Прочность и долговечность силовых кабелей среднего и высокого напряжения – ключевой фактор надежности энергосетей и безопасности. Это напрямую зависит от степени сшивки полиэтилена – процесса, формирующего прочную и термостойкую структуру материала. Сегодня на производстве зачастую оптимальные режимы технологического процесса подбирают методом проб и ошибок. Технолог вынужден останавливать линию, менять настройки и запускать пробные партии, проверяя результат в лаборатории. Ученые Пермского Политеха разработали метод, который позволяет с точностью 95% прогнозировать качество изоляции кабелей.
Силовые кабели среднего и высокого напряжения являются основным способом передачи электроэнергии, необходимой промышленным предприятиям, жилым районам и объектам инфраструктуры. Они проложены под землей и водой, работая в экстремальных условиях и выдерживая высокие электрические (6–35 кВ), механические и температурные нагрузки. От надежности каждого метра такого кабеля зависит энергетическая безопасность. Их выход из строя по ряду причин приводит к масштабным авариям, остановке производства, обесточиванию городов и экономическим потерям для производств.
Надежность кабеля существенно зависит от качества его изоляции. Наиболее используемый изоляционный материал, полиэтилен, при нагреве размягчается и теряет форму. Для улучшения эксплуатационных свойств его подвергают химическому процессу сшивки. То есть в полиэтилен добавляют специальный химический агент – пероксид. В ходе этой реакции между длинными молекулярными цепочками полиэтилена образуются прочные связи. Это обеспечивает тот запас прочности и долговечности, который позволяет кабелю служить десятилетиями.
Основная сложность управления процессом сшивки изоляции заключается в необходимости одновременного контроля целого комплекса взаимосвязанных факторов, которые практически невозможно сбалансировать «на глаз».
Критическое влияние оказывает геометрия самого кабеля: при увеличении толщины изоляции ее сложнее равномерно нагреть. В таком случае внутренние слои кабеля могут не достичь нужной степени нагрева, а сшивка будет некачественной. Кроме того, полиэтилен от разных поставщиков может отличаться. Количество химического агента в составе варьируется, а значит, и скорость реакции для каждой партии сырья будет разной, а подобрать один режим на все случаи невозможно.
Сегодня поиск оптимального режима сшивки – это дорогостоящий и длительный процесс проб и ошибок непосредственно на производстве, сопровождающийся остановками и расходом километров материала. Существующие методы контроля, например, нагрев под давлением, применяются к уже готовому кабелю и не позволяют прогнозировать результат и не предназначены для оперативного управления процессом в реальном времени.
Ранее ученые ПНИПУ разработали математическую модель, которая позволила проанализировать влияние температуры и геометрии различных марок кабеля на равномерность сшивки.
Теперь исследователи интегрировали ее в промышленный программный комплекс, чтобы воспроизвести технологический процесс сшивки и получить точные данные о влиянии каждого параметра (геометрии кабеля, скорости изолирования, температурного режима нагрева и охлаждения) на качество изоляции.
На начальной стадии исследователи сфокусировались на изучении свойств исходного сырья и отобрали несколько наиболее популярных промышленных марок, различающихся химическим составом.
Для оценки реакции сшивки использовался ротационный реометр, специальный прибор для вращения и нагрева образцов материала. На этом оборудовании проводились эксперименты по определению степени сшивки материалов при температурах от 160°C до 200°C, что соответствует реальным производственным условиям. Этот этап показал, при какой температуре начинается реакция сшивки, как быстро она протекает и в каком диапазоне температур проходит наиболее активно для каждого типа полиэтилена.
Полученные экспериментальные данные стали основой для создания 3D-модели, которая описывает, как протекает химическая реакция сшивки внутри кабеля. Была учтена сложная многослойная структура кабеля, свойства материалов, процесс теплообмена и реальные технологические параметры процесса. Благодаря этому удалось рассчитать, как изменение температуры влияет на степень сшивки полиэтилена в каждой точке изоляции.
«С помощью разработанной цифровой модели мы провели серию виртуальных испытаний. Мы задали при тестировании все ключевые параметры, которые варьируются в реальном производстве: толщину кабеля, скорость нагрева, температуру и др. Далее модель автоматически рассчитала тысячи сценариев, комбинируя эти параметры. Чтобы убедиться в достоверности полученных результатов, их сравнивали с экспериментальными данными для стандартных, отработанных режимов производства. Совпадение составило 95%, что позволило считать разработанную модель адекватной. В результате исследования процесса сшивки с различными комбинациями исходных параметров были определены оптимальные, позволяющие без потери качества увеличить общую производительность», – отметила Наталия Труфанова, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике», доктор технических наук.
На завершающем этапе ученые обработали весь массив полученных данных. Главным итогом анализа стали выявленные количественные закономерности в виде графиков, таблиц и диаграмм, определяющие качество продукции в зависимости от набора исходных данных. Последние могут стать готовыми технологическими инструкциями для инженера, который сможет для заданной геометрии кабеля установить параметры процесса, гарантирующие качество будущей продукции.
«Виртуальные эксперименты на основе созданной модели дали результат, недостижимый традиционными методами: количественные закономерности, раскрывающие «механику» процесса. Модель выявила критически важные пороговые значения и зависимости. Главный практический итог в том, что разработка позволяет с высокой точностью прогнозировать степень сшивки изоляции для любых заданных условий, полностью исключая необходимость в дорогостоящих и длительных натурных экспериментах на производственной линии», – дополнила Наталия Труфанова.
Разработанная методика представляет собой готовый к внедрению цифровой инструмент. Когда на производстве возникает задача выпустить кабель нового размера или перейти на другую марку сырья, технолог вводит в усовершенствованный программный комплекс конкретные параметры. Модель проводит виртуальный эксперимент и выдает прогноз, например, при какой температуре будет достигнута требуемая степень сшивки. Это позволит заранее утвердить оптимальный технологический режим, гарантирующий качество и исключающий выпуск брака.