Vol. 9. – No 4. – Pр. 483–497.
12. Dissado L.A. and Fothergill J.C. Electrical degradation and breakdown in polymers // IEE Materials and De-
vices Series 9, 1992. – Peter Peregrinus. Ltd., London, UK. – 601 p.
13. Fothergrill J.C. The Measurement of Very Low Conductivity and Dielectric Loss in XLPE Cables // IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2011. – Vol. 15. – No 5. – Pр. 1544–1553.
14. Kato T., Yamaguchi T., Komori T. Influence of structural change by AC voltage pretesting on electrical-tree
inception voltage of LDPE with water-tree degradation // Annual Report Conference on Electrical Insulation and Di-
electric Phenomena. – Montreal, Canada: IEEE. – 2012. – Pр. 847–850.
15. Mugala G., Eriksson R., Gäfvert U., Pettersson P. Measurement technique for high frequency characteriza-
tion of semi-conducting materials in extruded cables // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. –
2004. – Vol. 11. – Pр. 471–480.
16. Shcherba M.A. Dependences of electric field amplification during water tree branching in solid dielectrics //
Intelligent Energy and Power Systems (IEPS), 2014 IEEE International Conference on. – 2014. – Pр. 46–49.
17. Werelius P., Thärning P., Eriksson R., Holmgren B. & Gäfvert U. Dielectric spectroscopy for diagnosis of water tree
deterioration in XLPE cables // Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on. – 2001. – Vol. 8. – No 1. – Pp. 27–42.
18. Zaengl W.S. Dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment. I. Theoretical
considerations // Electrical Insulation Magazine, IEEE. – 2003. – Vol. 19. – No 5. – Pp. 5–19.
19. German-Sobek M., Cimbala R., Kirăly J. Change of Dielectric Parameters of XLPE Cable due to Thermal
Aging // Electrotehnică, Electronică, Automatică (EEA). – 2014. – Vol. 62. – No 3. – Pр. 47–53.
УДК 621.315.4
ЧАСТОТНІ ЗАЛЕЖНОСТІ ТАНГЕНСУ КУТА ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ ВІД СТУПЕНЮ ЗВОЛОЖЕННЯ
ПОЛІЕТИЛЕНОВОЇ ІЗОЛЯЦІЇ КАБЕЛІВ
А.В. Беспрозванних1, докт.техн.наук, А.Г. Кєссаєв1, М.А. Щерба2, канд.техн.наук
1 – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут",
вул. Багалея, 21, Харків, 61002, Україна. E-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
2 – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут",
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна. E-mail: m.shcherba@gmail.com
Показано, що при аналізі процесів виникнення вільної вологи в полімерній ізоляції силових кабелів доцільно за-
стосовувати високочастотну релаксійну спектроскопію. Наведено розрахункові та експериментальні частотні
залежності тангенсу кута діелектричних втрат від ступеню зволоження ізоляції кабелів. Виявлено, що при
тривалому її зволоженні піки релаксаційних втрат зміщуються в область більш високих частот та виника-
ють додаткові максимуми, які відповідають розсіюванню енергії на нових елементах ізоляції. Діапазон змінен-
ня частоти релаксаційних втрат залежить від концентрації вільної вологи в ізоляції та її електрофізичних і
морфологічних властивостей. Бібл. 19, табл. 1, рис. 5.
Ключові слова: поліетиленова ізоляція, електрична схема заміщення, тангенс кута діелектричних втрат, водні
мікровключення, триїнги, діелектрична спектроскопія, релаксаційні процеси.
24 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 3
FREQUENCY DEPENDENCE OF DIELECTRIC LOSS TANGENT ON THE DEGREE OF HUMIDIFICATION
OF POLYETHYLENE CABLE INSULATION
A.V. Bezprozvannych1, A.G. Kessaev1, M.A. Shcherba2
1 – National Technical University "Kharkov Polytechnical Institute",
St. Bagaleia, 21, Kharkov, 61002, Ukraine. E-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
2 – National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnical Institute",
pr. Peremohy, 21, Kyiv, 03056, Ukraine. E-mail: m.shcherba@gmail.com
It is shown that application of the high-frequency relaxation spectroscopy is expedient at the analysis of processes of
appearance of free moisture in the polymeric insulation of power cables. The calculated and experimental frequency
dependences of dielectric loss tangent on the degree of humidification of cable insulation are given. It is revealed that
at prolonged moistening of insulation the peaks of relaxation losses are displaced into area of higher frequencies and
there are the additional maxima corresponding to dispersion of energy dissipation in the new elements of insulation.
The range of change of frequency of relaxation losses depends on concentration of free moisture in insulation and its
electro-physical and morphological properties. References 19, table 1, figure 5.
Key words: polyethylene insulation, equivalent circuit, dielectric loss tangent, water micro-inclusions, treeing, dielectric
spectroscopy, relaxation processes.
1. Bezprozvannych G.V., Naboka B.G. Mathematical models and methods of calculation of electrical designs. –
Kharkiv: Natsionalnyi Tekhnicheskii Universitet "KhPI". – 2012. – 108 p. (Rus)
2. Bezprozvannych G.V., Naboka B.G., Moskvitin E.S. Justification of the electrical characteristics of
semiconducting shields of high voltage power cables with cross-linked insulation // Elektrotekhnika i Elektromekhanika. –
2010. − No 3. – Pр. 82–86. (Rus)
3. Suprunovska N.I., Shcherba A.A. Processes of energy redistribution between parallel connected capacitors //
Tekhnichna Elektrodynamika. – 2015. – No 4. – Pp. 3–11. (Rus)
4. Hippel A.R. Dielectrics and Wave. – Moskva: Izdatelstvo inostrannoi literatury. – 1977. – 439 p. (Rus)
5. Shydlovskii А.K., Shcherba A.A., Podoltsev A.D., Kucheriava I.M. Cables with polymeric insulation on ultra-
high voltage. – Кiev: Institut Elektrodinamiki Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy, 2013. – 552 p. (Rus)
6. Shcherba A.A., Podoltsev A.D., Kucheriava I.M. Electromagnetic Processes in 330 kV Cable Line With Poly-
ethylene Insulation // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2013. – No 1. – Pp. 9–15. (Rus)
7. Shcherba М.А., Podoltsev A.D. Electric field and current density distribution near water inclusions of polymer insulation
of high-voltage cables in view of its nonlinear properties // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2016. – No 1. – Pp. 11–18. (Rus)
8. Boggs S.A. Semi-empirical high-field conduction model for polyethylene and implications thereof // Dielec-
trics and Electrical Insulation. – IEEE Transactions on 2.1. – 1995. – Рр. 97−106.
9. Bellet J.J., Matey G., Rose L., Rose V. Some Aspects of the Relationship between Water Treeing, Morphology,
and Microstructure of Polymers // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 1987. – Vol. EI–22. –
No 2. – Pp. 211–217.
10. Ciuprina F., Teissèdre G., Filipini J.C. Polyethylene crosslinking and water treeing // Polymer. – 2001. –
Vol. 42. – Pр. 7841–7846.
11. Dissado L.A. Understanding electrical trees in solids: from experiment to theory // IEEE Transactions on Di-
electrics and Electrical Insulation. – 2002. – Vol. 9. – No 4. – Pр. 483–497.
12. Dissado L.A. and Fothergill J.C. Electrical degradation and breakdown in polymers // IEE Materials and De-
vices Series 9, 1992. – Peter Peregrinus. Ltd., London, UK. – 601 p.
13. Fothergrill J.C. The Measurement of Very Low Conductivity and Dielectric Loss in XLPE Cables // IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2011. – Vol. 15. – No 5. – Pр. 1544–1553.
14. Kato T., Yamaguchi T., Komori T. Influence of structural change by AC voltage pretesting on electrical-tree
inception voltage of LDPE with water-tree degradation // Annual Report Conference on Electrical Insulation and Di-
electric Phenomena. – Montreal, Canada: IEEE. – 2012. – Pр. 847–850.
15. Mugala G., Eriksson R., Gäfvert U., Pettersson P. Measurement technique for high frequency characteriza-
tion of semi-conducting materials in extruded cables // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. –
2004. – Vol. 11. – Pр. 471–480.
16. Shcherba M.A. Dependences of electric field amplification during water tree branching in solid dielectrics //
Intelligent Energy and Power Systems (IEPS), 2014 IEEE International Conference on. – 2014. – Pр. 46–49.
17. Werelius P., Thärning P., Eriksson R., Holmgren B. & Gäfvert U. Dielectric spectroscopy for diagnosis of water tree
deterioration in XLPE cables // Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on. – 2001. – Vol. 8. – No 1. – Pp. 27–42.
18. Zaengl W.S. Dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment. I. Theoretical
considerations // Electrical Insulation Magazine, IEEE. – 2003. – Vol. 19. – No 5. –Pp. 5–19.
19. German-Sobek M., Cimbala R., Kirăly J. Change of Dielectric Parameters of XLPE Cable due to Thermal
Aging // Electrotehnică, Electronică, Automatică (EEA). – 2014. – Vol. 62. – No 3. – Pр. 47–53.
Надійшла 21.12.2015
Остаточний варіант 11.02.2016
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134802 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-7970 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:21:08Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Щерба, М.А. 2018-06-14T08:57:46Z 2018-06-14T08:57:46Z 2016 Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, М.А. Щерба // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 3. — С. 18-24. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134802 621.315.4 Показано, что при анализе процессов появления свободной влаги в полимерной изоляции силовых кабелей целесообразно применять высокочастотную релаксационную спектроскопию. Приведены расчетные и экспериментальные частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения изоляции кабелей. Выявлено, что при длительном ее увлажнении пики релаксационных потерь смещаются в область более высоких частот и возникают дополнительные максимумы, соответствующие рассеянию энергии на новых элементах изоляции. Диапазон изменения частоты релаксационных потерь зависит от концентрации свободной влаги в изоляции и ее электрофизических и морфологических свойств. Показано, що при аналізі процесів виникнення вільної вологи в полімерній ізоляції силових кабелів доцільно застосовувати високочастотну релаксійну спектроскопію. Наведено розрахункові та експериментальні частотні залежності тангенсу кута діелектричних втрат від ступеню зволоження ізоляції кабелів. Виявлено, що при тривалому її зволоженні піки релаксаційних втрат зміщуються в область більш високих частот та виникають додаткові максимуми, які відповідають розсіюванню енергії на нових елементах ізоляції. Діапазон змінення частоти релаксаційних втрат залежить від концентрації вільної вологи в ізоляції та її електрофізичних і морфологічних властивостей. It is shown that application of the high-frequency relaxation spectroscopy is expedient at the analysis of processes of appearance of free moisture in the polymeric insulation of power cables. The calculated and experimental frequency dependences of dielectric loss tangent on the degree of humidification of cable insulation are given. It is revealed that at prolonged moistening of insulation the peaks of relaxation losses are displaced into area of higher frequencies and there are the additional maxima corresponding to dispersion of energy dissipation in the new elements of insulation. The range of change of frequency of relaxation losses depends on concentration of free moisture in insulation and its electro-physical and morphological properties. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Теоретична електротехніка та електрофізика Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей Частотні залежності тангенсу кута діелектричних втрат від ступеню зволоження поліетиленової ізоляції кабелів Frequency dependence of dielectric loss tangent on the degree of humidification of polyethylene cable insulation Article published earlier |
| spellingShingle | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Щерба, М.А. Теоретична електротехніка та електрофізика |
| title | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| title_alt | Частотні залежності тангенсу кута діелектричних втрат від ступеню зволоження поліетиленової ізоляції кабелів Frequency dependence of dielectric loss tangent on the degree of humidification of polyethylene cable insulation |
| title_full | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| title_fullStr | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| title_full_unstemmed | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| title_short | Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| title_sort | частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от степени увлажнения полиэтиленовой изоляции кабелей |
| topic | Теоретична електротехніка та електрофізика |
| topic_facet | Теоретична електротехніка та електрофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134802 |
| work_keys_str_mv | AT besprozvannyhav častotnaâzavisimostʹtangensaugladiélektričeskihpoterʹotstepeniuvlažneniâpoliétilenovoiizolâciikabelei AT kessaevag častotnaâzavisimostʹtangensaugladiélektričeskihpoterʹotstepeniuvlažneniâpoliétilenovoiizolâciikabelei AT ŝerbama častotnaâzavisimostʹtangensaugladiélektričeskihpoterʹotstepeniuvlažneniâpoliétilenovoiizolâciikabelei AT besprozvannyhav častotnízaležnostítangensukutadíelektričnihvtratvídstupenûzvoložennâpolíetilenovoíízolâcííkabelív AT kessaevag častotnízaležnostítangensukutadíelektričnihvtratvídstupenûzvoložennâpolíetilenovoíízolâcííkabelív AT ŝerbama častotnízaležnostítangensukutadíelektričnihvtratvídstupenûzvoložennâpolíetilenovoíízolâcííkabelív AT besprozvannyhav frequencydependenceofdielectriclosstangentonthedegreeofhumidificationofpolyethylenecableinsulation AT kessaevag frequencydependenceofdielectriclosstangentonthedegreeofhumidificationofpolyethylenecableinsulation AT ŝerbama frequencydependenceofdielectriclosstangentonthedegreeofhumidificationofpolyethylenecableinsulation |