Диагностика кабельных линий: у ворот в новую эпоху

Сегодня в России не существует практики непрерывной диагностики состояния высоковольтных кабельных систем. Нормативно-правовая база, регулирующая область проверки состояния изоляции, предписывает кабельным линиям лишь периодические испытания, которые требуют вывода КЛ из эксплуатации, не решают вопросы профилактики дефектов электрооборудования, и являются потенциально опасными (так как являются разрушающими). Сообщество специалистов все активнее обсуждает возможность централизованного внедрения эффективной системы диагностики электрооборудования, которая решит целый комплекс проблем, от энергетической безопасности до значительного сокращения материальных затрат на эксплуатацию и ремонт КЛ. В этом материале мы рассмотрим существующие методы диагностики кабельных линий и поговорим о перспективах их применения в нашей стране.

Методы оценки состояния кабельных линий

Сегодня в мировой электроэнергетической практике оценка состояния высоковольтной изоляции кабельных систем является основой для принятия решений по продолжению их эксплуатации, ремонта или замены. Состояние изоляции кабельных линий можно определить испытанием повышенным напряжением в соответствии с действующими нормативами (в России — ГОСТ, ПУЭ и нормы испытаний электрооборудования), а также с использованием диагностики.

Из практики эксплуатации высоковольтных кабельных линий известно, что положительные результаты испытаний повышенным напряжением промышленной частоты не гарантируют безаварийной последующей эксплуатации. Так, например, после успешных испытаний повышенным напряжением кабельных линий они зачастую выходят из строя в ближайшее время. Установлено, что в большинстве случаев причина этого в интенсивном электрическом старении изоляции, вызванном частичными разрядами (ЧР) в дефектных местах, что приводит к сокращению срока службы кабельных линий. Наиболее опасны такие испытания для кабельных линий с большим сроком службы. Так, по статистике, только в сетях ОАО «Ленэнерго» ежегодно повреждается в среднем 600 кабелей 6-10 кВ и 5 кабелей 35 кВ.

Тем более не информативны с точки зрения оценки состояния кабельной линии высокого класса напряжения проверка при вводе в эксплуатацию по принципу выдержала/не выдержала (путем постановки под рабочее напряжение кабельной линии). Кроме того, с помощью таких испытаний невозможно выявление местных дефектов, особенно на ранних стадиях их развития, как из-за неэффективности применяемых для этого методов, так и из-за неправильно выбранной периодичности испытаний. Фактически, затраты на испытания кабельных линий никак не влияют на их надежность, и не позволяют комплексно оценить их состояние.

Исключение повреждений возможно только тогда, когда система эксплуатации и диагностики разрабатывается и устанавливается на основе изучения действительных причин повреждений. Объективные данные о техническом состоянии изоляции силовых кабелей и соединительной арматуры можно получить современными диагностическими методами. Существование системы предупреждающей диагностики позволит исключить повреждения в кабельных системах при минимальных финансовых затратах.

Диагностика кабельных линий

Диагностика, как правило, выполняется неразрушающими методами, т.е. методами, не приводящими к старению изоляции. Она позволяет определить не только техническое состояние, но и локализовать имеющиеся дефекты. Комплексная диагностика различными методами неразрушаю-щего контроля дает возможность оценить степень старения изоляции и ориентировочно рассчитать остаточный ресурс кабеля.
Кроме того, применение диагностических методов позволяет:

• производить Проверку качества монтажа при вводе в эксплуатацию и ремонтах
• предотвратить перебои в подаче электроэнергии;
• экономить затраты на техническое обслуживание;
• экономить затраты за счет частичной замены элементов кабельных систем;
• осуществлять надежный контроль качества после ремонта.

Методы диагностики

Полный переход на неразрушающую диагностику в данный момент еще не произошел ни в одной стране мира. Различные методики существуют, тестируются и применяются достаточно локально как в России, так и в Канаде, Израиле, странах Европы и США. Мы хотели бы рассмотреть наиболее распространенные их них.

К наиболее популярным сегодня методам диагностики относятся:

• измерение характеристик частичных разрядов.
• измерение диэлектрических потерь изоляции;
• тепловизионный контроль
• рефлектометрия.

Каждый из вышеприведенных методов имеет свои преимущества и недостатки. Мы хотели бы рассмотреть их с точки зрения применимости к российским реалиям. В нашей стране в эксплуатацию ежегодно вводится все больше кабельных линий. Каким же характеристикам должна отвечать идеальная для России диагностическая система?

На этот вопрос ответил исполнительный директор НИИ Энергетики Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета Виталий Млынчик: «Диагностика кабельных линий — это очень актуальная сегодня тема. Если говорить о системе, которая должна функционировать именно в России, то она точно должна осуществлять непрерывный и предупреждающий контроль кабельных линий и муфт под рабочим напряжением, также хотелось бы определять полное или же максимальное количество возникающих дефектов и иметь возможность их отслеживать. Ну и, конечно же, ввод в эксплуатацию такой системы не должен быть очень затратным».

Качественная система диагностики позволяет определять дефекты на самых ранних этапах их развития и вовремя принимать решения для их устранения, что приводит к зна-чительному повышению надежности электроснабжения, а так же значительно увеличивает срок службы кабельных линий и муфт.

Тепловизионный контроль

Рассказывает эксперт компании ООО «Квадро Электрик», к.т.н., почетный профессор Петербургского Энергетического Института повышения квалификации Валерий Поляков: «До сих пор одним из наиболее эффективных и распространенных методов является тепловизионный контроль оборудования, и в частности кабельных линий и муфт. 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».

Можно отметить следующие достоинства тепловизионной диагностики:

• возможность дистанционного, безопасного выполнения диагностики в рабочем режиме в любое удобное время;
• 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, а это является дополнительным диагностирующим параметром;
• возможность оперативного обследования большого объема кабельных линий и муфт при необходимости выявления отдельных ненадежных элементов.

Измерение диэлектрических потерь изоляции

Изоляция токоведущей жилы кабеля относительно других жил и заземленной оболочки в трехфазном кабеле и относительно заземленной оболочки в одножильном кабеле образует емкость, изолирующая способность которой характеризуется диэлектрическими потерями в ней, а также тангенсом угла диэлектрических потерь tgd. Тангенс угла диэлектрических потерь — величина интегральная и оценивает общее состояние всей изоляции целиком. При наличии местного дефекта на начальной стадии развития, например на кабельной линии, величина tgd изменится незначительно. Однако при наличии дефекта будет наблюдаться изменение tgd, в зависимости от приложенного напряжения. Именно по характеристикам изменения этой величины можно судить о состоянии кабеля и вынести первую оценку состояния изоляции, после чего прибегнуть к наиболее точному методу по определению типа дефектов, измерению частичных разрядов, а также к рефлектометрии, для определения местоположения дефекта.

Измерение характеристик частичных разрядов

На наш взгляд, наиболее интересным и перспективным методом сегодня является измерение характеристик частичных разрядов (ЧР) в изоляции электрооборудования. Мы хотели бы рассказать о нем более подробно.

Частичный разряд — локальный электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между проводниками, возникающий, как в прилегающих, так и не в прилегающих к проводнику объемах изоляции.

В зависимости от целей и классификации испытаний, измерение ЧР может проводиться как в процессе нормальной работы энергетического оборудования без вывода его из эксплуатации (режим «on-site»), так и при выведенном из эксплуатации оборудовании (режим «off-site») при использовании малогабаритных источников испытательного напряжения различных форм. В таблице 1 приведены сведения по формам испытательного напряжения и ссылки на соответствующие стандарты, используемые для СПЭ-кабелей.

(* — использование постоянного испытательного напряжения для СПЭ-кабелей не практикуется в виду влияния объемных электрических зарядов на результаты испытаний)

Начиная с первых опытов по регистрации характеристик ЧР в изоляции различных типов высоковольтного оборудования, предпринимались попытки идентифицировать дефекты изоляции, порождающие эти разряды.

Своим комментарием по данному вопросу поделился эксперт компании ООО «Квадро Электрик», профессор Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета Александр Андреев: «Более 40 лет назад Международная электротехническая комиссия (МЭК) на основе многолетних исследований ряда научно-исследовательских лабораторий из разных стран, опубликовала каталог типичных осциллограмм Ч Р, характерных для различных типов дефектов изоляции. Тем не менее, даже на уровне сегодняшних знаний, идентификация типа дефектов-источников ЧР является достаточно трудоемкой задачей и требует большого опыта и высокой квалификации. Несмотря на существующие данные об амплитудно-фазовых распределениях, характерных для дефектов различного типа, при анализе требуется хорошее знание конструкции и параметров конкретного оборудования, условий проведения измерения и т.д. Кроме того, существенным является комплексное использование всех данных, полученных другими диагностическими средствами и предыстория контролируемого объекта (срок службы, нагрузки, тепловой режим и т.д.)».

Существующие сегодня в мировой практике способы идентификации дефектов изоляции по характеристикам ЧР условно можно разбить на три группы (Таблица 2):

• методики идентификации, основанные на экспертных оценках интегральных параметров и особенностей спектров ЧР;
• методики идентификации, основанные на анализе формы и закономерностей возникновения и следования индивидуальных импульсов ЧР;
• методики идентификации, основанные на изучении статистических характеристик спектров ЧР.

Как видно из таблицы, в настоящее время не существует апробированной методики, позволяющей надежно выявлять опасные технологические дефекты и дефекты износов кабельной изоляции, каждая из них имеет свои недостатки, что делает необходимым проведение практических исследований, направленных на разработку эффективной методики идентификации дефектов. По нашему мнению и на основе данных диагностических компаний в мире на данный момент одной из наиболее перспективных методик представляются методики второй группы.

Из представленных выше методик наиболее точными в плане идентификации типа дефекта, а так же применения на оборудовании 110-750 кВ, являются методики второй группы «Анализ формы индивидуальных импульсов ЧР и закономерностей их возникновения». Ряд исследователей при идентификации дефектов в изоляции высоковольтного электроэнергетического оборудования используют различные математические методы для анализа формы индивидуальных импульсов ЧР. Основным назначением этих методов является выделение функциональных признаков из массива зарегистрированных в процессе измерения импульсов ЧР. Для спектрального представления последовательности импульсов ЧР применяются преобразования Фурье, вейвлет, Хаара и Уолша и др. Таким образом, каждый импульс ЧР может быть представлен в виде точки в двумерных координатах (T, F) (так называемая TF-карта классификации, впервые реализованная в приборах фирмы TechImp) следующим образом. Импульсам ЧР, относящимся к одному дефекту (источнику ЧР), будут соответствовать точки в TF-карте, которые близки друг к другу. Соответственно, импульсы ЧР, относящиеся к другим источникам, будет производить отдельные и отличные группы точек в классификационной карте. Подход, основанный на TF декомпозиции импульсов ЧР, очень эффективен для отклонения шумов, которые являются главными проблемами при «on-site» мониторинге высоковольтной изоляции.

В первой, наиболее традиционной группе методик в качестве характеристических признаков используются интегральные характеристики (максимальный кажущийся заряд, средний ток), либо индивидуальные особенности спектров ЧР. Такой подход не может обеспечить очень высокий уровень экспертной оценки, тем не менее, сегодня он активно используется рядом компаний (Omicron, Дизкон, Iris и др.), которые пропагандируют такой упрощенный подход, основанный на экспертных оценках характеристик ЧР, и сталкиваются с трудностями, связанными, в частности, с влиянием помех и высокого уровня «шума», что усложняет интерпретацию.

Наконец, в методиках третьей группы используется ограниченный набор статистических признаков спектров ЧР, что существенно снижает их распознающую способность.

Петербургская компания Quadro Electric сегодня активно занимается изучением и попытками внедрения диагностики кабельных линий методом измерения уровня ЧР. Рассказывает исполнительный директор Quadro Electric Артем Денисов: «Мы предлагаем реализацию эффективной системы диагностического контроля кабельных линий, состоящую из двух основных этапов: непрерывный диагностический контроль в процессе эксплуатации и диагностические испытания с целью выявления местонахождения и типа обнаруженного на первом этапе дефекта».

Так на первом этапе происходит контроль изоляции под рабочим напряжением, при этом возможно несколько вариантов его технической реализации:

• измерение характеристик ЧР под рабочим напряжением;
• измерение тангенса угла диэлектрических потерь под рабочим напряжением;
• осциллографирование токов и напряжений в сети, а также в цепях заземления.

Наиболее точным и простым в анализе результатов является первый способ, когда еще на стадии непрерывного контроля можно определить тип дефекта и в ряде случаев даже локализовать его местонахождение, что позволяет обойтись без второго этапа диагностики, описанного далее. При измерении тангенса угла диэлектрических потерь или осцил-лографировании на первом этапе происходит лишь определение факта наличия и развития дефекта в изоляции, по результатам которого необходим переход ко второму этапу. Второй этап диагностики подразумевает точное определение типа дефекта и его локализацию, для последующего ремонта. Выбор метода диагностирования на втором этапе происходит исходя из полученных на первом этапе данных о наблюдаемом дефекте.

Данные методы не оказывают разрушительного влияния на изоляцию кабельных линий, так как подаваемые при испытаниях напряжения не превышают значения 1,73Uном. Недостатки у них тоже, несомненно, имеются — для получения многих характеристик придется временно выводить линию из работы, но даже в этом случае вывод из работы заранее запланирован и не является аварийным.

Для локализации места возникновения дефекта используется упомянутый выше метод рефлектометрии, при котором на линию подается импульс, который впоследствии отражается от места дефекта и от второго конца линии. Зная разницу во времени отраженных импульсов, а также скорость распространения импульса по кабельной линии, определяется расстояние до местонахождения дефекта от конца кабельной линии. Основным достоинством данного метода является высокая точность, погрешность современных рефлектометров составляет теоретически +/- (1 + (0,1% от длины кабельной линии)) метров*, и в результате получается распределение дефектных мест с указанием длины до их местонахождения (рис. 1).

Рисунок 1. Распределение ЧР по длине кабельной линии

Выводы

Итак, мы рассмотрели существующие методы диагностики кабальных линий. Уже сегодня можно смело заявить, что данные методы являются гораздо более эффективными и полезными, нежели существующая сегодня и морально устаревшая система измерений и испытаний. Новейшая система диагностики способна предотвратить сотни аварий, сэкономить огромные средства, обеспечить энергетическую безопасность и вывести электроэнергетику страны на принципиально новый уровень. Внедрение такой системы, безусловно, требует большой работы и изменений существующих нормативных документов, регулирующих отрасль. Так как полный переход к диагностике кабельных линий и электрооборудования сегодня еще не произведен ни в одной стране мира, у России пока что есть уникальная возможность стать пионером и задать тон в мировой электроэнергетической практике.

Первым и основополагающим этапом при переходе от испытаний к диагностике является полное обновление нормативно-технической документации электроэнергетической отрасли. В качестве примера можно рассмотреть произошедший в 2009 году толчок к развитию российского энергосбережения, который произошел после выхода Федерального Закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…». Закон, хотя и приживается у нас в стране постепенно, не без сложностей и бюрократических проволочек, однако спровоцировал появление в стране целой отрасли энергосбережения и энергоэффективности. Комплекс, прописанных в законе обязательных и добровольных мероприятий, позволил тысячам учреждений, крупных предприятий и частных объектов получить энергетические паспорта и модернизировать энергосистемы, сделав шаг на пути к реальной экономии источников энергии. Таким образом, наша страна встала на путь сокращения своего отставания от развитых государств в этой актуальнейшей области.

Если говорить о диагностике кабельных линий, то, вне всяких сомнений, сфера эта не столь широка, как энергосбережение, поэтому разработка целого Федерального Закона, на наш взгляд, была бы излишней. Однако очевидно, что без рассмотрения и обсуждения вопросов обновления нормативно-технической документации на государственном уровне и централизованного обязательного внедрения новейших стандартов, модернизация эксплуатации кабельных линий в России сегодня невозможна. Кроме того, для определения оптимальных и объективных критериев по оценке состояния изоляции кабельных линий должна быть проведена серьезная научная работа.

Ведь непрерывная неразрушающая диагностика как эффективный способ изучения возникающих дефектов способна, в первую очередь, модернизировать производство электрооборудования.

Необходимость переворота устаревшей системы эксплуатирования электрооборудования в России должна быть осознана и принята не только камерным сообществом профессионалов, но и государственными управленцами. Ведь лишь их совместная деятельность сможет претворить положительные и эффективные новейшие методы, о которых речь шла в нашем материале, в жизнь.

Владимир ПОДЛЕСНЫЙ
Татьяна МЛЫНЧИК