Надеж­ность кабелей в процессе длительной эксплуатации (25—40 лет) во многом связана с интенсивностью старения полимерной изо­ляции. В настоящее время установлено, что старение полиэтиле­на, являющегося основным изоляционным материалом для си­ловых кабелей, в условиях воздействия электрического поля оп­ределяется прежде всего наличием неоднородностей в изоляции, возникающих как в процессе производства кабелей, так и свой­ственных самому изоляционному материалу в исходном состоя­нии. Если в полимерной изоляции кабеля существуют неодно­родности, то в процессе эксплуатации в этой изоляции начинают развиваться проводящие каналы, известные под названием дендритов (древовидных образований) или триингов.

 Исследования изоляции кабеля в процессе эксплуатации по­зволили выявить два типа триингов: триинги чисто электричес­кого происхождения и так называемые водные триинги (в основ­ном электрохимического происхождения).

Триинги электрического происхождения возникают и разви­ваются только при воздействии переменного тока, а также им­пульсного при очень высоких напряжениях. Они образуются в местах концентрации напряженности электрического поля, зна­чение которой не приводит к немедленному пробою, но доста­точно высоко для ионизации газового включения. При низких напряженностях электрического поля электрические триинги образуют только после очень длительной эксплуатации. При раз­витии триингов электрического происхождения заметно возрас­тает уровень частичных разрядов в изоляции кабеля. Поэтому, если в изоляции кабелей отсутствуют полости определенного раз­мера, электрические триинги развиваются достаточно медленно и могут не оказывать влияния на работоспособность кабелей. Максимальный размер включений (полостей) должен быть мень­ше определенного, при котором возникают частичные разряды при рабочем напряжении. Ориентировочно можно считать, что максимальный размер пустот для кабеля на напряжение 66—69 кВ должен составлять 80 мкм, а на напряжение 110—154 кВ — 50 мкм. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что электри­ческая прочность кабеля при переменном напряжении зависит от распределения полостей в изоляции, в том числе и малых по размеру, в которых частичные разряды не возникают даже при рабочих напряжениях.

Образование в изоляции водных триингов связано с проник­новением в изоляцию кабеля влаги. Этот процесс можно пред­ставить следующим образом: наличие влаги в изоляции приводит к конденсации ее в местах неоднородностей, образованию и рос­ту водных триингов с последующим ухудшением электрических характеристик изоляции, в частности снижению электрической прочности, что может привести к пробою кабеля. Влага проника­ет в изоляцию как в результате процесса диффузии через пласт­массовую оболочку, так и через дефекты в оболочке и изоляции под действием электрического поля. Установлено, что в целом проникновение воды в полимер зависит от температуры, элект­рического поля и типа и количества ионов, содержащихся в воде. Изменение температуры приводит к конденсации воды в микро­пустотах изоляции кабеля, загрязнениях или неровностях экра­нов. Дальнейший рост триинга связан с образованием дополни­тельных микропустот, располагающихся радом с местом зарож­дения триинга. Считается, что расширение зоны триингообразования обусловливается проникновением молекул в микротрещи­ны материала в результате таких явлений, как электрофорез, диэлектрофорез и силы Максвелла, связанных с наличием электри­ческого поля. На скорость возникновения и роста триингов электрохимического происхождения влияют удельное сопротив­ление изоляции, молекулярная и микрофизическая структура материала и наличие наполнителей.

При развитии триингов электрохимического происхождения не наблюдается увеличения частичных разрядов или значитель­ного увеличения tgδ, однако сопротивление изоляции заметно снижается. При развитии триингов электрохимического происхождения не наблюдается увеличения частичных разрядов или значитель­ного увеличения tg5, однако сопротивление изоляции заметно снижается. Внешний вид триингов электрохимического проис­хождения отличается от триингообразований электрического про­исхождения (рис. 1). Их каналы значительно меньше, и сами триинги имеют характерные формы (разветвленные древовидные образования или триинги типа "бант" или "бабочка") и даже окраску. Если каналы образуются водой, то они имеют белую окраску, если в воде присутствуют продукты коррозии меди или железа, то темную или голубоватую.

Рис. 1. Триингообразования в полимерной изоляции [1]:

а - триинг электрического происхождения, полученный в лаборатории ВНИИКП;

б - триинг электрического происхождения, выявленный в пробитом кабеле;

в - триинг водного происхождения, полученный в лаборатории ВНИИКП (триинг типа "бант");

г - триинг водного происхождения, выявленный в пробитом кабеле (триинг типа "веер")

Скорость образования электрохимического триинга снижает­ся со временем, что объясняется разветвлением канала и созда­нием экранирующего эффекта, ослабляющего напряженность электрического поля у концов канала. Иногда даже после полно­го развития канала электрическая прочность изоляции превы­шает 2 МВ/м, так как размеры каналов в первое время очень малы (менее 1 мкм). Однако со временем размеры каналов уве­личиваются и их электрическая прочность снижается, что в кон­це концов приводит к пробою кабеля. Если при развитии триингов кабель подвергается значительным перенапряжениям, то это может привести к переходу канала электрохимического проис­хождения в канал электрического происхождения и последую­щему пробою кабеля.

Разветвленные древовидные образования начинают развиваться на поверхности изоляции, в основном на участке, в котором су­ществует неоднородность структуры изоляции на границе с электропроводящими экранами по жиле или изоляции. Триинги такого типа могут иметь длину до нескольких миллиметров.

Образование триингов приводит к местным концентрациям электрического поля в изоляции кабелей, так как заполненные водой микропустоты образуют диэлектрик с более высокой диэ­лектрической проницаемостью, чем у основного изоляционного материала. Кроме того, в области триингообразования, где име­ются микропустоты, заполненные водой, возникают механичес­кие напряжения, способствующие снижению напряженности электрического поля, при которой развивается водный триинг.

Существует также точка зрения, что область изоляции с триингом подвергается со временем более быстрому окислению, быстрее стареет и в результате наступает пробой изоляции.

Не­обходимость свести к минимуму или подавить процесс триинго­образования учитывается при конструировании кабелей с поли­мерной изоляцией и разработке технологии их изготовления. Глав­ным фактором, влияющим на возникновение и рост каналов, являются местные увеличения напряженности электрического поля в кабеле, которые вызываются неоднородностью поверхности электропроводящих экранов и наличием пустот и загряз­нений в изоляции. Поэтому в конструкции кабелей для увеличе­ния однородности поверхности полупроводящих экранов пред­усматривают обычно уплотненную жилу и замену ленточных эк­ранов на экструдированные.

Применяемая наружная оболочка должна препятствовать про­никновению влаги в изоляцию. Это достигается либо увеличени­ем толщины полиэтиленового шланга, либо использованием до­полнительного слоя металлической или металлопластмассовой ленты, либо применением в качестве материала оболочки метал­ла.

При производстве кабелей с пластмассовой изоляцией должна обеспечиваться максимальная чистота применяемых изоляцион­ных и электропроводящих материалов. Разрабатываются специ­альные изоляционные компаунды с повышенной стойкостью к образованию водных триингов. Возможно применение специальных стабилизаторов.

Технологические линии для изготовления кабелей с пластмас­совой изоляцией должны обеспечивать наложение экранов и изо­ляции, по возможности не содержащих пустот, включений и т.п. Причиной образования пустот и загрязнений может быть недо­статочная чистота загружаемых в пресс полиэтиленовых гранул, неверно выбранный температурный режим в прессе и охлаждаю­щих устройствах, а также неплотное прилегание экрана к изоля­ции. Дополнительные требования выдвигаются к оборудованию для наложения сшитого полиэтилена. До недавнего времени был широко распространен способ вулканизации полиэтилена в сре­де пара. Как показали исследования, при таком способе проис­ходят диффузия пара в изоляцию с образованием микрополос­тей, в которых при охлаждении конденсируются мельчайшие ка­пельки воды. При достаточно высокой рабочей напряженности поля в изоляции эта влага будет сокращать срок службы кабеля. Поэтому для изготовления кабелей высокого напряжения с изо­ляцией из сшитого полиэтилена вулканизация должна произво­диться в беспаровой среде, например в среде инертного газа.

Основные мероприятия, которые необходимо осуществить при организации выпуска кабелей высокого напряжения с пластмас­совой изоляцией, сводятся к следующему:

• исключение попадания пыли в полиэтилен как при его изго­товлении, так и при транспортировке, загрузке и экструзии;
• обеспечение наложения экранов и изоляции на токопроводящую жилу в один проход через экструдер, для чего следует ис­пользовать экструдеры сдвоенного типа (при этом уменьшается количество пустот между изоляцией и экранами);
• использование для сшивки полиэтилена беспаровой среды;
• обеспечение достаточно плавного охлаждения кабеля, выхо­дящего из пресса; наименьшее количество полостей в изоляции получается при охлаждении кабеля под давлением.

Литература:

Ларина Э.Т. Силовые кабели и кабельные линии. - М.: Энергоатомиздат, 1984, 368 с.