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 термостойкую структуру изоляции. На сегодняшний день оптимальные режимы технологического процесса часто подбираются методом проб и ошибок: технолог останавливает линию, меняет настройки и запускает новые партии, а результат проверяется в лаборатории.
Ученые Пермского политеха разработали метод, позволяющий с точностью 95 % прогнозировать качество изоляции кабелей. Статья об этом опубликована в научно‑практическом журнале «Электричество».
Силовые кабели среднего и высокого напряжения – основа передачи электроэнергии для промышленности, жилых районов и инфраструктурных объектов. Они проложены под землей и водой, работают в экстремальных условиях и выдерживают высокие электрические (6–35 кВ), механические и температурные нагрузки. Надежность каждого метра кабеля напрямую влияет на энергетическую безопасность: выход из строя приводит к масштабным авариям, остановке производства, обесточиванию городов и экономическим потерям.
Качество изоляции – главный фактор надёжности. Полиэтилен при нагреве размягчается и теряет форму; для улучшения эксплуатационных свойств его подвергают химическому процессу сшивки. Добавляя пероксид, образуются прочные связи между длинными молекулярными цепочками полиэтилена, что обеспечивает долговечность кабеля десятилетиями.
Управлять процессом сшивки сложно: необходимо одновременно контролировать геометрию кабеля (толщина изоляции), состав сырья, количество химического агента, скорость нагрева и охлаждения. При увеличении толщины изоляции равномерно нагреть её становится труднее, внутренние слои могут не достичь нужной температуры, а сшивка окажется неполной. Полиэтилен от разных поставщиков отличается составом, поэтому реакция может протекать с разной скоростью – один режим для всех случаев невозможен.
Традиционные методы контроля (нагрев под давлением) применяются к уже готовому кабелю и не позволяют прогнозировать результат или управлять процессом в реальном времени. Поэтому поиск оптимального режима сшивки остаётся дорогостоящим и длительным, сопровождающимся остановками линии и потерей материала.
Ранее ученые ПНИПУ разработали математическую модель, позволяющую анализировать влияние температуры и геометрии кабеля на равномерность сшивки. Теперь исследователи интегрировали её в промышленный программный комплекс, чтобы воспроизвести технологический процесс и получить точные данные о влиянии каждого параметра – геометрии кабеля, скорости изолирования, температурного режима нагрева и охлаждения – на качество изоляции.
На начальной стадии исследователи изучили свойства исходного сырья и отобрали несколько популярных промышленных марок, различающихся химическим составом. Для оценки реакции сшивки использовался ротационный реометр: прибор вращает и нагревает образцы материала при температурах от 160 °C до 200 °C – диапазоне реальных производственных условий. Эксперименты показали, при какой температуре начинается реакция, как быстро она протекает и в каком диапазоне наиболее активно для каждого типа полиэтилена.
Полученные экспериментальные данные стали основой для создания 3‑D модели, описывающей химическую реакцию сшивки внутри кабеля. В модель вошли многослойная структура кабеля, свойства материалов, теплообмен и реальные технологические параметры процесса. Благодаря ей можно 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 все ключевые параметры – толщину кабеля, скорость нагрева, температуру и др., а модель автоматически рассчитала тысячи сценариев, комбинируя эти параметры. Чтобы убедиться в достоверности результатов, их сравнивали с экспериментальными данными для стандартных режимов производства. Совпадение составило 95 %, что позволило считать 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 данных. Итогом анализа стали количественные закономерности – графики, таблицы и диаграммы, определяющие качество продукции в зависимости от набора исходных параметров. Эти данные могут стать готовыми технологическими инструкциями для инженера: при заданной геометрии кабеля он сможет установить параметры процесса, гарантируя 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 – возможность 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
Кабель это круто! More нового размера или перейти на другую марку сырья, технолог вводит в усовершенствованный программный комплекс конкретные параметры. Модель проводит виртуальный эксперимент и выдает прогноз: при какой температуре будет достигнута требуемая степень сшивки. Это позволяет заранее утвердить оптимальный технологический режим, гарантировать качество и исключить выпуск брака
