Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

Автор : И.И. Юртин
11798
Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий

В настоящее время нормальная бесперебойная работа систем электроснабжения промышленных предприятий, транспорта, сельского, коммунального и других отраслей народного хозяйства невозможна без надежной работы силовых кабельных линий (КЛ) низкого и среднего классов напряжения. Для повышения надежности работы таких линий в настоящее время в России и Украине применяется система планово-профилактических испытаний кабелей постоянным напряжением, в 4 – 6 раз превышающим номинальное напряжение КЛ. Однако такие испытания не только не гарантируют последующую безаварийную работу КЛ, но во многих случаях приводят к сокращению срока их службы ввиду реально существующей угрозы пробоя изоляции кабелей высоким испытательным напряжением [1 – 4].

Испытание кабелей повышенным постоянным испытательным напряжением не позволяет получить достоверную информацию о реальном техническом состоянии силовых КЛ, а для длительно эксплуатирующихся КЛ часто заканчивается пробоем изоляции. Поэтому такие испытания принято классифицировать как испытания, разрушающие изоляции КЛ.

Разрушающим испытаниям изоляции КЛ повышенным испытательным напряжением присущи следующие основные недостатки [1 – 4]:

  1. Сокращение ресурса КЛ вследствие ионизационных процессов (частичных разрядов (ЧР)), разрушающих изоляцию.
  2. Возможный досрочный выход КЛ из строя, вызванный испытаниями изоляции повышенным постоянным напряжением в процессе эксплуатации силовых КЛ.

С учетом отмеченных выше недостатков испытаний изоляции силовых КЛ повышенным постоянным напряжением такие испытания целесообразно проводить при вводе новых КЛ в эксплуатацию, после ремонта КЛ, а также при отсутствии возможности применения для диагностики силовых КЛ средств неразрушающего контроля. В остальных случаях техническое состояние изоляции КЛ следует оценивать на основе применения неразрушающей диагностики.

Основные преимущества неразрушающих методов диагностики силовых КЛ

Исключительное значение неразрушающих методов испытаний по достоинству было оценено в технологически развитых странах мира еще несколько десятилетий тому назад. Поэтому в этих странах вместо проведения испытаний силовых КЛ повышенным постоянным испытательным напряжением самое широкое распространение получили гораздо более эффективные неразрушающие методы диагностики КЛ. Наибольшие успехи в применении таких методов достигнуты в Германии, США, Японии и в ряде других стран. В этих странах созданы и успешно применяются достаточно компактные диагностические системы и приборы, реализующие следующие неразрушающие методы диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ [3]:

  1. Метод измерения и локализации ЧР в силовых КЛ (с использованием диагностической системы OWTS).
  2. Метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции силовых кабелей (с использованием диагностических систем CD 31 и CDS).
  3. Метод измерения тока релаксации в изоляции кабелей из сшитого полиэтилена (с использованием диагностических систем KDA-1 и CDS).
  4. Метод измерения диэлектрических характеристик изоляции кабелей (с использованием диагностических систем OWTS, IDA 200 и др.).
  5. 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).
  6. Метод контроля целостности оболочки силовых кабелей и определения мест неисправности в оболочках (с использованием приборов MFM 5-1, MVG 5 и др.).

Внедрение отмеченных выше неразрушающих методов диагностики силовых КЛ и современных диагностических систем позволило существенно повысить надежность электроснабжения потребителей, а также перейти к планированию ремонтов КЛ по их фактическому техническому состоянию.

При переходе на систему технического обслуживания, контроля технического состояния и ремонта силовых КЛ по их техническому состоянию достигается существенный экономический эффект за счет [1, 3]:

  1. Повышения надежности электроснабжения благодаря снижению количества аварий на КЛ и, соответственно, сокращению затрат на их устранение.
  2. Исключения затрат на проведение необоснованных ремонтов и модернизаций КЛ.
  3. Повышения качества монтажных работ благодаря проведению диагностики на КЛ после их ремонта или при вводе КЛ в эксплуатацию.
  4. Выявления и устранения дефектов в КЛ на ранней стадии их возникновения.
  5. Продления срока эксплуатации КЛ с невыработанным ресурсом изоляции за счет получения достоверной информации о состоянии изоляции силовых КЛ.
  6. Рационального планирования действительно необходимых ремонтов КЛ в обоснованные сроки.

Неразрушающие методы диагностики силовых КЛ, применяемые в России и Украине

В кабельных сетях России и Украины напряжением до 35 кВ включительно применяются (к сожалению, не так широко, как в технологически развитых странах) следующие два метода неразрушающей диагностики силовых КЛ: метод измерения и локализации частичных разрядов в КЛ и метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции кабелей. Оба эти метода и созданные на их основе диагностические системы доказали свою эффективность в ряде стран как при проведении диагностики кабелей с полиэтиленовой изоляцией, так и кабелей с бумажной пропитанной изоляцией. Поэтому рассмотрим эти методы и созданные на их основе диагностические системы более подробно [1, 3].

Oscillating Wave Test System
Рис.1

Метод измерения и локализации частичных разрядов в КЛ. Проведенные в ряде стран исследования показали, что основными причинами снижения электрической прочности изоляции кабелей напряжением до 35 кВ включительно в процессе их длительной эксплуатации являются: воздействие частичных разрядов (ЧР) и воздействие повышенных температур. Поэтому весьма эффективно осуществлять оценку состояния изоляции этих типов кабелей по методу измерения и локализации частичных разрядов в КЛ с использованием основанной на реализации этого метода диагностической системы OWTS (Oscillating Wave Test System), разработанной германской фирмой Seba KMT.

В этой системе на испытуемый кабель в течение нескольких секунд подается постоянное напряжение, а разрядка осуществляется с помощью электронного ключа через резонансную катушку в течение десятых долей секунды, что не вызывает ни старения, ни повреждения изоляции. Измерение ЧР осциллирующим затухающим напряжением позволяет определять: величину и место расположения ЧР по длине КЛ; количество ЧР в локальных (проблемных) местах КЛ; напряжение возникновения и гашения ЧР; тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции; электрическую емкость. Совокупности значений этих параметров достаточно для получения обоснованного заключения о техническом состоянии и о конкретных проблемных местах диагностируемой КЛ.

К настоящему времени разработано несколько вариантов диагностической системы OWTS с различными значениями максимального выходного напряжения от 28 до 250 кВ, из которых наиболее распространенными являются варианты OWTS 25, OWTS М 28 и OWTS М 60, технические характеристики которых приведены в табл.1 [3].

Наименование характеристики

Значение характеристики для варианта системы

OWTS 25

OWTS М 28

OWTS М 60

Максимальное выходное напряжение

36 кВ постоянного тока /25 кВэфф

28 кВ постоянного тока/20 кВэфф

60 кВ постоянного 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

Конструктивно варианты системы OWTS несколько отличаются между собой. Так, система OWTS 25 первой разработки 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 диагностической информации на компакт-диски, дисплейным экраном и жестким диском для вывода, отображения и хранения данных. Ввод данных производится с клавиатуры или с помощью мыши. Управление системой OWTS 25 осуществляется с помощью компьютера, осуществляющего цифровую регистрацию данных, их хранение в памяти и последующий анализ. Программное обеспечение системы позволяет локализовать места повреждений в КЛ частичными разрядами. Характерной особенностью системы OWTS 25 является то, что она может использоваться либо как отдельный переносной блок, либо может быть встроена в передвижную кабельно-измерительную лабораторию (Compact TE).

Системы OWTS более поздних 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, включающим в себя источник постоянного напряжения и резонансную катушку 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, хранение, анализ и оценка результатов измерения характеристик ЧР производится с помощью ноутбука с использованием специального программного обеспечения (ПО).

Диагностика силовых КЛ с помощью системы OWTS проводится на линии, отсоединенной с двух сторон. При этом перед началом проведения такой диагностики система калибруется с целью уточнения длины линии и определения ожидаемой амплитуды ЧР, после чего каждая из трех фаз КЛ последовательно заряжается в течение нескольких секунд постоянным напряжением до выбранной величины, не превышающей амплитуду номинального линейного напряжения КЛ. После завершения 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 это дает возможность точно определить напряжение, при котором возникают и погасают ЧР. Локализация мест повреждений 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.

Одним из самых важных и в то же время самых сложных этапов при проведении диагностики с использованием системы OWTS является оценка результатов диагностики и формулирование заключения по результатам измерения и локализации ЧР. При этом в Германии при диагностировании КЛ с использованием системы OWTS в качестве предельного значения принят уровень ЧР, равный 1000 пКл, в Италии – 1200 пКл. При превышении этих значений КЛ подлежит ремонту [2, 3].

Характерной особенностью эксплуатации российских и украинских силовых КЛ является продолжение их эксплуатации до предельного состояния, когда уровень ЧР нередко достигает 5000 – 10 000 пКл и более. В связи с этим техническое состояние КЛ в России и Украине принято оценивать по наихудшему из трех параметров, диагностируемых системой OWTS: максимальной величине ЧР в локальном месте; амплитудному значению напряжения возникновения ЧР; среднему количеству ЧР в локальном месте за один цикл измерений.

В табл. 2 в качестве примера для российских КЛ напряжением 6 кВ с бумажной пропитанной изоляцией приведены необходимые сроки повторного диагностирования или ремонта в зависимости от максимального значения ЧР в локальном месте КЛ [3].

Соответственно приведенной в табл. 2 градации по срокам диагностирования и ремонта КЛ разработаны и нормативы по величине напряжения возникновения ЧР и по среднему количеству ЧР в локальном месте.

Максимальное значение
ЧР в локальном месте КЛ, пКл

Необходимый срок диагностирования или ремонта КЛ

До 1200

КЛ подлежит повторному диагностированию в течение 5 лет

От 1200 до 7500

КЛ подлежит повторному диагностированию в течение одного года

От 7500 до 15000

КЛ подлежит ремонту в течение одного года с последующей диагностикой

Свыше 15000

КЛ не подлежит эксплуатации

Следует отметить, что техническое состоянии российских силовых КЛ существенно ниже, чем европейских КЛ одинакового класса напряжения. О плохом техническом состоянии российских силовых КЛ напряжением 6 – 35 кВ свидетельствует приведенная на рис. 2 диаграмма, отражающая статистические показатели технического состояния этих линий в течение года [1, 2]. Диаграмма показывает, что лишь около одной трети таких линий находятся в удовлетворительном состоянии, а остальные – в неудовлетворительном, причем на отдельных предприятиях доля проблемных КЛ превышает 80% за счет неудовлетворительного технического состояния концевых и соединительных кабельных муфт. Тревожные статистические показатели технического состояния КЛ подтверждает приведенная на рис. 3 диаграмма для силовых КЛ, получивших отрицательное заключение по техническому состоянию [2]. Диаграмма показывает, что 50% российских КЛ необходимо менять либо полностью, либо частично, а остальные КЛ могут быть приведены в рабочее состояние лишь после проведения ремонта концевых или соединительных муфт.


Рис.2

Приведенные на рис. 2 и рис. 3 диаграммы убедительно свидетельствуют об исключительной важности внедрения в электротехническую практику неразрушающей диагностики как для получения полной картины технического состояния КЛ с локализацией имеющихся проблемных мест, так и для принятия на основе результатов диагностики решения о возможности продления ресурса работы КЛ сверх нормативного срока службы. Только такая диагностика в отличие от периодически проводимых профилактических испытаний изоляции КЛ повышенным испытательным напряжением дает возможность обоснованно решить с наименьшими материальными и трудовыми затратами сложные проблемы планирования сроков ремонтов КЛ и требуемых средств на их проведение.


Рис.3

Метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции кабелей. Этот метод 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 оказывающим влияния на изоляцию кабеля, и восстанавливающегося (возвратного) напряжения в его изоляции после кратковременной разрядки кабеля. Эти зависимости, характеризующие состояние, степень старения и содержание влаги в изоляции силовых КЛ, дают возможность оценить степень старения изоляции по максимальной величине возвратного напряжения, скорости нарастания возвратного напряжения и по коэффициентам нелинейности. Степень увлажнения изоляции кабелей оценивается по установившемуся значению тока зарядки, характеризующему интенсивность процессов проводимости в изоляции.

Этот метод успешно реализован германской фирмой Seba KMT в созданной этой фирмой диагностической системе CD 31, предназначенной для диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ как с полиэтиленовой, так и с бумажной пропитанной изоляцией.

Конструктивно диагностическая система CD 31 состоит из высоковольтного блока, включающего в себя генератор высокого постоянного напряжения, высоковольтный выключатель и разрядное устройство, а также блока управления и высоковольтных соединительных кабелей. Система CD 31 подключается к ПК через интерфейс для управления процессом диагностики, записи, обработки и архивирования результатов измерения. Результатом диагностирования КЛ является протокол измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы линии, который автоматически составляется, записывается в память ПК и может быть распечатан на принтере.

Технические характеристики диагностической системы CD 31 приведены в табл. 3 [3].

Наименование характеристики

Значение характеристики

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

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

Недостаток диагностической системы CD 31 – возможность оценки системой только общего состояния изоляции всей КЛ, а не отдельных ее участков.

Применение диагностики силовых КЛ c использованием системы CD 31 позволило установить следующее [3]:

  1. Наиболее информативной характеристикой, чувствительной к старению изоляции кабелей с бумажной пропитанной изоляцией, является скорость нарастания возвратного напряжения.
  2. Изоляция новых, не состарившихся, кабелей характеризуется малой интенсивностью процессов поляризации и, соответственно, малой величиной скорости нарастания возвратного напряжения: для них скорости нарастания возвратного напряжения при зарядных напряжениях 1 и 2 кВ не превышают 5 и 10 В/cек соответственно.
  3. Величина скорости нарастания возвратного напряжения в сильно состарившейся изоляции кабелей, находящихся в эксплуатации более 30 – 40 лет, может вырасти в 10 – 15 раз и более по сравнению с величиной скорости нарастания возвратного напряжения, характерной для не состарившейся бумажной пропитанной изоляции.
  4. Для кабелей с сильно состарившейся бумажной пропитанной изоляцией характерно значительное изменение коэффициента нелинейности в зависимости от времени измерения возвратного напряжения.

Дальнейшим усовершенствованием диагностической системы CD 31 является создание в последние годы фирмой Seba KMT универсальной комбинированной системы CDS для интегральной диагностики кабелей. Эта система позволяет диагностировать кабели с бумажной пропитанной изоляцией методом измерения и анализа возвратного напряжения (RVM-анализа), а кабели с полиэтиленовой изоляцией – методом анализа изотермического тока релаксации (TRC-анализа). Основные технические характеристики комбинированной системы CDS: максимальное значение напряжения – 5 кВ постоянного тока; диапазон измерения тока от –130 до +130 нА; потребляемая мощность – 50 Вт; масса – 26 кг.

Основные достоинства универсальной комбинированной системы CDS: система не оказывает влияния на изоляцию кабеля и кабельных муфт; в системе реализован автоматический процесс измерения; ПО системы позволяет учитывать конструктивные особенности кабелей и классифицировать их техническое состояние.

Дальнейшее направление совершенствования системы CDS – переход к получению количественных оценок остаточного ресурса изоляции кабелей по результатам измерения в условиях эксплуатации тока заряда и возвратного напряжения.

Литература

  1. Кустов А.Г. Существует ли в России диагностика силовых кабельных линий и электрооборудования и зачем она нужна // Энергетика и промышленность России. – 2006. – № 8.
  2. Кустов А.Г., Андрианов Ю.В. Эксплуатация и обслуживание оборудования электрических сетей по техническому состоянию, мониторинг состояния изоляции и проводимости кабельных линий 0,4 кВ. Техническая информация ООО НПП "Диагностика и неразрушающий контроль" (г. Санкт-Петербург).
  3. Привалов И.Н. Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий номинальным напряжением 6 – 35 кВ // Электротехнический рынок. – 2008. – №2.
  4. Канискин В.А., Коцур С.А., Привалов И.Н. Кабели 10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией. Неразрушающий метод диагностики // Новости электротехники. – 2005. – № 5.

(Продолжение следует)

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus