Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №2 (20) Март-Апрель 2008 / Тема номера

Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий номинальным напряжением 6-35 кВ

В настоящее время нормальная работа систем электроснабжения промышленных предприятий, транспорта, сельского, коммунального и других отраслей хозяйства невозможна без надежной работы силовых кабельных линий (КЛ) низкого и среднего классов напряжения.

Для обеспечения надежной работы силовых КЛ в настоящее время в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой кабели периодически подвергаются испытаниям постоянным напряжением достаточно высокого уровня (в 4-6 раз превышающим номинальное напряжение КЛ) с измерением токов утечки. Однако практика показывает, что планово-профилактические испытания повышенным постоянным напряжением даже в случае их успешности не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ. Особенно опасны такие испытания для КЛ с длительными сроками эксплуатации или с сильно состаренной изоляцией. Кроме того, испытания повышенным постоянным напряжением силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели), которые находят все более широкое применение в России, не только практически бесполезны, так как сшитый полиэтилен обладает высокой электрической прочностью и малыми токами утечки, но и оказывают негативное воздействие на полиэтиленовую изоляцию.

Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена гораздо более эффективным и экономичным является щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое по величине не превышает более чем в 3 раза номинальное напряжение КЛ. Испытания при очень низких частотах со сменой полярности позволяют выявлять дефекты в изоляции без формирования объемных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции, в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного напряжения. Поэтому за рубежом кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена испытываются исключительно напряжением сверхнизкой частоты. При испытаниях силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией применение этого метода позволяет в значительной степени уменьшить испытательное напряжение по сравнению с испытаниями постоянным напряжением.

Одним из лидеров в разработке метода испытаний напряжением сверхнизкой частоты, а также установок для проведения испытаний силовых КЛ в условиях эксплуатации является фирма Seba KMT (Германия). Запатентованный фирмой Seba KMT принцип колебаний при напряжении косинусоидально&прямоугольной формы в соединении с повторным использованием сохраненной в кабеле энергии обуславливает, в сравнении с другими методами испытаний, незначительный вес установок, а также низкий расход энергии при одновременно высокой допустимой емкости испытуемого объекта. Фирмой Seba КМТ выпускается серия испытательных установок (VLF 20 kV, VLF 28 кV, VLF 40 кV, VLF 54 kV, VLF 60 кV и др.), предназначенных для проведения испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц силовых КЛ номинальным напряжением от 6 до 35 кВ включительно.

Для повышения надежности электроснабжения за счет уменьшения количества аварийных ситуаций и исключения затрат на проведение необоснованных ремонтов КЛ гораздо более предпочтительным является применение неразрушающих методов диагностики силовых КЛ. Использование неразрушающих методов диагностики позволяет не только получать информацию о текущем состоянии изоляции силовых КЛ, не травмируя ее, но и рационально и обоснованно планировать сроки проведения ремонтов КЛ или замены кабелей с выработанным ресурсом изоляции.

В последние годы ведутся интенсивные исследования с целью разработки и внедрения эффективных неразрушающих методов диагностики силовых КЛ среднего класса напряжения в условиях эксплуатации. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в Германии, США, Японии и в ряде других стран. К настоящему времени на основе применения современных технологий созданы достаточно компактные системы и приборы для неразрушающей диагностики силовых КЛ, которые могут использоваться либо как отдельные переносные системы, либо могут быть встроены в передвижные кабельные лаборатории.

Из разработанных методов можно выделить следующие неразрушающие методы диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ, которые широко используются за рубежом:

  • метод измерения и локации частичных разрядов в силовых КЛ (с использованием диагностической системы OWTS);
  • метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции силовых кабелей (с использованием диагностических систем CD 31 и CDS);
  • метод измерения тока релаксации в изоляции СПЭ-кабелей (с использованием диагностических систем KDA-1 и CDS);
  • метод измерения диэлектрических характеристик изоляции кабелей (с использованием диагностических систем OWTS, IDA 200 и др.);
  • метод импульсной рефлектометрии для предварительной локализации низкоомных повреждений в силовых КЛ (с использованием рефлектометров Teleflex, InterFlex и др.) и импульсно-дуговой метод для предварительной локализации высокоомных повреждений в КЛ (с использованием рефлектометров и устройств стабилизации дуги);
  • метод контроля целостности оболочки силовых кабелей и определения мест неисправности в оболочках (с использованием приборов MFM 5-1, MVG 5 и др.).

Разработанные за рубежом методы и соответствующее оборудование ориентированы, главным образом, на проведение испытаний и диагностики кабелей с полиэтиленовой изоляцией, которые преимущественно используются в распределительных кабельных сетях зарубежных стран.

Применительно к силовым кабелям с бумажной пропитанной изоляцией, которые остаются основным типом кабелей в кабельных сетях России напряжением до 35 кВ включительно, наиболее эффективными методами, которые могут использоваться для неразрушающей диагностики, являются метод измерения и локации частичных разрядов в КЛ и метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции кабелей.

Метод измерения и локации частичных разрядов в КЛ

В силовых КЛ напряжением до 35 кВ включительно основными причинами снижения электрической прочности изоляции в процессе длительной эксплуатации (т. е. старения изоляции) являются воздействия частичных разрядов (ЧР) и повышенных температур.

Физические процессы в изоляции силовых кабелей под воздействием ЧР (т. е. микроразрядов, возникающих в местах неоднородности изоляции при воздействии рабочего напряжения) к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Разработаны и различные методы измерения характеристик ЧР в силовых КЛ, которые реализованы в отечественных и зарубежных приборах и установках различных конструкций.

Одной из наиболее современных и эффективных диагностических систем для оценки состояния изоляции всех типов кабелей напряжением до 35 кВ методом контроля характеристик ЧР является система OWTS (Oscillating Wave Test System) разработки фирмы Seba KMT. Система OWTS, в которой реализован метод измерения ЧР осциллирующим затухающим напряжением, позволяет определять величину и место расположения ЧР, количество ЧР в локальных местах КЛ, напряжение возникновения и гашения ЧР, а кроме того, величину тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции, емкости и ряда других величин. По совокупности этих параметров может быть сделано обоснованное заключение о техническом состоянии и о проблемных местах диагностируемой КЛ.

Система OWTS 25 первой разработки конструктивно состоит из блока-анализатора, включающего промышленный компьютер и источник постоянного напряжения, и блока-катушки с интегрированной электронной схемой для выработки переменного испытательного напряжения. Блок-анализатор оборудован накопителем на гибких дисках, устройством записи на компакт-диски, дисплейным экраном и жестким диском для вывода, отображения и хранения данных. Ввод данных производится с клавиатуры или с помощью мыши. Для подключения системы OWTS 25 к объекту диагностики она укомплектована комплектом соединительных высоковольтных кабелей. Управление системой OWTS 25 осуществляется с помощью компьютера, в котором производится цифровая регистрация данных, их сохранение в памяти и последующий анализ. Программное обеспечение системы OWTS позволяет локализовать места повреждений в КЛ частичными разрядами. Система OWTS 25 может использоваться либо как отдельный переносной блок, либо может быть встроена в передвижную кабельно-измерительную лабораторию (Compact TE).

Системы OWTS последних разработок (OWTS М 28 и OWTS М 60) состоят из высоковольтного блока, блока обработки сигнала и ноутбука с адаптером для беспроводной связи с высоковольтным блоком. Высоковольтный блок также состоит из источника постоянного напряжения и резонансной катушки с интегрированным высоковольтным переключателем для создания переменного испытательного напряжения. Туда же встроен высоковольтный делитель и контроллер для цифровой обработки данных и сигналов ЧР. Управление системой, сохранение, анализ и оценка результатов измерения характеристик ЧР производится с помощью ноутбука с использованием специального программного обеспечения.

Технические характеристики систем OWTS разных модификаций приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики систем OWTS
Вариант системы OWTS 25 OWTS М 28 OWTS М 60
Максимальное выходное напряжение
36 пост. тока/25 кВэфф
28 пост. тока/20 кВэфф
60 пост. тока/42 кВэфф
Диапазон частот осцилляции
50 Гц ÷ 1,0 кГц
50 Гц ÷ 800 Гц
Допустимая емкость кабеля
0,01 ÷ 2 мкФ
0,025 ÷ 2 мкФ
Постоянный ток заряда
12 мА
10 мА
7 мА
Диапазон измерения ЧР
1 пКл ÷ 100 нКл
Полоса частот при локации ЧР
150 кГц ÷ 10 МГц
150 кГц ÷ 45 МГц
Коэффициент потерь
0,001 ÷ 0,1
Напряжение питания
230 В/50 Гц; 115 В/60 Гц
Рабочая температура
+ 5 ÷ + 40°С
- 10 ÷ + 40°С
Масса
65 кг + 32 кг
55 кг + 2 кг
80 кг + 2 кг

Диагностика с помощью системы OWTS выполняется на отсоединенной с двух сторон КЛ. Перед началом диагностирования производится калибровка системы с целью уточнения длины КЛ и определения ожидаемой амплитуды ЧР. После калибровки каждая фаза КЛ последовательно заряжается в течение нескольких секунд постоянным напряжением до выбранной величины, не превышающей амплитуду номинального линейного напряжения КЛ. После зарядки фаза КЛ с помощью электронного переключателя подключается через резонансную катушку к заземленному экрану кабеля. В процессе разрядки кабеля возникают затухающие синусоидальные колебания, частота которых зависит от емкости диагностируемого объекта. Бегущая волна инициирует ЧР в изоляции КЛ, которые фиксируются и сохраняются в памяти компьютера системы OWTS для последующей обработки с целью определения амплитуды и местоположения ЧР по длине КЛ. Так как амплитуда испытательного напряжения является затухающей, то можно точно определить напряжение, при котором возникают и погасают ЧР. Колебательное напряжение прикладывается к объекту в течение нескольких сот миллисекунд и поэтому не нагружает кабель и не повреждает его. Локализация ЧР в КЛ осуществляется c использованием метода рефлектометрии по результатам регистрации двух импульсов от одного и того же ЧР — первичного импульса и импульса, отраженного от конца КЛ.

При обработке записанных в памяти компьютера данных диагностики выделяются и учитываются первичные и отраженные импульсы ЧР на фоне возможных помех и шумов. При этом амплитуда ЧР определяется по первичному импульсу, а расстояние до места возникновения ЧР в КЛ определяется по промежутку времени между первичным импульсом и его отражением.

Обработанные и учтенные импульсы ЧР представляются на карте распределения ЧР различной величины по длине КЛ (на карте дефектных мест), как для всех трех фаз КЛ (см. рис. 1), так и для каждой фазы КЛ в отдельности.

Карта дефектных мест может быть преобразована в гистограмму распределения количества ЧР по длине КЛ как для всех трех фаз КЛ (см. рис. 2), так и для каждой фазы КЛ в отдельности.

Одним из наиболее важных и сложных этапов при проведении диагностики с использованием системы OWTS является оценка результатов диагностики и формулирование заключения по результатам измерения и локации ЧР. В силу новизны этой методики в России пока отсутствуют общепризнанные нормативы и критерии оценки состояния КЛ по результатам измерения характеристик ЧР с использованием системы OWTS. По причине особенностей схемы измерений ЧР амплитуда измеряемых ЧР с использованием системы OWTS значительно больше, чем амплитуда ЧР при измерениях на заводах&изготовителях, где используется другой метод измерения. Соответственно применяемые нормативы по уровню ЧР при измерениях на заводах-изготовителях не могут использоваться.

Необходимо отметить, что в ряде стран Европы (Германия, Италия, Швейцария, Англия и др.) в фирмах, успешно эксплуатирующих систему OWTS в течение достаточно длительного времени, уже разработаны критерии оценки результатов диагностики по характеристикам ЧР. Так, например, в Германии при диагностировании КЛ с использованием системы OWTS предельным значением принят уровень ЧР равный 1000 пКл, а в Италии — 1200 пКл. При превышении указанных значений КЛ подлежит ремонту. Применение этих критериев в России пока представляется не целесообразным, так как для России характерна эксплуатация силовых КЛ до их предельного состояния. При этом уровень ЧР в силовых КЛ нередко достигает 5000-10 000 пКл и более.

В России наибольший опыт применения метода диагностики с использованием системы OWTS имеется на предприятии ООО «Тест», специалистами которого было продиагностировано около 2000 КЛ напряжением от 6 до 35 кВ [1]. При этом по более чем 65% обследованных КЛ было сделано заключение о неудовлетворительном состоянии их изоляции. В большинстве случаев проблемные места в КЛ обнаруживаются в соединительных и концевых муфтах, что свидетельствует, прежде всего, о качестве монтажа кабельных муфт.

На основе большого количества практических результатов диагностики КЛ с использованием системы OWTS были разработаны нормативные показатели для оценки технического состояния эксплуатирующихся в России силовых КЛ напряжением 6-35 кВ с разными типами изоляции (с бумажной пропитанной изоляцией, с изоляцией из сшитого полиэтилена, c поливинилхлоридной изоляцией). Оценка технического состояния КЛ производится по наихудшему из трех диагностируемых параметров: максимальная величина ЧР в локальном месте; напряжение возникновения ЧР (амплитудное значение); среднее количество ЧР локальном месте за один цикл измерений.

Например, для КЛ 6 кВ с бумажной пропитанной изоляцией при максимальной величине ЧР в локальном месте: до 1200 пКл — КЛ подлежит повторному диагностированию через 5 лет; от 1200 до 7500 пКл — КЛ подлежит повторному диагностированию в течение года; от 7500 до 15 000 пКл — КЛ подлежит ремонту в течение года с последующей диагностикой; свыше 15000 пКл — КЛ эксплуатации не подлежит. Соответственно этой градации по срокам диагностирования и ремонта КЛ разработаны и нормативы по величине напряжения возникновения ЧР и по среднему количеству ЧР в локальном месте.

Метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции кабелей

Метод измерения и анализа возвратного напряжения основан на измерении и анализе зависимостей от времени тока зарядки в процессе зарядки емкости диагностируемого кабеля постоянным напряжением небольшой величины (1 и 2 кВ), не оказывающей влияния на изоляцию кабеля, и восстанавливающегося (возвратного) напряжения в изоляции кабеля после его кратковременной разрядки. Эти зависимости характеризуют состояние, степень старения и содержание влаги в изоляции силовых КЛ.

Оценка степени старения изоляции производится по максимальной величине возвратного напряжения, по скорости нарастания возвратного напряжения и по коэффициентам нелинейности (соотношение измеренных величин при разных значениях зарядного напряжения). Оценка степени увлажнения изоляции кабелей производится по величине тока зарядки (установившееся значение), характеризующей интенсивность процессов проводимости в изоляции.

Одним из лидеров в разработке этого метода и установок для проведения диагностики методом анализа возвратного напряжения в условиях эксплуатации является фирма Seba KMT. Этой фирмой была создана диагностическая система CD 31, предназначенная для диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ как с полиэтиленовой, так и с бумажной пропитанной изоляцией.

Диагностическая система CD 31 состоит из высоковольтного блока (включающего генератор высокого постоянного напряжения, высоковольтный выключатель и разрядное устройство), блока управления и высоковольтных соединительных кабелей. Система CD 31 подключается к портативному компьютеру через интерфейс для управления процессом диагностики, записи, обработки и архивирования результатов измерения. Технические характеристики диагностической системы CD 31 приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики диагностической системы CD 31
Испытательное постоянное напряжение 0 ÷ 35 кВ
Выходной ток 1,5 мА
Максимальная допустимая емкость кабеля 10 мкФ
Напряжение питания 230 В / 50 Гц; 115 В / 60 Гц
Потребляемая мощность около 200 В•А
Рабочая температура 0 ÷ +55°С
Масса 30 кг

Система CD 31 обладает следующими достоинствами: возможность проведения диагностики одновременно на трех фазах КЛ (трехканальная измерительная аппаратура); незначительное влияние посторонних помех (по сравнению с другими диэлектрическими методами) на результаты измерений; упрощенная процедура подключения кабеля к диагностической системе.

Недостатком метода диагностики с использованием системы CD 31 является то, что он позволяет оценивать только общее состояние изоляции всей КЛ, а не отдельных ее участков.

При проведении диагностики результаты измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы КЛ и для каждого цикла измерений (двукратный цикл измерений при зарядном напряжении 1 и 2 кВ для КЛ с бумажной пропитанной изоляцией) отображаются на мониторе компьютера в цифровом, графическом и табличном виде. Это следующие характеристики: время зарядки и величина тока зарядки (в фазе зарядки); диаграмма изменения тока зарядки в зависимости от времени зарядки; время измерения возвратного напряжения и величина возвратного напряжения (в фазе измерения возвратного напряжения); диаграмма изменения возвратного напряжения в зависимости от времени измерения (кривая возвратного напряжения); максимальная величина возвратного напряжения и время достижения максимальной величины возвратного напряжения; скорость нарастания (начальная крутизна кривой) возвратного напряжения; коэффициенты нелинейности по соотношению измеренных величин при разных значениях зарядного напряжения, диаграмма изменения коэффициентов нелинейности в зависимости от времени измерения.

Результатом диагностирования КЛ с использованием системы CD 31 является протокол измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы диагностируемой КЛ, который автоматически составляется системой CD 31, записывается в память портативного компьютера и может быть распечатан на принтере.

Результаты диагностики c использованием системы CD 31 показали, что для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией наиболее информативной характеристикой, чувствительной к старению изоляции (гораздо более чувствительной, чем максимальная величина возвратного напряжения или другие характеристики изоляции), является скорость нарастания возвратного напряжения [2].

Изоляция новых (не состаренных) кабелей имеет малую интенсивность процессов поляризации и, соответственно, малую величину скорости нарастания возвратного напряжения. Для новых кабелей скорости нарастания возвратного напряжения при зарядных напряжениях 1 и 2 кВ (GR1 и GR2) не превышают 5 и 10 В/cек, соответственно (см. рис. 3).

Для кабелей с длительным сроком эксплуатации (более 30-40 лет) величина скорости нарастания возвратного напряжения в сильно состаренной изоляции может вырасти в 10-15 раз и более по сравнению с величиной скорости нарастания возвратного напряжения, характерной для не состаренной бумажной пропитанной изоляции (см. рис. 4).

По увеличению коэффициентов нелинейности (Quotient на рис. 3 и 4) также можно судить о состоянии изоляции диагностируемых кабелей. При этом для сильно состаренной бумажной пропитанной изоляции характерно значительное изменение коэффициента нелинейности в зависимости от времени измерения возвратного напряжения (см. рис. 4).

Достоверность и эффективность оценок состояния и степени старения изоляции КЛ по результатам диагностики в условиях эксплуатации с использованием системы CD 31 может быть повышена по мере накопления банка данных результатов измерений на КЛ с кабелями разных марок и разных сроков и условий эксплуатации.

В последние годы фирмой Seba KMT была создана универсальная комбинированная система CDS для интегральной диагностики кабелей. Диагностика кабелей с бумажной пропитанной изоляцией производится методом измерения и анализа возвратного напряжения, а диагностика кабелей с полиэтиленовой изоляцией производится методом анализа изотермического тока релаксации. Комбинированная система благодаря небольшому зарядному напряжению не оказывает влияние на изоляцию кабеля и муфт. В системе реализован автоматический процесс измерения. Программное обеспечение учитывает конструктивные особенности кабелей и классифицирует состояние диагностируемых объектов. Основные технические характеристики установки CDS: максимальное напряжение — 5 кВ постоянного тока; диапазон измерения тока — -130 ÷ +130 нА, потребляемая мощность — 50 Вт, вес — 26 кг.

Дальнейшее совершенствование метода измерения и анализа возвратного напряжения с целью установления корреляционной связи между степенью старения (остаточным ресурсом) и измеряемыми характеристиками изоляции может позволить перейти к получению количественных оценок остаточного ресурса изоляции кабелей по результатам измерения в условиях эксплуатации тока заряда и возвратного напряжения.

Внедрение неразрушающих методов диагностики силовых КЛ с использованием современного оборудования будет способствовать повышению надежности электроснабжения потребителей, а также позволит эффективнее планировать ремонт и замену силовых КЛ по их фактическому техническому состоянию.

При переходе на систему технического обслуживания, контроля технического состояния и ремонта силовых КЛ по их техническому состоянию может быть получен существенный экономический эффект за счет:

  • снижения количества аварий на КЛ и соответственно затрат на их устранение;
  • исключения затрат на проведение необоснованных ремонтов КЛ;
  • повышения качества монтажных работ за счет проведения диагностики на КЛ после их ремонта или при вводе КЛ в эксплуатацию;
  • выявления и устранения дефектов в КЛ на ранней стадии из развития;
  • продления срока эксплуатации КЛ с невыработанным ресурсом изоляции;
  • рационального планирования действительно необходимых ремонтов КЛ в обоснованные сроки.

Своевременная и достоверная диагностика состояния изоляции силовых КЛ с использованием неразрушающих методов позволит отказаться от профилактических испытаний изоляции разрушающими методами, которые во многих случаях травмируют изоляцию и приводят к снижению остаточного ресурса изоляции силовых КЛ. Испытание изоляции силовых КЛ повышенным напряжением целесообразно проводить при вводе новых КЛ в эксплуатацию, после ремонта КЛ, а также при отсутствии возможности применения средств технической диагностики силовых КЛ неразрушающими методами.

И. Н. ПРИВАЛОВ, ОАО НИИПТ

Литература

  1. Кустов А. Существует ли в России диагностика силовых кабельных линий и электрооборудования… и зачем она нужна / Энергетика и промышленность России. 2006. № 8 (72).
  2. Канискин В. А., Коцур  С. А., Привалов  И. Н. Кабели 10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией. Неразрушающий метод диагностики / Новости электротехники. 2005. № 5 (35).