Разработка методов и средств электроискрового технологического контроля изоляции кабельных изделий

На правах рукописи

Редько Виталий Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Томск 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант:	Гольдштейн Александр Ефремович, доктор технических наук, профессор.
Официальные оппоненты:	Смирнов Геннадий Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Недавний Олег Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры оснований, фундаментов и испытаний сооружений Томского Государственного Архитектурно-Строительного Университета. Седалищев Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры информационных технологий Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (г.Барнаул).
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Защита состоится _17_ _сентября_ 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.09 при Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Автореферат разослан _____ __________ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Е.А. Васендина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным параметром качества кабельных изделий, определяющим их эксплуатационные характеристики, является целостность изоляции. С целью обеспечения качества продукции кабельные изделия в процессе производства подвергаются контролю электроискровым методом. Суть метода заключается в том, что при движении изделия по технологической линии к поверхности его изоляции прикладывается высокое напряжение посредством специального электрода, а токопроводящая жила, броня или экран заземляются. При попадании дефектного участка изоляции кабельного изделия в зону контроля происходит искровой разряд, что фиксируется электроискровым дефектоскопом, качественная изоляция при этом не повреждается. Контроль электроискровым методом является обязательным при производстве кабельных изделий с полимерной изоляцией с рабочими напряжениями до 3 кВ.

Данный вид контроля применяется на производстве с 50-х годов 20-го века. Несмотря на большой мировой опыт его применения, остается ряд нерешенных вопросов. Отсутствует качественное и количественное описание видов и геометрии дефектов, обнаруживаемых данным видом контроля. Не описаны модели дефектной и бездефектной изоляции как электрической нагрузки при электроискровом контроле. Не выявлены различия контроля напряжением различной формы и частоты. Недостаточно изучены вопросы обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала при работе с высоковольтными электроискровыми дефектоскопами.

Цель диссертационной работы - комплексное решение научных и технических проблем эффективного использования электроискрового метода контроля в производстве кабельных изделий.

Основные решаемые задачи:

• определение дефектов изоляции, обнаруживаемых электроискровым методом контроля, их качественная и количественная оценка;
• разработка математической модели изоляции дефектной и бездефектной;
• разработка методов обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала при проведении электроискрового контроля высоким напряжением;
• определение эффективности контроля напряжением различной формы и частоты;
• совершенствование методов аттестации электроискровых дефектоскопов;
• совершенствование нормативной базы электроискрового контроля кабельных изделий.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, математической физики и аппарата математической статистики. Математическое моделирование результатов электродинамического взаимодействия электрического поля электрода дефектоскопа с объектом осуществлялось средствами современного программного обеспечения. Физическое моделирование и экспериментальная проверка теоретических положений проводились с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры, специальных стендов и измерительных установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложена методика расчета глубины обнаруживаемых дефектов в изоляции кабельных изделий по электротепловому пробою, основанная на комплексном учете влияния свойств диэлектрика и режимов контроля;
• в результате теоретических и экспериментальных исследований определено влияние формы и частоты испытательного напряжения на достоверность электроискрового технологического контроля для реальных условий взаимодействия поля электрода и контролируемого кабельного изделия;
• предложен метод обнаружения дефектов при технологическом контроле электроискровыми дефектоскопами по изменению погонных электрической емкости и диэлектрических потерь кабельных изделий;
• исследована возможность обнаружения дефектов изоляции на технологической линии электроискровыми дефектоскопами по амплитуде и интенсивности частичных разрядов, определены минимальные размеры обнаруживаемых дефектов;
• разработан алгоритм определения параметров схемы замещения участка кабельного изделия, являющегося электрической нагрузкой электроискрового дефектоскопа с учетом параметров технологического процесса и режимов контроля.

Практическая ценность работы определяется ее прикладной направленностью, ориентированной на использование полученных результатов при проектировании высокоинформативных средств электроискрового контроля целостности изоляции кабельных изделий. На основании анализа взаимодействия электрического поля с объектом контроля оценены информативные возможности и даны рекомендации по эффективному практическому использованию различных видов электрических полей. Предложена и разработана техническая реализация методов обеспечения электрической безопасности обслуживающего персонала в средствах электроискрового контроля. Даны практические рекомендации по аттестации электроискровых дефектоскопов.

Реализация результатов работы заключается в разработке, испытании и внедрении ряда приборов электроискрового контроля изоляции кабельных изделий контроля:

• прошел испытания и внедрен на предприятии Беларускабель электроискровой дефектоскоп «ЗАСИ-20»;

• прошли испытания и внедрены на предприятии Энергокабель электроискровые дефектоскопы «ЗАСИ-15», «ЗАСИ-20»; «ЗАСИ-30М», «ИАСИ-30», электродный узел «ЭУ-30/150»;
• прошли испытания и внедрены на предприятии Рыбинсккабель электроискровые дефектоскопы «ЗАСИ-15», «ЗАСИ-30», «ЗАСИ-30М», электродный узел «ЭУ-60/150»;
• прошли испытания и внедрены на предприятии Алюр электроискровые дефектоскопы «ЗАСИ-30»;
• прошли испытания и внедрены на предприятии Агрокабель электроискровой дефектоскоп «ЗАСИ-30», электродный узел «ЭУ-60/150»;
• прошел испытания и внедрен на предприятии Смолкабель электроискровой дефектоскоп «ЗАСИ-30М»;
• прошел испытания и внедрен на предприятии Норис электроискровой дефектоскоп «ЗАСИ-30М»;
• прошел испытания и внедрен на предприятии Нексанс Рус электроискровой дефектоскоп «АСИП-30/110»;
• прошел испытания и внедрен на предприятии Иркутсккабель электроискровой дефектоскоп «ЗАСИ-20»;

• выполнен грант Министерства образования РФ на тему «Исследования и разработка технологий построения высоковольтных испытателей изоляции». Контракт № 1.43.2005;

• выполнен грант агентства «Роснаука» РФ на тему «Исследование достоверности динамических испытаний изоляции кабельных изделий постоянным напряжением» в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы». Гос. к. № 02.442.11.7479;
• выполнен грант Президента РФ на 2007- 2008 годы. Гос. к. № 02.120.11.19630;
• работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение 14.B37.21.0457»;
• ряд научных результатов вошли в национальный стандарт ГОСТ Р 54813-2011 «Кабели, провода и шнуры электрические. Электроискровой метод контроля», дата введения 1.01.2013 г.

Научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы в разработанных автором лекционных курсах «Технологический контроль в производстве» и «Технологический контроль в кабельном производстве», а также при подготовке практических и лабораторных работ для студентов института неразрушающего контроля и энергетического института ТПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

• электроискровым методом контроля изоляции кабельных изделий могут быть надежно обнаружены сквозные дефекты диаметром более 30 мкм и снижение толщины изоляции до (15…30) % от толщины бездефектного участка в зависимости от материала диэлектрика и режимов контроля;
• теоретическими и экспериментальными исследованиями определено влияние формы и частоты испытательного напряжения на достоверность электроискрового технологического контроля кабельных изделий;
• измерение электрической емкости и диэлектрических потерь при электроискровом контроле изоляции кабельных изделий позволяет надежно обнаружить дефекты со снижением до (35…80) % и увеличением на (40…50) % от толщины бездефектного участка изоляции в зависимости от конструкции изделия и материала изоляции;
• обнаружение в технологическом процессе дефектов изоляции размером менее 100 мкм по амплитуде частичных разрядов на текущем уровне технического развития невозможно в связи с высоким уровнем поверхностных разрядов;
• методика определения электрических параметров дефектной и бездефектной изоляции кабельных изделий, позволяющая предъявлять обоснованные требования к энергетическим параметрам электроискрового дефектоскопа;
• методика аттестации электроискровых дефектоскопов, на соответствие требованиям стандарта ГОСТ Р 54813-2011, рекомендации к дальнейшему совершенствованию нормативной документации.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были изложены в следующих докладах и материалах.

1. Высоковольтные аппараты для испытаний кабельно-проводниковой продукции на проход печатный. Международная конференция «Кабельные материалы и оборудование -2007». Москва.
2. Высоковольтные испытатели изоляции кабеля. Схемы регистрации пробоев 4-я международная конференция «Актуальные проблемы науки», Самара 2003 г.
3. К вопросу об обеспечении электробезопасности обслуживающего персонала при работе с высоковольтными испытателями изоляции кабеля на проход. 9-я международная научно- практическая конференция «Современные техника и технологии», г. Томск, 2003 г.
4. Приборы контроля качества изоляции кабельных изделий. 10-я международная научно- практическая конференция «Современные техника и технологии», г.
   
   
   
   
   

   Томск, 2004 г.

5. Высоковольтный испытатель изоляции постоянным напряжением «КОРОНА-ПН». Российская научно-техническая конференция «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения» г. Томск, 2004.
6. Использование электроискрового метода для контроля электрической изоляции кабелей в процессе производства. Международная- практическая конференция «Качество- стратегия XXI века». г. Томск, 2004.
7. Исследование достоверности динамических испытаний изоляции кабельных изделий постоянным напряжением. 14-я международная научно- практическая конференция «Современные техника и технологии», г. Томск, 2008 г.
8. Модернизация методик испытаний изоляции кабельных изделий. 5-я международная конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» г. Санкт- Петербург -2008 г.
9. Состояние в России вопроса о динамических испытаниях изоляции кабелей высоким постоянным напряжением. 5-я международная конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» г. Санкт- Петербург -2008 г.
10. Импульсный испытатель изоляции кабеля методом контроля «на проход». Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора А. А. Воробьева - Томск, 2009.
11. Изоляция кабельных изделий как объект электроискрового технологического контроля. Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора А. А. Воробьева - Томск, 2009.
12. «Электроискровой метод испытания кабельных изделий. Средства аттестации испытательного оборудования». Международная конференция «Современные техника и технологии- 2010». Томск.
13. «Влияние формы и частоты повторения испытательного напряжения на достоверность электроискрового контроля». Международная конференция «Современные техника и технологии- 2010». Томск.
14. «Электроискровой метод испытания кабельных изделий. Анализ нормативной документации». Международная научно-практическая конференция молодых ученых. «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений». Томск. 2010 г.
15. Технологический контроль в кабельном производстве. I Всероссийская научно-практическая конференция по Инновациям в неразрушающем контроле «SibTest».
16. Бесконтактный электрод для высоковольтных испытателей целостности изоляции кабеля печатный. 14-я международная научно- практическая конференция «Современные техника и технологии», г. Томск., 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 24 научных работах из них, в изданиях рекомендуемых ВАК для защиты докторских диссертаций- 14, в том числе монографии, 7 опубликованных докладах конференций и 2 описаниях изобретений, по которым получены патент на способ и свидетельство на полезную модель, а также в национальном стандарте ГОСТ Р 54813-2011 «Кабели, провода и шнуры электрические. Электроискровой метод контроля», дата введения 1.01.2013 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 268 источников. Основная часть диссертации изложена на 207 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В данном разделе обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследований, основные решаемые задачи, научная новизна, положения, выносимые на защиту и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об их апробации.

Глава 1. Электроискровой технологический контроль целостности изоляции кабельных изделий.

В первой главе проанализированы принципы организации электроискрового технологического контроля на кабельных предприятиях. Проанализированы требования действующих нормативных документов РФ и других промышленно развитых стран в данной области. Рассмотрены основные виды дефектов изоляций, покровов и оболочек, возникающих при производстве продукции (рисунок 1). Сформулированы основные проблемы контроля, требующие научных решений.

Глава 2. Изоляция кабельных изделий как объект электроискрового контроля.

Во второй главе проанализированы электрические параметры изоляции, исследовано влияние режимов технологического процесса. Показана нелинейная зависимость емкостного и активного тока через контролируемую изоляцию при изменении испытательного напряжения. Даны рекомендации по практическому определению параметров контролируемой изоляции как электрической нагрузки для электроискровых дефектоскопов.

Важным параметром электроискрового дефектоскопа является его возможность воспроизводить условия контроля. Для этого он должен обладать достаточной мощностью, чтобы обеспечить необходимую величину испытательного напряжения на изоляции кабельного изделия. Также должна быть обеспечена и жесткость внешней характеристики источника высокого напряжения при изменениях электрических параметров объекта контроля и режимов технологического процесса. Недостаточная мощность дефектоскопа приведет к снижению достоверности контроля. Необоснованно завышенная мощность приведет к увеличению затрат на контроль и снижению электробезопасности. В настоящее время требуемые энергетические параметры дефектоскопов определяются исходя из требований руководящего документа РД 16.14.640-88. ОСТПП. «Кабели, провода и шнуры. Испытание напряжением на проход. Типовой технологический процесс». Требования носят общий характер и не учитывают особенностей конкретного производства и параметров изоляции контролируемого кабельного изделия. В связи с этим возникла необходимость в создании методики определения энергетических параметров дефектоскопов с учетом электрических параметров изоляции и особенностями технологии производственного процесса. Ниже приведены результаты исследований, устанавливающие такую взаимосвязь. Исследованию подлежали следующие зависимости: