Моделирование старения кабелей и проводов в условиях тропического климата

На правах рукописи

Лвин Наинг Чжо

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАРЕНИЯ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ТРОПИЧЕСКОГО КЛИМАТА

Специальность 05.09.02 - электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (технический университет)» на кафедре «Физики электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов».

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Боев Михаил Андреевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук Ларин Юрий Тимофеевич кандидат технических наук Длютеров Олег Вячеславович

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина (г. Москва).

Защита состоится "25" июня 2010 г., в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, в аудитории Е-205

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

Автореферат разослан " " мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Рябчицкий М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования старения кабелей и проводов в тропическом климате проводят достаточно давно. Вместе с тем, постоянно появляются новые материалы, которые используют для изготовления кабельных изделий. Поэтому исследование долговечности кабеля в условиях тропического климата остается актуальным.

В процессе хранения, монтажа и эксплуатации кабельные изделия подвергаются различным климатическим воздействиям. Допустимая степень этих воздействий определяется величиной эксплуатационных параметров кабелей и проводов. Величина этих параметров в основном зависят от конструкции кабельных изделий, климатического исполнения, а требуемый уровень стойкости к воздействию – от способа монтажа и прокладки (прокладка силовых кабелей в земле или внутри помещении, монтаж проводов внутри или вне герметичной аппаратуры и т. д.).

К основным климатическим характеристикам кабелей и проводов относятся длительная и кратковременная нагревостойкость, холодостойкость, влагостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур и солнечной радиации, озоностойкость и т. д.

Исследованию влияния климатических факторов на свойства кабельных изделий посвящены работы российских ученых Яманова С. А., Сажина Б. С., Тареева Б. М., Ерухимовича С. З. и других. Периодически проводят международную конференцию "Modelling of environmental effects on electrical equipment", на которых делают свои доклады ведущие специалисты и из многих стран мира. Российская академия наук регулярно проводит конференции на тему «Старения и стабилизации полимеров», в которых участвуют специалисты института химической физики АН, а так же научные работники отраслевых институтов и производителей материалов.

В данной работе рассмотрено воздействие следующих факторов окружающей среды: повышенной температуры, влажности и солнечной радиации в условиях тропического климата, которые, как показывает практика, приводят к необратимому ухудшению электрических и механических свойств кабельных изделий.

Цель работы моделирование процессов старения кабелей и проводов, эксплуатирующихся в районах с тропическим климатом, путем проведения испытаний.

В ходе реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработан метод моделирования воздействия повышенной температуры;
• разработан метод моделирования воздействия повышенной влажности;
• разработан метод моделирования воздействия солнечной радиации.

Методы исследования. В работе использованы аналитические, численные и численно-аналитические методы исследования. Для теоретических расчетов распределения влаги в полимерной изоляции разработаны алгоритмы решений, ориентированные к применению на современных компьютерах. Реализация алгоритмов компьютерной программы выполнена в среде MathCAD v. 14. В процессе экспериментального исследования использовано современное климатическое оборудование, приборы дифференциального термического анализа и измерения электрических и физико-механических параметров.

Научная новизна. На основании данных теоретических исследований:

1. Получены модели старения кабелей и проводов с полимерной изоляцией, позволяющие имитировать длительное воздействие тепла, влаги и солнечной радиации в условиях тропического климата.

2. Предложен уточненный метод определения энергии активации процесса теплового старения для полимерной изоляции кабелей и проводов с использованием термогравиметрического анализа.

3. Полученная и представленная в аналитическом виде модель распределения влаги в полимерной изоляции, а так же компьютерная программа расчета электрических параметров такой изоляции.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Работа выполнена в интересах предприятий, специализирующихся на разработке и промышленном выпуске кабелей и проводов, которые предназначенных для эксплуатации в условиях тропического климата.

1. Результаты работы (полученные модели) использованы в каждом конкретном случае при проектировании новых конструкций оптических кабелей на предприятии ООО «Еврокабель 1», и самонесущих изолированных проводов, предназначенных для эксплуатации в условиях тропического климата.

2. Разработанные в процессе выполнения работы имитационные модели старения оформлены как компьютерные программные средства, которые практически используют при прогнозировании долговечности кабельных изделий в учебном процессе в рамках выполнения бакалаврских и дипломных работ в разделе надежности.

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на 12-й, 14-й и 15-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. (Москва, МЭИ (ТУ), 2006 г., 2008 г. и 2009 г.); на 12-й Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных и одна рукописная работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований и приложения. Материал изложен на 98 страницах текста и иллюстрируется 26 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данного исследования, сформулирована цель работы, основные положения, выносимые на защиту, изложена научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

В первой главе рассмотрены особенности тропического климата Союза Мьянмы, который характеризуется более высокой по сравнению с другими климатическими зонами среднегодовой температурой; характерно большое колебание суточных температур; высокое значение относительной влажности; высокий общий уровень солнечной радиации, мало изменяющийся в течение года; большая мощность солнечной радиации в ультрафиолетовой части солнечного спектра. Представлен обзор литературных данных по современным методам моделирования старения путем воздействия температуры, повышенной влажности и солнечной радиации, который показал, что в настоящее время отсутствуют конкретные рекомендации по ускоренным испытаниям кабелей и проводов, предназначенных для эксплуатации в тропическом климате.

Систематическое исследование старения кабельных изделий в условиях тропического климата начаты в середине прошлого века. Исследования проводили в натурных условиях. Полученные тогда экспериментальные данные для кабелей и проводов, изготовленных с применением различных материалов, не были объяснены с точки зрения физических процессов, которые протекают в этих материалах, и отсутствовала математическая модель старения.

Сейчас наряду с натурными испытаниями созданы и продолжают совершенствовать различные ускоренные методы старения кабельных изделий. Эти методы основаны на имитации и ускоренном воздействии основных факторов окружающей среды. Для тропического климата это воздействия температуры, повышенной влажности и солнечной радиации. В отдельных случаях одним из агрессивных воздействий внешней среды тропического климата являются биологические факторы. Однако, проведение специальных мероприятий значительно снижает уровень воздействия этих факторов, а в отдельных случаях полностью исключает, поэтому их воздействие в данной работе не рассматривается.

Во второй главе определены объекты, методы исследования и применяемая аппаратура. В качестве объекта исследования в данной работе выбраны самонесущие изолированные провода (СИП) и оптические кабели. Эти кабельные изделия предназначены для эксплуатации на открытом воздухе в тропическом климате,

СИП имеют защитную полимерную оболочку из композиции свето-стабилизированного сшитого полиэтилена высокой плотности. Для оболочки оптического кабеля используют такой же материал, но не сшитый, марки 271-70К или аналогичный.

Искусственное старение кабелей и проводов происходило при трех видах воздействия: термическое, влаги и солнечной радиации. Термическое воздействие представляло собой выдержку образцов кабеля и провода при повышенной температуре в тепловой камере типа Challenge 1200 С, предварительно нагретой до температуры 403 К. Воздействие влаги заключалось в погружении в воду, находящуюся в тепловой камере, образцов кабеля и провода целиком или изоляции с этих образцов. Массу образцов определяли на электронных весах типа EP214C класса точности 4.

Воздействию солнечной радиации подвергали образцы изоляции, помещенные в испытательную установку типа "Xenotest 150 S+", оснащенную источником света длинами волн от 300 до 800 нм и интегральной плотностью теплового потока 1120 Вт/м2, в том числе в ультрафиолетовой части спектра 68 Вт/м2. имитирующую солнечную радиацию. Фотохимическая активность искусственного облучения образца была такой, чтобы при проверке ее щавелево-кислым методом количество разложившейся кислоты было равно 5,49 мг/см2 ч при температуре 353 К.

Физико-механические параметры определяли на разрывной машине модели Н5КS, которая позволяет растягивать образцы изоляции со скоростью от 0,001 до 1000 мм в минуту с максимальным усилием 5 кН.

Измерение электрического сопротивления изоляции производили тераомметром типа ТОмМ-01 при испытательном напряжении от 10 до 1000 В. Электрическую прочность изоляции определяли на установке контроля и диагностирования диэлектриков УКД-70. Установка обеспечивает регулировку выпрямленного напряжения (амплитудное значение) в диапазоне 0-70 кВ и регулировку переменного напряжения (действующее значение) в диапазоне 0-50 кВ.

Термический анализ полиэтиленовой изоляции производили с помощью микрокалориметра типа ДСМ-3М, а также на термогравиметрическом анализаторе типа ТА 4000 фирмы «Mettler», в диапазоне температур от комнатной до 850 К.

В третьей главе работы теоретически исследован процесс длительной эксплуатации и хранения кабельных изделий в условиях тропического климата. Старение кабелей и проводов сопровождается изменением основных технических параметров изоляции. Эксплуатационные свойства токопроводящих металлических элементов кабельного изделия при длительной эксплуатации и хранении практически не изменяются.

Наиболее чувствительными к тепловому старению являются механические параметры изоляции кабельных изделий. Рассмотрим такой механический параметр изоляции как относительное удлинение при разрыве. Если предположить, что процесс старения изоляции протекает по реакции первого порядка, а изменение относительного удлинения при разрыве в процессе старения однозначно связано с протеканием этого процесса в материале изоляции, то за временем старения изоляции (t) относительное удлинение меняется от исходного значения (l0) до (lt) по следующему соотношению:

lt=l0 exp(-ki t) (1)

Коэффициент ki является константой скорости процесса старения изоляции и зависит от температуры по уравнению Аррениуса, используя которое и значения ki, полученное, например, при температуре старения 403 К (k403), можно рассчитать константу скорости процесса старения при эффективной температуре эксплуатации, принятой равной 290 К, по формуле:

k290= k403 exp[(1/403-1/290) Еа /R] (2)

Величину эффективной энергии активации процесса старения (Еа) оперативно можно определить по данным термогравиметрического анализа (ТГА). По серии (от двух и более) кривых потери массы (TG), снятых при различных скоростях нагрева (VT). Если в исходном состоянии масса исследуемой пробы изоляции равна mo, а при температуре Ti масса образца равна mi, то, задавшись одинаковой величиной mi при разных скоростях нагрева, величину Еа можно определить из системы уравнений:

(3)

Изменение электрических параметров изоляции кабельных изделий в процессе теплового старения исследуют, в первую очередь, по изменению величины электрического сопротивления изоляции (Rиз) и электрической прочности. Снижение электрическая прочность изоляции в процессе старения приводит к пробою изоляции. Учитывая, что пробой изоляции носит случайный характер, то изучение изменения величины пробивного напряжения электрической изоляции (Uпр) в процессе теплового старения целесообразно провести на основе анализа функций распределения значений Uпр, получаемых через определенные интервалы времени старения. Функцию распределения вероятности отсутствия пробоя (P), назовем её функцией надежности, определим по уравнению:

P=1-nj (0

где nj – количество образцов пробитых в интервале напряжений 0

Длительное воздействие среды с повышенной влажностью, так же как и тепло приводит к изменению основных технических параметров изоляции кабельных изделий. В отличие тепла, повышенная влажность в первую очередь влияет на электрические свойства изоляции. Допустим, что изоляция кабельного изделия выполнена из однородного по всему объему полимера. При достижении стационарного состояния расположение абсорбируемой внутри изоляции влаги схематически можно представить в виде, приведенном на рис. 1, когда частицы воды относительно равномерно распределены по всему объему изоляции, не взаимодействия друг с другом, и как бы образуют некоторую матрицу:

1

2

Рис. 1. Матричная модель распределения влаги в изоляции:

1 – полимерная изоляция, 2 – частицы воды

Уравнение для расчета удельной объемной проводимости увлажненного полимера может быть получено путем решения тождества, справедливого для матричной многокомпонентной смеси, относительно ():

(5)

В уравнении (5) величина 1 – удельная объемная проводимость матрицы, величина 2 – удельной объемной проводимости воды, а величина 2 есть объемная доля воды, проникшей в межмолекулярное пространство полимера.

Величину 2 можно определить по изменению массы полимерной изоляции объемом 1 в процессе увлажнения. Если сухую изоляцию массой mисх поместить в воду с удельной массой воды, то со временем масса изоляции будет расти до состояния насыщения и составит mвл. При этом объем полимерной изоляции практически не изменяется, объемная доля воды составит:

2= 1 воды / (mвл – mисх) (6)

Если допустить, что абсорбируемая внутри изоляции влага распределена по объему изоляции неравномерно, а располагается в виде отдельных сквозных каналов, то электрофизические характеристики образцов будут определяться в основном количеством таких каналов и величиной их сопротивления. Уравнение (5) можно использовать и для расчета относительной диэлектрической проницаемости полимерной изоляции, но в этом случае вместо следует подставить .

Проведение исследований при воздействии солнечной радиации в совокупности с другими климатическими факторами имели целью выявить влияние этого фактора на скорость старения кабелей и проводов.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса старения кабелей и проводов в условиях тропического климата. Проведены исследования долговечности кабелей и проводов с полиэтиленовой изоляцией. На рис. 2 представлена зависимость изменения относительного удлинения у изоляции проводов типа СИП-3 в процессе искусственного теплового старения при температуре 403 К.

Рис. 2. Зависимость значений ln lt /l0 полиэтиленовой изоляции провода типа СИП-3 от времени старения при температуре 403 К

Полученная зависимость позволяет определить значение ki. Величина константы при температуре 403 К составила мин-1.

Энергию активации определили с помощью ТГА. На рис. 3 представлены зависимости потери массы проб полиэтиленовой изоляции от температуры в четырех режимах, отличающихся скоростью нагрева. Задавшись одинаковым для всех режимов 4 % изменением массы, определена температура, при которой происходит такое изменение массы при каждой скорости нагрева VT. Затем определены скорости изменения массы dm/dT в каждом режиме нагрева и с помощью уравнения (3) рассчитано значение Еа, значение которого составило 89,4 кДж/мольК.

Рис. 3. Кривые изменения массы для проб полиэтиленовой изоляции провода в исходном состоянии, полученные при скорости нагрева: 1 – 2,5; 2 – 5,0; 3 – 6,0 ; 4 – 10,0 К/мин.

Задавшись допустимым значением соотношения lt /l0 к концу срока службы равным 0,282 (при этом lt к концу срока службы принимаем равным 100 %) и зная величину константы скорости процесса старения при эффективной температуре эксплуатации, можно рассчитать срок службы проводов (t) по формуле:

(7)

Расчетное значение срока службы составило 44 года.

Изменение величины пробивного напряжения электрической изоляции (Uпр) в процессе теплового старения исследовании на низковольтных проводах с полиэтиленовой изоляцией. Образцы подвергали длительному тепловому старению в тепловой камере и периодически через определенное время старения извлекали по 37 образцов провода и подвергали их электрическим испытаниям до пробоя. По результатам этих испытаний строили графики зависимостей в виде функции надежности (4), которые приведены на рис. 4.