Обзор исследований EPR изоляции

Представляем перевод научного обзора от консорциума технологий EPR кабелей при центре исследований электрической изоляции, университет Коннектикуда, США. Ссылка на англоязычный источник указана ниже. В обзоре собраны ссылки на статьи по исследованиям свойств изоляции кабеля из EPR (этилен-пропиленовая резина). Основной акцент сделан на обзор исследований, посвященных приложениям в конструкциях кабелей среднего и высокого напряжения. Часть исследований лабораторные, часть - полевые. Есть исследование надежности кабелей в распределительной системе на протяжении более чем 20 лет. В большинстве случаев как альтернативное решение рассматривается изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) и модификации XLPE с повышенным сопротивлением водному триингу (TR-XLPE). Оказывается, есть все основания рассматривать EPR как материал для изоляции кабеля среднего и высокого напряжения. Такая изоляция должна продлить эксплуатационный срок жизни кабельной линии.

Утверждается:

  1. EPR лучше сопротивляется водному триингу, даже по сравнению со специальными марками XPLE.
  2. EPR переносит температурные стрессы, сохраняя геометрию кабеля.
  3. EPR меньше разрушается от коронных разрядов ("искрения"" кабеля).
  4. Кабель с EPR изоляцией сглаживает скачки напряжения, что бережет трансформаторы и прочее индуцируемое оборудование.
  5. Конечно, изоляция из EPR более гибкая.

Конечно, за всеми этими утверждениями есть основания. И, конечно, EPR не является универсальным решением. Но, согласно международному опыту, изоляцию из EPR как решение для кабелей среднего и высокого напряжения следует "взять на вооружение". Даже для кабелей, укладываемых в землю или канализацию, без требований по гибкости.

Часть статей обзора рассматривает не только исследование свойств конечного изделия, но также историю распространения решений и технологию компаундирования. Советуем пользоваться этой страницей как источником для поиска аргументов при реализации технологий и проектов, основанных на решениях с EPR-изоляцией. Листайте, выбирайте интересную вам тему, переходите к источникам (они для удобства собраны в конце страницы), а если возникнут вопросы, пишите нам.

Введение

Экранированный распределительный кабель применяется в диапазоне от нескольких тысяч вольт (кВ) до 69 кВ для прокладки как внутри помещений так и на открытом воздухе, когда применение подвесного кабеля недопустимо. Основным элементом такого типа кабелей является электрическая изоляция, выдерживающая высокое напряжение, возникающее между проводником и заземлением внутри кабеля. Существует два вида изоляции: изоляция на основе заполненной добавками этилен пропиленовой резины EPR и изоляция из относительного чистого сшитого полиэтилена (XLPE или TR-XLPE).

Сопротивление водяному триингу

Изоляция кабеля из сшитого полиэтилена прошла три поколения, каждый из которых был относительно ненадежен к такому явлению, как водный триинг (IEEE_1994, IEEE_2001). В результате этого явления возникают похожие на крону дерева заполненные водой микроканалы, пронизывающие изоляцию и снижающие её электрическую прочность, что приводит к преждевременному выходу из строя кабеля (IEEE_1988, IEEE_1999, PES_ICC_2002, IEEE_2002, IEEE_2004). EPR изоляция относительно невосприимчива к данному явлению (IEEE_2001), что находит подтверждение на протяжении последних 30 лет (Cox_2005, EW_1983, IEEE_1988_2, IEEE_1991).

Термическая и химическая стабильность

Полимеры на базе EPR были разработаны ещё в начале 1960-х годов (History) и отличались по степени кристаллизации, химическим свойствам и пр. (IEEE_1993, IEEE_1993_2, IEEE_1994_2). Сама по себе такая резина слишком мягкая для непосредственного нанесения в виде изоляции, поэтому нужные механические и электрические свойства придают при помощи различных наполнителей, добавляемых в смесь (DEIS_2005). EPR смеси химически и термически более стабильны (DEIS_2006, IEEE_1993) и EPR кабели работают при температурах в 140 – 150 °С (IEEE_1996).

Частичный разряд и устойчивость к коронному разряду

System Message: WARNING/2 (<string>, line 36)

Title underline too short.

Частичный разряд и устойчивость к коронному разряду
=======================================

EPR изоляция обладает большим сопротивлением к разрушающему воздействию коронного разряда и частичного разряда в изоляции, что также говорит о высокой надежности EPR кабелей (IEEE_1995, Cox_2005).

Тесты на частичный разряд

Полевые испытания на частичный разряд распределительного кабеля стали «горячей темой». По результатам исследования стало ясно, что необходимо в ближайшие несколько лет в массовом порядке менять HMWPE и XLPE кабели на новые из-за разрушений изоляции по причине водного триинга. Тема тестирования на частичный разряд распределительного кабеля обсуждаема IEEE_2000. Полевые испытания на частичный разряд EPR кабелей не столь важны, т.к. эти кабели показали себя очень надежными в эксплуатации (Cox_2005).

Защита от высокочастотной составляющей напряжения

System Message: WARNING/2 (<string>, line 46)

Title underline too short.

Защита от высокочастотной составляющей напряжения
=======================================

Преимуществом EPR изоляции является более высокая степень защиты от скачков напряжения (замедление скачка), что позволяет защитить двигатели и трансформаторы от преждевременного выхода из строя таких частей механизмов, как вариаторы, переключатели систем питания, например вакуумные, SF6 выключатели и автоматические выключатели (IEEE_2000_2, IEEE_2002_2, IEEE_ref16, IEEE_2006, IEEE_2006_2).

История

Краткая история кабелей с резиновой изоляцией (IEEE_2011). Краткая история кабелей с резиновой изоляцией, от начала применения Морзе (телеграф) и Эдисоном (электричество) до настоящего времени, включая развитие полимеров из натурального каучука до этилен-пропиленов (EPR).

Надежность

Эффективность эксплуатации кабелей с EPR изоляцией в распределительной системе (Cox_2005). Описан опыт 25 летнего срока эксплуатации EPR в системе электроснабжения компании Memphis Light, Gas and Water.

EPR изоляция снижает триинг и частоту отказов (EW_1983). Свойства кабелей с EPR изоляцией сравниваются со свойствами кабелей с изоляцией из PILC, XLPE и бутиленовой резины.

"Вопрос уверенности" - кабели для подземных городских коммуникаций на основе ERP (IEEE_1988_2). Сравнение применения EPR и XLPE по свойствам и степени надежности.

Электрохимическая причина эффекта смотрового отверстия (IEEE_2009). В статье рассмотрены причины разрыва оболочки кабеля изнутри и самообразования трещин (эффект "manhole" - от англ. "люк", "смотровое отверстие""). Диэлектрические свойства EPR значительно выше чем у старых изоляционных материалов, таких, как SBR (бутадиен-стирольный каучук), что приводит к уменьшению частоты появления эффекта по отношению к кабелям с SBR изоляцией.

Водный триинг

Химическая природа водного триинга теории и доказательства (IEEE_1994). В этой статье обсуждаются различия протекания водного триинга в XLPE и EPR изоляции. Утверждается, что причина в различиях в гидрофобности диэлектриков и удельной проводимости диэлектриков во влажной среде.

Явление водного триинга в наполненной и не наполненной кабельной изоляции (IEEE_2001). В этой статье обсуждаются различия протекания водного триинга в наполненной изоляции, такой как EPR и ненаполненной – XLPE, характеризующиеся разным ионным составом и степенью гидрофобности.

Механизм импульсных переходов водных трий в электрические трии в XLPE (IEEE_1988). Электрический разряд вызывает существенный емкостной ток в канале водного трия из-за узкого сечения канала, имеющего относительно низкую проводимость. Переходные, нелинейные конечные измерения элементов, связанных с тепловыми и электрическими полями по геометрии 15 кВ XLPE изоляции кабеля говорят о том, что электрический разряд в 80 кВ может довести температуру воды в канале трия до точки кипения, a проводимость воды увеличивается на 4 порядка. Повышение температуры уменьшает, по существу, предел текучести XLPE, увеличивает давление в структуре трия и, скорее всего, трий становится сухим, в результате чего происходит переход к электрическому трию.

Механизм деградации импульсной прочности TRXLPE в ходе эксплуатационного старения (IEEE_2002). В этой статье описывается физический механизм импульсной прочности TR-XLPE изоляции при относительно стабильной силе тока.

Полевое старение и электрическое старение

System Message: WARNING/2 (<string>, line 79)

Title underline too short.

Полевое старение и электрическое старение
=======================================

Эксплуатационное старение EPR изоляции в условиях нормальной и увеличенной нагрузки (Cox_Report). В этой статье представлены данные компании Memphis Light, Gas and Water по старению в условиях эксплуатации при нормальной и увеличенной электрической нагрузке за последние 9-14 лет. На данный момент кабели эксплуатируются уже больше 21 года и результаты тестов скоро будут опубликованы. Тем не менее, краткое резюме можно посмотреть здесь Cox_2005.

Контроль и тестирование параметров EP и TRXLPE распределительных кабелей в процессе эксплуатации (IEEE_1999). В этой статье описано ухудшение импульсной прочности TR-XLPE кабелей в течение электрического старения во влажной среде при нормальном рабочем напряжении и во время ускоренного старения при относительно стабильной силе переменного тока. Механизм этого процесса изложен в одной из статей ниже.

Сравнение значений воздействия переменного тока и импульсного пробоя у кабелей с EPR и TRXLPE изоляцией как функции электрического старения во влажной среде (PES_ICC_2002). Ускоренное старение, изученное на моделях кабелей, ещё раз демонстрирует значительное снижение импульсной прочности TR-XLPE изоляции во время электрического старения во влажной среде, хотя сила постоянного тока остается очень стабильной. TR-XLPE изоляция в данном исследовании была разрушена, хотя сила тока, по-видимому остается высокой. Таким образом импульсная прочность TR-XLPE изоляции - более объективный индикатор условий эксплуатации, чем сила переменного тока, которая, скорее всего, остается высокой практически до самого момента разрушения изоляции.

Критический обзор полиэтиленовой изоляции кабелей - обслуживание бывших в употреблении кабелей среднего напряжения (IEEE_2004). В этой статье обсуждается доступные данные об уменьшении электрической на протяжении срока службы XLPE и TR-XLPE изоляции кабелей.

Ускоренное тестирование кабелей подземной прокладки с EPR изоляцией (IEEE_1991). Подведение итогов ускоренной методики определения срока службы и испытаний EPR, XLPE и TR-XLPE изоляции, подробная информация о протоколе испытаний и результатах испытаний.

EPR полимеры, минеральные добавки и компаундирование

System Message: WARNING/2 (<string>, line 92)

Title underline too short.

EPR полимеры, минеральные добавки и компаундирование
=======================================

Химический состав этилен пропиленовой изоляции часть 1 (IEEE_1993). История, структура полимеров, свойства EPR и обсуждение

Химический состав этилен пропиленовой изоляции часть 2 (IEEE_1993_2). Составление и компаундирование EPR изоляции.

Из сырья в качественный диэлектрик - формулы диэлектрических глин (DEIS_2005). Описание процесса получения высокотехнологичных добавок для производства изоляционных материалов.

Компаунды на основе этилен пропилена для применения в энергетике (IEEE_1994_2). Роль различных заполнителей, технологических добавок и композитов в EPR компаундах.

Термические и механические свойства

Термические и механические свойства EPR и XLPE компаундов (DEIS_2006). Термические и механические свойства четырех видов EPR изоляции в сравнении с XLPE.

Высокотемпературные кабели с EPR изоляцией (IEEE_1996). Описывает исследование явления увеличения рабочей температуры до 105°С и предельной тепературы до 140°С за счет применения EPR и специальных добавок.

Устойчивость к коронному и частичному разрядам

System Message: WARNING/2 (<string>, line 111)

Title underline too short.

Устойчивость к коронному и частичному разрядам
=======================================

Оценка устойчивости к частичному разряду в твердой непроводящей изоляции для силовых кабелей (IEEE_1995). Разрядное сопротивление в кабельной изоляции варьируется от очень низкого в XLPE до почти полного в некоторых исполнениях EPR. Величина разрядного сопротивления говорит о надежности изоляции, т.к. некоторые формы дефектов могут и не приводить к сбоям.

Импульсные защитные свойства изоляции EPR

System Message: WARNING/2 (<string>, line 116)

Title underline too short.

Импульсные защитные свойства изоляции EPR
=======================================

Повышение защитных свойств в кабелях среднего напряжения подземной прокладки (IEEE_2006). Импульсные перепады и скачки в энергетических системах могут возникать при переключении устройств, изолированных вакуумом или SF6 изоляцией, а также в твердотельных устройствах, таких как, например, электродвигатели с изменяемой скоростью и тягой. Такие кратковременные скачки распространяются дальше по кабелю и могут индуцировать чувствительные к ЭМ-полям устройства - например, моторы и трансформаторы. Обычно амплитуда таких скачков не превышает нормы. Однако, очень быстрый скачок может привести к недопустимым напряжениям на ближайших приборах, чувствительных к электро-магнитной индукции. Кабель, обладающий потерями на высоких частотах, обычно не может уменьшить амплитуду таких скачков, однако он может существенно замедлить скорость распространения такого скачка, абсорбируя его высокочастотную составляющую. Это снижает напряжение на близлежащих индукционных устройствах и, таким образом, защищает их от вреда и выхода из строя при таких скачках. В этой статье продемонстрированы эксперементальные доказательства такой защиты при применении кабеля с EPR изоляцией для подключения распределительных трансформаторов. Статья была основана на случайном наблюдении сети в эксплуатации - частота выхода из строя трансформаторов была ниже в тех случаях, когда трансформаторы были подключены при помощи EPR-кабеля.

Влияние экранированного распределительного кабеля на очень быстрые перепады (IEEE_2000_2). Величина высокочастотных потерь в распределительных кабелях и зависящие от этого импульсные перепады, описаны на примере четырех видов кабелей на 15 кВ. Изоляция трех из них изготовлена из различных EPR смесей, а четвертая из TR-XLPE.

Влияние экранированного распределительного кабеля на перепады напряжения в сети вызванные молниями (IEEE_2002_2). Свойство гашения высоких частот EPR-изоляции может защитить подземную инфрастуктуру, к примеру – кабели, трансформаторы и пр., от быстрых перепадов напряжения - от разрядов молний, например. Эта статья исследует вопрос на примере распредительной системы.

Влияние кабеля с затуханием высоких частот на скачки напряжений на трансформаторах при разряде молнии (IEEE_ref16). Эта статья похожа на предыдущую, однако фокусируется на трансформаторах и содержит более подробное описание механизма защиты путем экранирования в трансформаторах и при прокладке в подземной инфраструктуре.

Тесты на частичный разряд

Причины возникновения явления частичного разряда в контексте полевых испытаний кабеля (IEEE_2000). Полевые испытания на частичный разряд стали актуальными и обсуждаемыми в виду того, что у большой части рабочих кабелей с XLPE-изоляцией заканчивается срок эксплуатации. Производители ищут пути замены этих кабелей. Относительно кабелей с EPR-изоляцией такого рода вопросы не возникают.

Источники

[источник] Консорциум технологий EPR кабелей. http://eprcable.ims.uconn.edu/epr-cables/
[IEEE_1994] The chemical nature of water treeing: theories and evidence. James J.Xu, Steven A. Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref01.pdf
[IEEE_2001] Water treeing-filled versus unfilled cable insulation. Steven Boggs, James Xu. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref02.pdf
[IEEE_1988] Mechanism for impulse conversion of water trees to electrical trees in XLPE. Steven Boggs, John Densley, Jinbo Kuang. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref03.pdf
[IEEE_1999] Field monitoring of parameters and testing of EP and TR-XLPE distribution cables. C. Katz, B. Fryszczyn, A.M. Regan, W.A. Banker, B.S. Bernstein. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref04.pdf
[PES_ICC_2002] Comparison of AC and impulse breakdown of model EPR and TR-XLPE cables as a function of wet electrical aging. DiLorenzo, Krajick, Boggs, Ronzello, Fridland, Pehlert, Dharmarajan, Annicelli. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref05.pdf
[IEEE_2002] Mechanisms for degradation of TR-XLPE impulse strength during service aging. Steven A. Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref06.pdf
[IEEE_2004] Service aged medium voltage cables – a critical review of polyethylene insulated cables. Arthur V. Pack, Jr., PE http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref18.pdf
[Cox_2005] In-Service Performance of EPR Cables Installed in the Memphis Light Gas and Water Electrical Distribution System. Philip Cox. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/cox.pdf
[EW_1983] EPR insulation cuts treening and cable failures. Dr. Morton Brown. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref07.pdf
[IEEE_1988_2] EPR-based URD insulation: a question of confidence. Morton Brown. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref08.pdf
[IEEE_1991] Accelerated life testing of EPR-insulated underground cable. Morton Brown. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref09.pdf
[History] A Brief History of EPR Dielectric. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref20.pdf
[IEEE_1993] The chemistry of ethylene propylene insulation, part I. Richard J. Arhart. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref10.pdf
[IEEE_1993_2] The chemistry of ethylene propylene insulation, part II. Richard J. Arhart. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref11.pdf
[IEEE_1994_2] Compounding of ethylene-propylene polymers for electrical applications. Morton Brown. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref12.pdf
[DEIS_2005] From “dust” to quality dielectric—the formulation of dielectric clays. John D. Hogan, Lewis A. Berry. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref19.pdf
[DEIS_2006] Thermal and mechanical properties of EPR and XLPE cable compounds. Xiaoguang Qi, Steven Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/t&m.pdf
[IEEE_1996] 105 C / 140 C rated EPR insulated power cables. Paul L. Cinquemani, Frank L. Kuchta, Mujibar M. Rahman, Franco Ruffinazzi, Antonio Zaopo, http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/140c.pdf
[IEEE_2000] Fundamentals of partial discharge in the context of field cable testing. Steven Boggs, John Densley. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref17.pdf
[IEEE_2000_2] Effect of shielded distribution cable on very fast transients. Li-Ming Zhou, Steven Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref14.pdf
[IEEE_2002_2] Effect of shielded distribution cables on lightning-induced overvoltages in a distribution system. Li-Ming Zhou, Steven Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref15.pdf
[IEEE_ref16] Effect of high frequency cable attenuation on lightning-induced overvoltages at transformers. Li-Ming Zhou, Steven Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref16.pdf
[IEEE_2006] Surge protective properties of medium voltage underground cable. Philip Cox, Harry L. Hayes, Philip J. Hopkinson, Rick Piteo, Dr. Steven A. Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref22.pdf
[IEEE_2006_2] Prediction of transient transfer functions at cable-transformer interfaces. Joe Y. Zhou, Steven A. Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref21.pdf
[IEEE_2011] A short history of rubber cables. Carl Zuidema, Wes Kegerise, Robert Fleming, Mark Welker, Steven Boggs. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/History_Rubber_Cable.pdf
[IEEE_2009] The electro-chemical basis of manhole events. Lily Zhang, Steven A. Boggs, Stavros Livanos, Graciela Varela, Aaron Prazan. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/manhole.pdf
[IEEE_1995] Evaluation of discharge resistance of solid dielectric power cable insulations. Huixin Hu. http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/ref13.pdf
[Cox_Report] Field aging of EPR cables under "normal" and "accelerated" voltage stress at Memphis Light, Gas and Water division. Philip E. Cox http://faculty.ims.uconn.edu/~eprcable/cox_field_aging.pdf