Влияние на многоимпульсную электрическую прочность полиэтилена предварительного воздействия импульсов напряжения

Уменьшение пробивных градиентов хотя и показывает степень старения диэлектрика, но не может однозначно предсказать его дальнейшее поведение при длительном воздействии пониженного (рабочего) напряжения. Пока не удалось непосредственно связать уменьшение пробивных градиентов диэлектрика после определенного времени старения с дальнейшим его «временем жизни» [101, 126].

В [115] представлены результаты исследования влияния предварительно поданного повышенного импульсного напряжения на дальнейшее число импульсов до пробоя («время жизни») полиэтиленовых образцов на выбранном импульсном рабочем напряжением Ераб. Основная масса образцов была изготовлена из полиэтилена низкой плотности ПЭНП. Методика приготовления образцов и проведение многоимпульсных испытаний были аналогичны описанным выше. Испытательные максимальные напряженности на внутреннем электроде образца, которые были выбраны для предварительного старения, составляли ЕИСП=66,4; 88,3 и 100,0 кВ/мм, а рабочая максимальная напряженность равнялась ?раб=50,0 кВ/мм. Максимальное количество импульсов при предварительном старении выбиралось большим, чем число импульсов, необходимое для отбраковки.

Обработка результатов осуществлялась по той же методике, которая, применялась для оценки снижения одноимпульсной электрической прочности при предварительном старении [101, 125] и ограничивалась анализом параметров распределения Вейбулла b и te.

На рис. 6.9 приведены распределения вероятностей отказов образцов при рабочей напряженности поля (?раб = 50 кВ/мм) в зависимости от числа поданных импульсов амплитудой, создающей напряженность поля ?Исп= 83,6 кВ/мм. Пунктиром проведены зависимости для испытательного (кривая 5) и рабочего (кривая 6) напряженностей поля без предварительного старения. Для всех других условий испытаний характер изменения распределения отказов аналогичен показанному на рис. 6.9.

Имеют место два прямолинейных участка в зависимости Р =У(?Исп) после предварительного старения. Появление области отказов после предварительного старения при относительно малой вероятности (первый линейный участок) обусловлено более интенсивным характером старения изоляции и вовлечением в процесс старения дефектов, которые на рабочем напряжении таковыми не являются.

Совместное рассмотрение параметров для второго участка te2 и Ь2 позволяет сделать вывод, что увеличение Еисп больше Еисп = ,ЗЗЕра6 приводит к ухудшению характеристик многоимпульсной прочности полиэтиленовых образцов на рабочем напряжении (рис. 6.10).

Распределения отказов на графике Вейбулла предварительно испытанных образцов при различном числе испытательных импульсов

Рис. 6.9. Распределения отказов на графике Вейбулла предварительно испытанных образцов при различном числе испытательных импульсов:

1 - 500; 2 - 1000; 3 - 2000; 4 - 5000; 5 - 0; Еисп = 83,6 кВ/мм; 6 - Ераб = 50 кВ/мм

Изменение параметров Вейбулла te2 и 62 в зависимости от Е/Е

Рис. 10. Изменение параметров Вейбулла te2 и 62 в зависимости от Еиспраб: 1 - te2; 2 -Ъ2

Если сравнить изменение параметров Ее и а (рис. 6.8) с te2 и Ь2 в функции ?исп (рис. 6.8 и 6.10) для tHm=tom, то оказывается, что Ее и te2 изменяются с максимумом, а и Ь2 имеют противоположный характер изменения. Из этого следует, что после предварительного старения по изменению Епр нельзя однозначно судить об изменении многоимпульсной прочности.

Предварительные испытания полиэтиленовых образцов повышенным напряжением необходимо проводить строго заданным для каждой амплитуды напряжения количеством импульсов, которое соответствует полной отбраковке технологического брака.

Увеличение амплитуды испытательного напряжения выше 1,33?раб приводит к резкому уменьшению числа импульсов до отказов и параметров распределения Вейбулла на рабочем напряжении.

С целью повышения надежности работы изоляции, полиэтиленовые образцы должны предварительно отбраковываться напряжением, амплитуда которого Енсп< 1,33?раб.

6.3. Основы конструирования и предварительной отбраковки электроизоляционных конструкций

В ЭРТ приходится иметь дело с системой трех электроизоляционных компонентов, подвергающихся воздействию импульсного электрического поля. В установках для бурения это: «горная порода - изолирующая и промывочная жидкость - твердая изоляция бурового снаряда». В других применениях ЭРТ: «разрушаемое/обрабатываемое твердое тело - изолирующая/рабочая жидкость - твердая изоляция рабочего инструмента». В этой системе необходима координация вольтсекундных характеристик двухкомпонентных систем: «горная порода - жидкая изоляция» и «жидкая изоляция - твердая изоляция». Условия их работы и предъявляемые к ним требования существенно различаются. Если об- рабатываемое/разрушаемое твердое тело должно пробиваться при воздействии каждого импульса, то твердая изоляция бурового снаряда (в общем случае - исполнительного органа) должна выдерживать миллионы импульсов напряжения без пробоя и перекрытия по поверхности.

Как отмечалось выше, изоляция бурового снаряда (БС) включает центрирующие проходные изоляторы и изолятор бурового наконечника. Сформулированные требования могут быть удовлетворены, во-первых, выбором конфигурации электрического поля: резко неравномерное на забое скважины и слабо неоднородное (коаксиальное) в передающей линии (в бурильных трубах). Во-вторых, координация твердой изоляции может быть осуществлена подбором соответствующего диаметра бурильных труб.

Условие координации можно записать в следующем виде:

Поскольку пробой жидкой изоляции нежелателен, но не ведет к выходу БС из строя, то условие Unp ж< Unp т. и приемлемо. Это условие не противоречит рассматриваемому явлению превышения электрической прочности жидкостей над прочностью твердых диэлектриков, поскольку пробой жидкого диэлектрика происходит в области бурового наконечника, где электрическое поле резко неоднородно. Необходимо учитывать процессы, связанные с пробоями по поверхности твердых диэлектриков. В связи с этим, условие (6.9) запишется так

где С/Пер т. и - напряжение перекрытия твердой изоляции бурового снаряда по поверхности. В связи с этим встает вопрос о влиянии на напряжение перекрытия как материала и формы изолятора, так и места расположения отверстий в нем (для прокачки промывочной жидкости) и скорости истечения жидкости

Из всех принципиально приемлемых для ЭРТ и исследованных в этой связи изоляционных материалов (фторопласт-4, полиметилметакрилат, текстолит, полистирол, эпоксидный компаунд, керамика на основе циркона, полиэтилен низкого и высокого давления) наибольшее напряжение перекрытия в диапазоне времен воздействия напряжения (0,4-6,0)10_6 с и наименьшая вероятность перекрытия характерны для полиэтилена высокого и низкого давлений. Следует заметить, что с уменьшением длительности импульса напряжение перекрытия, подобно напряжению сквозного пробоя, возрастает. Испытания изоляторов в БС в процессе ЭР-бурения показали, что изоляторы из эпоксидного компаунда с наполнителем, полиметилметакрилата, полистирола обладают недостаточной механической прочностью, что приводит к разрушению их при спускоподъемных операциях или при их пробое. Напряжение перекрытия твердой изоляции при увеличении скорости движения изоляционной жидкости (трансформаторное масло) увеличивается для всех форм изоляторов. При этом наибольшее напряжение перекрытия имеют изоляторы конусной или вогнутой формы с периферийным расположением отверстий для прокачки жидкости.

Изоляторы буровых снарядов из полиэтилена низкой плотности изготовливались с конической поверхностью. Отверстия для прохода жидкости расположены на периферии изолятора. Общий вид изолятора приведен на рис. 6.1. В табл. 6.2 приведены напряженности поля для различных буровых снарядов, соответствующее максимальным напряжениям, выдерживаемым изоляторам без перекрытия.

Размеры изоляторов БС нельзя произвольно изменять — они заданы внутренним размером колонны бурильных труб и высоковольтным токопроводом. Размеры токопровода должны определяться соотношением диаметров коаксиальной системы, при котором достигается максимальное «время жизни» изоляторов (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Конструктивные и электрические характеристики буровых снарядов

Тип ЭИБС

Did

Д, мм

S, мм

f^nep?

кВ

^Лгр.г.п.?

кВ

F

*-'М,

кВ/мм

F

•^ср,

кВ/мм

БИ-89-15

3,2

27,5

15

385

220

15,1

8,0

БИ-108-20

2,78

32,0

20

445

240

13,0

7,5

БИ-108-15

2,78

32,0

15

445

220

12,0

6,9

БИ-108-20В

2,38

29,0

20

406

240

13,2

8,3

БИ-108-30

2,78

32,0

30

445

280

15,2

8,7

БИ-127-50

3,33

42,0

50

537

360

16,6

8,6

БИ-219-70

2,72

64,0

70

704

420

10,7

6,6

БИ-325-120

2,87

101,0

120

798

486

8,6

5,0

К настоящему времени созданы и проходят или прошли лабораторные и полевые испытания несколько типов БС. Надежность их работы зависит от надежности работы отдельных элементов: высоковольтного ввода, токопровода, колонны бурильных труб, бурового наконечника, твердой изоляции и других.

Удельный вес некоторых вспомогательных операций в общем времени работы БС (около 287 ч) показан в табл. 6.3. Результаты, полученные в первые годы полевых испытаний.

Таблица 6.3

Состав полного времени электроимпулъсного бурения

Бурение, %

Аварии и неполадки, %

Простои, %

Пробой

изоляторов

Неполадки в работе ГИН

Другие неполадки и аварии

35

25

2

25

13

С развитием техники и технологии ЭР-бурения эти соотношения изменяются, но главной причиной непроизводительных трудозатрат остается пробой твердой изоляции. В связи с этим актуальной остается задача совершенствования изоляционных конструкций БС.

Из табл. 6.2 видно, что t/np. г.п, т. е. напряжение, применяемое при бурении, при данных S всегда меньше С/пер- Можно с достаточной уверенностью говорить об отсутствии разрушений твердой изоляции за счет поверхностных перекрытий. Наблюдавшиеся отдельные разряды по поверхности изоляторов не приводят к выходу изоляторов из строя.

Судя по данным табл. 6.2, толщина изоляционного слоя изоляторов Д составляет 27,5-101 мм. Получение качественной изоляции такой толщины из полиэтилена представляет значительные трудности. Первые партии изоляторов для БС были изготовлены из блочного полиэтилена высокого давления. Эти изоляторы показали низкую надежность работы. Это и неудивительно, так как в объеме полиэтилена имелись полости значительных размеров - до нескольких миллиметров.

Изоляторы, изготовленные из ПЭНП на промышленной установке экструзией с быстрым охлаждением, имели те же недостатки, что и изготовленные из блочного полиэтилена. Поэтому в НИИ ВН была разработана технология изготовления центрирующих изоляторов для БС из гранулированного полиэтилена, описанная выше и в [113, 137]. По этой технологии были изготовлены 112 изоляторов для бурового снаряда БИ-108-30, табл. 6.2. Все изоляторы были предварительно отбракованы при максимальной напряженности на внутреннем электроде

Еы 16,0 кВ/мм, что близко к рабочей напряженности (Ем = 15,2 кВ/мм). Изоляторы подвергались воздействию 5104 имп, что соответствует точке перегиба на графике Вейбулла. Первый отказ при отбраковке произошел после воздействия 60 имп. В течение времени отбраковки вышли из строя 52 % изоляторов с технологическими дефектами. В процессе бурения снарядом БИ-108-30 и при дальнейших испытаниях на изоляторы было подано 15,2-106 имп. Первый отказ на рабочем напряжении после отбраковки произошел при воздействии 1,7-105 имп, а средняя наработка на отказ составила 5-105 имп. При этом остались не пробитыми 45 % образцов, прошедших предварительную отбраковку. Результат можно считать удовлетворительным для начальных стадий отработки ЭРТ применительно к бурению скважин.

Следующий этап совершенствования конструкции БС был инициирован результатами бурения на Лениногорском полигоне (ныне Республика Казахстан). Для проходки шурфов на Колыме был создан БС увеличенного размера: диаметр бурового наконечника Z)„ = 200 мм, межэлектродное расстояние S = 50 мм, диаметр колонны бурильных труб DT= 127 мм, градиенты рабочего напряжения приведены в табл. 6.2. Несмотря на увеличенный диаметр колонны бурильных труб, максимальную напряженность поля в изоляции удалось повысить до Ем= 16,6 кВ/мм. Партия изоляторов из ПЭНП была предварительно испытана 5-104 имп на рабочем напряжении. Бурение велось в вечномерзлых крупноскелетных отложениях при температуре окружающего воздуха -53 °С, что близко к температуре стеклования ПЭНП [137]. Одновременно в буровом снаряде стояло не более 7 изоляторов, так как глубина бурения не превышала 21 м. Всего было пробурено 72 м скважин.

При этом изоляторы выдержали более 2,66 105 ими. Вышло из строя 3 изолятора в буровом наконечнике вследствие хрупкого раскола их при ударах бурового снаряда о забой скважины.

Проверка применимости данного подхода к выбору оптимальных режимов отбраковочных испытаний реальных изоляционных изделий осуществлена на 650 отрезках кабеля марки РК-75-4-11, каждый длиной 1 м без учета разделки. Выбранные условия отбраковки ориентированы на работу кабеля в режиме передачи импульсов колебательной формы микросекундного диапазона с частотой 1-2 имп/с. Заданы ресурс работы изоляции 105имп. с надежностью 0,95, максимальная напряженность поля 50 кВ/мм. Количество отрезков кабеля для отдельных условий испытаний было не менее 20. На основании испытаний за оптимальный принят режим отбраковки с параметрами ?исп = 70 кВ/мм и /исп= 104имп. Контрольные испытания кабеля показали, что для отбракованной в оптимальном режиме партии по сравнению с неотбракованной достигнуто увеличение наработки до первого отказа на 1,5 порядка, а вероятность отказа при ресурсе в 105 импульсов снизилась в 10 раз, рис. 6.11.

Дальнейшее совершенствование технологии, основанное на результатах опытного бурения и лабораторных исследований, позволило повысить как максимальную напряженность электрического поля в изоляторах м = 16,6 кВ/мм), так и число импульсов до отказов (среднее число импульсов до отказов увеличилось более чем в 7 раз).

Предложен эмпирический метод расчета числа импульсов до пробоя при заданной вероятности отказа изоляторов БС. При расчете времени жизни твердой изоляции, в первую очередь, возникает необходимость экстраполировать имеющиеся лабораторные результаты, полученные, как правило, при высоких градиентах и малых объемах изоляционного материала, на рабочие режимы. Для этого использовано известное и хорошо себя зарекомендовавшее уравнение «кривой жизни» (6.8), которое может быть записано в виде

где п - параметр, характеризующий степень старения; to - число импульсов до пробоя при Е0.

Уравнение (6.11) позволяет с большой степенью достоверности прогнозировать число импульсов до отказа изоляции до нижнего уровня напряженностей ?раб= (10-15) кВ/мм. Дальнейшее уменьшение Ераб при расчетах приводит к значительным запасам прочности изоляции. Зная teо при Е0, можно определить число импульсов до пробоя для параметра Вейбулла te при ?раб (6.2). Нас интересует «время жизни» при определенном уровне надежности. Примем для примера 0 = 0,99. Тогда вероятность пробоя должна быть не более Р - 1 - Q - 0,01. Число импульсов до пробоя при такой вероятности может быть определено из (6.2), но для этого нужно знать параметр Ъ. Для полимерной изоляции в [26] приведена зависимость b от напряженности электрического поля в виде

где Енсп в кВ/мм. Это выражение согласуется с современными представлениями о поведении дисперсии в функции Е. Таким образом, на основании приведенных выше трех уравнений по исходным экспериментальным данным можно с заданной надежностью рассчитать «время жизни» изоляции.

Функции распределения числа импульсов до пробоя отрезков кабеля РК-7 5-4-11 при Е - 50 кВ/мм

Рис. 6.11. Функции распределения числа импульсов до пробоя отрезков кабеля РК-7 5-4-11 при Еисп - 50 кВ/мм:

1 - без отбраковки; 2-с отбраковкой при Еис„ = 70 кВ/мм и tucn = 104 имп

Поскольку реальные изоляционные изделия имеют большие размеры, чем лабораторные образцы, необходимо учитывать «эффект объема диэлектрика» - уменьшение электрической прочности и «времени жизни» при увеличении объема изоляции. Исследования этого эффекта на постоянном, импульсном и переменном напряжениях [117, 130] позволяют записать следующее выражение

где С - коэффициент, характеризующий влияние изменения объема изоляции; to - число импульсов до пробоя при известном объеме. Это выражение применимо в диапазоне объемов, изменяющихся на 6 порядков. Рабочий объем рассчитываемого нами изолятора Vi = 6,6-103 см3, а объем экспериментальных образцов, которые приняты в качестве исходных Vo = 2 см3, т. е. разница составляет примерно 3 порядка, что вполне приемлемо. Коэффициент С равен 2,02 для данных условий работы. Подставляя в уравнение (6.13) te вместо to, найдем te для нового объема Vi, а по уравнениям (6.2) - (6.12) определим t для заданного уровня надежности.

В уравнении (6.2) параметр b будет изменяться в функции объема v, поэтому необходимо для нового объема vi иметь новое значение Ъ. Зависимость Ъ =fiy) может быть представлена в виде [136]:

где Ъо - значение параметра при v0; к - коэффициент.

Уравнение (6.14) показывает, что с ростом v дисперсия уменьшается, что также не противоречит современным представлением о пробое. Для наших условий (6.14) может быть конкретизировано

По этой методике был рассчитан изолятор для коаксиальной линии бурового снаряда БИ-325-120. Если принять, например, рабочее напряжение Upaв = 500 кВ при бурении гранита для S— 120 мм, то максимальная напряженность электрического поля в изоляции для коаксиальной системы будет равна:

В табл. 6.4 приведены значения параметров, входящих в ((6.2), (6.11)—(6.15)) и полученных экспериментально на полиэтиленовых образцах [136, 138].

Таблица 6.4

Экспериментальные значения величин в формулах (6.13)-(6..16)

Vo, м3

Ео, кВ/мм

te0, имп

п

С

Ьо

2 10 е

50

1,03 10

8,05

2,02

4,8

Расчет «времени жизни» по (6.11) для образцов объемом vo= 2,0 см3 при Ера6= 8,78 кВ/мм для параметра распределения Вейбулла te дает значение te(E) = 1,24-1016имп.

Для изолятора бурового снаряда БИ-325-120 объемом v = 6,6-103 см3 при Ераб= 8,78 кВ/мм, имеем te2 = 1,1-109имп.

В приведенных выше расчетах определен один параметр распределения Вейбулла - te2, который соответствует отказу при вероятности Р = 0,632.

Для обеспечения требуемого ресурса работы изоляторов (числа импульсов до отказа) примем Р = 0,01. Другой параметр распределения в (6.2) зависит от Ераб и v. Расчет по (6.12) и (6.15) дает значение &(.?» = 3,17. Тогда выражение (6.2) после преобразований приобретает вид

а число импульсов до пробоя при Р = 0,01 составит ?0,oi = 2,58* 108 имп.

При современном развитии ЭРТ бурения величина /0.oi позволяет пройти несколько тысяч метров скважин без отказа изоляторов.

Следует признать, что надежность подобного расчета не высока, поскольку его результаты не были проверены при длительном бурении.

Проблема изоляции рабочего органа в установках для разрушения ЖБИ будет рассмотрена в разделе 8.4.3.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >