Способ определения качества резиновой изоляции кабелей
METHOD FOR DETERMINING QUALITY OF RUBBER INSULATION OF CABLES

Изобретение относится к области силовых кабелей, в частности резиновой изоляции кабелей, и может быть использовано для диагностики и оценки качества резиновой изоляции кабелей.
В мировой практике до сих пор не создана система профилактических испытаний кабельной изоляции силовых кабелей неразрушающими методами, которая позволила бы оценивать остаточный ресурс и прогнозировать вероятность выхода кабеля из строя в процессе его эксплуатации. Осуществляется только эпизодический контроль сопротивления штатными приборами. Практикуемые на энергетических предприятиях испытания высоким напряжением, в ходе которых происходит пробой изоляции в «слабых» участках (с последующей заменой пробитых отрезков), например на судах, категорически запрещен и не может быть применим.
Тем более, что подобные процедуры не могут предотвратить аварийные ситуации и не дают информации об остаточном ресурсе кабеля и, кроме того, могут сами по себе приводить к ухудшению состояния изоляции, поскольку испытательное напряжение значительно превышает рабочее (эксплуатационное) напряжение.
В связи с этим актуальным является необходимость разработки способа неразрушающего контроля и остаточного ресурса изоляции кабелей, который основывается на анализе физических свойств изоляции кабеля.
Попытки разработки подобного способа были сделаны в работах С.Н. Койкова, Сажина Б.И. (Койков C.H., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков. - Л.: Энергия, 1968 - 184 с.; Сажин Б.И. Электрические свойства полимеров. - Л.: Химия. 1986 г.) и других. Результаты исследований позволили выдвинуть гипотезы о старении керамических конденсаторов, кабелей с полиэтиленовой, бумажно-пропитанной изоляцией и т.п.
Контроль надежности и оценка остаточного ресурса силовых кабелей может быть осуществлены на основе измерения абсорбционных характеристик, динамических вольтамперных характеристик, реверсивных и термостимулированных токов и другими технически сложно реализуемыми методами (Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных материалов, не имеющие перспективы применения в реальных условиях эксплуатации кабелей (Пошерстник М.Ю., Салютина М.А. Справочник по судовым кабелям и проводам. - Л.: Судостроение, 1966. - 251 с.).
Наиболее перспективным является выявление диагностических параметров изоляции - физических свойств, которые изменяются в процессе старения изоляции.
Известен способ определения качества резиновой изоляции кабелей (а.с. СССР №1394174, опубл. 07.05.1988), заключающийся в том, что прикладывают постоянное испытательное напряжение между жилой кабеля и измерительным электродом, измеряют зависимость тока через изоляционное покрытие от температуры, а о качестве изоляции судят по особенностям зависимости тока от температуры. После длительной эксплуатации на зависимости тока от температуры проявляется точка излома, которая смещается в область более низких температур. Способ позволяет своевременно устранять состарившиеся локальные участки кабельной сети.
К недостаткам известного способа относится необходимость прикладывания электродов и электрического напряжения, создание условий для монотонного увеличения температуры образца кабелей в процессе испытаний, что нельзя осуществить непосредственно в процессе эксплуатации, тем более под напряжением кабеля.
Задача изобретения заключается в разработке простого способа определения качества изоляции кабелей непосредственно в реальных условиях их эксплуатации, в т.ч. под напряжением.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в создании простого способа определения качества резиновой изоляции кабелей непосредственно в процессе их эксплуатации, в т.ч. под напряжением.
Для достижения указанного технического результата в заявляемом способе используют диагностический параметр - твердость изоляции Н, которую измеряют стандартными приборами для измерения твердости по методу Шора. Твердость H измеряют переносным измерителем твердости, например ТН-200, значения которого (в пределах от 0 до 100) приводятся в единицах HSA.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Согласно техническим условиям одним из критериев работоспособности кабелей после истечения срока службы является отсутствие на поверхности шланговой оболочки трещин по длине.
В процессе эксплуатации за счет протекающих химических реакций кабель теряет эластичность, гибкость и становится жестким. На его оболочке и изоляции жилы возникает первоначально сетка мелких трещинок, а затем, окончательно, трещины, открывающие доступ влажному воздуху, загрязнениям вплоть до металлической жилы (при этом следует заметить, что в отсутствие загрязнений и в сухом воздухе электрическое сопротивление кабеля с трещинами в объеме изоляции может оставаться относительно повышенным, но оно резко падает во влажной или агрессивной среде).
Анализ и опыт эксплуатации кабелей с резиной изоляцией показывает, что срок службы кабелей ограничивается фактически временем появления трещин на поверхности шланговой изоляции кабеля.
Таким образом, критерием старения является образование трещин на поверхности шланговой изоляции и изоляции жилы.
Для экспресс-анализа технического состояния кабелей необходимо разработать методику оценки диагностического параметра, который изменяется со временем по мере старения изоляции и непосредственно связан с процессом трещинообразования.
Подобным диагностическим параметром, по мнению авторов, является твердость изоляции, которая, как показывает практика, существенно изменяется в процессе старения изоляции.
Следует учитывать, что одноразовое измерение твердости шланговой изоляции кабеля или изоляции жилы недостаточно для оценки технического состояния кабелей по следующей причине.
Шланговую изоляцию и изоляцию жилы кабелей выполняют из полимерного материала - эластомера, состав которого регламентирован техническими условиями. Несмотря на идентичность механических и электрических характеристик в целом, локальные участки кабелей отличаются друг от друга по своим показателям и характеризуются статистическими характеристиками, обусловленными естественным разбросом данных.
При анализе заявленного диагностического параметра следует учитывать, что старение изоляции кабелей происходит неодинаково в разных точках поверхности по всей длине кабеля. Это связано с вероятностными процессами протекающих химических реакций. Т.е. естественным является разброс значений твердости в различных точках как исходного, так и состаренного кабелей.
i из.ш
i из.ж
i из.ш
i из.ж
H
H
В связи с этим при исследовании параметров твердости выделенного участка кабелей осуществляют многократные измерения (n измерений) и фиксируют локальные значения твердости, обозначаемые как твердость шланговой изоляции H и твердость H изоляции жилы. С учетом статистического разброса данных полученную совокупность значений твердости (выборку) обрабатывают известными статистическими методами для оценки статистических параметров: среднего значения твердости ( и ), квадратического отклонения, абсолютной погрешности ΔН и др., а также статистических функций: функции распределения твердости F(H), функции плотности распределения твердости .
Предлагаемый способ определения качества резиновой изоляции кабелей иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
2
2
На фиг. 1 представлены данные расчета стандартных функций F(H),  для твердости шланговой изоляции кабеля КНР 3×4 мм, на фиг. 2 - данные расчета стандартных функций F(H),  для твердости изоляции жилы кабеля КНР 3×4 мм, на фиг. 3 - график зависимости функции распределения F(H) от твердости изоляции кабелей, на фиг. 4 - график зависимости функции плотности распределения  от твердости изоляции кабелей.
Способ осуществляют следующим образом.
i из.ш
i из.ж
Выбирают участок кабельной трассы для анализа шланговой изоляции H и изоляции жилы H кабеля. Производят на выбранном участке кабельной трассы замеры твердости в количестве 25-30, которое определяется с учетом проведения статистического анализа. Причем измерение твердости изоляции жилы кабеля проводят на участке с оголенным шлангом, например вблизи контактных соединений, светильников и др., т.е. в тех местах, где есть доступ и к самой изоляции жилы кабеля. Затем проводят математическую обработку полученных данных.
H
n
Математическая обработка данных может быть осуществлена стандартным методом путем расчета среднего значения , абсолютной погрешности ΔH, при учете коэффициента t Стьюдента (вероятность Р=0,95), а также расчетом функции распределения твердости F(H) и функции распределения плотности твердости  анализируемой выборки.
Пример
2
Определение качества состаренной шланговой изоляции кабеля КНР 3×4 мм.
i из.ш
i из.ж
i
мин
мах
В процессе испытаний неоднократно измеряют значения твердости шланговой изоляции H кабеля и изоляции жилы H кабеля анализуемой выборки, представленной соответственно в таблицах (фиг. 1, 2), так что каждое значение твердости H - случайная величина, принимающая одно из возможных значений твердости в пределах определенного промежутка от H до H в результате испытаний.
H
Совокупность значений выборки (фиг. 1, 2), как значений случайной величины, образует статистический ряд, в нашем случае 2 ряда. Для анализа такого ряда можно использовать разнообразные числовые характеристики статистики (имеют функции в пакете Excel): среднее значение  (математическое ожидание), стандартное (квадратическое) отклонение σ и т.д. Характеристикой случайной величины H является закон распределения, имеющий две формы представления:
- функция распределения F(H) твердости, определяющая вероятность появления случайной величины, принимает значения от 0 до 1 (интегральная функция);
- функция плотности распределения твердости -  - первая производная от функции распределения (дифференциальная функция), показывающая вероятность попадания случайной величины в заданный интервал и какие значения случайной величины наиболее вероятны.
H
i
Определение форм нормального распределения средствами Excel реализуют с помощью стандартных статистических функций. Например, функция НОРМРАСП (х; ; σ; интегральная), где х - значение случайной величины H, для которой определяют F(x) и. Параметр "интегральная" определяет форму распределения, для которой определяется значение (F(x) - "ИСТИНА";  - "ЛОЖЬ").
Определение функции распределения твердости и плотности распределения твердости может быть пояснено на примере данных, представленных в таблицах (фиг. 1, 2):
i из.ш
i из.ж
1) производят испытания параметров твердости выборки H и H;
H
2) рассчитывают средние значения  (функция "СРЗНАЧ") и стандартное отклонение σ ("СТАНДОТКЛОН");
мин
мах
H
H
3) находят пределы изменения случайной величины с учетом закона трех сигм (генеральная совокупность): H=-3σ; H=+3σ, округляют полученные значения;
мах
мин
4) вычисляют шаг δH изменения случайной величины для определения интервала изменения генеральной совокупности: δH=(H-H)/n, где n - количество значений в возможном интервале, задаваемое при испытании;
i из.ш
i из.ж
мин
мах
5) записывают вероятные значения изменения величины H и H через шаг δH от H до H;
6) вычисляют значения функции распределения F(H) твердости и плотности распределения  твердости с помощью функции НОРМРАСП, причем функции F(H) и  являются стандартными функциями программы Excel, с помощью которой их вычисляют;
7) строят графики зависимости функции F(H) и плотности распределения  от твердости с помощью мастера диаграмм.
2
2
2
2
Результаты расчета стандартных функций для твердости шланговой изоляции КНР 3×4 мм представлены в таблице (фиг. 1), результаты расчета стандартных функций для твердости изоляции жилы кабеля КНР 3×4 мм представлены в таблице (фиг. 2). На основании рассчитанных данных (фиг. 1 и фиг. 2) построены графики зависимостей функции F(H) и плотности распределения  от твердости для шланговой изоляции кабеля КНР 3×4 мм (кривая 2 на фиг. 3, 4) и изоляции жилы кабеля КНР 3×4 мм (кривая 3 на фиг. 3, 4).
из.ш
Таким образом, анализ данных (фиг. 3, 4, кривая 2) показывает, что трещины в шланговой изоляции исследуемого кабеля КНР появляются в том случае, когда более 50% результатов выборки имеют значения более H>95-97 HSA.
из.ж
Аналогично, показано, что трещины в изоляции жилы исследуемого кабеля КНР появляются в том случае, когда более 50% результатов выборки имеют значения более H>89-90 HSA (фиг. 3, 4, кривая 3).
Аналогичным образом была исследована резиновая изоляция других кабелей, результаты представлены кривыми 1, 4, 5 на фиг. 3, 4.
На фиг. 3, 4 обозначены позициями графики для:
1 - изоляции жилы (более 40 лет старения с трещинами); 2 - шланговой изоляции кабеля (без трещин); 3 - изоляции жилы внутри шланга (без трещин); 4 - изоляции жилы вне шланга на воздухе (без трещин); 5 изоляции жилы вне шланга на воздухе (с трещинами).
из.ж
Например, для полностью разрушенной резиновой изоляции жилы (кривая 1) более 50% значений лежат в пределах Н>95 HSA.
из.ш.
Шланговая изоляция кабеля КНР (кривая 2) после 25 лет хранения при комнатных условиях практически утратила упругость (95% значений лежат в пределах Н<92 HSA), но видимых поперечных трещин не наблюдается.
Н
Н
из.ж.ш
из.ж
из.ж.мах
Изоляция жилы кабеля КНР, находящаяся в ненарушенной шланговой изоляции (кривая 3), имеет относительно хорошую упругость при среднем значении твердости =70 HSA (для исходной изоляции жилы =66,3 НА), а максимальные значения твердости не превышают Н=82 HSA. (фиг. 3, 4).
из.ж.
Изоляция жилы, находящаяся на воздухе вне шланга (фиг. 3, 4 кривые 4 и 5), потеряла упругость, причем 33% изоляции жилы (одна жила из трех) имеет выраженные поперечные трещины; при этом более 50% значений имеют твердость более Н=92,5 HSA (кривая 5). Изоляция жилы, не имеющая трещин, имеет 50% значений выше среднего значения (Н=78, 7 HSA), при этом большинство значений твердости лежит в пределах H<92 HSA.
из.ш
Таким образом, трещины в шланговой изоляции исследуемого кабеля появляются в том случае, когда более 50% результатов выборки имеют значения более H>95-97 HSA.
из.ш
Аналогично показано, что трещины в изоляции жилы исследуемого кабеля КНР появляются в том случае, когда более 50% результатов выборки имеют значения более Н>89-90 HSA.
Использование предлагаемого способа определения качества резиновой изоляции кабеля позволяет провести экспресс анализ участков кабельных трасс, что приводит к увеличению эксплуатационной надежности, электро- и пожаробезопасности электрических сетей. Достоинством данного способа является возможность определения качества шланговой изоляции и изоляции жилы кабеля непосредственно в процессе эксплуатации, в том числе под напряжением.