8

Аннотация. В работе описан опыт проведения работ по входному контролю силовых кабелей среднего и высо-кого напряжения, проводимых в ОАО «ВНИИКП» по заказу энергетических компаний.

Ключевые слова: силовые кабели, изоляционные мате-риалы, контроль качества.

Abstract. The authors describe the experience in performing incoming control of medium and high voltage power cables in JSC VNIIKP on request of energy utilities.

Key words: power cables; insulation materials; quality control.

Материал поступил в редакцию 10.05.2016Овсиенко В.Л.: vovsienko@vniikp.ru

8

НАУКА И ТЕХНИКА

К.Б. Должанский, руководитель группы;В.Л. Овсиенко1, канд. техн. наук, заместитель заведующего

отделением – заведующий лабораторией;М.Ю. Шувалов1, д-р техн. наук, директор научного

направления – заведующий отделением;ОАО «ВНИИКП»

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ КАБЕЛЕЙ среднего и высокого напряжения

как путь повышения надежности кабельных линий

ВВЕДЕНИЕ

Безотказность работы кабельной линии зависит от целого ряда факторов: надежной конструкции, качества материалов и технологии производства, прокладки, соблюдения правил эксплуатации. С целью обеспечения высокого качества кабель проходит целый комплекс проверок и испытаний: на стадии разработки, при поста-новке на производство, в процессе изготовления и на этапе сдачи-приемки кабельной линии. Несмотря на большой объем проводимых испытаний, имеют место случаи пробоя кабелей в эксплуатации, выявление нарушений конструкции при монтаже. В связи с этим целым рядом энергетических компаний осуществля-ются дополнительные меры по пресечению поставок некачественной продукции (аттестация поставщиков и продукции, проверка образцов кабеля в рамках вход-ного контроля на соответствие требованиям технических условий, ГОСТ, технических требований Заказчика). Такая техническая политика диктуется в первую очередь экономическими соображениями. Например, стоимость ремонта высоковольтной кабельной линии в случае пробоя кабеля составит несколько миллионов рублей, а экономические и социальные последствия от пожара и отключения потребителей во много раз больше.

Конечно, проверить соответствие характеристик кабеля всем требованиям нормативной документации – задача в рамках входного контроля технически и экономически невыполнимая. Однако, как показывает наша практика, проверки и испытания на коротких образцах в рамках входного контроля позволяют успешно выявлять целый ряд нарушений и несоответствий кабельной продукции требованиям нормативной документации.

1 Авторы – лауреаты премии Российской академии наук имени П.Н. Яблочкова, присуждаемой за выдающиеся работы в области элек-трофизики и электротехники.

ЭТАПЫ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ

Анализ сопроводительной документации. Входной контроль проводится на основании регламента Заказчика, либо по разработанной ОАО «ВНИИКП» программе, согласованной с Заказчиком. При проведении входного контроля в первую очередь следует с максимальным вниманием отнестись к сопро-водительной документации, которую предоставляет поставщик кабеля. Каждая строительная длина должна сопровождаться данными о результатах приемо-сдаточных испытаний, ссылкой на стандарт или технические условия, по которым изготовлено изделие. Продукция должна иметь сертификат соответствия в рамках обязательной сертификации кабельных изделий (если этого требует нормативный документ) или может иметь сертификат соответствия в рамках добровольной сертификации.

Проверка конструкции. Следующий важный этап входного контроля – проверка конструкции. Данный этап тесно связан с предыдущим. Эффективность его зависит от наличия технических условий с однозначно описанной конструкцией, либо технические требования к конструкции должны быть согласованы между Заказчиком и поставщиком. Наиболее распространенные отклонения – несоответствия геометрических размеров заявленным значениям. В этом случае поставщик, как правило, соглашается с результатами и осуществляет замену продукции. Однако встречаются и менее тривиальные нарушения конструкции (примеры пред-ставлены на рис. 1). В подобных случаях вопрос о признании обнаруженных несоответствий в изделии нередко становится предметом довольно острых дискуссий между поставщиками, Заказчиками и исполнителями входного контроля.

Обнаружение такого рода отклонений в конструк-ции служит основанием для проведения дополнитель-ных проверок (испытаний на стойкость к продольному

Number_3-2016-final.indd 8 12.07.2016 21:15:02

№ 3 (358), 2016 9№ 3 (358), 2016 9

НАУКА И ТЕХНИКА

распространению влаги, проверки целостности и уровня затухания оптоволоконных датчиков и т.д.).

Идентификация материалов. Большое внимание при проведении входного контроля мы уделяем идентифика-ции материалов. Действительно, результаты испытаний (типовых, предквалификационных, 2-х годичных в соот-ветствии с ГОСТ Р 55025–2012), проведенных в процессе освоения промышленного производства кабелей среднего и высокого напряжения, могут быть распространены только на изделия, при изготовлении которых используются мате-риалы, прошедшие эти испытания в составе кабелей. На этапе входного контроля мы проводим идентификацию материалов изоляции для кабелей среднего напряжения, а также идентификацию материалов оболочек, если к кабелю предъявляются требования по нераспространению горения.

При идентификации материала изоляции определяется тип материала, его состав и проводится проверка по имею-щейся во ВНИИКП базе данных на предмет соответствия его требованиям ГОСТ Р 55025–2012, п.5.2.2.13. В соответствии с данным стандартом применяемая для кабелей среднего напряжения изоляционная композиция на основе сшитого полиэтилена должна быть испытана в составе изделия на стойкость к электрохимическому старению. Электрохимиче-ское старение – основной механизм, приводящий к выходу из строя данных кабелей. Суть этого процесса – зарождение и рост специфических повреждений – водных триингов (ВТ). Каждый ВТ представляет собой систему микрополостей, заполненных влагой (электролитом); стенки полостей при

этом состоят из химически измененного (окисленного) поли-этилена. Он развивается либо в толще изоляции от какого-либо микродефекта (полости, инородного включения) – так называемый ВТ типа «бант», либо от дефекта (например, выступа в изоляцию электропроводящего экрана) – ВТ типа «веер». Характерные изображения водных триингов, полу-ченные на образцах, прошедших испытания в соответствии ГОСТ Р 55025–2012, представлены на рис. 2. Следует обра-тить внимание, что образец на рис. 2б) не удовлетворяет требованиям данного документа к максимальной длине обнаруженного триинга (500 мкм).

Для протекания процесса старения по данному меха-низму достаточно совсем небольшого количества влаги в изоляции. Она может попасть в кабель при нарушении технологии монтажа, при пробоях, при нарушении целост-ности наружных покровов. В случае, если в конструкции кабеля не приняты специальные меры по ее продольной и поперечной герметизации, для развития ВТ достаточно той влаги, которая продифундирует из окружающего грунта за несколько лет его эксплуатации (рис. 3а). На практике развитие этих процессов приведет к зарождению в ВТ элек-трического триинга (рис. 3 б) – быстрорастущего ветвящегося канала неполного пробоя, и после этого – к скорому выходу изоляции из строя.

Именно по данному механизму происходили массовые выходы из строя кабелей с изоляцией из полиэтилена, проло-женных в Северной Америке и Европе в 70-е – 80-е годы, когда современных технологий и материалов еще не существовало.

Рис. 1. Отклонения, обнаруженные на этапе проверки конструкции кабелей высокого напряжения:а) – токопроводящая жила, герметизированная водоблокирующими жгутами; большая часть пространства между проволоками

не заполнена герметизирующими элементами;б) – изгибы проволок медного экрана и оптоволоконных модулей для температурного мониторинга

Рис. 2. Характерные изображения водных триингов:а) – ВТ типа «бант» длиной 275 мкм;

б) – ВТ типа «веер» длиной 550 мкм. Световая микроскопия

а) б)

а) б)

Number_3-2016-final.indd 9 12.07.2016 21:15:04

10

НАУКА И ТЕХНИКА

По вышеперечисленным причинам производителями изоляционных мате-риалов были созданы специальные изоляционные композиции, устойчи-вые к данному виду старения и суть идентификации – подтверждение того, что использованный материал является триингостойким.

Также большое значение для обеспечения заявленных характеристик кабеля имеет качество использованных материалов наружных покровов для изделий, к которым предъявляются требования по нераспространению горения. Идентификация матери-алов осуществляется средствами термического анализа, инфракрасной спектроскопии, микроскопии и другими аналитическими методами в соответ-ствии с разработанными во ВНИИКП методиками (СТО 00217053-003–20152), а также инструкцией ВНИИПО по идентификации материалов при испы-таниях на пожарную опасность. Для получения заключения достаточно коротких образцов кабеля. Несоот-ветствие материалов заявленным в нормативной документации служит основанием для проведения испыта-ний на полномасштабных образцах в соответствии с требованиями ГОСТ.

Проверка уровня дефектности изоляционной системы. Большое влияние на надежную работу кабель-ных изделий оказывает наличие дефектов в изоляционной системе (инородных включений, термически модифицированных частиц материала изоляции, микрополостей, выступов электропроводящих экранов в толщу

изоляции, выступов изоляции – см. примеры на рис. 4). Наличие микродефектов приводит к увели-чению локальной напряженности электрического поля. В данном месте начинаются процессы интен-сивного электрического старения, приводящие к снижению локальной электрической прочности. В тот момент времени, когда локальная напряженность электрического поля превысит локальную электрическую прочность, неизбежно начнется развитие электрического триинга (рис. 5), которое завершится отка-зом полимерной изоляции кабеля (электрическим пробоем).

Требования к размерам макси-мально допустимых дефектов, а также к объему испытаний приво-

дятся в соответствующих нормативных документах (ГОСТ Р 55025–2012, технические условия на кабели среднего и высокого напряжения). Несмотря на то, что проверка дефектности в рамках входного контроля проводится на коротких образцах, практика пока-зывает ее эффективность, поскольку при нарушении технологии или приме-нении некачественных материалов дефекты как правило не являются единичными, они воспроизводятся многократно на достаточно протя-женных участках. В ряде случаев (по согласованию с Заказчиком, либо по причинам, которые будут изложены ниже) объем обследуемого материала может быть увеличен. Также хотелось бы обратить внимание на то, что на качество проведения такого вида испытаний (как, впрочем, и многих других) существенным образом влияет качество используемого оборудования (режущего инструмента, оптических приборов), а также опыт и квалифи-кация персонала.

Проверка степени дегазации изоляционной системы. Данный вид проверки как правило проводится для кабелей высокого напряжения, имеющих значительную толщину изоляции (от 14 мм и более). В то же время в нашей практике встре-чались случаи проведения данных испытаний по требованию Заказчика для кабелей на напряжение от 10 кВ. Целесообразность данных испытаний обусловлена тем, что при протекании реакции химической сшивки изоляции в ней образуются низкомолекулярные продукты (метан, ацетофенон, куми-ловый спирт, альфа метил стирол), которые способствуют развитию в изоляции множественных микропо-лостей (рис. 6а). С целью удаления

Рис. 3. Изоляция кабеля (сшитый полиэтилен), подвергшаяся интенсивному электрохимическому старению:

а) 1 – электропроводящие полимерные экраны; 2 – изоляция; 3– сплошной фронт водных триингов;

б) водный триинг типа бант (1). Крайний уровень электрохимического старения привел к образованию неполного канала пробоя (электрического триинга) (2)

а) б)

Рис. 4. Характерные дефекты изоляционной системы кабелей среднего

и высокого напряжения:а) – нарушение геометрии изоляции (затекание в пространство между

проволоками жилы); б) – выступ электропроводящего экрана высотой 110 мкм, цена деления объекта микрометра – 10 мкм;в) – полость в изоляции диаметром 2 мм;

г) – частица глубоко термически модифицированного полиэтилена в толще

изоляции, размер дефекта – 125 мкм

2 Квалификация ВНИИКП в данной об-ласти официально признана основны-ми поставщиками данных материалов – международными компаниями Borealis AG, DOW Europe GmbH.

а)

б)

в)

г)

Number_3-2016-final.indd 10 12.07.2016 21:15:05

№ 3 (358), 2016 11№ 3 (358), 2016 11

НАУКА И ТЕХНИКА

данных веществ кабель должен проходить процедуру дегазации – выдержки заготовки на барабане в нагретом состоянии в специальных камерах. Если количество низко-молекулярных продуктов в изоляции выше допустимого, в дальнейшем, когда линия будет смонтирована и герме-тична, диффузия побочных продуктов приведет к повышению давления в арматуре, смещению ее элементов, нарушению герметизации и ряду других отрицательных последствий, в том числе и на стадии заводских испытаний. Существу-ющими стандартами МЭК (IEC 60840, IEC 62067) а также соответствующими ГОСТ Р проверка уровня дегазации не предусмотрена. Однако, как показывает практика, данный параметр является важным, и многие заказчики требуют его определения. При проведении входного контроля нами используется методика, изложенная в европейском стандарте HD 632 S2:2008, основанная на методе термо-гравиметрического анализа (ТГА – рис. 6б3).

Кроме этого, нашими специалистами разработана методика определения содержания метана в изоляции из сшитого полиэтилена кабелей среднего и высокого напря-жения (МИ 16.К00-06–2014), которая позволяет провести прямые измерения количества газа.

Проверка степени сшивки изоляции. Данный вид испытаний (испытание изоляции из сшитого полиэтилена

на тепловую деформацию) предусмотрен стандартами МЭК и ГОСТ Р. Испытания проводятся в соответствии с методами, изложенными в ГОСТ IEC 60811-2-1. Однако в нашей практике, по согласованию с Заказчиком, с целью сокращения времени испытаний, а также повы-шения пространственной разрешающей способности мы используем экспресс-методику, основанную на принципе термомеханического анализа (ТМА). Разработанная экспресс-методика позволяет с шагом около 2 мм прове-рить степень сшивки по всему поперечному сечению изоляции. В случае, если степень сшивки недостаточна, для подтверждения результатов проводятся измерения в соответствии со стандартом, при этом образец для испытаний отбирается из того места изоляции, в котором обнаружены признаки нарушений.

Проверка на наличие аномалий структуры и уровня механических напряжений. Экструдированная электрическая изоляция из химически сшитого полиэтилена представляет собой кристалло-аморфный материал со степенью кристалличности

30–40 % (по данным, полученным методом дифференциальной сканирующей калориметрии), то есть с точки зрения структуры является неоднородным материалом. Определяющее влияние на формирование структуры оказывают состав материала и технология производства: особенности конструкции техно-логического оборудования, скорости экструдирования, темпе-ратуры, давления. Причем, при отступлении от оптимальных режимов в структуре изоляции появляются характерные неоднородности, нарушается геометрия кабеля. Неоднород-ности структуры могут быть выявлены при использовании специальных оптических методов наблюдения (контраст асимметричного освещения, аноптральная микроскопия и другие), примеры приведены на рис. 7).

Многочисленными, выполненными нами исследовани-ями установлено, что морфология оказывает значительное влияние на электрическую прочность. В этой связи в рамках входного контроля мы проводим исследования структуры (пока факультативно), которые позволяют судить о том, насколько технологические режимы были оптимальными. Обнаружение аномалий структуры является основанием для дополнительных проверок дефектности или химического состава изоляции.

Также при входном контроле нами определяется уровень внутренних механических напряжений. Механические

Рис. 5. Электрический триинг, зародившийся на инородном включении в изоляции высоковольтного кабеля

Рис. 6. а) – микрополости в изоляции высоковольтного кабеля, не прошедшего дегазацию;

б) – пример ТГА-термограммы для определения степени дегазации

3 Результаты термического анализа (ТГА, ТМА), приведенные в данной статье, получены специалистами ОАО «ВНИИКП» – Крючко-вым А.А., Степановой Т.А.

а) б)

Number_3-2016-final.indd 11 12.07.2016 21:15:06

12

НАУКА И ТЕХНИКА

напряжения в изоляции образуются в процессе производства вследствие сложных термических и механических воздей-ствий, различий в коэффициентах термического расширения элементов конструкций и др. Качественно оценить аномалии в поле механических напряжений можно поляризационно-оптическим методом по картине интерференционных полос – изохром (рис. 8). Количественная оценка осуществляется нами с использованием ТМА.

Повышенный уровень механических напряжений также отрицательно сказывается на электрической прочности кабеля. Наличие аномалий в поле механических напряжений свидетельствует о нарушении технологии производства или о внешних механических воздействиях на кабель, например, в процессе транспортирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наша многолетняя практика показывает, что, несмотря на проведение испытаний на коротких образцах, входной контроль, безусловно, необходим, поскольку позволяет выявлять несоответствия параметров кабельной продук-ции требованиям нормативных документов. Однако надо отдавать себе отчет в том, что входной контроль не может заменить остальные виды проверок и испытаний, пред-усмотренных нормативной документацией. Наш опыт проведения как входного контроля, так и углубленных лабораторных исследований качества показывает, что достижение положительного результата возможно только при комплексном подходе к данной проблеме, который включает строгое соблюдение заводами-изготовителями технологии, применение качественных материалов, проведение всех видов испытаний, предусмотренных нормативными документами.

Рис. 7. Примеры изображения структуры изоляции:а) – макроскопическое изображение фрагмента изоляции;

б) – зона «стыка потоков» – место с преимущественно радиальной ориентацией структурных неоднородностей;в) – структурные неоднородности изоляции с высоким оптическим контрастом. Появление данных неоднородностей

сопровождалось волнообразными изменениями толщины изоляции в данном месте

а) б) в)

Рис. 8. Распределение интерференционных полос в изоляции кабеля высокого напряжения:а) – аномалии в поле механических напряжений отсутствуют;

б) – участок изоляции, подвергшийся внешнему механическому воздействию

а) б)

12

Number_3-2016-final.indd 12 12.07.2016 21:15:09