СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ
METHOD FOR TESTING OF CABLE PRODUCT INSULATION

Изобретение относится к дефектоскопии изоляции кабельных изделий электроискровым методом неразрушающего контроля.
Известен способ контроля целостности изоляции кабельных изделий высоким гармоническим напряжением с использованием электроискровых дефектоскопов (Патент US 5132629, IC G01R 31/02, опубл. 21.07.1992 г.). Способ контроля основан на использовании электроискрового метода неразрушающего контроля (ГОСТ 2992-78. Кабели, провода и шнуры. Методы испытания напряжением) и заключается в непрерывном прикладывании к поверхности движущегося кабельного изделия посредством электрода высокого гармонического напряжения, при этом токопроводящие элементы кабельного изделия заземляют. При появлении дефектного участка в зоне высокого напряжения происходит скачкообразное повышение тока через изоляцию вследствие электрического пробоя, что детектируется схемами дефектоскопа и определяется как дефект.
Недостатком данного способа контроля является то, что многие «несквозные» дефекты (утонение изоляции, пустоты в диэлектрике), влияющие на электрическую прочность и износостойкость изоляции, электроискровым методом не выявляются. Также к недостатку способа можно отнести отсутствие возможности получения информации об электрических свойствах объекта контроля, которые могли бы повысить выявляемость дефектов и обеспечить возможность выбора наиболее эффективных режимов работы дефектоскопов.
Упомянутые выше дефекты в изоляции, не выявляемые электроискровым методом контроля, обнаруживают способом непрерывного измерения емкости участков кабельных изделий (Патент US 6498499, IC G01R 27/26, опубл. 24.12.2002 г.). Данный способ заключается в подаче известного напряжения высокой частоты (порядка десятков кГц) к измерительной трубе (электроду), через которую движется контролируемое кабельное изделие, и измерении значения тока в цепи. Измерительную трубу во время контроля помещают в ванну с водой. Вода позволяет обеспечить электрический контакт нужного качества с поверхностью изоляции. Проводящие элементы кабельного изделия заземляют. Непрерывно измеряя значение тока и используя известные значения напряжения и частоты, рассчитывают электрическую емкость изоляции. По значению емкости судят освойствах диэлектрика.
Недостатком способа является то, что, в целях обеспечения электробезопасности, измерительные напряжения выбирают низкими (десятки вольт). Необходимая чувствительность измерения достигается тем, что прикладываемое напряжение имеет высокую частоту. Но при использовании низкого напряжения не обнаруживаются «сквозные» дефекты малых размеров (микротрещины), пустоты в изоляции и инородные включения, т.к. общая емкость всего участка меняется незначительно. Условия измерений емкости с использованием высоких и низких напряжений не могут быть взаимозаменяемыми из-за различий в протекающих в диэлектрике физических процессов.
Существует способ измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляции кабельных изделий с помощью высоковольтных уравновешенных мостов переменного тока (ГОСТ 9486-79. Мосты переменного тока измерительные. Общие технические условия; ГОСТ Р 51978-2002. Кабели грузонесущие геофизические бронированные. Общие технические условия).
Недостатком этого способа измерения является то, что он применяется только при выходном контроле готового изделия и неприменим в случае с движущимся кабельным изделием. К недостатку также можно отнести то, что указанные мосты работают при напряжениях, не превышающих 10 кВ, что в 3-5 раз ниже напряжений, используемых в электроискровом методе неразрушающего контроля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля, используемый в электроискровых дефектоскопах (Патент US 5302904, IC G01R 31/08, опубл. 12.04.1994 г.), согласно которому к участку поверхности изоляции движущегося кабельного изделия при заземленных электропроводящих элементах посредством электрода непрерывно прикладывают высокое гармоническое напряжение измеренных уровня и частоты, фиксируют скачки тока через изоляцию, возникающие при электрическом пробое изоляции, по которым судят о наличии дефекта.
Недостатком способа контроля является то, что он не позволяет выявлять различные виды «несквозных» дефектов. К таким дефектам можно отнести утонение и утолщение изоляции, структурные неоднородности в диэлектрике, пустоты и инородные включения. Эти дефекты в большинстве случаев проходят незамеченными, потому что их нахождение в зоне высокого напряжения не приводит к электрическому пробою, т.к. электрическая прочность диэлектрика в местах таких дефектов часто остается выше, чем пробивное напряжение. Еще одним недостатком является отсутствие возможности получения информации о физических свойствах диэлектрика.
Задачей, решаемой предлагаемым способом контроля, является повышение выявляемости дефектов и повышение информативности электроискрового метода контроля.
Поставленная задача достигается тем, что к участку поверхности изоляции движущегося кабельного изделия при заземленных электропроводящих элементах посредством электрода прикладывают высокое (до 40 кВ) гармоническое напряжение измеренных уровня и частоты, фиксируют скачки тока через изоляцию, возникающие при электрическом пробое изоляции, по которым судят о наличии дефекта. Одновременно с этим проводится измерение тока через изоляцию, при использовании значений уровней тока и напряжения, определяют полное сопротивление участка изоляции, по комплексным составляющим которого судят о физических свойствах диэлектрика изоляции участка изделия.
На фиг.1 изображена схема устройства, которое реализует предлагаемый способ контроля изоляции кабельных изделий.
С
<mrow><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Устройство состоит из генератора 1, соединенного последовательно с датчиком тока 2 и первичной обмоткой 3 высоковольтного трансформатора 4. Вторичная высоковольтная обмотка 5 высоковольтного трансформатора 4 при помощи высоковольтного кабеля соединена с электродом 6, сквозь который проходит контролируемое кабельное изделие 7. При этом токопроводящую жилу 8 контролируемого кабельного изделия 7 заземляют. Схема вычислений 10 соединена с датчиком тока 2, низковольтной вторичной обмоткой 9 высоковольтного трансформатора 4 и с устройством отображения и передачи информации 11. Устройство работает следующим образом. С помощью генератора 1 генерируется гармоническое напряжение нужной формы и частоты, уровень которого увеличивается высоковольтным трансформатором 4. Датчик тока 2 производит непрерывное измерение уровня тока в цепи. Образовавшееся на выходе вторичной высоковольтной обмотки 5 высокое напряжение с помощью электрода 6 прикладывается к поверхности контролируемого кабельного изделия 7. Высоковольтный трансформатор 4 имеет низковольтную вторичную обмотку 9, с помощью которой осуществляется измерение уровня прикладываемого напряжения. Для проведения вычислений и обработки измерений в устройстве используется схема вычислений 10. В частности, схема 10 проводит вычисление комплексных составляющих R и Х полного сопротивления
и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ с использованием следующих зависимостей:
<mrow><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>J</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mi>C</mi><mi>R</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>б</mi><mtext></mtext><mi>е</mi><mi>з</mi><mtext> </mtext><mi>у</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>т</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>в</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>н</mi><mi>д</mi><mi>у</mi><mi>к</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>R</mi><mrow><msub><mi>X</mi><mi>C</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>J</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
С
где
- полное сопротивление участка изоляции;
- комплексная амплитуда прикладываемого напряжения;
- комплексная амплитуда тока; j - мнимая единица; ω - угловая частота; Х - емкостное сопротивление изоляции; С - емкость изоляции; R - активное сопротивление изоляции.
К схеме вычисления 10 подключены датчик тока 2 и измерительная обмотка 9 с тем, чтобы измеренные значения напряжения и тока использовались в вычислении вышеупомянутых величин.
При попадании в зону высокого напряжения дефектного участка изоляции, ее электрические параметры изменяются, а в случае электрического пробоя происходит скачкообразное повышения уровня тока в цепи. Во всех случаях схема вычислений 10 фиксирует эти изменения. При помощи схемы вычисления 10 задается диапазон значений измеряемых и вычисляемых параметров. Выход за границы этого диапазона означает дефект в изоляции, и схема сгенерирует сигнал о дефекте. От правильной установки диапазона значений зависит уровень чувствительности к определению дефектов. Таким образом, одновременно проводится контроль на повышение уровней тока через изоляцию и на изменение электрических параметров изоляции. Значения электрических параметров изоляции, уровни напряжения, тока и количество дефектов выводятся на устройство отображения и передачи информации 11.
В электроискровых дефектоскопах измерение тока и прикладываемого напряжения возможно при подключении соответствующих средств измерения во вторичную высоковольтную обмотку 5 высоковольтного трансформатора 4, при этом выбор типа средства измерения и параметров подключения его в цепь зависит от задач контроля. Токопроводящие элементы кабельного изделия, например, металлические жилы или экран, заземляются. Схема вычисления 10 может иметь различные варианты исполнения.
Использование в данном способе контроля высокого напряжения при определении составляющих полного сопротивления позволяет повысить выявляемость «несквозных» дефектов, что сложно выполнить, применяя низкие уровни напряжений. Существует разница в физике протекающих в диэлектрике процессов в областях слабых и сильных электрических полей. В области сильных электрических полей протекают процессы ионизации диэлектрика, газа или вещества с величиной диэлектрической проницаемости, отличающейся от величины диэлектрической проницаемости основного диэлектрика. В результате этих процессов на дефектных участках меняется проводимость (активное сопротивление) и емкость, в случаях с инородными включениями увеличивается интенсивность тепловых потерь в диэлектрике и повышается тангенс угла диэлектрических потерь (Сканави Г.И. «Физика диэлектриков. Область сильных полей», 1958 г.). Таким образом, по увеличению тангенса угла потерь становится возможным выявлять местные неоднородности, содержащие посторонние газовые или твердые инородные включения, приводящие к возникновению частичных разрядов и, со временем, к пробою изоляции. Изменение емкости указывает на протяженные во времени изменения толщины изоляции или местные несплошности (трещины, разрывы и т.п.).
Информативность контроля повышается за счет непрерывного анализа данных о различных электрических параметрах изоляции. Применяя указанные данные, судят о физических свойствах изоляции, об изменении химического состава или неоднородностях в структурах полимеров, которые влекут за собой локальные изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика. Важным аспектом является то, что появляется возможность непрерывно проводить мониторинг условий контроля и своевременно координировать работу электроискрового дефектоскопа в соответствии с режимами эксплуатации.