Файл: Дубинский, И. М. Электроснабжение передвижного оборудования при открытой добыче угля [практ. пособие].pdf

работы по изучению теплового старения резин готовых кабель­ ных изделий при температуре 65—95° С. Московским горным институтом совместно с ВНИИКП были проведены опыты по тепловому старению резин на шланговых гибких кабелях в том же диапазоне температур. В результате этих работ были уста­ новлены следующие основные закономерности.

1. Электрические характеристики изоляции в процессе теп­ лового старения изменяются в меньшей мере, чем физико-меха­ нические. Даже тогда, когда резина полностью теряет эластич­ ность, электрические параметры остаются высокими. Сопротив­ ление изоляции и электрическая прочность кабелей, прорабо­ тавших 11 лет, находятся в допустимых пределах. Относительное удлинение изоляционных резин снижается быстрее, чем разрыв­ ная прочность.

2.Старение защитной оболочки при температурах, близких

крабочим, происходит интенсивнее, чем старение изоляции. Причем эластичность шланговой резины снижается быстрее, чем эластичность изоляционной резины и разрывная прочность.

3.Долговечность гибких силовых кабелей при тепловом старении определяется величиной относительного удлинения

шланговой оболочки, так как эта характеристика при указанном режиме уменьшается наиболее интенсивно.

А т м о с ф е р н о е с т а р е н и е кабельных резин следует рассматривать как изменение их характеристик под воздей­ ствием различных метеорологических факторов, основными из которых являются озон и солнечный свет.

Озон в виде газообразного, почти бесцветного вещества по­ стоянно находится в окружающей атмосфере. Его концентрация зависит от времени года и суток, давления и других условий. Озон обладает большей активностью по сравнению с кислоро­ дом и реагирует с органическими соединениями даже при пониженных температурах.

Под действием озона на поверхности резин разрушаются двойные связи молекул каучука. Интенсивность этого процесса зависит от состояния изоляции. Даже при очень высоких кон­ центрациях озона, достигающих нескольких процентов, он не оказывает влияния на ненапряженную или сжатую резину. Од­ нако при растяжении резины на ее поверхности образуются мел­ кие трещины .открывающие доступ газа к внутренним слоям, где процесс продолжается, и резина постепенно разрушается по всей толщине. При этом наличие в воздухе даже 0,0001% озона вызывает в растянутой резине появление трещин через 1 ч, а концентрация 1 % — почти моментальное ее разрушение. Ве­ личина трещин зависит от чувствительности каучука к надрезам, что определяется модулем упругости резины. При повышении температуры до определенной величины количество трещин в резине возрастает, но при дальнейшем нагреве уменьшается.

Предохранение изоляции каждой жилы от атмосферного

105

озона осуществляется соответствующим выбором рецептуры ре­ зины, полупроводящпм озоіюстойким слоем и общей защитной оболочкой. При разрушении ее (трещины, сквозные проколы и т. п.) открывается путь проникновения озону. Поэтому очень важно, особенно при эксплуатации кабеля на разрезах, сохра­ нять в целости его шланг, не допускать снижения механических характеристик. Защитная оболочка кабеля в первую очередь испытывает действие метеорологических условий.

Свет изменяет свойства резины в результате фотохимиче­ ского процесса, вызывающего окисление и деструкцию. Светоокисление резины происходит тем активнее, чем интенсивнее освещение, хотя эффект старения имеет место при всех формах воздействия света, даже в темноте. Последствия светового ста­ рения выражаются в изменении твердости поверхности и появ­ лении беспорядочных трещин, резина теряет первоначальную механическую прочность и сопротивление газопроницаемости. Процесс старения зависит от содержания в каучуках двойных связей, от их типа, а также от состава наполнителей и других ингредиентов резиновых смесей. Существенное значение имеет также степень вулканизации. Перевулканизованные резины раз­ рушаются быстрее.

В реальных условиях эксплуатации следует рассматривать совместное действие озона и света, так как влияние света па озонное старение весьма велико. Озон под действием света раз­ лагается с образованием атомарного кислорода, что может акти­ визировать процесс растрескивания. Кроме того, свет сам по себе ускоряет окисление поверхности резины. Вместе с тем в известных условиях он защищает резину от озонного растрески­ вания. На поверхности резины образуется окисленная пленка, и если она не является хрупкой и не растрескивается, то доступ озона к нижележащим слоям значительно замедляется.

Устойчивость резин к атмосферному воздействию опреде­ ляют различными методами. Светостойкость проверяют в ка­ мере с ртутно-кварцевой лампой, где образцы резины выдер­ живают определенное время с последующим установлением коэффициентов старения. Существует аппаратура, позволяющая изменять концентрацию озона и изучать степень его влияния на характеристики резин. Можно проверить также снижение показателей при совместном действии озона и света.

Однако более достоверным способом определения стойкости резин к атмосферным факторам является не испытание образ­ цов в лабораторных условиях, а проведение изучения старения готовых кабельных изделий в естественных условиях. ВНИИКП с 1952 г. по настоящее время в различных городах страны (Москва, Ленинград, Томск, Ереван, Ташкент и др.) проводит испытания кабелей и проводов с резиновой изоляцией различ­ ных марок. Испытания проводят как в складских условиях, так и на открытом воздухе.

106

Как показывают результаты испытаний, разрывная проч­ ность изоляционной и шланговой резин за период атмосферного' старения мало изменяется, в то время как эластичность шланга снижается более интенсивно. При этом необходимо учитывать,, что в течение периода старения изоляция была закрыта шлан­ говой оболочкой. Отдельно же изоляционные резины, независимо от состава, плохо противостоят атмосферному старению. После 1—3 месяцев на их поверхности образуются трещины и меха­ нические характеристики снижаются.

В результате различных испытаний на атмосферное старение было выявлено, что срок службы кабелей, подвергающихся атмосферным воздействиям, определяется сохранением эластич­ ности и стойкостью их защитной оболочки.

На процессы старения в условиях эксплуатации кабелей на разрезах оказывают влияние также другие факторы, которые могут сами вызывать повреждения кабельных резин или изме­ нять скорость происходящих реакций.

Напряжение сети, к которой подключается кабель, и неодно­ родная внутренняя структура резин обусловливают величину и неравномерность электрического поля изоляции. Длительное воздействие напряжения и местные перенапряжения вызывают ионизацию воздушных включений и связанное с ней образование озона. Кроме того, может происходить разложение некоторых составляющих резины с выделением газа и миграция в массе изоляции мягчителей, серы и других ее составных частей. Все это при длительном приложении напряжения приводит к необ­ ратимым структурным изменениям изоляции, которые влекут за собой местные увеличения проводимости, создающие путь для разряда и понижающие уровень электрической прочности по сравнению с тем уровнем, которым обладал кабель при изго­ товлении на заводе.

Под действием электрического поля внутри воздушного включения, являющегося дефектом при изготовлении или обра­ зовавшегося в процессе эксплуатации, может начаться тихий разряд. В результате из кислорода воздуха образуется раз­ рушающий резину озон, предельная концентрация которого зависит от величины напряженности, температуры и других факторов и может достигать 3—4%.

Возникновению ионизации способствует то обстоятельство, что напряженность электрического поля в неоднородной изоля­ ции распределяется обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям отдельных элементов. А так как диэлектриче­ ская проницаемость воздуха в 3,5—4 раза ниже, чем у резин, то при низкой средней напряженности ее величина в местах прослоек, расслоений и т. п. может повыситься до уровня, достаточного для ионизации. Причем величина перепада напря­ жения на участке воздушного включения в значительной мере зависит от его протяженности.

Ю7

Следует также учитывать, что при переменном напряжении в резиновой изоляции, кроме диэлектрических потерь от тока проводимости, возникают дополнительные потери, вызванные неоднородностью структуры и ионизацией газовых включений. Причем в местах включении может возникнуть ощутимый мест­ ный перепад.

Влага поглощается п каучуком, и резиной, для которой это явление осложняется присутствием ряда компонентов, обладаю­ щих растворимостью в воде или содержащих водорастворимые примеси. Влагопоглощение зависит от длительности пребывания в воде, ее температуры и содержания растворимых электроли­ тов. С повышением температуры количество влаги в резине увеличивается, по с длительностью старения изменяется незна­ чительно. Предельная концентрация влаги может составлять около 3%.

Вместе с тем резина имеет весьма малую водопроницаемость и шланговые оболочки могут обеспечить влагозащиту кабелей в течение 20—25 лет. Поэтому неповрежденная оболочка на­ дежно защищает изоляцию от увлажнения даже при прокладке кабеля в воде. Если же на шланге появляются трещины, то влага попадает в них и при замерзании вызывает дополнитель­ ные внутренние напряжения.

Проникая внутрь кабеля и находясь под действием высокого напряжения, влага вызывает диффузию сквозь изоляцию элек­ трических примесей или продуктов диссоциации самого диэлек­ трика. Токи утечки, возникающие через увлажненные участки резины, могут вызвать тепловой пробой. Диэлектрические по­ тери у сильно увлажненных кабелей обычно имеют повышенное значение и тенденцию к дальнейшему росту. Электрическая прочность и сопротивление изоляции снижаются.

Механические деформации часто приводят к значительным структурным изменениям резиновой изоляции и оболочки, чем обусловливается снижение их физико-механических характери­ стик. Некоторые авторы указывают, что при появлении меха­ нических деформаций обычный процесс окисления вулканпзатов ускоряется. Механические воздействия и механически активиро­ ванные химические процессы вызывают нарушение молекуляр­ ных цепей, снижают энергетический барьер реакции окисления и увеличивают ее скорость.

Изучение ВНИИКП поведения кабельных резин при стати­ ческих и динамических деформациях показали, что при тепло­ вом старении скорость снижения коэффициентов старения по сравнению с резиной ненагруженной у резины, подвергающейся статической деформации, увеличивается в 1,3 раза, а при ди­ намической деформации— в 2 раза.

Как отмечалось выше, воздействие озона на резину резко возрастает при наличии в ней механических напряжений. Если же механические воздействия приводят к повреждению оболоч­

108

ки (трещины, надрезы, проколы и т. д.), то это создает условия для проникновения внутрь атмосферного озона, влаги, токопроводящеп пыли, химически активных веществ, что, в свою оче­ редь, приводит к снижению характеристик кабеля.

Основным выводом, к которому приводит изучение вопросов старения, является то, что гибкие кабели с резиновой изоляцией могут служить до 10—12 лет при условии, если механические нагрузки не будут превышать критических значений. Это под­ тверждается отечественной и зарубежной практикой эксплуата­ ции кабелей на ряде разрезов, где для их перемещения исполь­ зуют кабельные барабаны (см. гл. V).

Трестом Энергоуголь была проведена количественная оценка t повреждений гибких высоковольтных кабелей на основании большого числа данных, полученных по результатам эксплуата­

ведено распределение повреждений по их видам. При этом к повреждениям были отнесены такие неисправности кабеля, ко­ торые приводили к отключению электропитания экскаватора или к необходимости снятия напряжения, для проведения ре­

монтных работ.

Все повреждения разделены на две группы в соответствии с вызвавшими их причинами:

109