К вопросу диагностирования изоляции кабелей из сшитого полиэтилена и определения их мест повреждения

Рыбаков Л.М., д-р.техн.наук, Коновалов Д.И., магистр.

ФГБОУ ВПО «Марийский Государственный Университет»

Аннотация

В данной статье проанализирован опыт использования кабелей из сшитого полиэтилена, рассмотрены существующие методы диагностирования и их недостатки.

Выявлена необходимость создания нового устройства для диагностирования кабелей с СПЭ изоляцией, а также предложены некоторые способы реализации этого устройства. На основе проведенного исследования, авторами предложена структурная схема нового устройства для диагностирования кабельных линий с СПЭ изоляцией.

Ключевые слова: сшитый полиэтилен, изоляция, частичные разряды, диагностирование, устройство, структурная схема.

I. Введение

Ранее в России широко использовались кабели с пропитанной бумажной изоляцией, но они имели множество недостатков: высокая повреждаемость, ограничения по нагрузочной способности, по разности уровней прокладки, небольшой срок службы, значительные эксплуатационные расходы и т.д. Из-за того, что не существовало альтернативы кабелям с бумажной изоляцией, приходилось мириться с их недостатками, и, по возможности, производить различные мероприятия по их устранению. Создавалось резервирование, производилась прокладка параллельных кабелей, что, в свою очередь, приводило к значительному усложнению схемы электроснабжения и уменьшению ее надежности, а также к увеличению капиталовложений.

Такое положение могло изменить только принципиальное усовершенствование конструкции кабелей, что и произошло с началом производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Кабели с СПЭ изоляцией лишены большинства недостатков, характерных для кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие проблемы, связанные с надежность электроснабжения, оптимизировать схему сети, значительно снизить расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий.

На данный момент кабели с СПЭ получили широкое распространение в западных странах, которые проиллюстрированы диаграммой, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Использование кабелей с СПЭ в различных странах по состоянию на 2012 г (в процентах)

Характерные свойства кабелей из СПЭ обусловлены материалом, из которого изготовлена изоляция. Современные предприятия производят процесс сшивки и вулканизации при значительном давлении и высокой температуре. Данный способ позволяет добиться хорошего качества конечного продукта и предотвратить появление мелких воздушных включений. Такой метод сшивки позволяет расширить диапазон рабочих температур кабеля и значительно улучшить рабочие характеристики, предотвратить появление частичных разрядов.

Так, в нормальном режиме для сшитого полиэтилена допускается температура 90°С, в кратковременном режиме (протекание токов короткого замыкания) 250°С, прокладка и монтаж кабелей могут осуществляться без предварительного подогрева при температуре до минус 20°С. [1]

Однако основное преимущество СПЭ кабелей перед бумажными – это низкая повреждаемость. К сожалению, из–за небольшого опыта эксплуатации в РФ, отсутствует достоверная информация о количестве повреждений кабелей. По зарубежным источникам, повреждаемость СПЭ кабелей на 1км на 2–3 порядка ниже, чем у кабелей с бумажной изоляцией. Кабели из сшитого полиэтилена имеют определенные преимущества:

- нечувствительность оболочки к агрессивным средам;

- нормальная эксплуатация в зонах блуждающих токов;

- стойкость к вибрации (возможна прокладка по мостовым конструкциям);

- отсутствует проблема «течей» оболочки при прокладке в кабельных сооружениях и концевых муфтах;

- низкая удельная повреждаемость;

- высокая электрическая прочность;

- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы;

- больший ток короткого замыкания (примерно в 1,5 раза);

- меньший вес, меньший диаметр радиус изгиба;

- возможность вести прокладку при температуре до -20°С без предварительного подогрева;

- отсутствие каких-либо жидких компонентов, вследствие чего улучшается экологичность зоны прокладки кабелей; [2]

Преимуществом является и широкая номенклатура сечений выпускаемых кабелей, а также меньшие минимально допустимые радиусы изгиба, составляющие до 7,5 Dh .

Минимальный радиус изгиба кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена при прокладке должен быть не менее 15Dh для одножильных и трехжильных кабелей и 12 Dh для трех скрученных вместе одножильных кабелей, где Dh - наружный диаметр кабеля или диаметр по скрутке для трех скрученных вместе одножильных кабелей. [3]

Одножильные кабели из сшитого полиэтилена выпускаются сечениями от 50 до 1000 , а трехжильные сечением от 10 до 240 .

Основными недостатками кабелей из сшитого полиэтилена являются:

- завышенные производителем значения допустимой температуры токопроводящей жилы до 90 °С, что увеличивает рост потерь электроэнергии в электрических сетях из-за увеличения активного сопротивления жил, и, при прокладке в земле, возможен термический пробой оболочки кабеля;

- способность впитывать влагу в осевом направлении межпроволочными зазорами токоведущей жилы со скоростью 60-100 метров в час, при пробое оболочки и изоляции из СПЭ;

- низкая механическая прочность оболочки из-за отсутствия продольных ребер жесткости для кабелей напряжением 6, 10, 35 кВ, что приводит к ее разрыву при прокладке кабеля и требует испытания на целостность оболочек при монтаже и в процессе эксплуатации;

- частые внешние повреждения изоляции, вызванные нарушением технологии прокладки, - около 70 % от общего количества повреждений;

- внутренние повреждения изоляции, вызванные неправильной эксплуатацией, например, испытание постоянным напряжением или естественное старение – образование триингов или «водных деревьев»;

- частые повреждение экрана и жил кабеля;

- индуктивные сопротивления одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ выше, чем у жил того же сечения кабелей с БПИ (в среднем на 35 % - при расположении кабелей треугольником, и на 106 % - при прокладке рядом в одной плоскости).

При прокладке одножильных кабелей в одной плоскости индуктивное сопротивление жил примерно в 1,6 раза больше, чем при расположении треугольником. Следовательно, при наличии реактивных нагрузок, потери напряжения в одножильных кабелях будут выше, чем в трехжильных.

- отсутствие нормативно-технической документации по испытанию кабелей с изоляцией из СПЭ

II. Анализ методов контроля кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Во введении нами указаны основные виды повреждений кабелей из СПЭ изоляции. Наиболее распространенными и эффективными методами неразрушающего контроля высоковольтных кабельных линий для выявления указанных дефектов являются:

- измерение тангенса угла диэлектрических потерь;

- измерение ЧР с локализацией их источника;

- испытание на целостность оболочки кабеля (экран-земля);

- измерение тока утечки;

Вышеперечисленные методы относятся к методам неразрушающего контроля.

Диагностика с использованием измерения тангенса угла диэлектрических потерь предоставляет информацию относительно характеристик старения кабелей с СПЭ изоляцией, позволяет выявить как распределенные, так и сосредоточенные дефекты. Измеряя tgδ можно оценить уровень состояния изоляции (новые, слегка и сильно поврежденные кабели (рисунок 2)).

Рисунок 2 - Градация состояния изоляции кабельных линий относительно уровня диэлектрических характеристик (tgδ).

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь позволяет выявить распределенные дефекты у наиболее изношенных кабелей, требующих повышенного внимания.

Для выявления сосредоточенных дефектов в кабельных линиях, значение тангенса угла потерь измеряется при различных уровнях напряжения в диапазоне от 1xU_o до 2xU_o, а затем производится анализ.

Состояние изоляции считается хорошим (не требующим замены), если tgδ (2U_o)<0,12% и/или (tgδ(2U_o) - tgδ(U_o)) <0,06%. Плохое состояние (требующее повышенного внимания и локального выявления слабых мест изоляции), если tgδ (2U_o)> 0,22% и/или (tgδ(2U_o) - tgδ(U_o)) > 0,1%. [4]

Данный метод позволяет выявить распределенные и сосредоточенные и в дальнейшем указанные кабели взять под контроль. Однако представленный метод диагностирования имеет ряд недостатков: сложность, связанная с использованием высокого напряжения для питания высоковольтной испытательной аппаратуры; использование для измерения tgδ двукратного значения номинального напряжения; трудоемкость при проведении испытаний; в поврежденной кабельной линии остается неизвестным место повреждения; невозможность проверки междуфазной изоляции; большая зависимость полученных значений от температуры окружающей среды; влияние внешних электромагнитных полей на полученные данные; невозможность испытаний при минусовой температуре окружающей среды. Строительная длина участков кабельных линий, выпускаемых заводами, составляет 3 километра и длительность их испытания, при замере tgδ, составляет более часа (на фазу) до завершения саморазряда емкостного тока, вызванного подачей напряжения равного 2U_o и невозможность отключения испытуемой фазы до саморазряда емкостного тока. К тому же, высоковольтное напряжение должно иметь строгую синусоидальную форму.

При несоблюдении указанного условия может произойти накопление постоянной составляющей и создается объемный заряд в пустотах изоляции, который в дальнейшем может повредить кабель, что не происходит при полностью симметричной форме синусоиды испытательного напряжения.

Поэтому, для выявления дефектов, рекомендуется использовать другие методы диагностирования, в частности метод измерения частичных разрядов.

Измерение частичных разрядов. В изоляции кабельных линий в процессе эксплуатации могут возникнуть газовые включения, воздушные полости, трещины. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха в несколько раз ниже, чем у твердых диэлектриков, напряженность поля в газовой среде может значительно превышать напряженность поля в основной твердой изоляции при приложении к изоляции рабочего напряжения. Более низкая электрическая прочность газового включения по сравнению с твердой изоляцией облегчает процесс возникновения ионизации и разрядных процессов. Последние получили название частичных, поскольку образованию сплошного сквозного разряда препятствует наличие участков полноценного твердого диэлектрика. [5]

Причиной частичных разрядов также являются: воздействие высокого приложенного напряжения (внутренние, индуктированные перенапряжения при ударах молнии вблизи КЛ); механические нагрузки (проседание грунта, крутой изгиб кабеля); тепловые нагрузки (перегрев кабеля при перегрузках); химическая коррозия (действие солей, воды и газов).

В результате этого образуется токопроводящее пространство между проводником и экраном, которое постепенно начинает увеличиваться и вызывает разрушение (рисунок 3).

Рисунок 3. Конструкция одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ напряжением 10 кВ:

1-токопроводящая многопроволочная жила; 2 – внутренний электропроводящий экран по жиле; 3 – изоляции из сшитого полиэтилена; 4 – внешний электропроводящий экран по изоляции; 5 - разделительный слой; 6 – проволочный экран; 8 - поперечная герметизация; 9 – внешняя оболочка.

Необходимо отметить, что при эксплуатации силовых кабельных линий в энергосистемах России до предельного физического состояния уровень ЧР составляет более 10000 пКл. Количество КЛ, имеющих дефекты с уровнем ЧР около 5000 пКл, составляет более 65 %. На отдельных предприятиях количество КЛ с неудовлетворительным техническим состоянием более 80 %. Для сравнения, в Германии предельным уровнем ЧР в кабельных линиях считается 1000 пКл. [6]

Частичные разряды разрушают изоляцию кабеля, медленно и незаметно вызывают отказ кабельных линий. Его полное разрушение всего лишь вопрос времени, это может занять несколько часов, несколько дней, и даже несколько лет. Наиболее частые источники ЧР – это разделки концевых и соединительных муфт.

Измерение частичных разрядов и определение их источника позволяет повысить достоверность диагноза изоляции кабелей, выявить места и участки с выраженной дефектностью изоляции. Метод измерения ЧР, в свою очередь, обеспечивает получение информации об ошибках монтажа или изменениях электрических свойств какого-либо участка изоляции кабеля, которые еще не привели к пробою.[7]

В настоящее время существуют два способа измерения ЧР:

1. Контактный способ диагностирования.

2. Бесконтактный способ диагностирования.

В качестве контактного метода диагностирования используются методы с отключением («Off-Line») и без отключения («On-Line») оборудования.

В первом случае требуется отключение объекта от потребителей. Основным преимуществом метода является повышенная точность измерений благодаря низкому уровню помех. Однако метод имеет высокую стоимость и для малых предприятий его использование экономически нецелесообразно.

Во втором случае измерительный прибор подключается к объекту, находящемуся под рабочим напряжением. Существенным недостатком данного метода является влияние внешних электромагнитных полей на результаты измерений, широкий разброс в оценке нормативов по величине частичных разрядов и различных методик измерений. Существующие установки регистрации ЧР требуют обхода кабельных линий по трассе. Используется портативное устройство – PD-локатор, при помощи которого оператор на трассе выявляет очаги возникновения ЧР. Поэтому, использование данного метода в условиях эксплуатации затруднено. На данный момент встает вопрос о разработке новых методов диагностирования кабелей из сшитого полиэтилена.

III. Разработка упрощенной методики выявления дефектов для кабелей из СПЭ.

Большинство существующих методов для выявления дефектов (измерение tgδ, ЧР, токов утечки) требуют отключения кабельных линий от потребителей, в качестве высоковольтного источника используются специальные установки, однако стоимость таких систем весьма высока, также существует необходимость обхода КЛ с использованием локатора для выявления источника ЧР на трассе.

Нами предлагается стационарное устройство с использованием датчиков ЧР, устанавливаемых на фазе кабельной линии с обоих концов (рисунок 4).

Рисунок 4 - Структурная схема устройства регистрации ЧР в одножильных кабелях с СПЭ изоляцией

Структурная схема устройства диагностирования приведена на рисунке 4, где С1 и С2 – высоковольтные конденсаторы связи типа К15-4 Uном=40 кВ; датчики ЧР, ФП1 и ФП2 (фильтры присоединения); АЦП – аналогово-цифровые преобразователи;

Выводы с концов контролируемого силового кабеля посредством высоковольтных изолированных проводов 1,2 присоединяются к устройству, содержащему высоковольтные конденсаторы С1, С2, к которым подключаются датчики частичных разрядов. Датчики частичных разрядов подсоединяются к усилителям-фильтрам от помех, с которых сигнал поступает на АЦП, а затем на компьютер (ЭВМ). Устройство работает следующим образом: высокочастотные сигналы поступают на усилитель, где они усиливаются. Компьютер, по заданной программе, сравнивает полученные сигналы с базовыми, чтобы различить помехи, поступающие из сети, выполняет расчет полезных сигналов и оценивает состояние изоляции по числу полученных импульсов ЧР, их отношений в положительные и отрицательные полупериоды. В дальнейшем производится сравнение текущих величин с первыми и с предыдущими величинами, хранящимися в памяти компьютера. В память компьютера внесены все контролируемые объекты с их первоначальными измеряемыми величинами и сохраненные результаты последних замеров. Измерение выполняются в частотной области, где выполняется оценка частоты сигнала, вычисляется дискретный спектр мощности в заданном диапазоне частот.

Для отстройки от мешающего влияния помех и повышения эффективности, диагностических свойств характеристик ЧР применен комплекс методов, к которым относятся: частотная селекция, амплитудная селекция и селекция повторяющихся сигналов. Частотная селекция позволяет устранить влияние большой группы сигналов промышленных помех, таких, как помехи от ВЧ связи, тиристорных преобразователей, релейной защиты и осуществляется подбором сигнала определенной частоты.

Использование методов фазовой селекции при измерениях частично устраняет из общей картины измеренного сигнала помехи, связанные с местной короной на проводах.

Применение метода повторяющихся сигналов ЧР, который требует измерения не единичных сигналов в одном периоде воздействующего напряжения, а группы близких по значению сигналов в разных периодах. По результатам этих измерений строятся амплитудно-фазовые диаграммы, вычисляются параметры ЧР (кажущийся заряд, число импульсов, средняя мощность) и ставится диагноз о зоне расположения дефекта.

По полученным данным можно выявить следующие параметры ЧР, дающие наиболее полное представление о состоянии образцов изоляции: количество импульсов; средний ток; среднюю мощность. Используя эти характеристики можно судить о наличии дефекта в изоляционных элементах КЛ. Для определения зоны расположения дефектного элемента необходимо использовать два взаимосвязанных утройства, которые располагаются по концам линии и имеют связь по цифровому каналу. Устройства, одновременно регистрирующие данные ЧР по концам КЛ и специальная программа, обрабатывающая данные с обоих регистраторов, позволяют с большой точностью определить зону расположения дефекта.

IV. Выводы

Использование предложенного метода позволяет:

- получить наглядные результаты;

- выявить частичные разрядов на ранних стадиях их формирования и определить наиболее слабые участки изоляции кабеля;

- локализовать точное местоположение скопления частичных разрядов;

Особенностью данного метода является возможность сохранения результатов испытаний и отслеживание динамики изменения состояния изоляции.

Цель такой диагностики - не допустить пробоя изоляции в слабом месте, спрогнозировать его возможное развитие.

Регистрация частичных разрядов производится под рабочим напряжением.

Список литературы

1. Бутерус Р. Изоляция из сшитого полиэтилена - требование времени для силовых кабелей // Новости Электротехники. – 2003. - №3. – с.21.

2. Неприятности в погоне за инновациями // «Кабель-news». – 2010. - №11. – с.30.

3. ГОСТ Р 55025‑2012 Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно. Общие технические условия // стр. 51, п.10.5.

4. Королев А. Испытание и диагностика кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена // «Кабель-news». – 2010. - №11. – с.39-40.

5. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика элементов электроустановок: Учебное пособие // Спб.: Элмор, 2009. – 336 с.

6. В.Н. Радкевич, Р.В. Романов Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и их основные характеристики // Электрика – 2005. - №6. – с. 26.

7. Королев А. Испытание и диагностика кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена // «Кабель-news». – 2010. - №11. – с.40-41.