Исследование частичных разрядов в кабельной изоляции из сшитого полиэтилена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Глава 1. Факторы, воздействующие на кабельную изоляцию из сшитого полиэтилена и приводящие к образованию частичных разрядов
• 1.1 Существующие типы изоляционных материалов, понятие «сшитой» полиэтиленовой изоляции
• 1.2 Факторы снижения надежности кабельной изоляции из сшитого полиэтилена и причины ее повреждения в эксплуатации
• 1.3 Основы развития частичных разрядов
• 1.4 Характеристические параметры частичных разрядов и определяющие их зависимости
• Глава 2. Анализ неразрушающих методов диагностики кабельной изоляции из сшитого полиэтилена
• 2.1 Методы оценки состояния изоляции кабельных линий
• 2.2 Диагностика кабельных линий
• 2.2.1 Измерение тангенса угла диэлектрических потерь
• 2.2.2 Метод измерения возвратного напряжения и тока релаксации
• 2.2.3 Метод рефлектометрии
• 2.2.4. Тепловизионный контроль
• 2.2.5 Измерение характеристик частичных разрядов
• 2.3 Анализ современных методов неразрушающей диагностики изоляции
• Глава 3. Разработка аналитической схемы для оценки состояния кабельных линий на основе измерения характеристик частичных разрядов
• 3.1 Исследование технического состояния КЛ-6/10 кВ ПО Уфимские городские электрические сети
• 3.2 Анализ результатов диагностического исследования
• 3.3 Создание алгоритма технического мониторинга состояния КЛ на базе измерений ЧР
• 3.4 Рекомендации по осуществлению нормативного регулирования области диагностирования КЛ по частичным разрядам
• Заключение
• Список литературы


Введение

Актуальность. Целью энергетической политики России является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Одним из средств достижения данного эффекта является надлежащая эксплуатация основного энергетического оборудования.

Для обеспечения надёжной работы силовых кабельных линий (КЛ) в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой КЛ на напряжение 6--35 кВ периодически подвергаются действию повышенного постоянного напряжения, в 4--6 раз превышающего номинальное напряжение КЛ с измерением токов утечки. Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена применяют щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое превышает по величине номинальное напряжение линии не более чем в 3 раза. разряд кабельная линия измерение

Практический опыт показывает, что планово-профилактические испытания не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ.

Таким образом, применение неразрушающих методов диагностики КЛ в условиях эксплуатации является актуальной задачей. Использование неразрушающих методов диагностики позволяет не только получать информацию о текущем состоянии изоляции, не травмируя её, но и рационально и обоснованно планировать сроки проведения ремонтов и замены КЛ по их фактическому техническому состоянию.

Цель работы - исследование частичных разрядов в кабельной изоляции из сшитого полиэтилена, развитие методов недеструктивной диагностики кабельных линий для повышения надежности электроснабжения бытовых и промышленных потребителей.

Объектом исследования являются системы электроснабжения промышленных предприятий и городов.

Предмет исследования - методы неразрушающей диагностики силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, в частности метод измерения частичных разрядов (ЧР).

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) Исследование особенностей изоляции из сшитого полиэтилена, изучение механизмов снижения в процессе эксплуатации электрической прочности кабелей с изоляцией из СПЭ.

2) Анализ современных методов недеструктивной диагностики изоляции кабельных линий 0,4/6/10 кВ.

3) Создание рекомендаций по обеспечению нормативного срока службы кабельных линий с СПЭ-изоляцией.

4) Разработка алгоритма анализа состояния изоляции кабельной линии на основе мониторинга методом измерения ЧР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты анализа различных существующих методик неразрушающего контроля изоляции кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена;

2) Результаты измерений характеристик частичных разрядов и исследование причин повреждаемости на объектах ПО УГЭС;

3) Разработанные рекомендации по осуществлению нормативного регулирования области диагностирования КЛ по частичным разрядам;

4) Альтернативный алгоритм принятия решений для оценки технического состояния кабельной линии с СПЭ-изоляцией.

Теоретическая и практическая новизна ВКР состоит в следующем:

1) Разработанный алгоритм для определения технического состояния кабельных линий позволяет осуществить переход от системы, основанной на разрушающих планово-профилактических испытаниях изоляции КЛ, к системе диагностики неразрушающим методом регистрации ЧР.

2) Составлены рекомендации по осуществлению нормативного регулирования области диагностирования КЛ по частичным разрядам, составленные на опыте применения зарубежными эксплуатирующими организациями различных методов диагностического контроля и эксплуатации кабельных линий с СПЭ-изоляцией.

Личный вклад соискателя: положения и выводы выпускной квалификационной работы являются результатом самостоятельного исследования автором проблемы внедрения методов неразрушающей диагностики кабельных линий. Автором лично изучены результаты диагностических испытаний, произведенных на объектах кабельного хозяйства ПО УГЭС, а также проанализированы данные по повреждаемости кабельных направлений Западного РЭС ПО УГЭС.

Методы получения данных: При решении поставленных задач использовались теоретические методы, преимущественно анализ, а также практический метод сравнения результатов, полученных при измерении частичных разрядов в электроустановках.

Публикации: По теме диссертации опубликована статья «Анализ недеструктивных методов диагностики кабельных линий распределительных сетей с изоляцией из сшитого полиэтилена» в сборнике материалов LIII Студенческой научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия» (г.Новосибирск, 2017 г.)

Структура и объем работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, списка литературы из 20 наименований, двух приложений общим объемом 21 страница. В работе представлен 21 рисунок и 10 таблиц.



Глава 1. Факторы, воздействующие на кабельную изоляцию из сшитого полиэтилена и приводящие к образованию частичных разрядов

Анализ методов диагностического контроля изоляции должен основываться на физических процессах, происходящих в толще изоляции кабельной линии. В настоящее время при проектировании, модернизации и строительстве электрических сетей повсеместно внедряются силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), использование которых нормативно закреплено в Положении о единой технической политике ОАО «Российские сети». Высокий уровень технологии производства, прокладки и монтажа обуславливает надежность эксплуатации СПЭ-кабелей. О причинах повреждения изоляции в условиях эксплуатации возможно судить при наличии представления о процессах, приводящих к разрушению изоляции и снижения электрической прочности.

1.1 Существующие типы изоляционных материалов, понятие «сшитой» полиэтиленовой изоляции

Надежность электроснабжения потребителей городских распределительных сетей во многом зависит от технического состояния кабельных линий, доля которых увеличивается пропорционально количеству осуществляемых технологических присоединений. Срок службы кабельной линии зависит от ресурса ее изоляции, который и определяется на базе экспериментальных исследований свойств того или иного типа изоляционного материала.

По типу изоляционного материала кабельные линии распределительных сетей можно разделить на две большие группы: кабели с пропитанной бумажной изоляцией (БПИ) и кабели с полиэтиленовой изоляцией (Рисунок 1.1).

В первую группу входят кабели с алюминиевыми или медными токопроводящими жилами с бумажной изоляцией, пропитанной вязким/нестекающим/обеднено-пропитанным составом, в алюминиевой или свинцовой оболочке, с защитными покровами или без них. Такие кабели относятся к наиболее распространенному виду продукции, их доля составляет около 95% от всех типов кабелей, применяемых в распределительных сетях. Каждая токопроводящая жила изолируется лентами кабельной бумаги, пропитанной компаундом (фазная изоляция). Поверх фазной изоляции накладывают экран из полупроводящей бумаги и оболочку из свинца. Изготовленные таким образом освинцованные жилы скручивают, а промежутки между ними заполняют пропитанной кабельной пряжей. После этого накладывается поясная изоляция, затем защитный покров, состоящий из подушки и брони.

Рисунок 1.1 - Классификация кабелей по типу изоляционного материала.

Полимерная изоляция жил, в отличие от бумажной, не впитывает влагу и является более экологичным материалом, однако высокий коэффициент теплового расширения и термопластичность полиэтилена накладывают ограничения на область применения таких кабелей.

Поиски способов повышения термической и механической стойкости полимеров привели к созданию модификации «сшитого» полиэтилена (под сшивкой понимается процесс связки цепочек молекул в широкоячеистую трехмерную сетку за счет образования поперечных связей).

Кабели второй группы состоят из многопроволочной уплотненной токопроводящей жилы, покрытой изоляцией из сшитого полиэтилена. Конструктивной особенностью таких кабелей является наличие экрана медных проволок, сечение которых выбирается исходя из значения токов короткого замыкания. В нормальном режиме по экрану силового кабеля протекает ток экрана, значение которого может достигать до 60% от тока жилы [8]. Поверх экрана укладываются разделительные слои, а также полимерная оболочка.

Одним из параметров, характеризующих сшитый полиэтилен, является доля сшивки [13]. Чем больше доля сшивки, тем прочнее полиэтилен и выше его хрупкость, поэтому доля сшивки для кабельной изоляции должна быть оптимальна. В результате данного преобразования улучшаются механические свойства полиэтилена, повышается химическая и термическая стойкость, уменьшается пластичность.

В настоящее время применяются следующие способы сшивки:

1) пероксидная;

2) силановая;

3) электронная (потоком элементарных частиц);

4) сшивка азотными радикалами.

В промышленном изготовлении кабельной продукции участвуют только первые два способа сшивки молекул.

Силановая сшивка (доля сшивки - до 65%) представляет собой обработку полиэтилена составом с предварительно имплантированными в него винилтриметоксисиланом и катализатором. Данный метод является относительно недорогим, однако применяется для изготовления кабельной продукции на напряжение до 35 кВ.

Сложная и дорогостоящая пероксидная сшивка (XLPE) получила большее распространение, так как материал после обработки получает высокие прочностные качества (доля сшивки - до 85%). Сама сшивка происходит при участии пероксидов при температуре 300 - 400 °С в присутствии нейтрального газа и при давлении Р=20атм. Сфера применения пероксидносшитого полиэтилена значительно шире. Так, промышленные предприятия при производстве силовых кабелей, работающих на напряжении до 500 кВ, используют полиэтилен, сшитый данным способом.

1.2 Факторы снижения надежности кабельной изоляции из сшитого полиэтилена и причины ее повреждения в эксплуатации

На кабельную линию, проложенную в земле, воздействует множество факторов, приводящих к необратимым изменениям в толще изоляции - так называемому «старению» изоляции.

Под старением изоляции следует понимать ухудшение характеристик изоляции в процессе эксплуатации, важнейшими из которых являются электрическая и механическая прочность, диэлектрические потери, проводимость.

В соответствии с различными видами воздействия различают электрическое, тепловое, механическое и химическое старение изоляции. Доминирующее воздействие оказывает именно электрическое поле [10,11], под действием которого образуются частичные разряды (ЧР) в диэлектрике, которые представляют собой пробои отдельных участков изоляции в ее толще.

Зависимость ресурса изоляции от напряженности поля Е выражается соотношением:

, (1.1)

где n - cтепень зависимости от особенности изоляционной конструкции, типа изоляции, рода воздействующего напряжения и его величины. Для изоляции из сшитого полиэтилена принимается значение n=6-10 [9].

Протекание тока нагрузки по жилам кабеля сопровождается его нагревом. Повышение температуры изоляции кабеля также приводит к деструкции изоляционного слоя. Данный процесс определяется скоростью протекания химических реакций, зависящих от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса [7]:

(1.2)

где - начальная скорость химической реакции; W - условная энергия активации разрушения; Т - температура протекания химической реакции; k - постоянная Больцмана.

Для полимерной изоляции интенсивность химических реакций возрастает приблизительно в два раза с увеличением температуры на каждые 10 ?С.

В случае, когда воздействующим фактором, приводящим к разрушению изоляции, является повышенная температура, зависимость для расчета среднего ресурса приобретает вид [7]:

(1.3)



где В - коэффициент, зависящий от конструкции и применяемых материалов.

При совместном воздействии напряженности электрического поля и температуры старение происходит более интенсивно, расчетный ресурс определяется как:

(1.4)

где С - постоянный коэффициент, зависящий от свойств изоляции.

В органических диэлектриках при повышении температуры происходят окислительно-восстановительные процессы с образованием свободных радикалов. Как следствие, возникают диэлектрические потери в изоляции (tgд) и удельная проводимость уменьшается. В соответствии общими закономерностями теплового старения диэлектриков диэлектрические потери в процессе термического старения описываются уравнением [7]:

(1.5)

где с_х - коэффициент, зависящий от температуры и пропорциональный константе скорости химических реакций при термическом старении; tgд_o - начальное значение угла диэлектрических потерь; t - время старения.

Увеличение диэлектрических потерь приводит к дополнительному нагреву изоляции и увеличению темпов ее старения, определяемых на основании зависимости tgд от частоты поля и температуры [8,10]. Циклы нагрева и охлаждения кабелей, значительная разница температур их изоляции и окружающей среды также негативно сказываются на механических характеристиках материала изоляции кабеля.

Механизм снижения электрической прочности СПЭ-изоляции связан с интенсивностью разрядных процессов в очагах газовых включений, которая, как уже было доказано, повышается сростом температуры диэлектрика и напряженности поля.

Экспериментально подтверждена прямая зависимость скорости развития частичных разрядов от частоты воздействующего напряжения в диапазоне от 10^-4 до 10⁴ Гц [14]. На модели силового кабеля экспериментально был показан характер снижения прочности с ростом частоты для неповрежденной изоляции из сшитого полиэтилена [13]. На частоте 50 Гц Е_ПР?85 кВ/мм, т.е. в 2,12 раза выше исходной прочности СПЭ-изоляции промышленного кабеля среднего напряжения.

Таким образом, приняв масштабный коэффициент 1:2,12, можно оценить степень снижения электрической прочности образца с ростом частоты. Для СПЭ-изоляции промышленного кабеля без дефектов значения прочности принимаются равными 73,4 кВ/мм (0,1 Гц) и 40 кВ/мм на частоте 50 Гц. Очевидно, на частоте 50 Гц наблюдается снижение пробивного напряжения из-за дефектов в СПЭ-изоляции в 2,05 раза, а на частоте 0,1 Гц - в 2,56 раза. Таким образом, для кабельной полиэтиленовой изоляции без повреждений наибольшая электрическая прочность достигается на низких частотах: на сверхнизких частотах (СНЧ) 0,01 - 0,1 Гц она в 2,15 - 1,84 раза превышает расчетное значение Е_ПР=40 кВ/мм (50 Гц). С ростом частоты воздействующего на кабель напряжения от 50 Гц до 1 кГц прочность вулканизированной полимерной изоляции снижается в 1,7 раза, а с ее увеличением до 10 кГц - в 3,5 раза. Негативное воздействие высокочастотных перенапряжений на сшитый полиэтилен и снижение времени до пробоя необходимо учитывать при расчете запаса по толщине изоляции при конструировании силовых кабельных линий.

Проникающие из окружающей среды в изоляцию кабеля различные примеси ухудшают ее электрические характеристики. Например, влага, которая проникает в изоляцию из окружающей среды, а также может образовываться в самой изоляции при термоокислительных процессах [8]. Скорость ее поступления зависит от влажности и температуры окружающей среды, гигроскопичности и температуры самой изоляции, от конструкции кабеля. Влияние влаги на характеристики кабеля обусловлено тем, что она может образовывать с другими веществами, а также с загрязнениями поверхности изоляции кабеля слабые электролиты, и являться причиной процессов коррозии брони защитных оболочек кабеля [9]. Кроме того, в присутствии влаги химические реакции протекают активнее, могут выделяться газы, в которых могут возникать и развиваться ЧР. Таким образом, увлажнение изоляции кабелей опасно тем, что оно ускоряет тепловое и электрическое старение и сокращает срок службы изоляции кабелей.

Помимо влаги, кабель, проложенный непосредственно в земле, взаимодействует с химическими реагентами почв, воздействие которых вызывает коррозию материала защитной оболочки кабеля, что приводит к ее разрушению [12].

Проведение строительных и земляных работ в охранной зоне кабельных линий может привести к механическим повреждениям изоляции силового кабеля, которые представляют собой проколы и замятия защитных оболочек, а также непосредственные порывы. Кроме того, механические повреждения происходят при транспортировке и прокладке кабельных линий, сезонных выпучиваниях грунтов при наступлении осеннее-зимнего периода и их перемещениях в весенний период.

Технологические процессы, происходящие при переработке полиэтилена, а также при наложении изоляции и оболочек кабеля методом экструзии приводят к появлению остаточных внутренних напряжений. Внутренние напряжения в дальнейшем приводят к усадке изоляции и оболочки по всей длине кабеля. Такие изменения в самой структуре полиэтилена усиливаются при одновременном воздействии на кабель температуры и механических нагрузок.

Влияние факторов, воздействующих на силовые кабели из сшитого полиэтилена, носит кумулятивный характер, в случае, если воздействия осуществляются совместно, возрастает вероятность пробоя изоляции. При выходе из строя изоляционного слоя пробивается участок в толще изоляции, обладающий малой электрической прочностью. Такие участки носят название «частичных разрядов». Возможность достоверной регистрации ЧР обуславливает развитие методов диагностики изоляции силовых кабелей, также значение имеет выбор метода регистрации.

1.3 Основы развития частичных разрядов

В результате изменения свойств изоляции и ее разрушения в диэлектрике возникают небольшие воздушные включения и полости. Пробой диэлектрика возможен при выполнении следующего условия:

Е_ПР ? Е_В, (1.6)

где Е_ПР - электрическая прочность диэлектрика, Е_В - максимальная напряженность электрического поля.

Явление пробоя газового промежутка носит название частичного разряда в изоляции. Причинами образования разрядов в виде дендритов в изоляции из полиэтилена могут быть кристаллические образования в толще диэлектрика (технологический дефект), создающие пониженную электрическую прочность на границе раздела образования и основной среды. Таким образом, разрушение изоляции происходит последовательно: возникновение полупроводящих слоев на поверхности включения приводит к формированию древовидных каналов разряда, наличие которых приводит к интенсивному разрушению диэлектрика.

Структура изоляции в общем случае является неоднородной, различие в диэлектрических свойствах вызывает перераспределение электрического поля.

(а)

(б)

(в)

Рисунок 1.2 - Виды включений в полимерной изоляции:

а - сферическое включение; б - эллипсоидное включение; в - клиновидное включение (металлический опилок).

Рассмотрим одиночные включения, когда расстояния до соседних включений на порядок и более превышают размеры включений.

Напряженность поля в газонаполненных сферических включениях (рисунок 1.2 а) составляет [7]:

(1.7)

где е_? - диэлектрическая проницаемость полимерной изоляции, е_в - диэлектрическая проницаемость газового включения, Е_? - напряженность поля в окружающем диэлектрике.

В газонаполненных сфероидальных включениях (рисунок 1.2 б) при a››b малая ось сферического включения направлена вдоль поля, тогда максимальная напряженность поля наблюдается в центре включения:

(1.8)

Включение в виде металлического опилка (рисунок 1.2 в), представляющего собой электрод, обуславливает развитие коронного разряда, возникающего вблизи заостренного края электрода. Данный разряд является неполным пробоем, однако предшествует полному пробою газа в неоднородном поле.

Под воздействием приложенного напряжения происходит практически скачкообразное изменение значения и направления вектора напряженности электрического поля в части изоляции, последовательной с газовым включением. При возникновении импульса емкостного тока в изоляции происходит пробой включения, после чего ионы, образующиеся в процессе разряда, заряжают поверхность газового включения и создают поле, обратное по направлению основному полю, напряженность поля во включении падает, и ток прекращается.

Описанное явление носит название частичного разряда (ЧР) в изоляции. Также к частичным разрядам относятся локальные разряды в местах резкого усиления электрического поля, например, у заостренных концов электродов (см. рисунок 1.2 в), к этой же категории можно отнести неоднородности, создаваемые острыми краями экранов и соединительных муфт.

Под действием частичного разряда начинается разрушение изоляции - размер дефектной области и интенсивность разрядов увеличиваются. Также разрушение изоляции ускоряется за счет термических процессов. Увеличение дефектной области приводит к росту напряженности поля в оставшейся части изоляционного промежутка. В случае, когда дефектная зона достигает достаточно больших размеров, становится возможным сквозной пробой изоляции. Скорость развития ЧР зависит от частоты повторения ЧР и энергии, рассеиваемой при каждом ЧР. При отсутствии экстремальных воздействий (перегрузка по току, перенапряжения) процесс развития дефекта от стадии зарождения до полного пробоя длится от нескольких месяцев до нескольких лет [11].

Закономерности повторения ЧР, механизм их образования и развития целесообразно рассматривать, пользуясь схемой замещения изоляционного промежутка с включением (рисунок 1.3 б). Для простоты анализа газовое включение расположено у одного из электродов.

(а) (б)

Рисунок 1.3 - Изоляционный промежуток с газовым включением: а - схематичное представление; б - схема замещения. С_d - емкость неповрежденного участка диэлектрика, С₀ - емкость участка изоляции между поверхностью газового включения и электродом, С_В - емкость газового включения.

Под действием синусоидально приложенного напряжения к изоляции u=U_ВХmax·sin(щt) происходит поляризация диэлектрика, что приводит к формированию на поверхности включения слоя связанных с молекулами диэлектрика зарядов. Плотность зарядов изменяется по такому же закону, по которому изменяются напряжение и напряженность поля во включении.

Пробой диэлектрика наступает при выполнении условия (1.6), в соответствии с этим, условие возникновения ЧР соблюдается, когда напряжение на изоляции будет равно [7]:

(1.9)

где U_ПР - амплитудное значение пробивного напряжения на газовом включении.

Процесс разрядов во включении можно представить, используя диаграмму (рисунок 1.4). При подаче напряжения на изоляционный промежуток с включением разряд происходит при достижении напряжением значения, равного U_ЧР, начиная с положительной полуволны (+U_ЧР). Процесс разряда протекает достаточно быстро: от 10^-9 до 10^-7 с. После окончания первого разряда значение напряжения в силу наличия некоторого сопротивления в канале разряда становится равным напряжению погасания первого ЧР (+U_П). Напряжение источника продолжает расти, и процесс разряда повторится определенное количество раз. Процесс разряда произойдет в другом месте на включении, где напряжение равно +U_ЧР. Дальнейший рост напряжения на газовом включении не приводит к ЧР, и оно будет изменяться согласно кривой воздействующего напряжения на изоляционный промежуток (рисунок 1.4 кривая 1) с переходом на отрицательную полуволну. При каждом акте разряда +U_ЧР и +U_П могут отличаться по значению, в рассматриваемом примере {+U_ЧР; +U_П}=const.

Рисунок 1.4 - Диаграмма напряжений, воздействующих на включение в изоляционном промежутке:

1 - напряжение, воздействующее на включение без образования ЧР; 2- напряжение, воздействующее на включение с образованием ЧР.

При достижении напряжением на газовом включении значения -U_ЧР происходит разряд, процесс будет повторяться до тех пор, пока напряжение на включении не станет меньше - U_П, затем напряжение будет изменяться согласно воздействующему на включение напряжению с последующим переходом на положительную полуволну.

Напряжения +U_ЧР и -U_ЧР могут различаться: значения -U_ЧР при расположении включения одной и той же толщины непосредственно у электродов, как правило, больше +U_ЧР, а при удалении включения от электродов +U_ЧР и - U_ЧР близки по своим значениям.

При воздействии коммутационного импульса ЧР могут возникнуть в первом периоде колебательного импульса и затем не образовываться, если воздействующее напряжение окажется менее +U_ЧР или -U_ЧР. При воздействии грозового импульса (грозовое перенапряжение), как правило, происходят один-два разряда. При этом +U_ЧР несколько выше, чем при воздействии переменного напряжения. Это объясняется влиянием запаздывания времени, затрачиваемого на формирование разряда.

При образовании разряда происходит нейтрализация определенного количества заряда ?q. В этом случае изменяется напряжение на так называемых электродах изоляционного промежутка на величину:

(1.10)

Восстановление заряда емкости С_В в связи с перераспределением заряда в элементах схемы происходит за счет заряда емкостей С_d и С_о. Так как данный процесс протекает достаточно быстро (10^-9 до 10^-7 с), на электродах промежутка изоляции происходит скачок напряжения ?U_?.До следующего акта разряда напряжение изменяется на элементах схемы замещения за счет подзаряда от внешнего источника напряжения.

Изменение заряда можно представить в виде:



(1.11)

Количественная оценка данного параметра становится актуальной задачей в связи с тем, что определить значения С_В и С_О для отдельно взятого включения не представляется возможным [7]. Регистрируемый заряд ?q_х называется кажущимся и является важнейшим параметром количественной оценки интенсивности ЧР.

1.4 Характеристические параметры частичных разрядов и определяющие их зависимости

На явлении возникновения частичных разрядов основываются методы диагностического контроля состояния изоляции и проведения измерений частичных разрядов в изоляции оборудования, выведенного из работы.

Диагностируемый параметр должен:

а) соответствовать физическому механизму старения изоляции кабеля в процессе работы;

б) достаточно легко измеряться

Немаловажным требованием является способность сохранять свойства параметров и значимость при переходе от опытных образцов к строительным длинам кабеля.

К основным нормируемым параметрам, рекомендуемым стандартами МЭК 60270-2000 [13] и ГОСТ Р55191-2012 [3] относятся:

1) Кажущийся заряд импульса частичного разряда - q_ЧР [пКл];

2) Средний ток - I_ЧР [Кл/с, А];

3) Частота следования импульсов - N [шт.];

К дополнительным параметрам относятся:

4) Временной интервал одного цикла измерения - t₁ [с];

5) Регулярность возникновения - R [безразмерная величина];

6) Фазовый угол появления импульса ЧР - ц_i [эл. град.];

7) Частота повторения импульсов - n [с^-1];

8) Напряжение возникновения частичных разрядов - U_i [В];

9) Напряжение погасания частичных разрядов - U_e [В];

В зависимости от выбора метода обработки данных могут быть получены и другие параметры.

Как упоминалось в пп. 1.3, при оценке состояния изоляции пользуются понятием «кажущегося заряда». Кажущийся заряд представляет собой абсолютное значение такого заряда, при мгновенной инжекции которого напряжение между электродами испытуемого объекта изменится так же, как изменилось бы при ЧР. Кажущийся разряд количественно не равен заряду, который протекает в области разряда.

Необходимо учитывать, что за амплитудное значение импульсов принимается амплитуда импульсов с частотой повторения импульсов N - отношением между общим числом импульсов ЧР, зарегистрированных в определенном временном интервале, и продолжительностью этого интервала. В случае, когда импульсы являются равноотстоящими, говорят о частоте следования импульсов N' - числе импульсов ЧР за 1 секунду.

Важнейшими параметрами, характеризующими ЧР, являются средняя мощность Р_ЧР и энергия W_ЧР. Энергия частичного разряда может быть определена как произведение значения кажущегося заряда q на мгновенное значение напряжения в момент разряда:

+W_ЧР=q· [+U_ЧР] или -W_ЧР = q· [-U_ЧР] (1.12)

При больших значениях энергии будет выше значение интенсивности ЧР, следовательно, разрушающая способность ЧР будет выше. Следует отметить, что одинаковые ЧР по данному определению будут иметь разные значения энергии, так как они имеют различные фазы и, соответственно, разные мгновенные значения. Следовательно, энергия единичного ЧР это величина производная.

Мощность ЧР можно получить, просуммировав энергии всех импульсов и разделив их сумму на время измерения t₁:

(1.13)

Значения параметров, рассчитываемых по (1.12) и (1.13) оказываются очень малы, поэтому их непосредственное измерение не производится. Энергию и среднюю мощность как важнейшие параметры оценивают с помощью пропорциональных величин.

Средний ток представляет собой частное суммы абсолютных значений кажущихся зарядов (от минимального регистрируемого значения до максимального) и временного интервала одного цикла измерения t₁:

(1.14)

где q₀, q₁, q₂, q_max - абсолютные значения кажущихся зарядов ЧР , зарегистрированных за время t₁.

Регулярность возникновения импульсов представляет собой отношение числа периодов воздействующего напряжения, в которых зарегистрированы ЧР, к общему числу периодов воздействующего напряжения за интервал времени t₁.

В некоторых случаях используют метод усиления значений зарядов, когда значение заряда каждого ЧР возводят в какую-либо степень, а затем сумму полученных значений делят делят на время измерения t₁.

Приложенное напряжение, при котором в испытуемом объекте впервые отмечаются повторяющиеся ЧР при постепенном увеличении напряжения, называется напряжением возникновения ЧР. Практически напряжение возникновения U_i частичных разрядов является самым низким приложенным напряжением, при котором значение импульса ЧР становится равным минимальному указанному значению или превышает его. Напряжение погасания частичных разрядов U_e это приложенное напряжение, при котором в испытуемой изоляции прекращаются (погасают) повторяющиеся ЧР при постепенном уменьшении напряжения со значения, при котором импульсы ЧР еще наблюдаются.

В ряде случаев при повышении напряжения, прикладываемого к изоляционному промежутку при достижении некоторого критического значения U_КР интенсивность ЧР резко возрастает, причем прежде врего возрастает кажущийся заряд единичного ЧР. Это может произойти вследствие изменения физических свойств возникновения ЧР (например, переход скользящего разряда по поверхности диэлектрика в коронный разряд), либо в результате структурных изменений в толще изоляции под действием начальных ЧР (например, образование дендрита в твердой изоляции, образование пузырьков газа в диэлектрике, пропитанными жидкими диэлектриками, вследствие их разложения под воздействием ЧР). Такие ЧР называются критическими и характеризуются кажущимся зарядом значением 10^-10 - 10^-7 Кл. Интенсивность значений критических ЧР зависит от многих факторов, в частности от объема, в котором развиваются разряды (объема включения), структуры, конструкции изоляции. Критические ЧР приводят к более интенсивному разрушению изоляции, их возникновение снижает значение U_КР и резко сокращает срок службы изоляции. Следовательно, недопустимо подвергать значению U_КР изоляционный слой при проведении диагностики и испытания.

Характеристики единичного разряда имеют определяющее значение, когда может происходить активное перераспределение продуктов деструкции в объеме диэлектрика, что также характерно для полимерной изоляции [7]. В случае общего изменения структуры диэлектрика (изменение химической структуры, связанной с увеличением tgд, возможностью развития теплового пробоя), необходимо прежде всего иметь в виду мощность ЧР.

В настоящее время существуют различные методы графического представления распределений частичных разрядов по их характеристикам. Исторически первым был метод регистрации импульсов при помощи осциллографа, представленный на рисунке 1.5. Осциллографирование - простой и понятный способ регистрации импульсов, который хорошо работает в лабораторных условиях, однако при измерении на реальных объектах данное представление оказывается неэффективным ввиду влияния шумов различной природы и наведенных сигналов с разных фаз.

Рисунок 1.5 - Осциллограммы частичных разрядов.

Отдельные исследования предполагают собой использование такой зависимости как распределение числа ЧР N по значениям их кажущихся зарядов q и фазе ц воздействующего напряжения N=f(ц,q). Такая зависимость устанавливает число ЧР, соответственно имеющих значения от минимального до максимального значений регистрируемых зарядов за время измерения. Зависимости представляются в виде гистограмм (рисунок 1.6) и содержат функции N(q) и q(ц), позволяющие образно представить процесс развития ЧР.

Рисунок 1.6 - Распределение частоты следования импульсов по их фазовому углу (ц) и заряду (q).

В ходе многочисленных исследований [8,17,18] была доказана высокая информативность формы импульса ЧР и времени его появления относительно фазы переменного напряжения. На реальных электроэнергетических объектах частичные разряды имеют стохастический характер, все их параметры сильно изменяются во времени и имеют большой разброс по времени. В связи с этим, статические характеристики для достоверной диагностики по частичным разрядам дополняются амплитудно-фазовыми и частотно-фазовыми распределениями.

Амплитудно-частотно-фазовое распределение (рисунок 1.7) представляет собой распределение импульсов частичных разрядов, отображаемых точками на двумерной плоскости с координатами амплитуда-фаза питающего напряжения. Цветом или тоном отображается количество импульсов, частота их повторения, имеющих одинаковые параметры.



Рисунок 1.7 - Примеры амплитудно-фазо-частотных распределений частичных разрядов.

Амплитудно-фазовое распределение может быть представлено на трехмерных диаграммах (рисунок 1.8). При данном способе отображения импульсы фиксируются в момент появления на соответствующем периоде приложенного напряжения.

Рисунок 1.8 - Трехмерное представление распределения частичных разрядов.

Использование определенной характеристики ЧР либо их сочетаний позволяет не только определить состояние изоляции с точки зрения наличия в ней дефектов, но и выявить динамику развития дефекта, начиная с момента возникновения частичных разрядов до установления критических значений характеристик ЧР. Анализ оперативных данных и сравнение с реальными наработками по характеристикам частичных разрядов являются важнейшими этапами осуществления алгоритма диагностики изоляции.

Выводы по первой главе

Установлено, что кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена обладают рядом преимуществ перед кабельными системами с иными типами изоляционных материалов.

Показано, что кабели с СПЭ-изоляцией, проложенные в земле, подвержены действию негативных факторов, влияющих на состояние изоляции. В частности, установлено, что следствием воздействия на изоляцию из сшитого полиэтилена совокупности негативных факторов является образование частичных разрядов в толще изоляции.

В настоящее время не накоплено достаточного опыта оценки состояния кабельной изоляции из сшитого полиэтилена и прогнозирования ее остаточного ресурса по характеристикам ЧР.

Для составления алгоритма осуществления контроля изоляции и определения нормально и предельно допустимых значений диагностических параметров, требуется определить наиболее перспективный метод диагностики полимерной изоляции.



• Глава 2. Анализ неразрушающих методов диагностики кабельной изоляции из сшитого полиэтилена

В настоящее время в мировой электроэнергетической практике оценка состояния высоковольтной изоляции кабельных систем является основой для принятия решений по продолжению их эксплуатации, ремонта или замены.

В России оценка контролируемых параметров кабельных линий проводится согласно нормативно-технической документации: ПУЭ [1], РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний оборудования» [4], ПТЭЭП, методы испытаний кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена должны соответствовать ИЭ-1-К10.

В то же время методики диагностики носят рекомендательный характер и различными эксплуатирующими организациями используются в разной степени. В связи с этим требуется критически оценить методы неразрушающего контроля.

2.1 Методы оценки состояния изоляции кабельных линий

Для обеспечения надёжной работы силовых КЛ в настоящее время в России широко применяется система, представляющая синтез системы планово-профилактических испытаний и периодических диагностических исследований. Условно эти системы можно соотнести соответственно с разрушающими и неразрушающими методами контроля состояния изоляции.

Высоковольтные испытания кабелей являются разрушающим методом контроля изоляции. Они должны применяться при вводе новых КЛ в эксплуатацию, после ремонта КЛ, а также в случае, когда дефекты изоляции настолько велики, что могут привести к пробою изоляции в условиях эксплуатации. В результате таких испытаний возможно два исхода: либо пробьется изоляция кабеля, и затем проводится ремонт, либо кабель остаётся в работоспособном состоянии, но на неопределённое время (двухбалльная оценка состояния). Эти испытания выявляют только грубые местные дефекты, не гарантируют последующую безаварийную работу, часто сами приводят к сокращению срока службы КЛ. Однако, несмотря на то, что испытания неинформативны в плане ресурса изоляции, они однозначно определяют, работоспособна ли кабельная линия. Считается, что кабель прошел испытания при выполнении следующих условий: во время испытания не произошло пробоя, перекрытия по поверхности и поверхностных разрядов, во время испытания не было увеличения тока утечки, а величина сопротивления изоляции кабеля не уменьшилась.

Рисунок 2.1 - Методы контроля изоляции

Испытание напряжением постоянного тока, которое успешно используется для тестирования кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией, для кабелей с пластиковой изоляцией оказалось непригодным [8]. При этих испытаниях в изоляции из сшитого полиэтилена на микровключениях молекул воды образуется объемный заряд, который не разряжается при традиционном снятии остаточного заряда с кабеля путем заземления, так как окружен этот внутренний «конденсатор» диэлектриком.

Рисунок 2.2 - Образование древовидных структур в изоляции из СПЭ при испытаниях повышенным напряжением постоянного тока.

При подаче рабочего напряжения происходит суммирование напряженностей электрических полей, что приводит к превышению предела прочности изоляции в локальном включении и появлению так называемых электрических древовидных структур. Возникает необратимое повреждение изоляции; частичные разряды, появляющиеся в ослабленном месте изоляции, способствуют развитию «водяных деревьев» («water trees»). Также это явление возникает при действии электрического поля, воды, механических дефектов и времени. То есть при появлении «водяных деревьев» под действием вышеперечисленных факторов через некоторое время в месте их скопления происходит пробой.

На сегодняшний день основным документом, регламентирующим правила испытания кабелей из сшитого полиэтилена, является РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытания электрооборудования» [4]. Очевидно, документ устарел и нуждается в переработке. В настоящий момент существует необходимость в разработке единых требований к испытаниям кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена для условий РФ, регламентирующих величины испытательных напряжений, форму напряжения, время испытания и их периодичность. Разрабатываемый документ должен опираться на отечественный опыт эксплуатации кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена с учетом требований международных стандартов.

Показательной является ситуация, связанная с испытаниями кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена. Несмотря на то, что, как упоминалось ранее, необходимость испытания повышенным напряжением при сверхнизкой частоте доказана, значения диагностических параметров четко не определены (см. таблицу 2.1). При наличии на предприятии СНЧ-установки техническое руководство ориентируется на требования международных стандартов и рекомендации заводов-производителей, которые существенно различаются между собой. Так, например, в инструкции Кольчугинского завода «Электрокабель» [21] сказано, что токоведущие жилы необходимо испытывать относительно экрана следующим испытательным переменным напряжением:3Uо частотой 0,1 (Гц) в течение 1 часа; Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки); 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 1 часа, в то время как согласно инструкции IEC 60502-2:2005 [14], основная изоляция КЛ испытывается: 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 5 минут; 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки). Из этого видно, что требования к проведению испытаний существенно различаются.



Таблица 2.1 - Нормирование испытаний кабельных линий 6 - 10 кВ

Методический класс	Метод контроля состояния изоляции	Определяемые параметры (для КЛ 6 - 10 кВ)	Нормативный документ	Примечания
		БПИ	СПЭ
Разрушающие методы контроля	Испытание повышенным напряжением промышленной частоты	1)Напряжение (1,00 - 1,73)UНОМ 2)Длительность испытания - согласно указаниям завода-изготовителя	3)Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки); 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 1 часа 4)2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 5 минут; 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)	1,2)ПУЭ [1] 1.8.40 п. 4, РД 34.45-51.300-97[4]; 3) ГОСТ Р 55025-2012 [3]; 4)IEC 60502-2:2005[14].	Согласно ПУЭ, для КЛ 6 - 10 кВ не допускается.
	Продолжение таблицы 2.1
	Испытание повышенным напряжением выпрямленного тока	1)Напряжение 2)Длительность 3)Токи утечки 4)Периодичность испытаний	Допускается испытывать кабели постоянным (выпрямленным) напряжением 4Uо в течение 15 минут, имеется примечание, что данный вид испытаний может привести к пробою изоляции кабеля	ПУЭ [1] 1.8.40 п. 3, табл. 1.8.39, табл. 1.8.40, РД 34.45-51.300-97 ГОСТ Р 55025-2012	Разрешается техническому руководителю энергопредприятия в процессе эксплуатации исходя из местных условий как исключение уменьшать уровень испытательного напряжения для кабельных линий напряжением 6--10 кВ до 4Uном
	Испытание напряжением сверхнизкой частоты	Не производится	1)Напряжение для испытаний изоляции и оболочки КЛ 2)Длительность для испытаний изоляции и оболочки КЛ	ИЭ-1-К10 [6] допускает испытание напряжением СНЧ, параметры не нормированы	Техническое руководство предприятий руководствуется требованиями международных стандартов и рекомендациями заводов-производителей

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обладают высокой электрической прочностью и малыми токами утечки, щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц позволяет выявлять дефекты в изоляции без формирования объёмных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции [6]. Постоянное изменение полярности заряда компенсирует накапливающиеся заряды, разряжая их. Для исключения поляризации объемных зарядов необходимо, чтобы форма выходного напряжения была симметричной. Тем не менее, данный метод контроля изоляции является разрушающим по отношению к изоляции и к оболочке кабеля.

2.2 Диагностика кабельных линий

В настоящее время в России возрос интерес к системам, позволяющим проводить диагностику электрооборудования неразрушающими методами контроля. ОАО «ФСК ЕЭС» в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» в распределительном электросетевом комплексе» четко сформулировало общую тенденцию: «В кабельных сетях следует перейти от разрушающих методов испытаний на неразрушающие методы диагностики состояния кабеля с прогнозированием состояния изоляции кабеля».

Особенностью неразрушающих методов испытаний является то, что

во-первых, диагностика -- это превентивная мера, позволяющая предупредить возникновение аварийных ситуаций, не связанных с механическими повреждениями кабельных линий, во-вторых, цель таких испытаний - не добиться пробоя изоляции в слабом месте, а его прогнозирование. Анализ результатов является сложной многопараметрической задачей, решаемой посредством специального программного обеспечения.

Диагностические методы контроля относятся к числу многофакторных наукоемких технологий, принципы осуществления диагностики различны. Однако неоспоримым плюсом любого диагностического метода является то, что при их применении на изоляцию электрооборудования оказывается гораздо меньшее воздействие по сравнению с испытаниями повышенным напряжением. Необходимо произвести оценку различных методов и выяснить, насколько эффективен метод, основанный на одном из признаков старении изоляции из сшитого полиэтилена - возникновении частичных разрядов в диэлектрике.

2.2.1 Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

При описании методики измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tgд) используют эквивалентную последовательную схему замещения изоляции (рисунок 2.3 а). Ток, протекающий в диэлектрике под действием приложенного напряжения, представляется на векторной диаграмме (рисунок 2.3 б) активной I_А и емкостной I_С составляющими. Потери мощности в изоляции это диэлектрические потери, которые существенно зависят от состояния изоляции и определяются как:

, (2.1)

где С_X и R_X - параметры эквивалентной схемы замещения изоляционного слоя.

Таким образом, потери мощности Р пропорциональны tgд. Для последовательной схемы справедливо соотношение для определения tgд:

(2.2)

По величине тангенса угла диэлектрических потерь судят о качестве изоляции. При повышении напряжения увеличиваются диэлектрические потери в воздушных пустотах и неоднородных участках изоляции. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь выявляет наличие недопустимого количества газовых включений и (или) неоднородностей.

Значение tgд изоляции измеряют при напряжении, равном номинальному напряжению объекта измерения, но не выше 10 кВ. Таким образом, данный метод является неразрушающим по отношению к основной изоляции. Величина tgд сильно увеличивается с ростом температуры изоляции, что следует иметь в виду при сравнении результатов измерений, сделанных при разных температурах, для получения более точного результата измерения производят несколько раз и получают среднее значение. Результаты измерений tgд сравнивают с допустимыми нормами [1, таблица 1.8.42] и результатами предыдущих измерений, в том числе заводских.

(а) (б)

Рисунок 2.3. Эквивалентная схема замещения диэлектрика: а - схема замещения диэлектрика; б - векторная диаграмма.

Для осуществления измерения тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции требуются: мост переменного тока, высоковольтная установка, а также эталонный конденсатор (в составе моста переменного тока).

Процесс уравновешивания моста (см. рисунок 2.4) заключается в многократном регулировании элементов схемы моста и защитного напряжения, что осуществляется включением индикатора равновесия попеременно в диагональ, а также между экраном и диагональю. Мост считается уравновешенным, если при обоих включениях индикатора равновесия ток через него отсутствует.

Рисунок 2.4. Принципиальная схема измерительного моста переменного тока

При равновесии моста имеет место равенство: щ·Rх·Cх = 2·р·f·R₄·C₄, где f -- частота переменного тока, питающего схему, R₄ - постоянное сопротивление. Если измерение производится на частоте f', отличной от 50Гц, то tgд = (f'/50)·C₄.

Таким образом, измеряемый tgд пропорционален изменяющейся для уравновешивания моста емкости С₄. На этом основан принцип измерения tgд мостами переменного тока.

В качестве высоковольтной установки используют трансформаторы напряжения НОМ-6 или НОМ-10. Для обеспечения точности измерения мост и вспомогательное оборудование, необходимое для измерения, располагают в непосредственной близости от проверяемого объекта т. к. мост учитывает потери в соединительном проводе, что отрицательно сказывается на точности измерения.

На результаты измерений существенное влияние оказывают паразитные токи, обусловленные внешними магнитными и электростатическими полями и утечками по поверхности кабельной линии. Для исключения влияния магнитных и электростатических полей осуществляется экранирование измерительных мостов. Паразитные токи существенно влияют на результаты измерений тангенса угла диэлектрических потерь объектов с малой емкостью, поэтому при проведении измерений тангенса угла диэлектрических потерь на небольших длинах кабеля применяются электронные усилители (например, типа Ф-50-1 с коэффициентом усиления около 60).