Исследование частичных разрядов в кабельной изоляции из сшитого полиэтилена

Значение tgд нормируется для маслонаполненных кабельных линий [1, таблица 1.8.42] и зависит от величины прикладываемого напряжения и марки масла, и нормируется для температуры 20°С, поэтому измерение следует производить при температурах, близких к нормированной (10 - 20 ?С). В этом диапазоне температур изменение диэлектрических потерь невелико, и для некоторых типов изоляции измеренное значение может без пересчета сравниваться с нормированным для 20 °С. Значение угла диэлектрических потерь обычно не превышает сотых или десятых долей единицы, поэтому угол диэлектрических потерь принято выражать в процентах (1+tg²д? 1).

Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена параметр tgд не нормирован, однако существуют рекомендации производителей испытательного оборудования [20], которые производят диагностику методом измерения тангенса угла диэлектрических потерь в составе испытательных СНЧ-комплексов при частоте 0,1 Гц. Данные измерения могут производиться как для кабелей с СПЭ, так и с бумажно-пропитанной изоляцией.

Методики проведения измерений также носят рекомендательный характер и значительно отличаются у производителей различного диагностического оборудования [19,20,21]. Рассматривая данный процесс на примере системы измерения тангенса угла PHG-TD производства компании BAUR [21],значение тангенса угла потерь измеряется при различных уровнях напряжения в диапазоне от 1xU_o до 2xU_o, а затем производится их анализ. Программируются до восьми измерений на каждое установленное напряжение в диапазоне. После чего система измеряет ток утечки и тангенс угла потерь, определяет среднее значение. Отчет о состоянии изоляции представляет собой график зависимости тангенса диэлектрических потерь от отношения приложенного напряжения к фазному значению напряжения линии.

Производителями диагностического оборудования также формируются нормы оценки состояния изоляции оборудования и рекомендуемые меры, не отраженные в РД 34.45-51.300-97 [4] (см.таблицу 2.2):

Таблица 2.2 - Критерии оценки состояния изоляции силовых КЛ по значению tgд

Значение tgд	Вывод о состоянии изоляции	Предпринимаемые меры
tgд при 2 Uo, %	?tgд [tg д (2 Uo)-tg д (Uo)]
< 0,12	< 0,06	Хорошее	Превентивные меры не требуются
> 0,22	> 0,1	Плохое	Незамедлительная замена

В справочной литературе заводов-изготовителей диагностического оборудования указано, что рост тангенса угла диэлектрических потерь при повышении напряжения не должен быть резким [20], однако нормативная документация по проведению диагностики кабельных линий не регламентирует данную характеристику, таким образом, при проведении реальных диагностических испытаний не представляется возможным определить, какое увеличение значения угла диэлектрических потерь при увеличении подаваемого напряжения следует считать «резким».

Применительно к методу измерения тангенса угла диэлектрических потерь в кабельной изоляции из сшитого полиэтилена необходимо отметить следующее. К преимуществам данного метода можно отнести возможность проведения диагностики при переменном напряжении, что не приводит к поляризации объемных зарядов в толще диэлектрика и связанному с этим пробою. Величина воздействующего напряжения, не превышающая 2U₀, и частота переменного тока 0,1 Гц современных диагностических установок создают щадящие условия для изоляции в период проведения измерений. Проведение планового тестирования, и при этом объединение диагностического теста с испытанием кабеля переменным СНЧ-напряжением значительно экономит время, затрачиваемое на обследование отдельно взятого кабельного направления. Если этот процесс осуществляется через установленные промежутки времени, измерение тангенса угла диэлектрических потерь может стать основой для прогнозирующей программы при обслуживании высоковольтных кабелей.

Сомнение вызывает гарантируемая производителями диагностических систем возможность проведения диагностики под рабочим напряжением в процессе эксплуатации, в то время как сами производители рекомендуют делать серию замеров в связи с влиянием на значение tgд температуры изделия и окружающей среды. Рекомендуемые пороговые значения tgд нормируются для установленного значения температуры изоляции, следовательно, полученные при измерении значения должны пересчитываться для кабеля, по которому протекает ток нагрузки. Температура жил кабеля, находящегося в работе, не является постоянной величиной, а длительно допустимые параметры для кабельных линий с различными типами изоляции отличаются от нормируемого при проведении измерения tgд. При этом сами предельно и нормально допустимые значения tgд для полимерной изоляции не закреплены в нормативно-технической документации.

Реализация данного метода диагностики обуславливает приобретение эксплуатирующей организацией дополнительного комплекта диагностического оборудования с прилагаемым программным обеспечением. Таким образом, встает вопрос об обучении персонала испытательной лаборатории навыкам работы с новым типом оборудования. Затраты на обучение персонала, закупку оборудования не оправдываются в силу неинформативности получаемых при диагностике данных. Оценка состояния по значению коэффициента мощности интегральная и не дает информацию о местонахождении дефекта в кабельной изоляции.

На значения тангенса угла диэлектрических потерь оказывает влияние локальная интенсивность частичных разрядов в кабеле. Поэтому, получая неудовлетворительные результаты измерений тангенса угла, нельзя констатировать непригодность кабеля к дальнейшей эксплуатации. Данный метод позволяет быстро и без негативного влияния на кабель получить общую картину состояния изоляции и в дальнейшем проблемные кабели взять под контроль.

2.2.2 Метод измерения возвратного напряжения и тока релаксации

Метод измерения и анализа возвратного напряжения (Reverse Voltage Measurement Analysis) основан на измерении и анализе зависимостей остаточного заряда и напряжения от времени протекания тока заряда ёмкости диагностируемого кабеля постоянным напряжением относительно небольшой величины. Максимальное значение величины воздействующего напряжения составляет 2 кВ, что в раз меньше фазного напряжения для КЛ-6 кВ, таким образом, метод является неразрушающим по отношению к изоляции жил.



Рисунок 2.5 - Схема измерения возвратного напряжения

Данный метод реализуется на базе комплексных диагностических систем, в которых для оценки состояния изоляции фиксируются следующие ее параметры:

- величина тока зарядки;

- максимальная величина возвратного напряжения;

- время достижения максимальной величины возвратного напряжения;

- скорость нарастания возвратного напряжения;

- коэффициенты нелинейности (соотношение измеренных величин при разныхзначениях зарядного напряжения - 1 и 2 кВ).

Рисунок 2.6 - Расчетные кривые возвратного напряжения для кабельных линий с разным сопротивлением изоляции

Измерительный комплекс способен оценивать состояние как кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (в этом случае измеряется возвратное напряжение), так и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (измеряется изотермический ток релаксации).

Известно, что бумажно-масляная изоляция обладает способностью абсорбировать влагу. Определение технического состояния кабельных линий по методу возвратного напряжения заключается в определении степени увлажненности такого типа изоляции.

Диагностика кабельных линий с бумажно-пропитанной изоляцией выполняется на кабельной линии, выведенной в ремонт и отсоединённой с двух сторон. Производятся два цикла измерений при зарядном напряжении 1 и 2 кВ вне зависимости от номинального напряжения КЛ. Данного значения напряжения достаточно для проведения анализа, в каждом цикле диагностика происходит по следующей схеме:

1)Измеряется значение остаточного заряда на диагностируемой КЛ;

2)Емкости всех трёх фаз заряжаются одновременно постоянным напряжением 1 кВ от источника постоянного напряжения в течение достаточно длительного времени (в течение 15 минут) для равномерной зарядки всех элементов;

3)Осуществляется кратковременная разрядка ёмкости КЛ (в течение 2 секунд) через разрядное сопротивление;

4)В течение следующих 30 минут производится измерение характеристик восстанавливающегося напряжения в процессе перезаряда ёмкости кабеля;

5)По окончании процесса измерения возвратного напряжения кабель разряжается до полного стекания остаточного заряда. После этого процедура диагностики КЛ повторяется по описанной схеме при зарядке кабеля постоянным напряжением 2 кВ.

Напряжение Ud(t) измеряется после длительного "заряда" изоляции кабеля, т.е. после возбуждения поляризационных процессов полей постоянного напряжения U_o=1кВ за период t_c=60 мин. Восстанавливающееся напряжение измеряется после заряда постоянным напряжением U_o=1кВ за период t_c= 60 мин, а затем следует отключение от источника напряжения и закорачивание на период t_dc=3-5 с.

При проведении диагностики результаты измерений возвратного напряжения для каждой фазы КЛ и для каждого цикла измерений отображаются на мониторе компьютера измерительной системы (см. рисунок 2.6).

В то время как измерение возвратного напряжения дает информацию о степени увлажненности бумажной изоляции, применительно к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена применяется метод измерения изотермического тока релаксации, который дает информацию об остаточном ресурсе кабельной линии.

Сравнение данных методов показывает, что они дают ту же самую информацию об изоляции, а именно: проводящая компонента тока посредством напряжения саморазряда дает информацию об интенсивности процессов проводимости, а поляризационная компонента через восстанавливающееся напряжение дает информацию об интенсивности поляризации. Существенное различие этих двух методов состоит в том, что величины, полученные методом восстанавливающегося напряжения, не зависят от геометрических размеров образца, т.е. являются "удельными", в то время как результаты, полученные измерением токов, зависят от размеров и форм изоляции. Поэтому результаты измерений токов трудно интерпретировать, в то время как результаты измерения напряжения могут прямо сравниваться.

Относительно методов измерения возвратного напряжения и тока можно отметить следующее. Этот вид диагностики определяет, насколько увлажнена изоляция КЛ и можно ли при данном уровне увлажнённости её эксплуатировать, а именно насколько высока вероятность выхода её из строя в заданное время. При этом измеряемые параметры: величина тока зарядки, максимальная величина возвратного напряжения, время достижения максимальной величины возвратного напряжения, скорость нарастания возвратного напряжения - величины ненормированные, вывод о пригодности кабельной линии к дальнейшей эксплуатации на основании таких расчетов сделан быть не может; иными словами, состоянию изоляции дается интегральная оценка, по которой невозможно определить место локализованных дефектов.

Поскольку увлажнённость изоляции актуальна только для КЛ с бумажно-маслянной изоляцией (КЛ с изоляцией из СПЭ практически не подвержены увлажнению), то перед более подробной диагностикой такую КЛ необходимо подвергнуть измерению возвратного напряжения. Это обусловлено тем, что если КЛ с влажной бумажно-масляной изоляцией сразу подвергнуть диагностике, например по частичным разрядам, то по результатам измерений кабельная линия будет полностью пригодна к дальнейшей эксплуатации. Таким образом, данный метод диагностики определяет целесообразность проведения диагностики по частичным разрядам.

Методика проведения измерений обуславливает длительное пребывание на диагностируемом объекте; подготовка кабельной линии для проведения диагностики, помимо вывода кабельной линии из работы, подразумевает также снятие остаточного заряда, что занимает время до 1 часа для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией, для кабелей с СПЭ-изоляцией производители рекомендуют ожидать не менее 3 часов. К тому же, измерения производятся неоднократно и требуют участия персонала в течение всего времени измерения. Данные мероприятия существенно затягивают длительность процесса диагностирования.

Данные, полученные при диагностике изоляции методами измерения возвратного напряжения и тока релаксации, могут быть полезны при наблюдении общего состояния изоляции любого типа (это можно отнести к преимуществам метода) в динамике. С помощью проведения периодических измерений и накопления данных можно судить об интенсивности процессов старения (увлажнение, термическое старение изоляции), а также по итогам сравнения результатов измерения возвратного напряжения/тока релаксации с ранее полученными данными диагностируемой КЛ можно делать выводы о необходимости дальнейшего выявления дефектов изоляции или эксплуатации без ограничений.

2.2.3 Метод рефлектометрии

Определение дефектов в кабельной изоляции методом рефлектометрии осуществляют посредством зондирующего импульса и измерении параметров при его отражении от неоднородностей в изоляции.

При реализации метода пользуются представлением кабельной линии следующей эквивалентной схемой (рисунок 2.7):

Рисунок 2.7 Эквивалентная схема замещения кабельной линии.

Значения параметров линии зависят от типа кабельной линии, а также ее конструктивных особенностей. В общем случае, линия характеризуется полным сопротивлением:

, (2.3)

где R', L',G', С' - погонные удельные значения сопротивления, индуктивности, проводимости, емкости линии, соответственно.

Важным параметром линии является волновое сопротивление линии, определяемое при условиях R'=0 ,G'=0 следующим соотношением [21]:

(2.4)

Выходное сопротивление рефлектометра должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии для исключения формирования повторно отраженных сигналов.

Кабельная линия с изоляцией из сшитого полиэтилена по своей сути представляет собой коаксиальный кабель, так как по экрану кабеля протекают токи значением до 62% от тока жилы [6], следовательно, погонные данные кабеля могут быть определены следующим образом:

(2.5)

где D - внутренний диаметр экрана, мм; d - диаметр токоведущей жилы, мм; L₀ - погонная индуктивность кабеля, мГн/м;

(2.6)

где е - диэлектрическая проницаемость полимерной изоляции; С₀ - погонная емкость кабеля, пФ/м.

Скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике определяется коэффициентом укорочения n, который показывает, во сколько раз длина волны в линии, изолированной диэлектриком л_К, меньше длины волны в свободном пространстве [5]:



(2.7)

Погонное затухание зависит от материалов, из которых изготовлены проводники и изоляция, частоты, при которой производятся измерения, поперечных и продольных размеров материалов кабеля и определяется [5]:

(2.8)

где f - частота измерения, Гц; е - диэлектрическая проницаемость изоляции; в - коэффициент затухания.

Таким образом, чем длиннее диагностируемая линия, тем затухание сигнала как по напряжению, так и по мощности сильнее, следовательно, метод рефлектометрии имеет ограничения по длине.

В современных диагностических приборах применяются различные зондирующие импульсы, которые можно разделить на короткие импульсы, гармонические сигналы высокой частоты, а также вейвлет-импульсы. В соответствии с этим, рефлектометрические методы разделяют на импульсный, высокочастотный и вейвлет, соответственно. Однако применение разных типов импульсов не исключает ошибок измерений, связанных с неточным определением коэффициента укорочения.



Рисунок 2.7 - Набор приборов, необходимый для высокочастотной рефлектометрии: 1 - испытуемый кабель; 2 - высокочастотный генератор; 3- осциллограф; 4 - компьютер; 5 - резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабельной линии; 6 - принтер; 7 - измерительный мост.

Определение дефектов в кабельной изоляции по принципу рефлектометрии осуществляют посредством зондирующего импульса и измерении параметров при его отражении от неоднородностей в изоляции. Напряжение, отраженное от дефекта, представляется искаженным сигналом. Импульс зондирующего сигнала распространяется вдоль линии и отражает энергию, если встречает на своем пути изменение в волновом сопротивлении изоляции кабеля. Далее необходимо вычислить спектр мощности отраженного импульса. Информацию о дефекте иллюстрирует всплеск в спектре частот задержки сигнала со временем t, преобразованные сигналы поступают на графический индикатор [17].

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии - реакция линии на зондирующий импульс, осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс - ось времени (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Рефлектограмма: определение расстояния до неоднородности в кабельной линии методом рефлектометрии.

При воздействии простого импульса или гармонического сигнала построение выходного импульса основано на построении импульсов методом Фурье, когда сложный сигнал представляется с помощью базовых синусоидальных функций (рисунок 2.8). Существуют также и другие функции, позволяющие осуществлять построение рефлектограмм. Так, например, вейвлет-импульс представляет собой кратковременный линейно затухающий импульс, который может обеспечить более высокую точность получаемых рефлектограмм, предельная точность которого ограничена временем излучения зондирующего импульса.

Значительным недостатком этого метода является сложность анализа полученных рефлектограмм вследствие содержания высокоуровневых шумов промышленной частоты, ее гармоник и гармоник частот, отличных от промышленной. Нелинейность зондирующего импульса приводит к искажению импульса отраженного. Таким образом, данный метод эффективен для локализации высокоомных повреждений изоляции (короткое замыкание, обрыв), но зачастую оказывается неэффективным для отыскания локальных и распределенных неоднородностей изоляции. Степень проявления этого недостатка возможно снизить за счет уменьшения длительности зондирующего импульса (например, треугольный импульс), однако при этом не удается достичь требуемой амплитуды импульса для повышения чувствительности на больших длинах КЛ. Таким образом, метод рефлектометрии требует доработки в плане распознавания рода дефекта и его величины в условиях повышенных помех. Данный факт исключает возможность применения метода рефлектометрии в режиме on-line под рабочим напряжением. Кроме того, данный метод предъявляет высокие требования к диагностической аппаратуре по стабильности и форме посылаемого фронта импульсов, что приводит к его удорожанию.

2.2.4. Тепловизионный контроль

Дистанционные обследования объектов в инфракрасном диапазоне электромагнитного излучения (термография, тепловидение) широко применяются во многих сферах деятельности человека. Область использования термографии огромна, в том числе данный метод используется для контроля состояния электротехнического оборудования.

Тепловизионный контроль - это оптический метод в инфракрасной зоне спектра электромагнитных волн. Но, помимо регистрации отраженного излучения, он позволяет зафиксировать и измерить собственное тепловое излучение объектов. Поэтому тепловидение есть мощное и удобное средство обследования объектов по их температурному полю, для наблюдения тепловых процессов, явлений, сопровождающихся теплопереносом.

Применение тепловизора для выявления дефектных элементов основано на том, что наличие некоторых видов дефектов вызывает изменение температуры этих элементов и, как следствие, изменение интенсивности инфракрасного (ИК) излучения, которое может быть зарегистрировано названными приборами. Данный метод является эффективным для диагностирования технического состояния концевых муфт, а также кабельных вводов, проложенных открытым способом.

Все тела, имеющие температуру, излучают в ИК-области. Тепловое излучение происходит за счет колебаний атомов и молекул вещества. Источники света в видимом и ближнем ИК-диапазоне 0.8-1.5 мкм - редкое явление (это должны быть раскаленные тела). Применительно к токоведущим частям это означает очевидно недопустимый температурный режим. В ИК-области мы наблюдаем собственное тепловое излучение тел, поэтому таким способом возможно производить мониторинг состояния кабельной изоляции.

Рисунок 2.9 - Спектр электромагнитного излучения

Серийные тепловизоры работают в двух диапазонах инфракрасного излучения: среднем 3 - 5 мкм и дальнем 8 - 12 мкм. Преимуществами использования дальнего инфракрасного диапазона, по сравнению со средним, являются: на порядок большая мощность собственного теплового излучения в этом диапазоне для объектов с невысокой температурой; существенно меньшая (в 2.2 раза) пестрота в коэффициенте излучения-отражения различных типов поверхностей. Преимущества диапазона 3 - 5 мкм заключаются в большей чувствительности к слабым температурным контрастам и к различиям свойств поверхности, меньшая чувствительность к отраженному фоновому тепловому излучению к собственным аппаратурным и фоновым тепловым шумам. Таким образом, с достаточной точностью можно определить тепловое состояние изоляции оборудования, при этом кабельные линии не выводятся в ремонт (замер осуществляется под нагрузкой).

Рисунок 2.10 - Термограмма болтового соединения токоведущего вывода кабельной линии.

При проведении тепловизионного исследования контактных соединений энергетические предприятия руководствуются положениями РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытания электрооборудования» [4, Приложение 3]. При токах нагрузки (0,6 - 1)I_НОМ используются значения допустимых температур в соответствии с таблицей 2.3 [4].



Таблица 2.3 Допустимые температуры нагрева токоведущих жил силовых кабелей

Контролируемые узлы	Значение температуры нагрева для длительного/ аварийного режима ?С
При наличии изоляции:	70/80
- из поливинилхлоридного пластика и полиэтилена	65/-
- с пропитанной бумажной изоляцией при вязкой/обедненной пропитке и номинальном напряжении, кВ	80/80
1 и 3	65/75
6	60/-
10	80/100

При оценке состояния контактов и болтовых контактных соединений при токах нагрузки (0,3 - 0,6) I_НОМ оценка их состояния производится по избыточной температуре (см. табл. 2.4). Избыточная температура - превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичных узлов других фаз, находящихся в одинаковых условиях.

Таблица 2.4 - Значения степеней неисправности в зависимости от избыточной температуры

Значение избыточной температуры, ?С	Степень неисправности	Необходимые меры
5-10	Начальная степень неисправности	Неисправность следует держать под контролем и принимать меры по ее устранению во время проведения ремонта, запланированного по графику
10-30	Развившийся дефект	Принять меры по устранению неисправности при ближайшем выводе кабельной линии из работы
>30	Аварийный дефект	Произвести немедленное устранение

Тепловизионная диагностика обладает следующими достоинствами:

- возможность выполнения безопасного диагностирования в рабочем режиме, без необходимости вывода в ремонт и отсоединения кабельной линии;

- безопасность проведения работ при условии соблюдения допустимых расстояний от токоведущих частей, находящихся под напряжением;

- возможность одновременного выполнения диагностики большого объема кабельных линий и муфт при одинаковом состоянии внешних условий и одинаковом режиме работы диагностируемых объектов, что позволяет применить статистическую оценку (дополнительный диагностирующий параметр, доступный для обработки);

- возможность оперативного обследования большого объема кабельных линий и муфт при необходимости выявления отдельных ненадежных элементов;

- критерии оценки (длительно допустимые температуры, избыточные температуры) четко регламентированы [4,5], анализ результатов предельно прост и понятен, принятие решения относительно состояния изоляции кабельной линии выносится по ходу диагностики.

Как и любой диагностический метод, тепловизионный метод контроля обладает также недостатками, в частности, по своей сути это оптический метод. Отсюда - наличие зеркальных отражений (ложных аномалий), диффузные отражения в условиях плотной укомплектованности распределительного устройства различными аппаратами приводят к «смазыванию» температурных контрастов и некорректному показанию тепловизора. Для данного метода характерна неравномерная засветка - наличие фонового теплового излучения, которое зависит от пространственного положения исследуемого объекта. При наличии большого количества преимуществ описанного метода важнейшим недостатком является возможность исследования лишь доступных участков кабельных линий - концевых муфт на опорах присоединения или в ЗРУ и частей кабельных линий, находящихся внутри ЗРУ/поднимающихся по опоре, кабельных линий, проложенных по эстакаде/в коллекторе/на открытом воздухе. Подавляющее большинство кабельных линий городских распределительных сетей проложено в земле, что делает невозможным применение данного метода для полноценной диагностики кабеля по всей длине. Метод, несомненно, эффективен для выявления перегревов контактных соединений, однако не может быть использован как основной для принятия решения по эксплуатационным мерам применительно к кабельным линиям.

2.2.5 Измерение характеристик частичных разрядов

Ухудшение первоначальных свойств изоляционного материала (старение) и ее разрушение обусловлено воздействием внешнего поля, температуры, вибрации, химически активной среды. Данный процесс является длительным и сопровождается возникновением микропробоев в толще изоляции, в том числе с образованием древовидных структур (дендритов). Различные включения в виде микропробоев объединены общим понятием частичного разряда как локального электрического разряда, частично шунтирующего изоляцию.

Как было указано в главе 1, существует ряд определенных измеряемых характеристических параметров частичных разрядов, которые позволяют определить степень развития дефекта. Метод измерения и локализации ЧР в изоляции затухающим осциллирующим напряжением по схеме, изображенной на рисунке 2.11, позволяет определять значение кажущегося заряда и места расположения ЧР, величину напряжения возникновения и погашения ЧР, а также ряд других величин. По совокупности этих параметров может быть сделано обоснованное заключение о техническом состоянии изоляции диагностируемой КЛ.

Рисунок 2.11 - Схема измерения частичных разрядов в кабельной линии: R_З - зарядное сопротивление, L - катушка индуктивности, R_L - активное сопротивление в индуктивной цепи измерительной системы, К - высоковольтный ключ, ИЧР - измеритель частичных разрядов.

Конструктивно система измерения частичных разрядов состоит из блока-анализатора, включающего компьютер и источник постоянного напряжения, и блока-катушки с интегрированной электронной схемой для выработки переменного испытательного напряжения. Управление системой, сохранение, анализ и оценка результатов измерения характеристик ЧР производятся с помощью специального программного обеспечения, установленного на портативном компьютере.

Перед началом диагностирования необходимо вывести кабельную линию в ремонт, отсоединить ее с двух сторон и произвести калибровку. Калибровка системы производится для уточнения длины кабельной линии, установления зависимости сигналов датчиков от значения кажущегося заряда и проверки функционирования всей системы регистрации. В качестве градуировочного устройства используется портативный генератор прямоугольных импульсов, подключаемый к клеммам диагностируемого объекта через калибровочную емкость по параллельной схеме (рисунок 2.12).



Рисунок 2.12 - Схема включения калибровочного генератора: С_КЛ - емкость диагностируемой кабельной линии; С_К - калибровочный конденсатор, ГПИ - генератор прямоугольных импульсов.

Калибровка состоит в определении коэффициента чувствительности системы измерения К_ИЗМ, равного отношению калибровочного разряда q_КАЛ к показанию устройства измерения U_ИЗМ:

(2.9)

Калибровка схемы осуществляется при каждом изменении ее параметров: изменении емкости измерительного конденсатора, изменении объекта диагностики, замене соединительных проводников системы регистрации ЧР, повторном заземлении.

После осуществления калибровки каждая фаза диагностируемой линии поочередно заряжается постоянным напряжением в течение нескольких секунд до выбранной величины, которая не превышает амплитуду номинального междуфазного напряжения кабельной линии. Фаза КЛ посредством электронного переключателя подключается к заземленному экрану КЛ через резонансную катушку. При разрядке кабеля возникают затухающие гармонические колебания, частота которых зависит от ёмкости диагностируемого объекта. Бегущая волна инициирует возникновение частичных разрядов в изоляции КЛ, которые фиксируются и сохраняются в памяти компьютера измерительной системы для последующей обработки с целью определения амплитуды и местоположения ЧР по длине кабельной линии.

Представляется возможным определение напряжения возникновения и погасания частичных разрядов, так как амплитуда испытательного напряжения является затухающей. Колебательное напряжение прикладывается к объекту диагностирования на период менее 1 секунды, что не действует разрушительно ни на токоведущую жилу, ни на изоляционный слой.

При обработке записанных в памяти компьютера данных диагностики выделяются и учитываются первичные и отражённые 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 учтённые импульсы ЧР представляются на карте распределения ЧР различной величины по длине КЛ (Приложение А). Карта дефектных мест может быть преобразована в гистограмму распределения количества ЧР по длине КЛ как для всех трёх фаз КЛ, так и для каждой фазы КЛ в отдельности.

2.3 Анализ современных методов неразрушающей диагностики изоляции

Для проведения анализа неразрушающих методов контроля, рассмотренных выше, определим критерии эффективности и требования, предъявляемые к ним:

· Безопасность применяемого метода для персонала;

· Влияние помех и паразитных токов;

· Необходимость проведения многократных измерений в цикле диагностирования;

· Наличие нормативной базы;

· Характер оценки состояния изоляции (дискретный/интегральный);

· Возможность проведения диагностического исследования под нагрузкой;

· Длительность периода диагностического испытания;

· Вид диагностической аппаратуры для описываемого метода.

Очевидно, каждый из приведенных методов контроля изоляции обладает рядом преимуществ и недостатков. Пункты 2.2.1 - 2.2.5 посвящены данным методикам и содержат критическую оценку каждого из них. Однако, для выявления наиболее оптимального способа необходимо осуществление сравнения методик, характеризующихся различными принципами определения состояния изоляции кабельных линий. В таблице 2.5 приведены результаты сравнения наиболее распространенных методов диагностики по критериям, указанным выше.

Таблица 2.5 - Анализ неразрушающих методов диагностики КЛ

^* - без учета времени, затраченного на выписку наряда-допуска, проведение инструктажей.

Сопоставляя специфические особенности каждого неразрушающего метода диагностики изоляции кабельных линий, необходимо отметить следующее. Указанные методы являются безопасными для оперативного персонала при условии соблюдения методик проведения исследования, отраженных в соответствующих нормативных документах, а также в технической сопроводительной документации заводов-изготовителей диагностирующего оборудования.

На погрешность измерений данными методами в разной степени воздействует наличие источников импульсных сигналов (высокочастотных и низкочастотных помех) разного рода [17]. Помехами частотой до 10 МГц сопровождаются коммутационные перенапряжения при переключении контактов РПН, выключателей смежных соединений; сигналы высокочастотной связи и телемеханики, которые несмотря на ослабление их ВЧ-фильтрами, устанавливаемых на подходах воздушных линий к подстанции, попадают в систему регистрации ЧР кабельных линий, отходящих от электрических подстанций (диапазон частот до 800 кГц); перенапряжения различного рода (коммутационные, атмосферные); система телемеханики; дефектные изоляторы шин 10 кВ); коронные разряды на ошиновке и различных частях силового первичного оборудования подстанций.

Наличие помех определяет неэффективность использования методов измерения коэффициента мощности, возвратного напряжения и тока, а также рефлектометрии в диагностических целях даже на выведенном в ремонт оборудовании. Применение перечисленных методов применительно к кабельным линиям под рабочим напряжением оказалось неэффективным [6]. Тепловизионный метод контроля такого недостатка не имеет, так как диагностирующий параметр в большей степени зависит от действующего значения рабочего тока, чем от частоты. Метод измерения частичных разрядов весьма зависим по принципу своего действия от внешних помех, главным образом помех, находящихся в частотном диапазоне коронных разрядов на токоведущих частях высоковольтного оборудования.

Применительно к методу измерения ЧР, данная проблема решается с помощью применения различных методов селекции сигнала [12]. Отделение внешних помех от собственно сигналов ЧР, возникающих внутри изоляции контролируемого объекта, делает возможным применение данного метода в режиме on-line, что сокращает время на вывод КЛ в ремонт для проведения диагностики и не влияет на надежность схемы электроснабжения.

Наиболее длительное пребывание на объекте диагностирования предполагает метод измерения возвратного напряжения и тока релаксации. Только на снятие остаточного заряда, необходимого для обеспечения качественного измерения, затрачивается не менее 2 часов, что делает данный метод неэффективным для осуществления комплекса диагностических мероприятий на предприятиях с большим количеством КЛ, таких, например, как городские распределительные сети. Для эффективного выполнения графика диагностических исследований процесс измерения должен занимать не более 2 часов, что присуще остальным методам диагностики, за исключением тепловизионного контроля - измерения производятся моментально и не требуют проведения технических мероприятий, сопровождающих отключения в электроустановках.

При всех положительных эффектах метода тепловизионного контроля: отсутствии необходимости в многократных измерениях и влияния паразитных токов и помех на результат измерения, компактности измерительного устройства, к тому же, это единственная методика, для которой регламентированы значения диагностического параметра (температура) [4], данный метод обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, диагностике методом ТВК поддаются видимые участки кабельных линий, измерение температуры КЛ для участков, проложенных в траншее, не представляется возможным. Во-вторых, оценка состоянию изоляции дается общая, в целом метод является неточным и дает интегральную оценку состояния изоляции. То же самое следует отметить для методов измерения tgд и тока релаксации. Методы высокочастотной и импульсной рефлектометрии способны локализовать место обрыва КЛ и короткое замыкание на линии, однако в силу ограничения линии по длине и сильному влиянию помех различного рода исключается возможность локализации дефекта изоляции и оценки степени разрушения изоляции.

Измерение характеристик частичных разрядов (ЧР) позволяет локализовать неоднородности и опасные включения в толще изоляции. Значительные отклонения от нормы фиксируются не только в предпробивной период, когда началось интенсивное разрушение изоляции, а на ранней стадии развития разрушения.

Реализация методов диагностики обуславливает приобретение эксплуатирующей организацией дополнительного комплекта диагностического оборудования с прилагаемым программным обеспечением. Таким образом, встает вопрос об обучении персонала испытательной лаборатории навыкам работы с новым типом оборудования. Затраты на обучение персонала, закупку оборудования при реализации метода измерения ЧР оправданы в силу общей информативности метода. В состав диагностического оборудования могут быть интегрированы функции интегральной оценки изоляции (измерение tgд, коэффициента абсорбции, определение электрической рабочей емкости жил) для комплексной оценки состояния изоляции кабельной линии.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальным методом диагностики кабельных линий является метод измерения частичных разрядов. Наличие ЧР является первым тревожным сигналом, способным предупредить о надвигающейся угрозе выхода кабельной линии из строя. Важнейшими преимуществами данного метода являются возможность локализации развивающегося дефекта и мониторинга состояния изоляции КЛ в динамике, селекция сигналов ЧР позволяет произвести отстройку от внешних помех и производить диагностику под рабочим напряжением. Данный метод, используемый совместно с испытанием оболочки кабеля, является на сегодняшний день наилучшим методом контроля качества работ по прокладке и монтажу кабельной линии.

В настоящее время существует необходимость активизации работы по созданию современной нормативно-технической базы применительно к методу регистрации частичных разрядов, так как ее отсутствие является тормозом для качественного развития качества эксплуатации распределительных сетей.

Выводы по второй главе

Показано, что оптимальным методом диагностики изоляции кабельных линий по сравнению с другими неразрушающими методами диагностики является метод измерения частичных разрядов, позволяющий выявлять дефекты изоляции на начальной стадии возникновения, а также локализовать неоднородности и опасные включения в толще изоляции. Полученные данные могут быть использованы в качестве диагностической базы для корректного технического освидетельствования особого типа оборудования - кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Применение метода диагностики по характеристикам ЧР в условиях эксплуатации ограничено проблемами, связанными с отделением сигналов ЧР от сигналов помех. Предполагается, что использование методов селекции сигналов ЧР позволит повысить эффективность применения систем диагностики изоляции по частичным разрядам.

Необходимо нормирование допустимых значений диагностических параметров, определяемых методом измерения ЧР, таких как граничные значения кажущегося разряда, напряжение возникновения и погасания ЧР для формулирования достоверного заключения о техническом состоянии линии с СПЭ-изоляцией.

На основе существующих методов неразрушающего контроля изоляции необходимо создание алгоритма оценки состояния изоляции как альтернативы существующей системе планово-профилактических испытаний для перехода к техническому обслуживанию и ремонту силовых КЛ по их фактическому техническому состоянию.



• Глава 3. Разработка аналитической схемы для оценки состояния кабельных линий на основе измерения характеристик частичных разрядов
• Изменения, происходящие в мировой энергетике при внедрении инноваций и применении современных материалов, например, полимеров в изоляции, обуславливает изменения в ключевых эксплуатационных моментах, связанных со сферой испытаний и диагностики кабельных линий данного типа.
• Необходимость применения передовых методов измерений и испытаний признана давно, методы неразрушающей диагностики распространены практически повсеместно, их проведение даже предписывается обновляемой нормативно-технической документацией. Однако нормы для данных методик во всем мире до сих пор отсутствуют. Зачастую для предписываемых видов работ, в частности с применением измерительной аппаратуры, отсутствуют требования к допустимым уровням измеряемых величин.
• В данной главе произведен расчет диагностических параметров кабельных линий ПО УГЭС, осуществлен анализ полученных данных и предложены критерии оценки состояния КЛ и алгоритм принятия решений по эксплуатационным мерам для КЛ с СПЭ-изоляцией, даны рекомендации по осуществлению нормативного регулирования области диагностирования КЛ по частичным разрядам.

3.1 Исследование технического состояния КЛ-6/10 кВ ПО Уфимские городские электрические сети

В настоящее время в организациях, эксплуатирующих сети, питающие промышленные и бытовые потребители по линиям номинальным напряжением 6 - 10 кВ все большее применение находит тип КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена. В распределительных сетях г. Уфа ПО Уфимские городские электрические сети (ПО УГЭС) внедрение кабельных линий данного типа осуществляется с 2007 года, таким образом, фактический срок эксплуатации КЛ с СПЭ - изоляцией в нашем городе составляет не более 10 лет.

За это время КЛ с полимерной изоляцией зарекомендовали себя с хорошей стороны в процессе эксплуатации. В связи с особенностями монтажа кабельных муфт, заключающимися в наличии токопроводящего экрана и особого выполнения соединения в муфтах, персонал по ремонту и монтажу кабельных линий ПО УГЭС проходил специальные обучения. Таким образом, ремонтным персоналом производится качественное обслуживание кабельных линий данного типа и выход из строя в целом месте при нормальном режиме не происходит. Тем не менее, процессы, вызывающие старение изоляции, воздействуют и на КЛ с СПЭ-изоляцией. Диагностика таких кабельных направлений на данном этапе необходима для регистрации зарождающихся процессов возникновения ЧР под действием различных факторов с целью недопущения развития в дальнейшем ситуации, подобной техническому состоянию КЛ с бумажно-масляной изоляцией.

Особенностью зоны обслуживания Западного района электрических сетей (микрорайон Дема, г. Уфа) ПО УГЭС является преобладание мокрого грунта (болотистая местность), среда залегания кабельных линий крайне агрессивна, сезонные таяния и замерзания пучинистого грунта сопровождаются выходом из строя важнейших кабельных направлений, отходящих с ПС Дема. Весной 2016 г. было зарегистрировано 24 выхода из строя КЛ-10 кВ только по пяти направлениям, за весь 2016 год количество ремонтов, представляющих собой монтаж соединительных и концевых муфт, составило 67 единиц (таблица 3.1):



Таблица 3.1 - Эксплуатационные данные КЛ-10 кВ Западного района ПО УГЭС за 2016 год

В настоящее время на любой текущий момент на повреждении находится хотя бы 2 кабельные линии, т.е. схема не является нормальной, надежность электроснабжения потребителей снижена, линии, остающиеся в работе, перегружены, что, в свою очередь, приводит к их электрическому и термическому старению.

Были установлены следующие причины повреждения кабельных линий в 2016 г. в ПО УГЭС Западный РЭС (таблица 3.2)

Таблица 3.2 - Причины повреждения кабельных линий Западного РЭС ПО УГЭС (г. Уфа) в 2016 году

Причина и характер повреждения	Количество
	6 кВ	10 кВ
Прямые механические повреждения (отказ в момент нанесения повреждения)	6	5
Старые механические повреждения оболочек кабелей в эксплуатации	3	11
Дефекты монтажа муфт	6	36
Старение изоляции кабельных линий, муфт сроком эксплуатации свыше 25 лет	3	48
Во время испытаний повышенным напряжением	3	49
Всего	21	149

Дефекты монтажа муфт выявлялись при обнаружении места повреждения непосредственно в муфте, либо рядом с ней, при ремонте осуществлялся монтаж кабельной вставки того же сечения и марки, что и поврежденного кабеля.

В течение года во время испытаний, из-за старения изоляции и дефекта монтажа муфт повреждались только кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, кабели с СПЭ-изоляций выходили из работы вследствие механических повреждений.

Применительно к кабельным линиям с СПЭ-изоляцией для определения корреляционной зависимости возможных причин вследствие старения и определения мест повреждения была проведена диагностика кабельных линий с помощью лаборатории фирмы SebaKMT и прибора OWTS (Oscillated Wave Test System). Для определения значений диагностических параметров были произведены обследования следующих кабельных направлений (табл. 3.3):

Таблица 3.3 - Результаты обследования технического состояния КЛ:

Кабельная линия	Фаза	Номинальное напряжениеUном, кВ	Марка, сечение	Длина КЛ L, м	Год ввода в эксплуатацию
РП-255/2 - ТП-2591/2	ф.А	6	АПвПуг-10- 3Ч(1Ч500/70)	230	2011
	ф.В
	ф.С
ТП-2586/2 - ТП-2588/2	ф.А	6	АПвПг-10-3Ч(1Ч185/25)	1544	2007
	ф.В
	ф.С
ТП-8058/1 - ТП-8059/2	ф.А	10	АПвПг-10-3Ч(1Ч150/50)	150	2008
	ф.В
	ф.С
ТП-2325/1 - БРП Шафиева	ф.А	6	АПвПг-10-3Ч(1Ч150/50)+ААШв	190	2015
	ф.В
	ф.С
ТП-3029/2 - ТП-8023/2	ф.А	10	АПвПг-10-3Ч(1Ч185/35)	90	2009
	ф.В
	ф.С
Кабельная линия	Фаза	Измерение уровня ЧР (OWTS M28)
		Уровень шумов, пКл	Напряжение возникновения UВОЗН, кВ	Напряжение гашения UГАШ, кВ	Макс. значение кажущегося заряда q,пКл
РП-255/2 - ТП-2591/2	ф.А	68	4,2	4,1	136
	ф.В	81	5,2	5,1	157
	ф.С	80	4,9	4,8	138
ТП-2586/2 - ТП-2588/2	ф.А	60	8,0	7,9	709
	ф.В	64	8,0	7,9	667
	ф.С	79	9,1	8,9	789
ТП-8058/1 - ТП-8059/2	ф.А	62	5,9	5,9	649
	ф.В	69	4,5	4,5	626
	ф.С	67	7,7	7,6	445
ТП-2325/1 - БРП Шафиева	ф.А	100	5,2	5,2	654
	ф.В	104	4,2	4,1	35908
	ф.С	93	4,2	4,1	9833
ТП-3029/2 - ТП-8023/2	ф.А	54	15,7	15,6	143
	ф.В	49	7,0	12,2	462
	ф.С	55	16,4	16,3	1191

При исследовании технического состояния КЛ была произведена калибровка системы измерения для каждой фазы и измерения уровня естественных шумов (пКл) при нулевом воздействующем напряжении (см. табл. 3.3).

По итогам измерений установлено, что величина шумов не превышает 150 пКл и может быть соизмерима с величиной самих частичных разрядов в изоляции при воздействии диагностического напряжения.

В Приложении А приведены распределения уровней частичных разрядов для пяти выбранных линий при воздействии напряжения U=1,2 - 1,7U₀. (Рисунки А.(1-5).2, А.(1-5).4, А.(1-5).6). Величина воздействующего напряжения не превышает линейного напряжения кабельной линии, время воздействия указано на оси абсцисс и не превышает 1 с, таким образом, измерения производятся при недеструктивном воздействии на изоляцию КЛ.

По распределению частичных разрядов по длинам КЛ (Рисунки А.(1-5).7 а,б) хорошо распознаются участки с повышенным уровнем ЧР, что может свидетельствовать о наличии соединительной муфты, либо о развивающемся дефекте.

3.2 Анализ результатов диагностического исследования

Заключение о возможности дальнейшей эксплуатации и периодичности следующих диагностических испытаний производилось на основании сопоставления полученных данных с критериями, указанными производителем испытательного комплекса (таблица 3.4)

Таблица 3.4 - Критерии оценки состояния КЛ по уровням ЧР для КЛ с СПЭ-изоляцией U_Н = 6/10 кВ (SebaKMT)

Максимальное значение кажущегося заряда ЧР, пКл	Необходимый срок диагностирования или ремонта КЛ
До 1200	КЛ подлежит повторному диагностированию через 5 лет
От 1200 до 5000	КЛ подлежит повторному диагностированию через 1 год
От 5000 до 10500	КЛ подлежит ремонту в течение одного года с последующей диагностикой
Свыше 10500	КЛ не подлежит эксплуатации

В то же время, данные критерии оценки не являются нормативно утвержденными, в настоящее время не существует национального стандарта, определяющего пороговые значения ЧР, решения принимаются на основании рекомендаций заводов-производителей различного диагностического оборудования [16,20,21] и существенно отличаются в разных эксплуатирующих организациях, применяющий метод диагностики по частичным разрядам.

Так, результатом выполненных ООО «Болид» г. Новосибирск в 2011 - 2014 гг. экспериментальных исследований по диагностированию и детализации причин повреждаемости КЛ 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена стала классификация критериев оценки состояния изоляции и соответствующие рекомендации для обслуживающего персонала, представленная в табл.3.5

Таблица 3.5 - Критерии оценки состояния КЛ по уровням ЧР для КЛ с СПЭ-изоляцией U_Н = 6/10 кВ (ООО «Болид»)

Классификация состояния	Максимальное значение кажущегося заряда ЧР в локальном дефекте, пКл	Рекомендации персоналу при проведении технического обслуживания
Норма	?1200	Эксплуатация без ограничений, техническое обслуживание согласно нормативной документации, диагностирование через 3 - 5 лет
Работоспособное	С незначительными отклонениями	1200 - 4400
	Со значительными отклонениями	4400 - 7500	Эксплуатация с контролем степени старения изоляции неразрушающими методами. До получения рекомендаций лаборатории - измерение сопротивления изоляции и контроль её состояния по значениям индекса поляризации и коэффициента абсорбции, диагностирование - через 1 год.
Ухудшенное	7500 - 10500	Плановая замена кабеля/участка кабеля или плановое определение причин ухудшенного состояния (проведение испытаний повышенным напряжением СНЧ, неразрушающий контроль) и устранение причин ухудшенного состояния - в течение одного года.
Предаварийное	>10500	Перевод потребителя на резерв, немедленный вывод кабеля из эксплуатации с ремонтом или заменой

Рисунок 3.1 - Различная интерпретация технического состояния КЛ по значениям кажущегося заряда, пКл.

Результат сопоставления критериев оценки для исследованных линий представлен на рисунке 3.1

Для большинства кабельных линий, прошедших диагностику (таблица 3.3), по максимальным значениям кажущегося заряда их состояние по различным классификациям можно определить как работоспособное (нормальное), потому как данный параметр не превышает значения 1200 пКл.

При этом в условиях отсутствия соответствующего стандарта периодичность следующего испытания определили как 3 года с момента проведения первого измерения либо до следующего ремонта КЛ для составления базы данных для соответствующих объектов (КЛ-6 кВ РП-255/2 - ТП-2591/2, КЛ-6 кВ ТП-2586/2 - ТП-2588/2, КЛ-10 кВ ТП-8058/1 - ТП-8059/2, КЛ-10 кВ ТП-3029/2 - ТП-8023/2).

Исключение в простоте описания состояния по предложенной методике составляет объект КЛ-10 кВ ТП-2325/1 - БРП Шафиева. Уровень кажущегося заряда по ф.С (таблица 3.3) составляет 9833 пКл, что предусматривает замену всей КЛ, либо ее проблемного участка в течение 1 года, по ф.В результат составил 35908 пКл при U_возн=4,2 кВ, в то время как величина фазного напряжения для КЛ-10 кВ составляет U₀=5,77 кВ. Таким образом, возникновение частичных разрядов уровня, значительно выше допустимого (10500 пКл) происходит при величине подаваемого напряжения, меньше фазного, что подразумевает собой немедленный вывод КЛ из эксплуатации и его замену.

Теоретически, при замыкании одной из фаз на землю и последующем увеличении напряжения «здоровых» фаз до 1,73· U₀ фаза В должна «пробиться», что повлечет за собой переход замыкания одной фазы на землю в сети 10 кВ в более опасное междуфазное замыкание. Однако, проведение экспериментального испытания повышенным напряжением СНЧ-установкой показало положительный исход применительно к данному кабельному направлению. Этот факт доказывает, что уровни ЧР при измерениях не всегда коррелируются с электрической прочностью изоляции КЛ, т.е. были случаи, когда вновь проложенный или находящийся в эксплуатации КЛ из СПЭ и имеющий запредельные уровни ЧР (тысячи и даже десятки тысяч пКл), в качестве эксперимента выдерживала повышенное испытательное напряжение от установки СНЧ с минимальными утечками тока по фазам.