Водне триінгування в кабелях середньої напруги з ізоляцією XLPE — непомітний механізм старіння, що призводить до відмов кабелю через роки експлуатації

Гід про вимірювання часткових розрядів і tan delta і гід про випробування кабелів методом VLF розглядають два методи випробувань, що застосовуються для оцінювання старіючих кабелів середньої напруги. Ця стаття розглядає механізм деградації, що лежить в основі, який ці методи випробувань якраз намагаються виявити: водне триінгування в ізоляції XLPE (зшитий поліетилен) кабелів середньої напруги, стандартизоване в межах сфери застосування IEC 60502-2.

Що таке водне триінгування

Водне триінгування — це повільний, прогресуючий у часі процес деградації, що відбувається при одночасному впливі на ізоляцію XLPE вологи та електричного поля. Під цим поєднанням в ізоляції утворюються мікроскопічно малі розгалужені структури, які за формою нагадують гілки дерева — звідси й назва. Ці "дерева" самі по собі зазвичай не є прямим шляхом пробою, але вони поступово послаблюють локальну діелектричну міцність ізоляції протягом періоду, що може розтягуватися від років до десятиліть, доки залишкова електрична міцність не опуститься нижче критичної межі.

Два типи: bow-tie дерева та вентильовані дерева

У літературі розрізняють два основні типи водних дерев, які утворюються в різних місцях ізоляції та мають різний профіль ризику:

• Bow-tie дерева: утворюються всередині самої ізоляції, зазвичай навколо мікроскопічного забруднення чи порожнини, де накопичилася волога. Вони ростуть від цієї центральної точки одночасно у двох напрямках (звідси форма, що нагадує метелик) і зазвичай залишаються обмеженими за розміром.
• Вентильовані дерева: утворюються на межі розділу між ізоляцією та шаром екрана по жилі чи екрана по ізоляції, часто біля мікротріщин, що заповнюються вологою. Вони ростуть від цієї межі всередину ізоляції і в спеціальній літературі, як правило, вважаються більш ризикованими, ніж bow-tie дерева, оскільки можуть проникати глибше в ізоляцію з точки з вищою локальною напруженістю поля.

Примітка: точна залежність між типом водного дерева, залишковою електричною міцністю та практичним ризиком відмови є предметом триваючих матеріалознавчих досліджень і залежить від конкретного ізоляційного компаунду, конструкції кабелю та умов експлуатації. Ця стаття гіда описує загальний механізм, а не кількісний прогноз терміну служби для конкретного кабелю.

Чому цей механізм деградації довго залишається непомітним

Водне триінгування уражає ізоляцію без будь-яких зовні видимих пошкоджень: оболонка кабелю та зовнішня поверхня ізоляції можуть виглядати абсолютно нормально, тоді як всередині вже сформувалася розгалужена мережа водних дерев. Це робить механізм особливо важким для виявлення лише візуальним оглядом і є саме тією причиною, чому діагностичні методи, що оцінюють електричні властивості самої ізоляції — такі як вимірювання часткових розрядів, вимірювання tan delta та випробування VLF, — мають практичну цінність при оцінюванні залишкового терміну служби старих кабелів середньої напруги.

Зниження ризику: водоблокувальна конструкція та TR-XLPE

Для обмеження водного триінгування застосовуються два практичні заходи:

• Водоблокувальна конструкція (водоблокувальна стрічка чи поздовжня водоблокувальність у конструкції кабелю) обмежує проникнення та поширення вологи вздовж кабелю, знижуючи доступність вологи, необхідної для утворення водних дерев.
• Деревостійкий зшитий поліетилен (TR-XLPE, tree-retardant XLPE) — ізоляційний компаунд, спеціально розроблений для уповільнення утворення та швидкості росту водних дерев порівняно зі стандартним XLPE, — застосовується в новіших конструкціях кабелів як додатковий захід, особливо в "мокрих" підземних застосуваннях, де тривалий вплив вологи не можна повністю виключити.

Жоден із цих заходів не усуває механізм повністю; вони уповільнюють його, тим самим продовжуючи практичний термін служби кабелю в умовах експлуатації за підвищеної вологості.

Практична значущість

Під час оцінювання ризику відмови старого кабелю середньої напруги (див. також гід про вимірювання часткових розрядів і tan delta та гід про випробування кабелів методом VLF) важливо розуміти, що водне триінгування — це внутрішній, повільно прогресуючий механізм, який не виявляється суто візуальним оглядом оболонки та кінцевих муфт — саме періодична електрична діагностика самої ізоляції потрібна для отримання уявлення про залишковий стан, особливо для кабелів, які вже довгий час (від років до десятиліть) пролежали у вологому ґрунті.

Типові помилки

1. Припущення, що кабель без видимих зовнішніх пошкоджень також перебуває в хорошому внутрішньому стані — водне триінгування уражає ізоляцію саме без будь-яких зовні видимих ознак.
2. Розгляд bow-tie дерев і вентильованих дерев як однаково ризикованих, тоді як у спеціальній літературі вентильовані дерева зазвичай вважаються більш ризикованим типом через напрямок їхнього росту від межі розділу з вищою локальною напруженістю поля.
3. Розгляд водоблокувальної конструкції чи TR-XLPE як повної гарантії проти водного триінгування, тоді як обидва заходи уповільнюють процес, але не усувають його повністю.
4. Пропуск періодичної електричної діагностики старих кабелів із безаварійною історією експлуатації, тоді як саме поступовий, непомітний характер водного триінгування означає, що кабель може функціонувати роками без відмови, перш ніж залишкова електрична міцність досягне критичної точки.

Пов'язане

• Вимірювання часткових розрядів і tan delta в кабелях СН
• Випробування кабелів методом VLF (Very Low Frequency) для кабелів СН
• Ізоляційний матеріал кабелю: PVC, XLPE, EPR і робоча температура