Водное триингование в кабелях среднего напряжения с изоляцией XLPE — незаметный механизм старения, приводящий к отказам кабеля через годы эксплуатации

Гид об измерении частичных разрядов и tan delta и гид об испытаниях кабелей методом VLF рассматривают два метода испытаний, применяемых для оценки состаренных кабелей среднего напряжения. Эта статья рассматривает лежащий в основе механизм деградации, который эти методы испытаний как раз и пытаются обнаружить: водное триингование в изоляции XLPE (сшитый полиэтилен) кабелей среднего напряжения, стандартизованное в рамках области применения IEC 60502-2.

Что такое водное триингование

Водное триингование — это медленный, прогрессирующий во времени процесс деградации, происходящий при одновременном воздействии на изоляцию XLPE влаги и электрического поля. Под этим сочетанием в изоляции образуются микроскопически малые разветвлённые структуры, которые по форме напоминают ветви дерева — отсюда и название. Эти «деревья» сами по себе обычно не являются прямым путём пробоя, но они постепенно ослабляют локальную диэлектрическую прочность изоляции на протяжении периода, который может растягиваться от лет до десятилетий, пока оставшаяся электрическая прочность не опустится ниже критического предела.

Два типа: bow-tie деревья и вентилируемые деревья

В литературе различают два основных типа водных деревьев, которые образуются в разных местах изоляции и имеют разный профиль риска:

• Bow-tie деревья: образуются внутри самой изоляции, обычно вокруг микроскопического загрязнения или полости, где скопилась влага. Они растут от этой центральной точки одновременно в двух направлениях (отсюда форма, напоминающая бабочку) и обычно остаются ограниченными по размеру.
• Вентилируемые деревья: образуются на границе раздела между изоляцией и слоем экрана по жиле или экрана по изоляции, часто у микротрещин, заполняющихся влагой. Они растут от этой границы внутрь изоляции и в специальной литературе, как правило, считаются более рискованными, чем bow-tie деревья, поскольку могут проникать глубже в изоляцию из точки с более высокой локальной напряжённостью поля.

Примечание: точная зависимость между типом водного дерева, оставшейся электрической прочностью и практическим риском отказа является предметом продолжающихся материаловедческих исследований и зависит от конкретного изоляционного компаунда, конструкции кабеля и условий эксплуатации. Данная статья гида описывает общий механизм, а не количественный прогноз срока службы для конкретного кабеля.

Почему этот механизм деградации долго остаётся незаметным

Водное триингование поражает изоляцию без каких-либо внешне видимых повреждений: оболочка кабеля и внешняя поверхность изоляции могут выглядеть совершенно нормально, тогда как внутри уже сформировалась обширная сеть водных деревьев. Это делает механизм особенно трудным для обнаружения одним лишь визуальным осмотром и является именно той причиной, по которой диагностические методы, оценивающие электрические свойства самой изоляции — такие как измерение частичных разрядов, измерение tan delta и испытание VLF, — имеют практическую ценность при оценке оставшегося срока службы старых кабелей среднего напряжения.

Снижение риска: водоблокирующая конструкция и TR-XLPE

Для ограничения водного триингования применяются две практические меры:

• Водоблокирующая конструкция (водоблокирующая лента или продольная водоблокировка в конструкции кабеля) ограничивает проникновение и распространение влаги вдоль кабеля, снижая доступность влаги, необходимой для образования водных деревьев.
• Древостойкий сшитый полиэтилен (TR-XLPE, tree-retardant XLPE) — изоляционный компаунд, специально разработанный для замедления образования и скорости роста водных деревьев по сравнению со стандартным XLPE, — применяется в более новых конструкциях кабелей как дополнительная мера, особенно в «мокрых» подземных применениях, где длительное воздействие влаги нельзя полностью исключить.

Ни одна из этих мер не устраняет механизм полностью; они замедляют его, тем самым продлевая практический срок службы кабеля в условиях эксплуатации при повышенной влажности.

Практическая значимость

При оценке риска отказа старого кабеля среднего напряжения (см. также гид об измерении частичных разрядов и tan delta и гид об испытаниях кабелей методом VLF) важно понимать, что водное триингование — это внутренний, медленно прогрессирующий механизм, который не выявляется чисто визуальным осмотром оболочки и концевых муфт — именно периодическая электрическая диагностика самой изоляции необходима для получения представления об оставшемся состоянии, особенно для кабелей, уже долгое время (от лет до десятилетий) пролежавших во влажном грунте.

Типичные ошибки

1. Предположение, что кабель без видимых внешних повреждений также находится в хорошем внутреннем состоянии — водное триингование поражает изоляцию именно без каких-либо внешне видимых признаков.
2. Рассмотрение bow-tie деревьев и вентилируемых деревьев как одинаково рискованных, тогда как в специальной литературе вентилируемые деревья обычно считаются более рискованным типом из-за направления их роста от границы раздела с более высокой локальной напряжённостью поля.
3. Рассмотрение водоблокирующей конструкции или TR-XLPE как полной гарантии против водного триингования, тогда как обе меры замедляют процесс, но не устраняют его полностью.
4. Пропуск периодической электрической диагностики старых кабелей с безаварийной историей эксплуатации, тогда как именно постепенный, незаметный характер водного триингования означает, что кабель может функционировать годами без отказа, прежде чем оставшаяся электрическая прочность достигнет критической точки.

См. также

• Измерение частичных разрядов и tan delta в кабелях СН
• Испытание кабелей методом VLF (Very Low Frequency) для кабелей СН
• Изоляционный материал кабеля: PVC, XLPE, EPR и рабочая температура