Комплексный анализ состояния и повышения эксплуатационной надежности кабельных линий 6(10) кВ с бумажной пропитанной изоляцией в условиях городских электрических сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, доктор наук Коржов Антон Вениаминович

• Коржов Антон Вениаминович
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Коржов Антон Вениаминович

Введение

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАДЁЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ

1.1 Эксплуатационные и режимные факторы, определяющие ресурс изоляции силовых кабелей распределительных сетей

1.2 Технические методы, прогнозирующие модели и подходы по оценке состояния изоляции силовых кабелей

1.3 Оценка безопасности эксплуатации кабельных линий 6(10) кВ в городских электрических сетях

1.4 Цели и задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2 РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ДАННЫХ ПО ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ КАК ЭЛЕМЕНТА ГОРОДСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ВЫЯВЛЕНИЕМ И ИССЛЕДОВАНИЕМ ИХ СЛАБЫХ ЗВЕНЬЕВ

2.1 Анализ ретроспективной статистической информации отказов кабельных линий 6(10) кВ (на примере городских сетей г. Челябинска и

г. Нефтекамска)

2.2 Оценка влияния принятых проектных решений на состояние изоляции кабельных линий 6(10) кВ распределительных сетей

2.2.1 Анализ состояния изоляции кабелей в звене «КЛ 6(10) кВ - схема распределительной сети»

2.2.2 Оценка повреждаемости изоляции в звене «трасса КЛ - грунтово-метеорологические параметры»

2.3 Метод выявления слабых звеньев в городской электрической сети с формированием карт жизни КЛ и динамической реляционной базы данных

2.4 Исследование напряжённо-деформированных состояний в звене «кабельная линия 6(10) кВ - грунт»

2.5 Оценка теплового режима работы в звене «КЛ - грунт» с учётом образующихся воздушных включений в грунте при подвижках кабеля

2.6 Исследование взаимосвязи повреждаемости изоляции КЛ 6(10) кВ и параметров частичных разрядов с током нагрузки в рабочем и аварийном режимах работы

2.7 Методика оценки роли эксплуатационного персонала при проведении монтажных и ремонтных работ на кабельных линиях

2.8 Исследование изменения состояния изоляции кабелей в звене «КЛ -грунтово-метеорологические параметры»

2.8.1 Методика оценки статистической зависимости пробоев изоляции КЛ с учётом влияния грунтово-метеорологических параметров и территории эксплуатации

2.8.2 Экспериментальная оценка изменения температурного режима и уровня изоляции КЛ 6(10) кВ, проложенных на разной глубине

2.8.3 Исследование динамики изменения сопротивления изоляции, токов утечки и интенсивности частичных разрядов в изоляции КЛ 6(10) кВ в различных режимах работы с учётом грунтово-метеорологических параметров

2.9 Экспериментальная оценка влияния на диэлектрические свойства изоляции испытаний КЛ 6(10) кВ повышенным напряжением выпрямленного тока

2.10 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

113

КАБЕЛЯ НА СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

3.1 Оценка распределения электромагнитного поля кабеля 6(10) кВ в рабочих

и аварийных режимах распределительной сети

3.2 Исследование влияния на изоляцию КЛ 6(10) кВ механических

о о и и 1 ЛЛ

воздействий от электродинамических усилий в рабочих и аварийных режимах

3.2.1 Характер электродинамического воздействия механических усилий

в изоляции кабеля в рабочих и аварийных режимах работы

3.2.2 Методика сравнительной оценки влияния на ресурс изоляции кабеля 6(10) кВ механических напряжений, обусловленных электродинамическими усилиями в рабочих и аварийных режимах работы

3.2.3 Исследование зависимостей диссипативных характеристик изоляции кабелей от температуры и частоты механического электродинамического воздействия

3.2.4 Оценка несимметричного изменения механических свойств фазной бумажной пропитанной изоляции трёхжильного кабеля в условиях эксплуатации

3.2.5 Сравнительная оценка влияния на изоляцию кабеля 6(10) кВ механического действия электродинамических усилий в рабочих и аварийных режимах работы

3.3 Исследование влияния электромагнитного поля кабеля на процесс коррозии защитных металлических оболочек

3.3.1 Методика исследования процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей

3.3.2 Оценка изменения процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей

3.3.3 Исследование условий массопереноса вблизи поверхности оболочки кабеля в процессе коррозии под влиянием электромагнитного поля

3.4 Влияние электрического и магнитного полей кабеля 6(10) кВ на интенсивность частичных разрядов в изоляции при различных режимах эксплуатации

3.4.1 Метод и экспериментальные установки для исследования влияния электрического и магнитного полей на интенсивность частичных разрядов в изоляции кабельных линий

3.4.2 Исследование влияния магнитного поля кабеля на интенсивность частичных разрядов на примере действующих КЛ предприятия МУП «НМПЭС»

г. Нефтекамска

3.4.3 Методика исследования влияния магнитного поля на интенсивность ЧР и тангенс угла диэлектрических потерь на примере КЛ в лабораторных условиях

3.4.4 Исследование влияния магнитного поля на интенсивность частичных разрядов на примере модели слоистой изоляции, имитирующей изоляцию кабеля

3.4.5 Исследование влияния магнитного поля на интенсивность частичных разрядов в моделях, имитирующих воздушное включение

3.4.6 Оценка влияния магнитного поля на пробой воздушного промежутка, 204 моделирующего область с частичными разрядами в изоляции кабеля

3.4.7 Математическая модель оценки влияния магнитного поля на параметры

ЧР и пробой образцов бумажной пропитанной изоляции

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КЛ 6(10) кВ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАК

233

ОБЪЕКТА ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

4.1 Методика и математическая модель прогнозирования повреждаемости изоляции кабельных линий 6(10) кВ по ретроспективным данным

4.2 Модуль математической модели вероятностного прогноза повреждаемости

КЛ по оценке роли человеческого фактора с элементами нечёткой логики

4.3 Исследование распределения электромагнитного поля КЛ 6(10) кВ с позиции безопасности их эксплуатации для человека и оценки режимов их работы

4.4 Оценка возможности диагностирования однофазных замыканий в кабельной сети 6(10) кВ по изменению параметров ЧР и распределения электромагнитного поля

4.5 Анализ опасных ситуаций при пробое изоляции КЛ 6(10) кВ по оценке зависимостей напряжения шага от глубины прокладки, удельного сопротивления грунта с учётом заземлителей

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ

И БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ ПУТЁМ

. . 271 ОПТИМИЗАЦИИ УСТАВОК РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

5.1 Оценка существующих методик выбора уставок устройств РЗиА в городских электрических сетях по критерию воздействия на изоляцию

КЛ 6(10) кВ

5.2 Экспериментальная оценка влияния токов КЗ (термических и электродинамических импульсов) на диэлектрические свойства бумажной пропитанной изоляции кабеля

5.3 Методика выбора уставок релейной защиты и зонное автоматическое повторное включение в кабельной сети 6(10) кВ для ресурсосбережения изоляции

и улучшения безопасности эксплуатации

5.4 Методика оценки селективности работы устройств РЗиА с учётом безопасности эксплуатации и повышения долговечности изоляции

КЛ 6(10) кВ

5.5 Математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации в комплексе «КЛ - граф схемы сети - уставки и селективность РЗиА» по критерию повышения эксплуатационной надёжности (ресурсосбережения изоляции)

5.6 Оценка ресурсосберегающего эффекта для изоляции кабелей при применении разработанного метода выбора уставок релейной защиты и автоматики

5.7 Выводы по главе

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список сокращений

Благодарности

Приложение А Акты внедрения результатов работы

7

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексный анализ состояния и повышения эксплуатационной надежности кабельных линий 6(10) кВ с бумажной пропитанной изоляцией в условиях городских электрических сетей»

Введение

Актуальность проблемы. В нашей стране и за рубежом большое распространение получили кабельные линии напряжением 6(10) кВ (КЛ), которые составляют основу городских электрических сетей. Их протяжённость достигает нескольких сотен тысяч километров. В основном это кабели с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ), как правило, с большим сроком эксплуатации, что обуславливает необходимость разработки мероприятий по повышению эффективности и надёжности их эксплуатации. Так, по рассматриваемым в данной работе городам Челябинску и Нефтекамску доля кабелей с БПИ составляет более 95 %. Начинают внедряться в эксплуатацию кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, однако, по данным ВНИИКП, их доля выпуска на 2012 г. для сетей среднего напряжения составляла менее 42 %.

В условиях эксплуатации время до пробоя изоляции, как правило, значительно меньше 30 лет, несмотря на то, что гарантийный срок службы изоляции определён с учётом прогнозируемых воздействующих режимных факторов. Данное противоречие характеризуется комплексом проблем и может быть разрешено только выявлением причин их возникновения путём развития и уточнения закономерностей повреждаемости и старения изоляции кабелей в условиях эксплуатации с учётом многофакторных воздействий. К наиболее исследованным факторам следует отнести воздействие электрического и теплового полей. Несмотря на значительное количество работ, выполненных ранее в данной области, необходима оценка влияния и других эксплуатационных факторов, даже если они могут иметь малое влияние на процесс старения изоляции. Вопросам воздействия факторов, связанных с принятыми проектными и эксплуатационными решениями, ролью персонала, электродинамическим воздействием, с влиянием магнитной составляющей электромагнитного поля кабеля (ЭМП) на формирование частичных разрядов (ЧР), пробои изоляции и коррозионные процессы, уделено недостаточное внимание. Данные факторы, воздействуя в комплексе с электрическим и тепловым полями, могут в ряде режимов работы приводить к ускорению старения изоляции. Проблемы по оценке каждого фактора носят сложный, комбинированный характер с многочисленными конкурирующими процессами. Необходим дальнейший поиск связей с изучением физико-химических механизмов их влияния и оценкой воздействия указанных факторов на ресурс изоляции кабелей, а также разработка методов повышения надёжности эксплуатации КЛ.

Большой вклад в исследование отказов КЛ, выработки ресурса изоляции, разработки и внедрения методов диагностики, оценки условий надёжности и безопасности внесли такие учёные, как М.А. Боев, М.Э. Борисова, С.М. Брагин, Г.А. Воробьёв, П.А. Долин,

A.Ф. Дьяков, К.П. Кадомская, М.К. Каменский, В.А. Канискин, Б.А. Князевский, С.Н. Койков, Б.И. Кудрин, Г.С. Кучинский, Э.Т. Ларина, Г.М. Лебедев, В.Е. Манойлов,

B.Т. Медведев, Г.И. Мещанов, А.Х. Мусин, Ю.В. Образцов, В.Л. Овсиенко, И.Б. Пешков, Ю.П. Похолков, В.А. Привезенцев, Г.Г. Свалов, С.В. Серебрянников, А.И. Таджибаев, Б.М. Тареев, С.Д. Холодный, Е.Ф. Цапенко, Г.М. Шалыт, М.Ю. Шувалов, M. Ahmad, E. Gulski, D.M. Hepburn, A.J. Reid, R. Sarathi и др.

Повышение долговечности и надёжности изоляции КЛ в условиях эксплуатации городских сетей возможно путём разработки мероприятий по совершенствованию методов настройки устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА) с оптимизацией проектных и эксплуатационных решений. Следует отметить, что существующие в настоящее время методы настройки РЗиА в распределительных сетях 110/6(10) кВ не могут обеспечить условия полной селективности и невозгорания изоляции кабелей без замены на кабель большего сечения. Это приводит к усилению воздействия режимных факторов на изоляцию при коротких замыканиях (КЗ), особенно факторов, связанных с магнитным полем кабеля. При этом, согласно ГОСТ Р МЭК 60986-2009, научные и экспериментальные данные о поведении кабелей в условиях КЗ немногочисленны. Предусматриваемые в России правилами устройства электроустановок плановые испытания КЛ повышенным напряжением до шестикратного от номинального также способствуют более раннему выходу из строя изоляции.

Согласно ГОСТ 12.2.007.14, к кабелям и кабельной арматуре устанавливаются требования по электро- и пожарной безопасности. Пробои изоляции КЛ в городских распределительных сетях связаны с восстановительными и диагностическими работами и, как следствие, с безопасностью их эксплуатации и повышением вероятности появления опасных для человека напряжений прикосновения и шага. Диагностирование вероятных пробоев изоляции кабелей 6(10) кВ по ретроспективным данным и прогнозирование опасных зон для человека с развитием методик проведения безопасных восстановительных работ и способов прокладки КЛ улучшат условия безопасности их эксплуатации. Следует отметить, что разработанные методы прогнозирования технических показателей КЛ были ориентированы на стабильные и стационарные условия развития городских сетей. В условиях появления многих субъектов в электроэнергетике и факторов не-

определённости необходима разработка многоцелевых методов для повышения эффективности и надёжности эксплуатации КЛ. Кроме того, принятую на сегодняшний день систему сбора информации по КЛ в виде разрозненных документов следует считать морально устаревшей и непригодной для оценки обратных связей влияния проектных и эксплуатационных решений на поток отказов. При этом следует отметить, что в положениях разработанной Концепции по обеспечению надёжности в электроэнергетике РФ (руководитель работы: чл.-корр. РАН Н.И. Воропай) указывается на приоритетную необходимость исследования и разработки методов ретроспективного анализа и прогнозирования с выявлением проблемных мест, учётом природно-климатических воздействий и человеческого фактора.

Таким образом, исследование путей дальнейшего повышения эксплуатационной надёжности и безопасности КЛ 6(10) кВ как главного звена городских электрических сетей в комплексе с ретроспективными данными, грунтово-метеорологическими и электромагнитными параметрами, человеческим фактором и устройствами РЗиА является важной научно-технической проблемой.

Объектом исследования являются кабельные линии 6(10) кВ с бумажной пропитанной изоляцией, эксплуатируемые в городских электрических сетях, с учётом комплекса из ретроспективных данных, грунтово-метеорологических и электромагнитных параметров, человеческого фактора и устройств РЗиА.

Предметом исследования являются методы анализа и прогнозирования повреждаемости КЛ на основе вероятностно-статистического подхода, учитывающего закономерности влияния режимных и эксплуатационных факторов, включая электромагнитные, коррозионные, тепловые процессы, на состояние изоляции кабелей и способы обеспечения её термической стойкости средствами РЗиА в условиях развития городской электрической сети.

Цель диссертационной работы - повышение эксплуатационной надёжности и безопасности кабельных линий 6(10) кВ в условиях развития городских электрических сетей, что достигается за счёт разработки новых подходов и методов исследования с оптимизацией их работы как главного звена в комплексе, учитывающем ретроспективные данные, грунтово-метеорологические и электромагнитные параметры, антропогенный «человеческий фактор» и интегральное влияние режимов сети с устройствами РЗиА.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен комплексный диагностический метод анализа состояния и изучения процессов, влияющих на пробои изоляции КЛ, на стадии эксплуатации как звена городской электрической сети на основе нового подхода к многокритериальному исследованию ретроспективной режимной информации как к полноценному ресурсному эксперименту с формированием динамической реляционной базы с картами жизни кабеля. Модули разработанного метода по оценке надёжности эксплуатации включают в себя отличительный экспериментальный и теоретический анализ состояния изоляции в следующих выявленных слабых звеньях: «трасса КЛ - грунтово-метеорологические параметры»; «КЛ - граф схемы сети - уставки и селективность РЗиА»; «КЛ - человеческий фактор»; «КЛ - электромагнитное поле кабеля»; «КЛ - безопасность эксплуатации - напряжение прикосновения и шага». Предложенный метод позволил впервые выявить следующие закономерности:

• по результатам моделирования напряжённо-деформированных состояний в звене «трасса КЛ - грунтово-метеорологические параметры» в течение годового цикла эксплуатации показана необходимость учёта при проведении теплового расчёта неидеального теплового контакта в виде воздушной прослойки между кабелем и грунтом, образующейся при их подвижках, особенно в режимах КЗ;

• долговечность работы и ресурс изоляции КЛ в условиях эксплуатации определяются не только режимными параметрами, но и значимо зависят от состояния изоляции всех кабельных линий в структуре фидера и связаны с интегральным влиянием режимов распределительной сети с выбранными уставками РЗиА по условиям селективности их работы, что определяет количественное воздействие факторов, обусловленных токами КЗ;

• определена взаимосвязь испытаний повышенным выпрямленным напряжением и факторов, связанных с токами короткого замыкания на БПИ кабелей с несимметричным снижением её диэлектрических и механических свойств по фазам и необратимым приростом интенсивности ЧР, подтверждающая ресурсосберегающий эффект предложенного метода выбора уставок РЗиА.

2. Принципиально новый подход в методах экспериментальных и теоретических исследований физико-химических процессов в изоляции по оценке совместного влияния электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля кабеля. Учёт магнитного поля оказался необходим при анализе коррозионных процессов, изменения ин-

тенсивности ЧР и условий формирования пробоя БПИ. Использование данного подхода и обоснованные математические модели позволили установить следующие закономерности:

• влияния МП кабеля на кинетику процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек;

• изменения параметров ЧР от индукции МП кабеля, фазового сдвига между электрическим и магнитным полями. Влияние переменного МП на частоту ЧР в неоднородной изоляции кабеля объясняется увеличением числа возможных путей для пробоя вследствие смещения линий тока лоренцевской силой;

• изменения диссипативных характеристик образцов БПИ от температуры и частоты циклического механического воздействия электродинамических усилий, показывающие необходимость их учёта в режимах КЗ для оптимизации выбора уставок РЗиА по фактору повышения эксплуатационной надёжности кабелей и муфт в условиях работы в распределительной сети.

3. Математическая модель диагностического вероятностного прогноза повреждаемости изоляции КЛ, связывающая ретроспективные режимные данные с отличительными параметрами по оценке человеческого фактора при монтаже муфт и безопасности их эксплуатации. Модель включает блок оптимизации прогноза по верификации в ранее не рассматриваемом комплексе: «КЛ - грунтово-метеорологические параметры - граф схемы сети - уставки и селективность РЗиА - алгоритм поиска повреждений с анализом напряжений прикосновения и шага от глубины прокладки КЛ, характера грунта и наличия заземлителей».

4. По результатам теоретического анализа статистических и экспериментальных данных обосновано, что старение и развитие распределительной сети во взаимосвязи с методом выбора уставок РЗиА и селективностью их работы влияют на требуемое сечение кабеля и степень негативного воздействия токов КЗ на БПИ. Установлены закономерности снижения диэлектрических и механических свойств БПИ кабелей от количества повторных КЗ и их интенсивности.

5. Математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации в комплексе «КЛ - граф схемы сети - уставки и селективность РЗиА» по непротиворечивым критериям минимума времени отключения, снижения термического воздействия токов КЗ на изоляцию и требуемого сечения кабелей по условиям термической стойкости и невозгорания. Модель строится с использованием совместного решения уравнений теплопро-

водности и отличительных функциональных взаимосвязей и ограничений, определяемых интегральным влиянием режимов сети с методикой выбора уставок РЗиА и их селективностью. Впервые с позиций поддержания заложенных свойств изоляции, повышения надёжности и безопасности эксплуатации КЛ разработана методика настройки устройств РЗиА в распределительных сетях, отличающаяся использованием токовых отсечек как основных защит и введённым зонным автоматическим повторным включением.

Методы исследований. В работе применялись методы теоретического и экспериментального исследования. Теоретические методы базируются на основных положениях теории вероятностей, электромагнитного поля, расчёта режимов электрических сетей и уставок РЗиА, нечётких множеств, методах конечных элементов и математического моделирования на ЭВМ. Методы экспериментального исследования включали наблюдения, измерения на образцах изоляции и КЛ.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

эксплуатационными данными по статистике отказов изоляции КЛ в городских электрических сетях, аргументированностью принятых допущений и исходных посылок, натурными экспериментальными исследованиями на разработанных установках и оборудовании лаборатории материаловедения; соответствием результатов математического моделирования с применением теоретических основ электротехники, законов физики, апробированных численных методов и компьютерного моделирования полученным экспериментальным данным, анализируемым с использованием аппарата математической статистики и теории вероятностей.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. На основе разработанного метода сбора информации для вероятностного прогнозирования повреждаемости изоляции кабелей разработаны и приняты к реализации регламенты в городских сетях г. Челябинска, г. Нефтекамска и на коммунальных предприятиях Башкирии, отличающиеся формированием карт жизни КЛ (динамической реляционной базы данных) с ранжированием принимаемых проектных и эксплуатационных решений, значимо влияющих на поток отказов.

2. На основе разработанного метода анализа состояния и прогнозирования работы КЛ как объекта распределительной сети предложен комплекс организационных и технических мероприятий для повышения надёжности их эксплуатации, включающий: оптимизацию глубины и трассы прокладки КЛ; оценку теплового режима, учитывающую неидеальность теплового контакта в звене «КЛ - грунт»; определение интервалов вре-

мени проявления максимального влияния на поток пробоев и свойства изоляции грунто-во-метеорологических параметров; роль человеческого фактора при монтаже муфт; оптимизацию уставок РЗиА; вероятностный прогноз повреждаемости КЛ.

3. Установленные зависимости изменения интенсивности ЧР от количества испытаний повышенным напряжением выпрямленного тока и от количества перенесённых коротких замыканий позволяют вносить коррективы в регламенты предприятий при проведении диагностики состояния изоляции и оптимизации уставок РЗиА.

4. На основе расчёта распределения ЭМП в изоляции кабеля с учётом рабочих и аварийных режимов работы, гармоник в сети, характера нагрузки, способов укладки жил, наличия включений в изоляции рекомендован способ прокладки одножильных кабелей треугольником встык как оптимальный с точки зрения продления сроков службы кабелей и уменьшения воздействия на человека. Установлен ряд экспериментальных данных по уровням ЭМП в диапазоне частот (1 Гц - 30 МГц) вблизи КЛ и в трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ.

5. Разработанная методика сравнительной оценки влияния механического воздействия электродинамических усилий в трёхжильных КЛ 6(10) кВ в рабочих и аварийных режимах работы может быть использована для оценочного расчёта действия токов КЗ с учётом принятых уставок РЗиА.

6. Разработанные методы оценки влияния магнитной составляющей электромагнитного поля КЛ на коррозионные процессы защитных металлических оболочек кабелей, характер пробоя БПИ и изменения параметров ЧР позволяют повысить точность оценки старения изоляции при проведении ресурсных исследований.

7. Методика оценки взаимосвязи селективности РЗиА и термического воздействия на изоляцию при требуемом сечении успешно применяется в развивающихся коммунальных сетях г. Нефтекамска и городских сетях г. Челябинска. С её помощью разработан способ снижения термического, электродинамического и магнитного воздействий на изоляцию кабеля, требуемого сечения в режимах коротких замыканий. Способ направлен на повышение ресурсосбережения изоляции и безопасности эксплуатации КЛ путём оптимизации уставок РЗиА и алгоритма поиска места повреждения в кабельной сети. Способ обеспечивает минимизацию времени нахождения обслуживающего персонала вблизи токоведущих частей и снижение времени отключения повреждённой КЛ при КЗ.

Реализация и внедрение результатов исследований:

Разработанные методы анализа ретроспективной статистической информации и прогнозирования повреждаемости изоляции КЛ, рекомендации по продлению их срока службы внедрены в условия эксплуатации городских электрических сетей г. Челябинска и г. Нефтекамска, что подтверждается актами от 2012 г., протоколами совещаний от 2009 и 2013 гг. и принятыми регламентами от 2014 г.

Метод и способ настройки устройств РЗиА в городских электрических сетях для снижения влияния токов короткого замыкания (термического и электродинамического воздействий) на изоляцию и её ресурсосбережение внедрены в городских сетях г. Нефтекамска на предприятии МУП «НМПЭС».

Разработанные методики оценки влияния магнитной составляющей электромагнитного поля кабеля на диэлектрические свойства изоляции и повышения безопасности их эксплуатации используются в учебном и научно-исследовательском процессах на кафедрах «Безопасность жизнедеятельности» и «Электрические станции, сети и системы» ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ).

Работа выполнялась в рамках реализации федеральных целевых программ:

1. Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских учёных - кандидатов наук 2009 -2010 гг. (договор: МК-1402.2009.08).

2. Грантов Министерства образования и науки Челябинской области для молодых учёных высших учебных заведений в 2007 г. и 2008 г. Конкурс грантов ЮУрГУ в 2009 г.

3. Конкурса грантов молодых преподавателей ВУЗов РФ, проводимого в рамках стипендиальной программы В. Потанина (4 проекта), 2009, 2010, 2011, 2012 гг.

4. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., мероприятие 1.4. лот № 7 - очередь 56: «Поддержка развития внутрирос-сийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путём выполнения научных исследований молодыми учёными и преподавателями в научно-образовательных центрах по научному направлению «Энергетика, энергосбережение, ядерная энергетика» в научно-образовательном центре «Повышение эффективности систем электроснабжения» «НИУ «МЭИ», г. Москва, 2012 г. (соглашение № 14.B37.21.2072).

5. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка алгоритмов мультиагентного управления стационарными режимами интеллектуальной распределительной электрической сети с энергоустановками малой генерации» (соисполнитель; ГК № 14.516.11.0105; 2013 г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях:

1. V Международной научно-технической конференции: «Электрическая изоляция -2010». Санкт-Петербург. Политехнический университет. 2010. 2. V Международной школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Москва. МЭИ. 2010. 3. XL Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодёжи (с международным участием) «Фёдоровские чтения - 2010». Москва. МЭИ. 2010. 4. Российских научно-технических конференциях «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность». Санкт-Петербург. ВИТУ. 2006, 2008. 5. IX Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Санкт-Петербург. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. 6. Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва. РГГУ. 2008, 2009, 2010. 7. Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск. ТПУ. 2007, 2008, 2009, 2010. 8. Международных молодёжных научно-технических конференциях «Электроэнергетика глазами молодёжи». Екатеринбург. УрФУ. 2010, 2012; Новочеркасск ЮРГПУ (НПИ); 2013. Иваново. ИГЭУ. 2015. 9. Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии». Челябинск. ЮУрГУ. 2006, 2009, 2012. 10. Международной научной конференции «Охрана труда и социальная защита работников». Киев. КПИ. 2008. 11. 39 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Москва. МЭИ. 2009. 12. Научно-практических конференциях с международным участием «Дальневосточная весна». Комсомольск-на-Амуре. КнАГТУ. 2008, 2011. 13. Международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность». Курган. КГУ. 2010. 14. XLIX Международной научно-технической конференции. Челябинск. Челябинская государственная аг-роинженерная академия. 2010. 15. VIII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах». Кемерово. КузГТУ. 2009. 16. III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности: интеграция науки и практики». Ставрополь. СГУ. 2009. 17. Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства». Салават. Филиал УГНТУ. 2010. 18. Ежегодных открытых всероссийских научно-технических конференциях «Наука-производство-

технология-экология», «Общество, наука, инновации». Киров. ВятГУ. 2008, 2009, 2010, 2011. 19. Всероссийских научно-практических конференциях «Энергетика в современном мире». Чита. ЧитГУ. 2006, 2009. 20. Всероссийских научно-технических конференциях «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий». Уфа. УГНТУ. 2007, 2009. 21. Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств». Ростовская область, п. Персиановский. ДонГАУ. 2008. 22. II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». Тольятти. ТГУ. 2007. 23. Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 50-летию подготовки специалистов по электрическим системам и сетям в НЭТИ-НГТУ «Технологии управления режимами энергосистем XXI века». Новосибирск. 2006. 24. Ежегодных научно-технических конференциях в ЮУрГУ с 2003 по 2014 г. 25. Совещаниях в городских электрических сетях г. Челябинска и г. Нефтекамска.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 102 печатных работах, в том числе 26 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 - монография, 2 - патента РФ на изобретение, 5 - свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ, 5 - отчётов по НИР, в которых автор принимал участие как руководитель или ответственный исполнитель.

Личный вклад автора состоит в обосновании идей и цели исследования, разработке методов их решения, обобщении результатов. Все научные положения разработаны лично автором. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат идея исследования и ведущая роль в постановке задач, разработке методик экспериментальных исследований и установок, теоретических положений и математических моделей с методами их решения. Соавторы также оказывали помощь и поддержку в организации проведения экспериментальных и лабораторных исследований. В работах, выполненных совместно с аспирантом Е.Ю. Юрченко и дипломниками О.М. Малышевой, А.Ю. Степановым, автор осуществлял постановку задач и научное консультирование.

Соответствие научной специальности: исследования, представленные в диссертационной работе, полностью соответствуют формуле и области исследования паспорта специальности 05.09.02, в частности: первое научное положение соответствует п. 1-3; второе, третье и четвёртое научные положения - п. 1 и 3; пятое научное положение - п. 2 и 4.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 365 страницах основного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 575 наименований, содержит 170 рисунков, 89 таблиц, включает 1 приложение.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАДЁЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Коржов Антон Вениаминович, 2016 год

// /

/ /

/ /

! /

/ /

/ /

у Л У/

Образец №

Деформация при растяжении, %

Рисунок 3.26 - Диаграммы деформации препарированных образцов из КЛ марки ААШв сечением жил 120 мм , находившейся в эксплуатации с 1984 г., 3000 м

Таблица 3.11 - Данные по деформации препарированных образцов из КЛ марки ААШв сечением жил 120 мм , находившейся в эксплуатации с 1984 г., 3000 м

Образец изоляции Максимальная нагрузка, Н Максимум напряжения при растяжении, МПа Модуль, МПа

№ 1 поясная 58,31 86,39 5754

№ 2 поясная 57,25 84,81 4927

№ 3 фаза В, 2 слой бумаги 58,77 87,07 4755

№ 4 фаза В, 2 слой бумаги 59,40 88,00 4545

№ 5 Фаза В, 23 слой бумаги (ближе к жиле) 51,05 75,63 5928

№ 6 фаза В, 23 слой бумаги 46,28 68,56 5607

№ 7 фаза С, 2 слой бумаги 50,28 74,48 4851

№ 8 фаза С, 2 слой бумаги 61,44 91,02 4813

№ 9 фаза С, 23 слой бумаги 44,58 66,05 4223

№ 10 фаза С, 23 слой бумаги 36,39 53,91 3876

№ 11 фаза А, 2 слой бумаги 53,00 78,52 6254

№ 12 фаза А, 23 слой бумаги 51,41 76,16 6360

№ 13 фаза А, 23 слой бумаги 58,45 86,59 6301

110

-10 .............................................

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Деформация при рас1нжеинн, %

Рисунок 3.27 -Диаграммы деформации препарированных образцов из КЛ марки АСБу

2

сечением жил 120 мм , находившейся в эксплуатации с 1989 г., 3124 м

Таблица 3.12 - Данные по деформации препарированных образцов из КЛ марки АСБу сечением жил 120 мм2, находившейся в эксплуатации с 1989 г., 3124 м_

Образец изоляции Максимальная нагрузка, Н Максимум напряжения при растяжении, МПа Модуль, МПа

№ 1 фаза С, 2 слой бумаги 61,83 88,32 5030

№ 2 фаза С, 2 слой бумаги 61,59 87,99 4917

№ 3 Фаза С, последний слой бумаги (ближе к жиле) 45,09 64,42 5647

№ 4 фаза С, последний слой бумаги 42,67 60,96 4374

№ 5 фаза В, 2 слой бумаги 72,16 103,09 5492

№ 6 фаза В, 2 слой бумаги 62,85 89,78 4489

№ 7 фаза В, 2 слой бумаги 65,28 93,25 5666

№ 8 фаза В, последний слой бумаги 43,67 62,38 4593

№ 9 фаза А, последний слой бумаги 42,23 60,33 5495

По результатам обработки полученных данных установлено неравномерное механическое старение изоляции жил кабеля разных фаз и неравномерное механическое старение слоёв БПИ, увеличивающееся по мере приближения к жилам кабеля.

Так, например, для одного из обследованных трёхжильных кабелей марки АСБ сечением жил 240 мм , находившегося в эксплуатации с 1980 г., изменение механических свойств слоёв БПИ (максимальной нагрузки до разрушения, максимального напряжения при растяжении, модуля упругости (см. рисунок 3.25 и таблицу 3.10)) между фазами составило порядка 16 %, а уменьшение максимальной нагрузки до разрушения между внешними слоями изоляции по мере приближения к жилам - порядка 15-30 %. Похожие результаты наблюдаются и на других обследованных образцах кабелей.

Полученные данные о неравномерном механическом старении изоляции жил обследованных кабелей характеризуют несимметричное термическое старение изоляции по фазам КЛ в условиях эксплуатации. Установленный факт подтверждает два ранее выдвинутых в данной работе положения (см. главу 2): 1. Вероятный перегрев в локальных воздушных прослойках, которые могут образовываться в грунте при подвижках грунта и КЛ в течение годового цикла эксплуатации, а также при КЗ. 2. Значимое проявление влияния токов КЗ на ресурс изоляции кабелей как элемента распределительной электрической сети. Необходимо учитывать обоснованное ранее научное положение (см. § 2.2.1) о том, что ресурсы изоляции кабелей при эксплуатации в радиальной схеме городской сети взаимосвязаны между собой. Установленный факт несимметричного изменения механических свойств БПИ в очередной раз подчеркнул необходимость разработки метода поддержания заложенных свойств изоляции при эксплуатации КЛ путём оптимизации выбора уставок устройств релейной защиты и автоматики (глава 5).

3.2.5 Сравнительная оценка влияния на изоляцию кабеля 6(10) кВ механического действия электродинамических усилий в рабочих и аварийных

режимах работы

Расчёты по выдвинутой гипотезе по определению времени до равенства энергий до разрушения и энергии от циклического механического действия электродинамических усилий в изоляции кабелей проведены для четырёх состояний, результаты сведены в таблицы 3.13, 3.14 (при проведении расчётов использованы экспериментальные точки). Данное время принято равным по оценке «снизу» ресурса изоляции по выдвинутой гипотезе линейного суммирования повреждений.

При расчётах приняты следующие допущения: 1) жилы и прилегающая изоляция нагревались до температуры в 30 °С при протекании тока величиной 50 % от длительно допустимого тока; 2) до допустимой температуры (90 °С для кабелей с изоляцией из СП; 70 °С для кабелей с БПИ) при длительно допустимом токе; 3) предельно допустимой температуры кабели достигали при допустимом токе КЗ (250 °С для кабелей с изоляцией из СП; 200 °С - с БПИ).

т~ч •• и __и

В расчётах электродинамических усилий использовался допустимый ток односе-кундного и четырёхсекундного КЗ, согласно справочным данных на КЛ. В таблице 3.13 в последнем столбце оценён ресурс изоляции с учётом конструкционных особенностей, направленных на уменьшение электродинамического взаимодействия между жилами. Удельное динамическое усилие принято согласно таблице 3.6. По результатам сравнения видно, что в данном режиме количество циклов до равенства сравниваемых энергий возрастает (сравнение с предпоследним столбцом). Однако следует учесть, что БПИ в виде лент уже находится в напряжённом состоянии (например, поясная изоляция из бумажных лент на сердечник кабеля накладывается с натяжением), что вероятно приведёт к сопоставимости результатов с расчётом без учёта данных особенностей.

Оценку ресурса изоляции (время до равенства энергий £ * = £) от механического действия (г(Да), с), обусловленного электродинамическими усилиями, возникающими между жилами трёхфазного силового кабеля (согласно принятой гипотезе линейного суммирования повреждений), можно представить зависимостью (обработаны данные по второй и двум последним строкам таблиц 3.13-3.14):

г(Да) = к •Да-п, (3.31)

где к и п - постоянные коэффициенты, зависящие от типа кабеля и свойств изоляции; Да - величина амплитуды удельного динамического усилия, обусловленного электродинамическим взаимодействием жил трёхфазного силового кабеля, зависящая от величины тока (влияющего на температуру изоляции) и конструкции силового кабеля.

Для рассмотренного кабеля с БПИ коэффициент к = 1553,8; п = 2,104. Для кабеля с изоляцией из СП коэффициент к = 0,175; п = 2,768. Достоверность аппроксимации экспериментальных данных (вторая и последние строчки в таблицах 3.13, 3.14) равна 0,95.

Таблица 3.13 - Оценка ресурса бумажной пропитанной изоляции кабеля типа

ААШв 3x240

Температура, °С; (ток, А) 30; (157) 70; (314) 200; (10 800) 200; (21 600) 200; (21 600)

Удельное динамическое усилие (напряжение Да ), Н/мм _3 0,160 • 10 3 _3 0,639•10 3 0,756 3,02 0,26

5 0,059 0,062 0,057 0,057 0,057

Е, МПа 10 500 10 400 8 750 8 750 8750

* Удельная энергия цикла ( £ ) при циклическом нагружении, МДж/м3 _14 7,19 -10 14 1,22 -10_12 1,86 • 10_6 2,97 • 10_5 3,26 -10_8

Удельная энергия ( £ ) до разрушения при однократном нагружении, МДж/м3 1,08 1,01 0,481 0,481 0,481

Количество циклов N и время (г) до равенства энергий, с N 1,51013 8,340й 259 000 16 200 2,2-106

г 1,5-Ю11 8,3-109 2 590 162 2,2-104

Таблица 3.14 - Оценка ресурса изоляции из СП кабеля типа 3хАПвП 1x240/25

Температура, °С; (ток, А) 30; (211) 90; (422) 250; (11350) 250; (22700)

Удельное динамическое усилие (напряжение Да ), Н/мм _4 0,409 • 10 4 0,163 • 10 3 0,118; 0,473

5 0,139 0,191 0,201 0,201

Е, МПа 1300 345 20,5 20,5

* Удельная энергия цикла ( £ ) при циклическом нагружении, МДж/м 8,94 • 10_14 7,35 • 10_12 6,82 • 10 5 1,09 -10 3

Удельная энергия ( £ ) до разрушения при однократном нагружении, МДж/м3 10,36 0,679 0,285 0,285

Количество циклов (N) и время (г) до равенства энергий, с N 1,16-1014 9,24 -1010 4200 260

г 1,16-1012 9,24-108 42 2,6

Проведённые исследования показали, что электродинамические усилия приводят к постоянным во времени эксплуатации и ударным при КЗ механическим воздействиям на изоляцию. Установлено, что время работы изоляции до достижения критерия равенства энергии до разрушения и суммарной энергии циклов вибраций (см. рисунок 3.14) от ме-

ханического действия электродинамических усилий при эксплуатации с длительно допустимым током для рассмотренных кабелей превышает гарантированный срок службы кабеля в 25-30 лет (см. таблицы 3.13, 3.14). Рассмотрение наиболее тяжёлого режима трёхфазного КЗ (при допустимом токе односекундного КЗ) и нагрева жил (изоляции рассматриваемых типов кабелей) до предельной температуры при КЗ выявило, что данное время в изоляции из БПИ и СП составляет величину, соизмеримую с суммарным временем действия устройств релейной защиты в городской сети за срок эксплуатации кабеля, что подчеркивает необходимость разработки метода оптимизации выбора уставок устройств РЗиА для поддержания заложенных свойств изоляции (глава 5). Следует отметить при этом преимущество КЛ с изоляцией из СП, так как при полученных сопоставимых результатах с КЛ с БПИ температура их нагрева принималась до 250 °С, а у КЛ с БПИ 200 °С.

Несмотря на то, что механические нагрузки от электродинамических усилий в рабочих режимах вызывают медленное старение изоляции (ресурс превышает нормативный срок службы кабеля), необходимо учитывать комбинированное воздействие электрических, тепловых, химических, механических факторов и накопление фактора «усталости» изоляции. При одновременном воздействии механических нагрузок в сильном ЭП следует ожидать ускорения процесса старения изоляции из-за образующихся в микротрещинах частичных разрядов, что будет наиболее вероятно проявляться в смонтированных муфтах после режимов коротких замыканий. Полученные оценочные выводы могут быть целесообразны в рамках существующих ограничений по времени ресурсных исследований, а методика сравнения - как методика ускоренных испытаний.

3.3 Исследование влияния электромагнитного поля кабеля на процесс коррозии

защитных металлических оболочек

В системе электроснабжения потребителей городских электрических сетей одним из самых протяжённых элементов являются КЛ 6(10) кВ. К настоящему времени в эксплуатации находятся КЛ с алюминиевой оболочкой (типа ААБл, ААШв), приходившие на смену КЛ в свинцовой оболочке (типа СБ), которые, как показывает практика эксплуатации, менее подвержены коррозии. Начинают внедряться кабели с изоляцией из СП, предусматривающие в конструкции броню из лент алюминия или алюминиевого сплава (Ба), броню из круглых проволок из алюминия или алюминиевого сплава (Ка), водобло-кирующей ленты из алюмополимерной ленты.

Анализ статистики повреждаемости КЛ и её причин (см. главу 2), проведённый в городских сетях г. Челябинска и г. Нефтекамска [167, 245], показал, что первопричиной развития пробоя изоляции большинства кабелей марок типа ААШв, ААБл, ААБлУ (данные кабели составляют значительную часть современных кабельных сетей и продолжают внедряться в эксплуатацию) являются коррозионные воздействия на алюминиевые защитные металлические оболочки. Разрушение алюминиевых оболочек кабелей способствует процессу диффузии и сорбции влаги с различными солями из грунта в изоляцию, что ухудшает её диэлектрические свойства и приводит к пробою. Кроме того, было отмечено, что существует разница в кинетике процесса коррозии алюминиевых оболочек и повреждений изоляции КЛ, находящихся под напряжением, но без нагрузки (горячий резерв), и нагруженных КЛ. Магнитное поле КЛ, как показывает практика эксплуатации и статистика повреждаемости, является дополнительным фактором, влияющим на скорость коррозии металлических оболочек кабелей по отношению к процессу коррозии, например, от блуждающих токов. МП также вероятно будет влиять и на процесс коррозии алюминиевых жил кабеля, защитных свинцовых оболочек, медных экранов.

Следует отметить, что в последнее время наблюдается интерес зарубежных исследователей к эффектам влияния магнитного поля на процесс коррозии [440, 467, 468, 496, 537, 556]. В материале статьи [537] наблюдались некоторые специфические эффекты влияния поперечного МП (постоянного с индукцией 0,025 Тл) на электрохимическое поведение и коррозию технически чистого алюминия путём электролиза в водных растворах №01. Коррозия наблюдалась на различных плотностях электрического тока. Установлено, что масса растворенного алюминия может увеличиться на 12 % или

уменьшаться от 2 до 27 % в присутствии МП в зависимости от плотности тока. В статье [496] в обзоре приводятся данные о том, что в настоящее время в ряде работ установлено, что МП может уменьшить скорость коррозии некоторых металлов, а в ряде упоминается об увеличении. Данная работа посвящена оценке влияния вращающегося ЭМП на коррозию образцов меди с применением сканирующего электронного микроскопа. Установлено, что ЭМП может улучшить коррозионную стойкость меди в морской коррозии.

Однако полученные в данных работах результаты и модели не могут быть напрямую перенесены на реальные конструкции силовых кабелей 6(10) кВ с защитными металлическими оболочками. Они не учитывают: 1) характер картины распределения электромагнитного поля трёхжильного кабеля 6(10) кВ при работе в структуре схемы городской электрической сети в рабочих и аварийных режимах; 2) время экспериментов зачастую незначительно; 3) анализируется процесс коррозии, как правило, в постоянных МП. Данные факты являются недостатками для поставленной в данной работе цели по оценке влияния МП на процесс коррозии защитных оболочек кабелей 6(10) кВ с учётом их режимов работы в распределительной сети, а приоритет наших публикаций по данному вопросу относится к 2009 г. [167, 153, 134].

3.3.1 Методика исследования процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей

В качестве образцов использовались отрезки трёхжильного кабеля сечением жил 120 мм в алюминиевой оболочке (типа ААШв) диаметром 40 мм и длиной 500 мм. Для удобства наблюдения процесса коррозии алюминиевой оболочки во времени с образцов кабеля был снят наружный защитный покров в виде выпрессованного шланга - оболочки из поливинилхлорида. С одной стороны, образец был плотно изолирован концевой муфтой, с другой - три жилы подключены к высоковольтной установке. Образцы помещались в 3 %-ный массовый раствор объёмом 1 л, находящийся в прозрачном полиэтиленовом цилиндре. Глубина погружения образцов - 22 см, температура - 20±2

Исследования проводились на ряде образцов (более 50) в следующих четырёх режимах работы: 1 - кабель без воздействия электрического и магнитного полей (холостой ход - контрольный эксперимент; К-образец); 2 - кабель под воздействием электрического поля (подано электрическое напряжение 6 кВ на жилы; E-образец); 3 - кабель под действием однофазного вращающегося магнитного поля напряжённостью до 50,2 Э

(4 • 103 А • м-1), М-образец; 4 - кабель под воздействием электрического поля (подано электрическое напряжение 6 кВ на жилы) и магнитного поля, ЕМ-образец.

Для проведения испытаний была разработана и создана установка (рисунок 3.28), состоящая из: 1 - стандартного испытательного-прожигающего аппарата по испытанию диэлектриков синусоидальным электрическим напряжением частотой 50 Гц (АИД-70) для подключения кабеля под высоковольтное напряжение 6 кВ; 2 - ¿-ячейки для создания кругового вращающегося магнитного поля с напряжённостью до 4 • 103 А • м-1. ¿-ячейка представляет собой статор, в пазах которого уложены 3 одинаковые обмотки, начало которых сдвинуто по окружности на угол 120 градусов. Схема соединения обмоток - звезда. Для получения переменного вращающегося МП на обмотки подавалось трёхфазное напряжение через трёхфазный ЛАТР (0-380) В. Для получения однофазного переменного МП обмотки собирались последовательно и на них подавалось однофазное напряжение через ЛАТР (0-220) В. В ячейку помещался цилиндр с раствором, в котором находился М-образец и ЕМ-образец.

ЛАТР (0-380 В) • Т8СС23

г 380 В

СО-^О

Рисунок 3.28 - Экспериментальная установка испытаний на коррозию: 1 - экспериментальные образцы силовых кабелей; 2 - ¿-ячейка для создания кругового вращающегося магнитного поля; 3 - общий вид экспериментальной лаборатории; 4 - датчики температуры, влажности; 5 - высоковольтная установка для подключения экспериментальных образцов кабеля под переменное напряжение 6 кВ

Изучение внешнего вида твёрдых продуктов коррозии производилось визуально на микроскопе МПБ-2 и путём фотографирования с использованием тринокулярного сте-реомикроскопа Nikon SMZ 745 T.

Контроль коррозионного процесса оболочек производился с применением химического анализа проб раствора на содержание алюминия, использовался спектрометр эмиссионный Optima 2100 DV (160 - 900 нм). рН определяли на рН-метре рН-673 М. Концентрация хлорид-ионов в растворе (г/л) определялась титрованием нитратом ртути в кислом растворе с индикатором дифенилкарбазидом по стандартной методике [239].

Экспериментальные исследования были проведены при кратковременном ежедневном воздействии электрического и магнитного полей (рисунок 3.29) (опыт № 1) и при постоянном воздействии (опыт № 2 и № 3). В опыте № 1 образцы находились в электролите 6840 часов. Воздействию ЭП и МП они подвергались периодически в общей сложности 524 часа. Усреднённый суточный график периодических воздействий ЭП и МП представлен на рисунке 3.29 (опыт № 1). В опыте № 2 образцы находились в электролите 2304 часа при постоянном воздействии ЭП и МП. В опыте № 3 образцы находились в электролите 7918 часов при постоянном воздействии ЭП, МП и ЭМП.

eg Es о

н ц в а §

>s s 5 « S

Й О ® Н В

S в и и

S о а >В Н

з к g s ä

w _ А V

-а а? 5 о ч

si Е в s з

н & в 2 а

а 5 ью и

" я я I I

«SS1'

к

0 -I

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Время в течение суток, ч

Рисунок 3.29 - Усреднённый суточный график воздействия ЭП и МП на образцы металлических кабельных оболочек при испытании на коррозию

Твёрдые продукты коррозии (осадки на поверхности образцов и отслоившиеся от них на дне цилиндров) изучались двумя независимыми физическими методами: рентге-ноструктурным анализом (РСА) и дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК).

Рентгеноструктурный анализ производился с применением дифрактометра ДРОН-3 излучением CuKa при 35 кВ (25 мА) в диапазоне от 10 до 90° и дифрактометра высокого разрешения Rigaku Ultima IV. Для анализа дифрактограмм использовали базу рентгеновских данных ICDD PDF2. На рисунке 3.30 приведён пример дифрактограммы про-

1

дуктов коррозии трёх исследуемых экспериментальных образцов, выявлены фазы бай-ерита, гиббсита и бемита (опыт № 1).

Рисунок 3.30 - Дифрактограммы исследуемых осадков из образцов

Дифференциальную сканирующую калориметрию осуществляли на синхронном термическом анализаторе Netzsch 449С в корундовых тиглях в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 10 К/мин. На рисунке 3.31 приведены термолитические кривые ТГ и ДТА твёрдых продуктов коррозии для трёх экспериментальных образцов.

ТГ, %

100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50

ДТА, отн. ед. 25

20

15

10

5

0

°C

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Рисунок 3.31 - Термограммы трёх экспериментальных образцов

Данные ДСК полностью подтвердили данные РСА [167, 153, 134]:

1. В составе осадка, образовавшегося в растворе, в котором находился образец под влиянием магнитного поля (М-образец), преобладает бемит у-Л1ООЫ, характеризуемый чётким максимумом на 328 ^ (распад с образованием у-Л12О3) и размытым максимумом на - 850 ^ (фазовый переход у-Л12О3 ^ 5-Л12О3) [218, 256, 384].

2. Составы осадков растворов, в которых находились образцы кабеля без воздействия полей и под влиянием электрического поля, содержат одинаковые составляющие. Максимумы на 350-360 ^ показывают наличие неустойчивого а-Л1(ОЫ)3 (байерита), у-Л1(ОЫ)3 (гиббсита) и перехода с распадом на смесь оксидов

X, ^ у-Л12О3 (преимущественно %-Л12О3). При 475-500 ^ происходит фазовый

переход %-Л12О3 в %-А1203 . При 800-850 ^ переход в 5-Л12О3.

Таким образом, независимыми методами было определено, что под влиянием магнитного и электрического полей на поверхности оболочек кабелей в условиях эксперимента образуются в разных соотношениях байерит (структура - моноклинная), гиббсит (структура - моноклинная) и бемит (структура - орторомбическая). Данные гидроксиды алюминия обладают разными кристаллографическими химическими и физическими свойствами.

Силовые кабели 6(10) кВ прокладываются в грунте на глубину 0,7 м. За счёт выпадения осадков (дождей) и грунтовых вод, содержащих кислород и различные соли, создаются благоприятные условия для электрохимической коррозии алюминия.

В соответствии со статистикой Больцмана на поверхности оболочки кабеля имеются активные (энергия больше средней) и пассивные (энергия меньше средней) участки. При этом границы раздела фаз энергетически неоднородны. Естественно, что химическое взаимодействие начинается на активных участках. На вероятность появления данных участков будут влиять деформации оболочек кабелей в звене «КЛ - грунт» (см. главу 2) и возникающие по их причине внутренние напряжения в алюминиевой оболочке.

На активных участках происходит окисление алюминия:

А1° —» А13+ + Зё . (3.32)

Катионы Л13+ переходят в раствор, электроны - на пассивные участки, где они ассимилируются полярными молекулами воды с восстановлением ионов водорода:

2ё + 2Н20->Н°+20Н~. (3.33)

Окислительный и восстановительный процессы пространственно разделены, но совершаются одновременно.

Ионы Л13+ и ОН" мигрируют встречно, образуя аморфный осадок, превращающийся в кристаллический либо Л1(ОН)3, либо Л1ООН в зависимости от условий (от внешних воздействий, окружающей среды, воздействий ЭП, МП или ЭМП и т. д.). Так как в растворе появляются заряженные частицы, то возникает возможность управления электрохимическим процессом.

Валовые уравнения можно представить так:

2Л1 + 2Н2О + О ^ 2Л1ООН ^ +Н2 Т. (3.34)

2Л1 + бН2О ^ 2Л1(ОН)3 I+3Н2 Т. (3.35)

Выделяющийся газообразный водород разрывает гидроксидную плёнку, отслаивает её и вскрывает поверхность алюминия. Это обеспечивает непрерывность процесса коррозии. Отслоившиеся чешуйки продуктов оседают на дне цилиндров.

Продукты реакции (уравнения 3.34, 3.35) диссоциируют, и в растворе накапливаются ионы Л13+. Содержание Л13+ в электролите в зависимости от времени экспериментов представлено на рисунке 3.32 (опыт № 1).

24

20

16

№ а а я а н я

о

а я

о

т

12

Холостой ход (К-образец)

Электрическое поле

(Е-образец)

Магнитное поле

(М-образец)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Время испытаний т, час

Рисунок 3.32 - Зависимости изменения концентрации Л13+ в тече ние времени эксперимента (заштрихованные точки соответствуют экспериментальным; полые точки соответствуют линейным зависимостям, полученным аппрМоакгсниитмноаецией

экспериментальных точек с достоверностью Я > 0,95)

Полученные экспериментальные данные необходимы для математической оценки влияния МП кабеля на процесс коррозии, что рассмотрено далее.

8

4

0

3.3.2 Оценка изменения процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей

Оценивая формы зависимостей концентрации катионов Al3+ в растворе от времени испытаний ^C(Al3+) = f(r)j, приведённых на рисунке 3.32, можно сделать заключения

относительно кинетики коррозионного процесса:

1. Зависимости исходят из C(Al3+) = 0 при времени т=0.

2. Кривые изменения концентрации C(Al3+) = f(r) в осадке раствора, в которых находились образцы под влиянием ЭП и МП, расположены выше кривой контрольного эксперимента. Это подтверждает влияние магнитного и электрического полей на коррозию алюминия.

3. Зависимость для контрольных образцов (К) является линейной и описывается уравнением Ск = Ккт.

4. Зависимости для образцов (Е) и (М) состоят каждая из двух линейных участков. Начальная (первая область), время т = 0^«2400 часов описываются уравнениями СЕ1 = КЕ т и СМ1 = Км т. При времени т> 2400 часов (вторая область):

СЕ2 = яЕ2 + КЕт и СМ2 = аМ2 + ^МТ. Коэффициенты «К» - константы скоростей реакций нулевого порядка.

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости концентрации C(Al3+) в мг/л от времени т в часах (см. рисунок 3.32):

Ск = 0,002604 т, (3.36)

СЕ1 = 0,003419т, (3.37)

СМ1 = 0,005021т, (3.38)

СЕ2 = 2,099 + 0,002778т, (3.39)

Сщ. = 6,342 + 0,002390 т. (3.40)

Реакции нулевого порядка отличаются от реакций других порядков тем, что

dC АС „ „

-j— = д— « const, то есть скорость реакций постоянна в данных условиях. При неизменных условиях (P - давление, T - температура , V - объём) такие внешние воздействия, как магнитное или электрическое поля, могут привести к изменению скорости реакции

(константы скорости). Эти изменения определяются прежде всего электронным строением частиц (атомов, молекул, ионов), входящих в химическую систему [336]. Так, у парамагнетика электронная магнитная восприимчивость л определяется числом непарных электронов п:

Ле п(п + 2). (3.41)

Электронное строение А1°—3^23 р^. Одному электрону (3/?') соответствует Ле = 1(1 + 2) = >/3 = 1,73205. Из этого следует, что отношение констант скорости реакций на образцах М и К должно быть не меньше л/3. Из уравнений (3.38) и (3.36) следует:

. с

М = 0,005021 = 1,92819 > 1,73205. (3.42)

Ск 0,002604

В случае электрического поля в уравнение типа (3.41) входит спин электрона 5 = 1:

£е = ^ 1(1 +1) = = 1,22475. (3.43)

С

Тн 1

Отношение констант —— должно быть больше ее:

СК

С

'С1 0 003419

ж = 0,003419 = 1,31298 > 1,22475. (3.44)

Ск 0,002604 v 7

Расчёт по уравнениям (3.42) и (3.44) подтверждает влияние и магнитного, и электрического полей на скорость электрохимической коррозии алюминия. Количественные отличия ле и ее от отношений скоростей реакций (констант скоростей), вероятнее всего, связаны с активацией или провокационным зарождением (под действием полей) новых активных центров на поверхности образцов. Это предположение требует специальных исследований, в данной работе не рассматривается.

Совместные решения уравнений (3.37) и (3.39), (3.38) и (3.40) дают координаты раздела областей 1 и 2 на образцах E и M при времени т = 3275 и 2410 часов. Такое отличие говорит о том, что изоляция активных центров на М-образцах происходит с большей скоростью, чем на Е-образцах.

Влияние на скорость коррозии самих Е и М полей и связанных с ними процессов можно оценить по разности уравнений (3.37-3.40) и уравнения 3.36, результаты расчётов представлены в виде зависимостей на рисунке 3.33. Данные зависимости так же, как и исходные, состоят из двух линейных участков.

о

и

ев

¡и И

а о ЬЙ

1000 2000 3000 4000 5000 Время испытаний т, час

6000 7000

Электрическое поле

(Е-образец) Магнитное поле (М-образец)

Рисунок 3.33 - Зависимости разности изменения концентрации Л13+ в растворах образцов, находившихся в магнитном и электрическом полях, от концентрации

в режиме холостого хода

сти

Так как вклад в константу скорости реакции за счёт магнитной восприимчиво-

составляет

1,92819

= 0,89828,

то

0,10172

или

(- ) • 0,10172 = (0,005021 - 0,002604) • 0,10172 = 0,0002459 мг • л"1 • час"1 приходятся на сопутствующие процессы.

Можно предположить, что в области 1 (рассматриваем образец в магнитном поле (см. рисунок 3.33)) с течением времени продукты коррозии (бемит), осаждаясь на активных центрах, экранируют их, так как являются диамагнетиками.

В области 2 в процесс включаются всё менее активные центры, пока вся металлическая поверхность не будет покрыта беспористым слоем.

Можно оценить это время в результате совместного решения уравнений (3.40) и (3.36), приравняв их разность к нулю (ЛСМ2 = 0):

ЛСМ9 = 6,342 + 0,00239г-0,002604т = 6,342-0,000214г. (3.45)

6,342

Т =-

0 0,000214

= 29636 час = 3,383 года.

(3.46)

При этом влияние парамагнетизма алюминия на коррозионный процесс сводится к нулю. Взаимодействие «металл - среда» меняется на «металл - слой диэлектрика -среда», то есть решающим становится медленный диффузионный процесс перемещения ионов через монолитный слой продуктов.

0

0

Опыт № 2:

В опыте № 2 образцы находились в электролите 2304 часа при постоянном воздей-

ствии ЭП и МП. Результаты исследований представлены в таблице 3.15.

Таблица 3.15 - Результаты экспериментальных коррозионных исследований, опыт № 2

Вид замера Холостой эксперимент Воздействие электрического поля Воздействие магнитного поля

т, ч; pH, 6,58 при т=0 Al3+, мг/л т, ч; pH, 6,58 при т=0 Al3+, мг/л т, ч; pH, 6,58 при т=0 Al3+, мг/л

Замер пробы с раствора (содержание С (А13+) в растворе) 1104 6,74 2,2 1104 6,98 16,8 1104 6,87 6

Замер после фильтрации осадка из раствора (использован фильтр: белая лента и высушивание осадка) 2304 7,02 0,02 2304 6,98 0,12 2304 6,75 0,04

Анализ констант скоростей реакций в опыте № 2 (по аналогии с уравнениями 3.42 и 3.44 в опыте № 1) при воздействии МП и ЭП укладывается в гипотезу, что отношение

констант скорости реакций на образцах М и К должно быть не меньше V3, а в случае ЭП более 1,22475. Данный факт подтверждает влияние не только ЭП, но и МП на скорость электрохимической коррозии алюминия.

Осмотр исходных образцов алюминиевых оболочек кабелей показал, что на их поверхности имеются технологические осевые царапины. Осмотр после испытаний показал, что процесс коррозии локализуется преимущественно внутри технологических дефектов (Е-образцы) и на краях дефектов (М-образцы). Характерный вид начальных коррозионных образований представлял собой одиночные шарообразные углубления в алюминиевой оболочке кабеля, которые при дальнейшем процессе коррозии соединялись между собой (рисунки 3.34-3.37). На границе воздух - электролит наблюдалась характерная для алюминия и его сплавов язвенная (питтинговая) коррозия. Для определения масштаба при фотографировании на стереомикроскопе Nikon SMZ 745 T была приложена миллиметровая линейка, её деления можно наблюдать на фотографиях (рисунки 3.34-3.37).

а) б)

Рисунок 3.34 - Фотографии участков алюминиевой оболочки кабеля после 2304 часов эксперимента: а) воздействие ЭП; б) воздействие МП

а) б)

Рисунок 3.35 - Фотографии участков алюминиевой оболочки кабеля после 2304 часов контрольного эксперимента (холостой ход, К-образец): а) общий вид; б) увеличенное шарообразное коррозионное образование

а) б)

Рисунок 3.36 - Фотографии участков алюминиевой оболочки кабеля после 2304 часов

коррозии в магнитном поле (М-образец): а) общий вид; б) увеличенное шарообразное коррозионное образование

Рисунок 3.37 - Фотографии участков алюминиевой оболочки кабеля после 2304 часов

коррозии в электрическом поле (Е-образец): а) общий вид; б) увеличенное шарообразное коррозионное образование

Некое преобладание скорости коррозии алюминиевых оболочек, находившихся под влиянием магнитного поля над электрическим, в первом эксперименте по отношению ко второму эксперименту (где преобладает коррозия в ЭП над МП) можно объяснить режимом опыта, а именно бросками тока и МП при периодических включениях и отключениях установки (что характерно для режимов КЗ в кабельной сети). Кроме того, более длительное воздействие МП во втором эксперименте (2304 часов по сравнению с 524 часами в первом) подтверждает гипотезу о том, что с течением времени продукты коррозии образца в МП (бемит), осаждаясь на активных центрах, экранируют их, так как являются диамагнетиками.

В опыте № 3 образцы находились в электролите 7918 часов при постоянном воздействии электрического (кабель подключен к высоковольтной установке), магнитного и электромагнитного полей без заземления и с заземлением оболочек кабелей. Результаты представлены в таблицах 3.16-3.17 и на рисунках 3.38-3.40.

Таблица 3.16 - Результаты экспериментальных коррозионных исследований, опыт № 3 без заземления оболочки

Холостой эксперимент (Х.Х.); К-образец Воздействие ЭП (кабель под напряжением) (ЭП); Е-образец Воздействие однофазного МП (1-о.ф. МП); М-образец № 1 Воздействие однофазного ЭМП (1-о.ф. ЭМП); ЕМ-образец Воздействие трёхфазного МП (3-х.ф. МП); М-образец № 2

т, ч; рН, 6,56 Л13+, рН, 6,56 Л13+, рН, 6,56 Л13+, рН, 6,56 Л13+, рН, 6,56 Л13+,

при т=0 мг/л при т=0 мг/л при т=0 мг/л при т=0 мг/л при т=0 мг/л

1342 6,73 2,46 6,86 4,5 7,01 5,31 6,95 9,5 7,01 4,09

2302 5,21 2,23 5,11 3 5,12 2,5 5,32 1 5,53 2,35

3547 7 2,08 6,7 3 6,53 0,65 7,06 4,5 6,2 2,72

4276 7,12 2,5 6,75 3 6,55 0,9 6,78 3,5 6,86 1,75

6598 6,3 3,49 6,81 4,75 6,53 1,51 6,52 2,84 6,78 4,41

7918 7,2 0,5 6,65 0,59 6,39 0,85 6,50 1,43 6,46 0,57

Следует отметить, что максимальное значение индукции однофазного магнитного поля в ¿-ячейках составляло 5-6 мТл и было больше, чем в ¿-ячейках с трёхфазным магнитным полем - 2 мТл.

25

-

§

^ 20

<

у 15 №

§ 10 &

н =

<и 5

Я 5 =

£ * 0

Ж ---- д

Д

Ж 1-о ф. ЭМП Д ЭП

□ 3-х ф. МП

□ 1-о ф. МП о Х.Х.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Время испытаний, ч

Рисунок 3.38 - Суммарные графики изменения концентрации Л13+ в течение времени

эксперимента № 3

Кинетика коррозионного процесса, опыт № 3:

Из формы зависимостей концентрации катионов Л13+ в растворе от времени испытаний ^С(Л13+) = , приведённых на рисунке 3.38, можно сделать заключения (аналогичные опыту № 1).

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости концентрации С(Л13+) в мг/л от времени т в часах (см. рисунок 3.38):

Ск = Кк т = 0,0016 т, (3.47)

СЕ1 = КЕ т = 0,0033 т, (3.48)

СМ1 = КМ1Т = 0,0035т, (3.49)

СЕМ1 = КЕМ1Т = 0,0071T, (3.50)

С = СЕ2 + КЕ Т = 3,418 + 0,002т, (3.51)

С = СМ2 = аШ1 + Км т = 6,142 + 0,0008 т, (3.52)

СЕМ2 = а ЕМ2 + КЕМ2т = 7,427 + 0,002т. (3.53)

Из ранее выдвинутой гипотезы и согласно уравнению (3.41) следует, что отношение констант скорости реакций на образцах М и К должно быть не меньше >/3. Из уравнений (3.49) и (3.47) следует:

К

М1 = СМ1 = 0,0035 = 219 > 1 73

К

К

ск 0,0016

(3.54)

В случае электрического поля в уравнение типа (3.41) входит спин электрона 5 = 1/2 (уравнение 3.43), и отношение констант должно отвечать условию:

Ст

= 00033 = 2,06 > 22.

Ск 0,0016

(3.55)

Расчёт по уравнениям (3.54) и (3.55) подтверждает влияние и магнитного, и электрического полей на скорость электрохимической коррозии алюминия.

Совместные решения уравнений (3.51) и (3.48), (3.52) и (3.49), (3.53) и (3.50) дают координаты раздела областей 1 и 2 на образцах Е и М при времени т = 2629 и 2275 часов. Такое отличие говорит о том, что изоляция активных центров на М-образцах происходит с большей скоростью, чем на Е-образцах.

На образце ЕМ координата раздела областей 1 и 2 составляет по времени т = 1456 часов, что указывает на то, что изоляция активных центров на ЕМ-образцах происходит с большей скоростью, чем на Е-образцах и на М-образцах.

Кроме того, можно отметить, что различная динамика изменения кислотности раствора в проведённых опытах (см. таблицу 3.16) также подтверждает провокационное зарождение под действием МП и ЭП новых активных центров коррозии.

На рисунке 3.39 приведён пример одной дифрактограммы продуктов коррозии образцов в опыте № 3. По анализу дифрактограмм выявлены фазы байерита, гиббсита и бемита. Следует отметить, что в образце, находящемся в электромагнитном поле, присутствует только аморфная фаза, что также подтверждает изменение кинетики коррозионного процесса при вариации воздействующих МП и ЭП.

Рисунок 3.39 - Дифрактограммы исследуемых осадков из образцов в опыте № 3

В таблице 3.17 и на рисунке 3.40 представлены данные по результатам экспериментальных исследований опыта № 3 на образцах кабелей, находившихся в электролите 7918 часов при постоянном воздействии электрического, магнитного и электромагнитного полей с заземлением оболочек кабелей.

Таблица 3.17 - Результаты экспериментальных коррозионных исследований, опыт № 3 с заземлением оболочки

Холостой эксперимент Воздействие электрического поля Воздействие однофазного магнитного поля Воздействие однофазного электромагнитного поля Воздействие трёхфазного электромагнитного поля

т, ч; pH, 6,56 при т=0 Л13+, мг/л т, ч; pH, 6,56 при т=0 Л13+, мг/л т, ч; pH, 6,56 при т=0 Л13+, мг/л т, ч; pH, 6,56 при т=0 Л13+, мг/л pH, 6,56 при т=0 Л13+, мг/л

624 5,65 5,38 1342 6,85 19,01 624 6,4 14,6 1342 6,93 46,4 6,69 28,7

3000 6 23,15 2302 5,34 42,4 1896 4,9 52,2 2302 6,16 22,8 5,8 10,4

4152 6,26 20,92 3574 7,25 7,36 3048 5,62 34,26 3574 7,35 41,9 7 11,57

6024 7,02 21,6 4276 7,61 7,94 4920 6,53 45,75 4276 6,74 19,54 7,12 6

6598 7,92 17,7 6240 7,45 10,5 6598 6,65 41,77 7,14 11,04

7344 7 28,97 7918 7,53 7 7918 6,46 8 7,08 1,67

Рисунок 3.40 - Суммарные графики изменения концентрации Л13+ в течение времени

эксперимента № 3 с заземлением оболочки КЛ

Данные опыта № 3 с заземлением оболочки (см. рисунок 3.40) при сопоставлении с данными опыта № 3 без заземления оболочки (см. рисунок 3.38) показали возрастание скорости процесса коррозии при одинаковых воздействиях.

Проведённые исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Экспериментально доказана зависимость скорости коррозии алюминиевых оболочек силовых кабелей 6(10) кВ на примере кабеля типа ААШв (6 кВ) от воздействия соб-

ственного магнитного поля, что является дополнительным фактором, ускоряющим процесс коррозии оболочек кабелей (например, от блуждающих токов) [134, 153].

2. Независимыми методами определено, что под влиянием МП и ЭП на поверхности оболочек кабелей в условиях экспериментов образуются твёрдые продукты разного состава и кристаллической структуры с локализацией в разных местах.

3. Сформулирована и подтверждена гипотеза теоретического обоснования изменения констант скоростей химических реакций коррозии, основанная на электронном строении частиц, входящих в химическую систему, подтверждающая влияние не только электрического, но и магнитного поля кабеля.

4. Проведённые исследования необходимы для разработки конструктивных решений при проектировании КЛ для оптимизации параметров МП и ЭП, выборе расположения фаз кабеля (так, например, фазы могут располагаться в ряд или в треугольник, при расположении треугольником происходит компенсация общего МП кабеля; жилы могут иметь круглую и секторную форму; при секторной форме и расположении треугольником происходит выравнивание картины ЭП, указанные факторы могут замедлить процесс коррозии).

5. Можно отметить, что на поверхности алюминиевых жил будут протекать аналогичные рассмотренным коррозионные разрушения при неизбежном доступе влаги, например, из грунтовых вод. Магнитное поле будет вероятно влиять и на процесс коррозии брони из лент из алюминия или алюминиевого сплава, водоблокирующей ленты из алюмополимерной ленты, предусмотренных в конструкциях кабелей с пластмассовой изоляцией до 35 кВ (ГОСТ Р 55025-2012) [61]. Схожие физические процессы могут протекать и в процессе коррозии защитных свинцовых оболочек и медных экранов.

6. Собственное МП трёхфазного кабеля имеет вращающийся характер и вызывает дополнительные вихревые токи в металлических оболочках кабеля, кроме того, вращающийся характер МП, сила Лоренца и градиент МП могут влиять на процесс массооб-мена вблизи оболочки кабеля, что, вероятно, и является причиной дополнительного влияния на скорость процесса коррозии. В условиях эксплуатации КЛ данный фактор действует совместно с блуждающими токами.

Для установления механизмов влияния собственного МП кабеля на процесс коррозии были проведены исследования условий массопереноса вблизи поверхности их оболочки с оценкой картины градиентно-полевой силы МП. Разработаны метод и экспериментальные установки, необходимые для визуализации указанного процесса.

3.3.3 Исследование условий массопереноса вблизи поверхности оболочки кабеля в процессе коррозии под влиянием электромагнитного поля

На изменение условий массопереноса (продуктов анодного и катодного процессов, отвод продуктов коррозии), способствующего влиянию на скорость (кинетику) процесса коррозии алюминиевых защитных оболочек кабелей, оказывает влияние МП. Магнитная составляющая электромагнитного поля кабеля обуславливает три силы, которые способны оказывать влияние на изменение условий массопереноса [236, 497, 561]: 1) силу Лоренца; 2) градиентно-полевую силу; 3) силу, обусловленную градиентом концентрации парамагнитных частиц, при этом следует отметить, что сила считается спорной. По мнению ряда исследователей, она возникает в однородном МП и действует на области с неоднородной концентрацией магнитных ионов, таких, которые существуют вблизи электрода в диффузионном слое.

Проведённый анализ указанных выше сил по порядку их влияния показал необходимость исследования характера градиентно-полевой силы, обусловленной МП трёхфазного кабеля. Для её оценки применялось имитационное моделирование в программном комплексе ANSYS (Maxwell) по разработанному алгоритму расчёта (см. рисунок 3.1).

Общее уравнение, описывающее данную силу, имеет вид:

FyH =M0XHVH, (3.56)

где j - магнитная проницаемость вакуума; %- магнитная восприимчивость раствора,

помещённого в магнитное поле; H - напряжённость МП.

В результате проведённого расчёта была впервые оценена картина изменения градиентно-полевой силы вблизи поверхности трёхфазного кабеля, обусловленная его вращающимся МП. Отдельные результаты приведены на рисунках 3.41-3.42. Указанная сила обуславливает движение парамагнитных частиц к поверхности кабеля и выталкивание диамагнитных частиц от поверхности кабеля. Сила имеет как тангенциальную, так и радиальную составляющие, обуславливающие круговое волнообразное усилие.

б)

Рисунок 3.41 - Вращение вектора градиентной силы: а) = ц0хНУИ; б) ^ = -и^НУИ

б)

Рисунок 3.42 - Вращение тангенциальной (а) и радиальной (б) составляющих вектора

градиентной силы = и%ИУИ

По результатам расчёта изменение градиентно-полевой силы в точках вблизи кабеля, обусловленной трёхфазным вращающимся магнитным полем (например, для тока 1=500 А

и х = 10"5) в полярных координатах, можно аппроксимировать уравнениями вида:

^рад ~ (3 -10"11) R"5,13 + (2 ■ 10"12) R"5'69 sin (2 • 314 • t + a), (3.57)

Ff «(3 -10"15) R_6'52 + (2 ■ 10"13) R"5'97 sin (2 ■ 314 ■ t + 3,14 / 2 + a), (3.58)

где R - расстояние в метрах от кабеля то точки наблюдения; a - радианная мера угла.

Графики изменения мгновенных значений составляющих данной силы в одной из точек вблизи оболочки кабеля представлены на рисунке 3.43.

«

о в о Ч о Я

Я -í Я

ш а

я S

ч: ,

& ч

я S СЗ (j

я я

S"

я

ч

о

и

800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100

Тангенциальная составляющая

Радиальная составляющая

Градиентно-полевая сила

Время, с

Рисунок 3.43 - Изменение модуля вектора градиентно-полевой силы в точке вблизи

кабеля для Я=0,034 м от центра кабеля

Для оценки картины течения жидкости в зоне коррозии в опытах (см. рисунок 3.28) применялся программный продукт ANSYS CFX (лицензия ЮУрГУ (НИУ): http://supercomputer.susu.ac.ru/users/simulation), позволяющий проводить моделирование течений жидкости и газа на основании численного решения системы уравнений Навье-Стокса. Для учёта воздействия градиентно-полевой силы на объём жидкости в уравнения (система 3.59) вводились дополнительные источниковые члены в виде полученных аппроксимационных зависимостей от пространственных координат и времени (см. уравнения 3.57-3.58).

В реальных условиях эксплуатации «зона-коррозии» - это малый объём жидкости (водная плёнка) вокруг оболочки кабеля, который может быть обусловлен как различными грунтовыми водами с различными солями, так и физическими процессами в изоляции кабеля, приводящими к образованию слоя конденсата. Данный факт был ранее показан, например, в работе [10], где установлено, что наличие брони из стальных

оцинкованных лент приводит к образованию конденсата, состоящего из пластификатора и продуктов его разложения, и к ускорению процесса старения кабеля.

В качестве начальных условий было принято неподвижное состояние жидкости (равномерное поле давления и нулевая скорость). В качестве граничных условий применялось условие прилипания на стенках (и ~q=q =0), а также условия симметрии на двух

осевых границах. Для оценки процесса массопереноса рассмотрена модельная жидкость со стандартными параметрами плотности и вязкости воды при 20 °С.

— = -(и ■ V)u + vAu-—Vp + F ot p

^рад =(3■ 10"11)R"5'13 +(2 -10"12)R"5'69 sin(2 • 314 • t + a) , (3.59)

Етанг « (3 ■ 10"15) R"6'52 + (2 ■ 10"13) R"5'97 sin (2 ■ 314 ■ t + 3,14 / 2 + a)

где p - плотность; v - вязкость; p - давление; v - векторное поле скоростей; F - векторное поле массовых сил, а в нашем случае градиентно-полевая сила.

Отдельный пример впервые установленной графической интерпретации результатов расчёта в виде картины движения модельной жидкости от указанной силы представлен на рисунке 3.44. В результате действия анализируемой магнитной силы возникает дополнительный перенос всех компонентов раствора в «зоне-коррозии», при этом данная сила, в отличие от силы Лоренца, не включает электрохимический ток, который возрастает в опытах с заземлением оболочки кабеля (см. рисунок 3.40).

Известно, что электрохимическая коррозия обусловлена возникновением множества микрогальванических элементов на поверхности оболочки кабеля. При этом к факторам, влияющим на их возникновение, относят: 1) неоднородность алюминия и поверхности оболочки (следует отметить, что для изготовления оболочек кабелей применяют алюминий марки А-5 чистотой не ниже 99,97 %); 2) неравномерное распределение продуктов коррозии и защитных плёнок; 3) деформации и внутренние напряжения в оболочке; 4) неоднородность жидкой фазы и физических условий (изменение режима работы КЛ от холостого хода далее нагрузочного режима и режимов КЗ). Полученные данные показали, что градиентно-полевая сила вокруг трёхжильного кабеля вызывает круговое вращательное вихревое движение модельной жидкости, которое и является дополнительным фактором, оказывающим воздействие на процесс массопереноса продуктов

коррозии. Согласно принципу Ле-Шателье - Брауна данный факт приводит к сдвигу равновесия в данной системе, что влияет на кинетику процесса коррозии.

Рисунок 3.44 - Пример картины движения модельной жидкости в «зоне коррозии» от градиентно-полевой силы, обусловленной магнитным полем трёхжильного кабеля

Для подтверждения данных, полученных по результатам имитационного компьютерного моделирования, были разработаны две экспериментальные установки:

1. Для визуального проявления факта влияния вращающегося МП кабеля сверху на него надвигался алюминиевый цилиндр диаметром 67 мм, высотой 13,5 см, толщиной 0,2 мм, массой 8,7 грамм, способный свободно вращаться (рисунок 3.45, а). Под действием МП кабеля цилиндр приходил во вращение со скоростью до нескольких оборотов в секунду - наблюдался эффект, подобный работе двигателя.

2. Установка состояла из образца кабеля (рисунок 3.45, б), высоковольтной установки, цилиндра диаметром 10,5 см, заполненного модельным раствором, в который помещались образцы кабеля. Образец кабеля работал в режиме трёхфазного КЗ с подключением жил к выводам трансформатора 220/2 В, при этом в жилах образца кабеля протекал ток в 400 А, создавая вращающееся поле с индукцией до 4 мТл. Для визуализации в условиях эксперимента исследовались следующие виды раствора:

а) для получения в модельном растворе взвеси частиц парамагнетика: