Моделирование старения кабелей и проводов в условиях тропического климата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Лвин Наинг Чжо

• Лвин Наинг Чжо
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лвин Наинг Чжо

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Обзор современных методов моделирования старения кабелей и проводов в условиях тропического климата.

1.1. Особенности тропического климата Союза Мбянмы.

1.2. Методымоделирования старения путем воздействия: температуры.

1.3. Методы моделирования старения путем воздействия повышенной влажности:.

1.4. Методы моделирования старения путем воздействия: солнечной радиации.

ГЛАВА 2 Объекты исследования и применяемая аппаратура

2. Г. Кабельные изделия и материалы, исследуемые в работе.

2.2. Оборудование для проведения испытаний.

2.3. Подготовка образцов к испытаниям на ускоренное старение

ГЛАВА 3 Теоретические исследования закономерностей процесса старения кабелей и проводов7в условиях пропического климата.

3.1. Влияние температуры на скорость теплового старения; кабельных изделий.'.'.

3.2 Влияние повышенной влажности на скорость старения кабельных изделий.■.;.

3.3 Влияние солнечной радиации на скорость старения кабельных изделий.

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования процесса старения кабелей и проводов в условиях тропического климата.

4.1. Изменение электрических и механических параметров изоляции при воздействии повышенной температуры.

4.2. Изменение электрических и механических параметров изоляции при воздействии повышенной влажности.

4.3 Изменение электрических и механических параметров изоляции при воздействии солнечной радиации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование старения кабелей и проводов в условиях тропического климата»

Исследования возможности длительной эксплуатации кабелей' в тропическом климате проводят достаточно давно [1]. Вместе с тем,, постоянно появляются» новые материалы, которые используют для изготовления кабелей. Поэтому исследование долговечности кабеля в условиях тропического климата остается актуальным.

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

К основным климатическим характеристикам кабелей и проводов относятся1 длительная; и кратковременная нагревостойкость, холодостойкость, влагостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур и солнечной радиации, озоностойкость и т. д.

Исследованию/ влияния климатических факторов на свойства кабельных изделий посвящены работы российских ученых Яманова. G. А., Сажина Б. С., Тареева Б. М., Ерухимовича С. 3. и других [2, 3, 4\ 5]. Периодически проводят международные конференции "Modelling- of environmental effects on electrical equipment", на которых делают свои! доклады- ведущие зарубежные специалисты. Российская- академия наук проводит регулярные конференции на тему «Старения и стабилизации полимеров», в которых учувствуют специалисты института химической физики АН, а так же научные работники отраслевых институтов и производителей материалов.

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

В процессе эксплуатации кабельные изделия, предназначенные для передачи электрической энергии, могут нагреваться до температуры выше окружающей среды. Для слаботочных кабелей и проводов этот нагрев не значителен. При этом все элементы кабельного изделия нагреты практически до одинаковой температуры. Для' силовых кабелей и проводов, работающих при высоких токовых нагрузках, нагрев происходит за счет тепла, выделяемого в жилах, а степень нагрева элементов* кабеля неодинакова. Для кабелей связи, например, например оптических кабелей, температура их элементов одинакова и соответствует температуре окружающей среды.

Для разных кабелей и проводов характер- нагрева может быть различным. В большинстве случаев воздействие повышенных температур является длительным и непрерывным. Иногда нагрев может быть периодическим (циклы нагрева и охлаждения), а в ряде случаев кабельные изделия подвергаются кратковременным* тепловым воздействиям (так называемые тепловые удары).

Явление, происходящее под воздействием-повышенной»температуры, называют тепловым старением. В той или иной степени этому старению подвержены все элементы кабелей и проводов. В результате теплового старения ухудшаются свойства изоляционных материалов кабельных изделий, в первую очередь снижаются механические характеристики, изоляция делается более жесткой и менее прочной. Перепад температуры ускоряет процесс старения, способствует появлению трещин и их развитие. Изменение механических характеристик сопровождается потерей электрической прочности, снижением электрического сопротивления, увеличиваются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Под воздействием повышенной происходит десорбция* воды материалом' изоляции* через внешнюю поверхность кабельного» изделия. Распределение этой воды в- объеме полимера меняет в первую очередь электрические свойства полимеров.

Под воздействием солнечной радиации в поверхностных слоях изоляции кабельного изделия происходит окисление и структурные изменения, приводящие к снижению электрического сопротивления и механической'прочности и эластичности. v

Ранее проводимые исследования воздействия тропического климата-на^ свойства кабельных изделий базировались, в основном, на результатах натурных испытаниях.

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

В процессе хранения, монтажа и эксплуатации* кабельные изделия подвергаются, различным-климатическим1 воздействиям. Допустимая^ степень этих воздействий определяется величиной1 эксплуатационных параметров кабелей^ и проводов: Величина этих параметров в основном зависят от конструкции кабельных изделий, климатического исполнения, а требуемый уровень стойкости к воздействию - от способа монтажа- и прокладки-(прокладка силовых кабелей в земле1 или внутри» помещении, монтаж проводов внутри или вне герметичной аппаратуры.и т. д.).

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

Исследованию влияния климатических факторов на свойства кабельных изделий посвящены работы российских ученых Яманова С. А., Сажина Б. С., Тареева Б. М., Ерухимовича С. 3. и других. Периодически проводят международную конференцию "Modelling of environmental effects on electrical equipment", на которых делают свои доклады ведущие специалисты из многих стран мира. Российская академия наук регулярно проводит конференции на тему «Старения и стабилизации полимеров», в которых участвуют специалисты института химической физики АН, а так же научные работники отраслевых институтов и производителей материалов.

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

Целью данной работы моделирование процессов старения кабелей и проводов, эксплуатирующихся в районах с тропическим климатом, путем проведения испытаний. В ходе реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

•разработан метод моделирования воздействия повышенной температуры;

•разработан метод моделирования воздействия повышенной влажности;

•разработан метод моделирования воздействия солнечной радиации.

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

Научная новизна. На основании данных теоретических исследований:

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

2. Предложен уточненный метод определения энергии активации процесса теплового старения, в котором используются данные термогравиметрического анализа полимерной изоляции кабелей и,проводов.

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

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

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

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

Данная работа выполнена на кафедре «Физики, и» технологии электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов» Московского энергетического института (технического университета).

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Лвин Наинг Чжо

Выводы

1. Разработана модель теплового старения кабелей и проводов, с полимерной изоляцией в условиях тропического климата. Проведены экспериментальные исследования по прогнозированию срока службы проводов с полиэтиленовой изоляцией. Показана целесообразность и эффективность использования разработанной модели.

2. Предложен уточненный метод определения энергии активации процесса теплового старения для полимерной изоляции. Метод основан на данных потери массы, полученных с помощью TFA, при различных скоростях нагрева.

3. Исследовано изменение электрической прочности полимерной изоляции проводов в процессе теплового старения и построена зависимость потери электрической прочности от времени старения с использованием функций распределения электрической прочности.

4. Исследовано влияние повышенной влажности на полимерную изоляцию кабелей и проводов. Рассмотрены различные модели распределения влаги внутри изоляции. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили матричных характер распределения влаги. Предложена компьютерная программа выполненная в среде MathCAD v. 14 для расчета электрической проводимости и диэлектрической проницаемости увлажненной изоляции.

5. Сделана оценка влияния солнечной радиации в условиях тропического климата на полимерную изоляцию кабелей и проводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лвин Наинг Чжо, 2010 год

1. Ерухимович С.З. Исследование кабелей и проводов в процессе старения тропических и других климатических условиях. ВНИИЭМ, Отделение по научно-технической информации, стандартизации нормализации в электротехнике, 1966, 88 с.

2. Электрические свойства полимеров. Под ред. Сажина Б.И.- М.Л.: Химия, 1977-219 с.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. И доп. —Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. От-ние, 1985. 304 с.

4. Сажин Б.И. Электропроводность полимеров. Изд. "Химия", М., 1965. 160с.

5. Ерухимович С.З. Исследование пластмасс в процессе старения. ВНИИЭМ, Отделение по научно-технической информации, стандартизации нормализации в электротехнике, 1965.6. www.worldweatherservice.com.

6. Комсомольск-на-Амуре. Реферат ( климат ) -М, 2004.8. www.monoplanet.com

7. Зоткин В.Е, Руденко B.C. Ускоренные климатические испытания конструкций специзделий. Труды №11/49/, в/ч 42261, М., 1966. - 96 с.

8. Дудкевич А.Н., Улановская Л.Н. Методика ускоренных испытаний на сроки хранения проводов и кабелей. — Электротехн. промышленность. Сер. Кабельная техника, 1971, вып. 81-82. с. 5-7.

9. Атабекян Л.Г. Метод ускоренной оценки надежности выводных.проводов.- Электротехн. промышленность. Сер. Кабельная техника, 1971, №78. с.15-18.

10. Хань Баочжун, Моделирование свойств сшитого полиэтилена, Дисс. Канд. Техн. Наук. М., МЭИ (ТУ). 2005- 163 с

11. Elliot D:K. A- standardized procedure for evaluating the relative thermal;life and temperature rating of; thing-wall airframe wire insul ation.- IEEE transactions on electrical insulation, 1972, vol. E 1 -7, № 1. p. 16-25.

12. Ганев JI.T. Методы исследования теплового старения электроизоляционных материалов и систем.- Автореферат дис. на соискание уч. степени-канд. техн. наук. София, 1973.- 25 с.

13. Sellers R.A., Doberer G.C., Sadler В;L. Thermal life of VC insulated appliance hookup wires.- IEEE Gonf. Rec. lilt. Symp. Elec. Isul.,'Montreal; 1976.-New York, 1976.-32 p. 54.

14. Дикерман Д.Н. Оценка; срока службы полиэтиленовой изоляции.-Электротехн. промышленность. Сер. Кабельная техника, 1977, вып. 6/148/. -17 с. .

15. Kuppers В;. Methods for Thermal. Endurance Evaluation of Electrical Insulation.- Insulation / Circuits, 1970, Aug., 16,- p.39-42.

16. Монтажные провода для радиоэлектронной аппаратуры / Под. , Ред. Л.И. Кранихфельда.- Изд. 2-е, перераб. И.доп.- М.: Энергия, 1973. 296 с.

17. Ерухимович С.З. Надежность- и долговечность поливинилхлоридных пластикатов, проводов и кабелей на их основе. Сб. надёжность и долговечность полимерных материалов; и. изделий, из них / материалы конференции / М., 1969. - с.90-97.

18. Абрамов К.К., Ерухимович С.З. Аналитический метод определения сроков старения поливинилхлоридных пластикатов^- Электротехн. промышленность. Сер. Кабельная техника; 1969; вып. 57. -с.6-8.

19. Analyse der Wechselbeziehunger der Parameter zur beurteilung der atmospharischen Alterung von PVC /F.Kamas/ M.Kelheim, J.Lacik, B.Navratil.-Plaste uno! Kauschuk, 1976, v.4. s.233-316.

20. Ерухимович С.З. Исследование кабелей и проводов в процессе старения тропических и других климатических условиях. ВНИИЭМ, Отделение по научно-технической информации, стандартизации нормализации в электротехнике, 1966, 88 с.

21. Ларина Э. Т., Пешков И. Б., Текаева И. И. Ускоренная методика оценки температурного индекса эмалированных проводов: Электротехн., Пром-сть. Сер. Кабельная техника, 1976, вып. 9 (139). - с. 7-9.

22. Andercon Н.С. Order of polymer pyrolysis by thermogravimetric cycling experiments.- Jornal of polymer science, Part B, 1964, vol.2, №1. p. 115-116.

23. Холодный С.Д; Технологическая термообработка изоляции кабелей и проводов -М:: Издательство МЭИ, 1994. 160 с.

24. Krizanovsky L., Mentlik V. Zjisteni zivotnostnich characteristik Kaptonu F metodami termickych analyz. Elektroizon. a kabl. technology.- 1977, 30, №4. -s.20-26.

25. Дикерман Д.Н. Оценка срока службы полиэтиленовой изоляции.-Электротехн. промышленность. Сер. Кабельная техника, 1977, вып. 6/148/. -17 с.

26. Соломоник А;М. Экспресс-метод определения нагревостойкости прессматериалов с кремнийорганическим связующим. Электротехника,1973, №11.-с. 50-51.

27. Глобус Е.И. Структурные превращения в разветвленном ПЭ при длительном отжиге под нагрузкой. Диссертация на1 соискание учебной степени канд. физ.-мат. наук.- JI.:1988. 128 с.

28. Ерухимович С.З. Исследование пластмасс в- процессе старения. — ВНИИЭМ; М., 1965. 13 с.35. www.wikipedia.ru/

29. Агапов В.В., Боев М.А. Анализ технологических и эксплуатационных свойств поливинилхлоридных пластикатов. — тезисы докладов 1 Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94), Суздаль.: 1994. с.20.

30. Надежность кабелей и проводов для радиоэлектронной аппаратуры / Е.В.Быков, С.Б.Веселовский, А.Н.Дудкевич и др. Под ред. JI-И.Кранихфельда и И.Б.Пешкова.- М.: Энергоиздат, 1982. -200 с.

31. Boev М.А., Yedemskaya V.V. Prediction of Service Durability of Polymer Insulating Materials. Intern. J. Polymeric Mater., 1993, vol.22, Nam.1-4. -p.242-245. Привензенцева B.A. Основы кабельной техники. - M (Энергия), 1975.

32. William A. Thue. Electrical power cable engineering. Издание: 2 2003 -Всего страниц: 417

33. Пешков И.Б. Вопросы надежности и долговечности эмалированных проводов. Теория, материалы, конструирование и технология производства кабельных изделий. Труды ВНИИКП, 1977, вып. :0. - с.40-55.

34. Боев М.А, Лвин Наинг Чжо. Оценка срока службы самонесущих-изолированных проводов, эксплуатируемых в тропическом климате // Вестник МЭИ. 2010. № 1.С. 63-65.

35. David F.N. Probability Theory for statical Methods. At The University Press, Cambridge, 1949.-230 p.

36. William A. Thue. Electrical power cable engineering. Издание: 2 2003 -Всего страниц: 417.

37. Thomas, D.K., Plast. Rubb. Int., 8,(1983) 53.

38. Scott, G., and Tavakoli, S. M., unpublished work.

39. Ajiboye, O. and Scott, G., Polym. Deg. And Stab., 4 (1982), 397.

40. Al-malaika, S., quinn, N. and scott, G, unpublished work.

41. Williams, D: F., Biocompatibility of Clinical Implant Materials, Vols I and II (1982) CRC Press.

42. Boca Raton, Florida USA. Scott, G. and Yusoff, M. F., Pojym. Deg. and Stab., 3 (1980-81) 13.

43. Scott, G. and Yusoff, M. F., Pojym. Deg. and Stab., 3 1980-81), 48.

44. Scott, G. and setudeh, E., Pojym. Deg. and Stab., 5 (1983) 11.

45. Scott, G. and setudeh, E., Pojym. Deg. and Stab., 6 (1983) 11.

46. Al-malaika, S., Ibrahim, A. and Scott, G. unpublished work.

47. Dewar, M. J. S., J. Amer. Chem. Soc., 74 (1952) 3353.

48. Robert Monro Black. The history of electric wires and cable. Science Museum (Great Britain) 1983 Всего страниц: 290.

49. Дмитриевский* B.C. Физические основы надежности- полимерной изоляции. Труды Московского института радиотехники и автоматики. Вып. 74. М., 1975. - с.70-76.

50. Аунг Вин Мо, Виссарионов В.И. Возможности использования солнечной энергии в народном хозяйстве Мьянмы. \\Шестая Всероссийская научная молодежная^ школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» 25-27 ноября 2008 г. Москва 4.1. 192с.

51. Аунг Вин Мо, Виссарионов В.И. «Оценка ресурсов солнечной энергетики Мьянмы» -М: МЭИ(ТУ), 2009. 21с., ил,- 8 назв., Рус. Деп. в ВИНИТИ 27.01.2009, №29-В2009.

52. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов /С.И.Исаев, .Я.Кожинов, В.И.Кофанов и др.; под ред. А.И.Леонтьева. М., Высшая школа, 1979. - 495 с.

53. The chemistry of. polyethylene insulation / Barlow Anthony // IEEE Elec. Insul. Mag. 1991.-7№l.c. 8-19.

54. Лвин Наинг Чжо. Моделирование процесса старения электрических кабелей в районах с тропического климата, Дисс. Магистр. М.', МЭИ (ТУ). 2007-61с

55. Холодный С.Д. Пособие по курсовому проектированию1 для детализации кабельная техника. М.: Энергетический институт, 1977. - 60 с.

56. George J. Anders. Rating of Electric Power Cables: Ampacity Computations for Transmission. 1997. страниц: 428.

57. Справочник по надежности. Пер. с англ. * Под редакцией Б.Е.Зердичевского, т.1. М.: Мир, 1970. - 304 с.

58. Пешее Л.Я., Степанова М.Д. Основы теории ускоренных испытаний на надежность. — Минск.: Наука и техника, 1972. — с. 168.

59. Influence of temperature treatment on the electrical properties of low density polyethylene. Boudou L., Guastavino J. (Laboratoire de Genie Electrique, Universite Paul Sabatier, Toulouse, France). J. Phys. D. 2000. 33 №21, c. L129-L131.

60. Холодный С.Д. Пособие по курсовому проектированию для специализации кабельная техника. — М.: Энергетический институт, 1977. 60 с.

61. Полиэтилен и другие полиолефины. Под ред. П.В.Козлова и Н.А.Платэ, М.: Мир, 1964. -594 с.

62. Старение и стабилизация полимеров. Под ред. А.С.Кузьминского. — М.: Химия, 1966.-210 с.

63. New polyethylene for power cable insulation // Wire and cable Asia. — 1988. 7, №6. c. 26.78. www.xumuk.ru

64. Майофис И.М. Химия диэлектриков. M., Высшая школа, 1970. 332 с.

65. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. / Издание второе, переработанное и дополненное. M.-JL: Государственное научно-техническое издание химической литературы, 1953.- 611 с.

66. Справочник по электротехническим материалам: 4' В' 3 т. Т. 2/Под, редакцией Ю. В. Корицкого и др.— 3-е изд перераб.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 464 с: ил.

67. Боев A.M. Разработка и оценка надежности самонесущих изолированных проводов: Дис. Канд. Техн. Наук. М., 2004-. — 116с.

68. Лвин Наинг Чжо, асп.; рук. М.А. Боев, д.т.н., проф. Влияние повышенной влажности на электрические свойства изоляции кабельных изделий // Моск. Энерг. Ин-т (ТУ).- М.,2010.- 8 с: ил.-Библиогр: 5назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ.

69. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической" кинетики.-М.: Высшая школа, 1974,- 400 с.

70. Автоматизированная система поиска кабельных изделий по заданымусловиям их применения и эксплуатации / Боев М.А., Семененко. М.И., Сидоровf

71. С.Н., Хромова- Г.К. Тезисы докладов Всесоюзногоj технического семинара "Актуальные вопросы повышения качества и надежности кабельных изделий", М.: 1989. - с.16-17.

72. George F. Moore. Electric cables handbook. BICC Cables Ltd. Издание: 3 -1997 Всего страниц: 1098.

73. Тиниус К. Пластификаторы. М.-Л.: Химия, 1964.-915 с.

74. Боев М.А., Брагинский Р.П. Методика- определения долговечность и сохраняемости кабелей и- проводов.- Электротехн.пром-сть.Сер. Общеотраслевые вопросы, 1982, вып.10(521). С. 17-19.

75. Б.Р.Левина, Справочник по надежности. Пер. с англ. Под редакцией. т.1.- М.: Мир, 1969.-337 с.

76. Хевиленд Р. Инженерная надежность и расчет на долговечность. Пер. с англ. Б.А.Чумаченко под ред. Г.Н.Бачасанова. -М- Л.: Энергия, 1966. 232 с.

77. Холодный С.Д. Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов. -М.: Энершатомиздат. 1991. 200 с.

78. Провод для воздушных линий электропередачи: Патент на полезную модель 32634 РФ, МПК7 Н 01В 7/00/ (Международная патентная классификация) Боев A.M., Голынина Н.Г., Лавренова О.А., Портнов М.К., Щербина Ю.М. (РФ). 2 е.: ил.

79. Воронцова Л.А., Маслов В.В., Пешков И.Б. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях, М., Энергия, 1971 — 223 с.

80. Жаров А.И., Каминская Г.А. Исследование механических электрических свойств алюминиевого сплава ABE, М., 1968.