СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННОЙ БУМАГИ Российский патент 2004 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к области испытаний изоляционных материалов, в частности изоляционной бумаги, методом люминесцентного анализа и может быть использовано, например, для оценки остаточного ресурса и степени старения маслонаполненного кабеля.

Основу кабельных сетей высокого напряжения в России составляют кабели с бумажной изоляцией, пропитанной маслом под давлением. У большой части кабельных линий израсходована значительная часть фактического ресурса (а у некоторых линий израсходован назначенный ресурс), поэтому задача оценки степени старения и остаточного ресурса для них весьма актуальна. Одним из основных направлений в решении указанных задач является обследование бумажных лент, составляющих изоляцию.

Наиболее традиционным способом такого обследования является определение механических свойств лент (прочности на разрыв, эластичности) [Head J.G., Gale F. S., Lawson W.G. Effects of high temperatures and electric stress on the degradation of oil-filled cable insulation. IEE 3^rd International conference on dielectric materials, measurements and applications. 1979, Birmingham, UK, p. 56-60].

Этот метод имеет следующие недостатки.

Механические характеристики бумаг имеют большой разброс [Diagnostic methods for high voltage cable systems. CIGRE, 1996, 15/21/33-05, 10 р.], факт исчерпания ресурса по этим характеристикам устанавливается достаточно произвольно [Diagnostic methods for HV paper cables and accessories. ELECTRA # 176, 1998, p. 25-51].

Так как воздействующие факторы, в первую очередь температура, характеризуются радиальным градиентом, для достоверной диагностики требуется значительный объем изоляции, который не всегда доступен.

Более эффективным средством диагностики является измерение степени полимеризации бумаги (СП) [Singh L., Morel О.Е., Singh S.К. The development of an aging model to estimate the residual life of oil-paper transmission cables in the United States. CIGRE 1998, 15-201, 7р.]. Этот способ имеет удовлетворительную воспроизводимость и не требует значительного количества материала. Кроме того, он позволяет более объективно оценивать близость состояния изоляции к предельному.

Однако он отличается большой трудоемкостью. Для определения СП одной пробы требуется ее химическая обработка в течение 18 часов [IEC Publication 450. Measurement of the average viscometric degree of polymerization of new and aged electrical papers. 1974, 27 p.].

Необходимо отметить, что явление старения сложно, складывается из целого ряда физико-химических процессов и для его характеристики одного-двух чисел, которые могут быть получены в результате измерения механических параметров и СП вообще говоря, недостаточно.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ оценки степени термического старения изоляционной бумаги путем ее люминесцентного анализа, заключающийся в том, что его проводят по наблюдению спектра люминесценции, вызванной облучением бумаги ультрафиолетовыми лучами, причем степень термического разрушения определяют по величине смещения спектра люминесценции этой бумаги в более длинноволновую область с использованием калибровочного графика (авторское свидетельство СССР 125392? кл. G 01 N 21/64, 1959).

Недостаток способа - малая конкретность. Отсутствуют данные по спектральным диапазонам возбуждения и регистрации, не приводится калибровочный график, необходимый для определения степени деструкции, не приводятся и методы его построения. Кроме того, согласно данным экспериментов смещение спектра люминесценции в более длинноволновую область, положенное в основу этого способа, происходит далеко не при всякой длине волны возбуждения (оно не имеет места, например, для ультрафиолетовой люминесценции). Наконец, способ не позволяет оценивать остаточный ресурс изоляции.

Поставленная задача состояла в разработке способа оценки степени термического старения изоляционной бумаги, позволяющего повысить достоверность определения степени старения и оценить, кроме того, остаточный ресурс кабеля, содержащего испытываемую бумагу в качестве материала изоляции.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки степени термического старения изоляционной бумаги путем возбуждения люминесценции световым потоком и исследования спектра люминесценции предварительно снимают спектр люминесценции образца бумаги в исходном состоянии, для которого определяется степень старения, и подвергают дополнительному термическому старению образцы бумаги при различных температурах в диапазоне 100-180^oС, после чего снимают спектры люминесценции, причем возбуждение люминесценции выполняют световым потоком со спектральным интервалом из диапазона 250-500 нм, а испускание регистрируют в диапазоне 300-700 нм, измеряют интенсивность люминесценции в спектральной области максимума люминесценции бумаги в исходном состоянии или интегральную интенсивность люминесценции, строят кривые зависимости люминесценции от времени старения при разных температурах, из которых определяют значения константы скорости убывания люминесценции К, из которых в свою очередь по соотношению

где Т - абсолютная температура бумаги при испытаниях или эксплуатации и R - универсальная газовая постоянная, определяют значения предэкспоненциального множителя А, и эффективной энергии активации W, и константу скорости старения К_э, соответствующую температуре эксплуатации, и определяют остаточный ресурс τ_ост по соотношению

где I_t - значение интенсивности люминесценции, соответствующее исходному состоянию, I_np - минимально допустимое значение интенсивности люминесценции, соответствующее предельному состоянию бумаги, и о степени старения судят по доле израсходованного ресурса.

Способ заключается в следующем.

Возбуждение люминесценции выполняется световым потоком из спектрального диапазона 250-500 нм. В частности, если в качестве источника света используется ртутная дуговая лампа, то рекомендуемые спектральные интервалы и линии таковы: 250-285, 334, 365, 450-480 нм. При этом испускание следует регистрировать в диапазоне 300-700 нм; для приведенных интервалов и линий возбуждения соответствующие интервалы регистрации таковы: 300-500 нм, 400-700 нм (для линий возбуждения 334 и 365 нм), 500-700 нм соответственно.

Измерения интенсивности люминесценции следует производить в той спектральной области, в которой имеют место наибольшие различия между спектрами бумаг в исходном состоянии и с различными степенями старения, как правило в области максимума люминесценции бумаг в исходном состоянии. Допустимо также выполнять оценки состояния изоляции по интегральным значениям сигнала люминесценции.

Интенсивность люминесценции хорошо коррелирует с СП. На основании этого установлено, что предельное значение интенсивности составляет 30-50% от того, которое имеет место в отсутствии старения, в зависимости от типа бумаги и используемого спектрального диапазона.

Нами установлено, что в процессе термического старения интенсивность люминесценции убывает со временем экспоненциально и что константа скорости этого процесса зависит от температуры по закону Аррениуса. Эти факты позволяют использовать для оценки остаточного ресурса соотношения (1) и (2).

При этом константу скорости убывания люминесценции К следует определять путем испытаний коротких отрезков кабеля или образцов бумаги на ускоренное старение при температурах 100-180^oС.

Выбор диапазона температур, при которых следует выполнять испытания на ускоренное старение, диктуется требованием сохранения механизма термического старения, который имеет место в эксплуатации. Критерием изменения этого механизма при повышении температуры является появление пространственной микронеоднородности люминесценции, т.е. образование в бумаге микроучастков с меньшей по сравнению с окружающим материалом люминесценцией.

Долю израсходованного ресурса определяют как отношение наработки t к сумме наработки и остаточного ресурса
доля израсходованного ресурса =
Наблюдение и регистрацию люминесценции целесообразно выполнять на микроспектрофлуориметре, т. е. на приборе, обладающем высоким пространственным разрешением. Это позволяет определять предельное состояние не только по интенсивности люминесценции (что обеспечивается и на макроспектрофлуориметре). В том случае, если будет обнаружена значительная пространственная неоднородность люминесценции, т.е если бумага состоит из чередующихся участков с относительно большой и малой люминесценцией (и относительные отличия достигают 4 крат), состояние изоляции следует квалифицировать как предельное, вызванное значительным перегревом.

При использовании видимой люминесценции определить степень близости состояния изоляции к предельному можно также, используя характеристику формы спектра, определяемую соотношением:

где длины волн λ₁ и λ₂ находятся в диапазонах 490-500 и 550-600 нм соответственно. Предельное значение спектральной характеристики (3) составляет 0,2-0,1, т.е. при СХ≤0,1-0,2 состояние изоляции предельное.

Если же на бумаге обнаруживаются участки, у которых люминесценция вообще отсутствует, то это доказывает, что изоляция подвергалась действию электрических разрядов и также находится в предельном состоянии.

Кабельные бумаги, находясь в составе изделия, приобретают спиральную форму, что затрудняет проведение измерений, т.к. в фокусе объектива измерительного прибора оказывается лишь малый участок бумажной ленты. Этот недостаток может быть преодолен путем применения контактных объективов, выравнивающих поверхность исследуемого объекта.

Изложенное поясним следующими примерами.

1) Маслонаполненный кабель на напряжение 110 кВ отработал в эксплуатации 20 лет. Отрезок этого кабеля длиной 1,6 м был разделен на 10 образцов одинаковой длины. Один образец был использован для определения исходного состояния изоляции, девять образцов были использованы для определения параметров температурной зависимости коэффициента скорости старения (т.е. убывания люминесценции) путем испытаний на ускоренное старение и последующих измерений спектров люминесценции. Торцы образцов сразу после разделки запаивались, в один из торцов впаивалась трубка - расширитель. Старение производилось при температурах 100, 120, 140^oС. Времена съема образцов с испытаний составили:
при температуре 100^oС: 16050 ч,
при температуре 120^oС: 5648 и 10830 ч,
при температуре 140^oС: 1150, 2590, 3930 и 5374 ч.

После снятия каждого образца с испытаний он вскрывался, из бумажных лент экстрагировалось кабельное масло и измерялись спектры люминесценции лент. Измерения выполнялись с помощью микроспектрофлуориметра, собранного на базе микроскопа ЛЮМАМ Р-8. В качестве источника света использовалась ртутная лампа ДРШ 250-2, из спектра излучения которой выделялось возбуждающее излучение с длиной волны 365 нм. Это излучение с помощью светоделительного зеркала направлялось в объектив с увеличением 10 и числовой апертурой 0,3, выполняющий одновременно и роль конденсора. Свет люминесценции через этот объектив и фотометрическую диафрагму - зонд поступал на дифракционную решетку монохроматора, имеющую 600 штрихов/мм. Световой сигнал, разложенный монохроматором в спектр, направлялся на фотокатод фотоэлектронного умножителя Hamamatsu R 928 и после аналогово-цифрового преобразования заносился в память ЭВМ.

На фиг. 1 приведена зависимость относительной интенсивности люминесценции, измеренной на длине волны 490 нм, от времени старения при разных температурах испытаний. При построении фиг.1 значения интенсивности люминесценции представлялись в долях от величины I_t, соответствующей наработке 20 лет. В свою очередь I_t составляет 90% от значения, соответствующего кабелю в состоянии поставки, не подвергавшемуся сколько-нибудь значительным термическим воздействиям.

На основе полученных опытных данных найдены следующие значения коэффициентов:

Величины констант скоростей К при различных температурах испытаний, а также параметры А и W определяются из опытных данных методом наименьших квадратов или каким-либо иным известным способом.

Оценка остаточного ресурса в виде его зависимости от температуры показана на фиг.2.

Полученные результаты позволяют оценивать степень старения, определяемую как отношение наработки изделия к сумме наработки и остаточного ресурса. Так, если дальнейшая эксплуатация кабеля будет происходить при температуре 80^oС, то в соответствии с фиг.2 степень старения составит 20/(20+32)=38,5%.

2) После длительной эксплуатации отказала кабельная линия, оснащенная кабелем с алюминиевой оболочкой - произошел пробой соединительной муфты. Во внешних слоях бумажных лент были обнаружены местные потемнения, отличающиеся значительной микрогетерогенностью интенсивности люминесценции. Спектры люминесценции более темных и относительно светлых микрообластей приведены на фиг.3. И по отношению максимумов в распределениях интенсивности (оно достигает 6) и по величине спектральной характеристики (3), равной 0,12, при λ₁ = 500 нм и λ₂ = 560 нм состояние изоляции является предельным. Причиной отказа послужило местное воздействие высокой температуры, связанное, скорее всего, с нарушением технологии монтажа (лужения, пайки).

Изобретение относится к области испытаний изоляционной бумаги. Способ включает снятие спектра люминесценции образцов бумаги, подвергнутых дополнительному термостарению в диапазоне 100-180^oС, причем возбуждение люминесценции выполняют световым потоком из интервала длин волн 250-500 нм, а испускание регистрируют в диапазоне 300-700 нм, измерение интенсивности люминесценции и построение кривых зависимости люминесценции от времени ускоренного старения при разных температурах, из которых определяют значения константы скорости убывания люминесценции К. Из соотношения K=A•exp(-W/RT) определяют значения множителя А, эффективной энергии активации W и константу скорости старения К_э, соответствующую температуре эксплуатации. Затем определяют остаточный ресурс τ_ост по соотношению τ_ост = 1/K_э•ln(I_t/I_пр), где I_пр - минимально допустимое значение интенсивности люминесценции, соответствующее предельному состоянию бумаги, I_t - значение интенсивности люминесценции, соответствующее исходному состоянию, для которого оценивается степень старения. О степени старения судят по доле израсходованного ресурса. Технический результат - повышение достоверности определения степени старения. 3 ил.

Способ оценки степени термического старения изоляционной бумаги путем возбуждения люминесценции световым потоком и исследования спектра люминесценции, отличающийся тем, что предварительно снимают спектр люминесценции образца бумаги в исходном состоянии, для которого определяется степень старения, и подвергают дополнительному термическому старению образцы бумаги при различных температурах в диапазоне 100-180°С, после чего снимают спектры люминесценции, причем возбуждение люминесценции выполняют световым потоком со спектральным интервалом из диапазона 250-500 нм, а испускание регистрируют в диапазоне 300-700 нм, измеряют интенсивность люминесценции в спектральной области максимума люминесценции бумаги в исходном состоянии или интегральную интенсивность люминесценции, строят кривые зависимости люминесценции от времени старения при разных температурах, из которых определяют значения константы скорости убывания люминесценции К, из которых в свою очередь по соотношению

где Т - абсолютная температура бумаги при испытаниях или эксплуатации;

R - универсальная газовая постоянная,

определяют значения предэкспоненциального множителя А и эффективной энергии активации W, и константу скорости старения К_э, соответствующую температуре эксплуатации, и определяют остаточный ресурс τ_ост по соотношению

где I_t - значение интенсивности люминесценции, соответствующее исходному состоянию;

I_пр - минимально-допустимое значение интенсивности люминесценции, соответствующее предельному состоянию бумаги,

и о степени старения судят по доле израсходованного ресурса.