Неразрушающий контроль и диагностика кабелей

Опубликовано: 10 апреля 2013 г. в 08:00, 444 просмотраКомментировать

диагностика кабелей

Статья посвящена новой методике неразрушающего контроля и диагностики кабелей с полиэтиленовой изоляцией, в основу которой положено измерение диэлектрических свойств изоляции на различной частоте и напряжении.

В настоящее время отмечается все более широкое использование в сетях напряжением 6-35 кВ кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Обладая рядом неоспоримых преимуществ перед кабелями с бумажно-масляной изоляцией, тем не менее, кабели с полиэтиленовой изоляцией не исключают необходимости диагностики ее состояния. Причем, опираясь на современные тенденции в области средств неразрушающего контроля изоляции, целесообразно проведение таких методов испытаний, которые не приводят к пробою изоляции и не требуют выполнения экстренных ремонтных работ на кабельной линии. К таким методам следует отнести спектроскопию изоляции в области низких частот при напряжении, не превышающем рабочее напряжение кабеля.

Исследования, проведенные в Стокгольмском Королевском Техническом Институте [1] позволили определить основную концепцию метода низкочастотной спектроскопии и установить зависимость между электрической прочностью изоляции кабеля и его откликом на тестовое воздействие напряжением низкий частоты. Общеизвестно, что основным видом дефекта полиэтиленовой изоляции являются так называемые «водные деревья», образующиеся в изоляции кабеля из-за проникновения влаги в микроскопические трещины в толще полиэтилена (см. рис.1). Воздействие электрического поля приводит к постепенному росту «водного дерева» вплоть до наступления пробоя изоляции [2]. Причем развитие дефекта неизбежно, процесс носит необратимый характер. С целью установления корреляции между видом характеристик диэлектрических потерь (мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости ε”) и емкости (действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости ε’) с концентрацией и размерами «водных деревьев», а так же с напряжением пробоя изоляции кабеля, были проведены исследования более чем трехсот образцов кабелей с различной степенью дефектности изоляции.

диагностика кабелей

Рис.1. Дефект «водное дерево» в полиэтиленовой изоляции кабеля

В качестве тестового воздействия использовалось синусоидальное напряжение различной частоты и амплитуды. Основной объем измерений проводился в частотном диапазоне 0,1 — 1 Гц. При этом напряжение изменялось от 0,5*Uраб до Uраб. Результаты измерений представлялись в виде зависимостей ε” и Δε’=ε’- const от частоты для разных измерительных напряжений (см. рис 2). После проведения измерений проводились высоковольтные испытания исследуемых образцов с поднятием напряжения вплоть до наступления пробоя, а так же визуальный осмотр изоляции кабеля путем разрезания участка кабеля на диски толщиной 0,25 мм с подсчетом количества и глубины проникновения «водных деревьев».

Анализ полученных характеристик позволил установить зависимость между концентрацией «водных деревьев» и изменением диэлектрической проницаемости при изменении испытательного напряжения и разделить все результаты измерения на четыре типа:

  • Тип 1. Диэлектрическая проницаемость (как действительная, так и мнимая составляющие) практически не зависит от уровня измерительного напряжения (см. рис. 2).

                                                  Рис.2. Результаты измерений на кабелях с первым и вторым типом отклика

  • Тип 2. Диэлектрическая проницаемость изменяется с изменением напряжения и зависит от длительности воздействия испытательного напряжения на кабель. То есть при выполнении последовательных измерений при напряжениях 3 кВ, 4,5 кВ, 6 кВ и 3 кВ результаты, полученные при последнем измерении, существенно отличаются от результатов первого измерения в сторону увеличения диэлектрической проницаемости (см. рис.2).
  • Тип 3. Появляются токи утечки через «водяные деревья» при напряжении, близком к рабочему напряжению кабеля, что приводит к изменению характеристики диэлектрических потерь ε” (см. рис. 3).

                                                  Рис.3. Результаты измерений на кабелях с третьим типом отклика

  • Тип 4. Токи утечки проявляются уже при низких уровнях тестового напряжения (см. рис. 4).

  • Рис.4. Результаты измерений на кабелях с четвертым типом отклика

    Каждый из вышеперечисленных типов отклика характерен для определенной степени дефектности кабеля, что было подтверждено в ходе высоковольтных испытаний на пробой. Так, при высоковольтных испытаниях кабелей, имевших отклик четвертого типа, пробой изоляции наступал уже при (1,0…2,1)*Uраб, а у кабелей с откликом третьего типа пробой происходил при напряжении (1,7…4,0)*Uраб.

    Для отклика второго типа напряжение пробоя для исследуемых кабелей лежало в диапазоне (2,5…10)*Uраб и существенно зависело от разницы диэлектрических потерь при измерении на Uраб напряжении и в случае измерения при напряжении, равном 0,5*Uраб. Эта зависимость показана на рис. 5, где 0,1Гц – разность между мнимыми составляющими диэлектрической проницаемости для измерений на частоте 0,1 Гц при Uраб и при 0,5*Uраб. Как видно из рис. 5, кабели со значением 0,1Гц <10-4 имеют напряжение пробоя (4…10)*Uраб. Для более точной оценки состояния кабелей с подобными значениями 0,1Гц, а так же для кабелей с первым типом отклика возможно выполнение измерений при напряжениях, превышающих Uраб, вплоть до 2*Uраб. При этом возможно более отчетливое распознавание степени повреждения кабеля «водными деревьями», однако использование повышенного напряжения стоит рекомендовать лишь в случае предъявления повышенных требований к надежности испытуемой кабельной линии.

    диагностика кабелей
    Рис.5. Напряжение пробоя в зависимости от диэлектрической проницаемости для кабелей с откликом второго типа

    На основании изложенного можно рекомендовать следующий алгоритм измерения параметров изоляции кабелей:

    1. Выполняется спектроскопия полиэтиленовой изоляции кабеля поочередно при напряжениях 0,5* Uраб, 0,75* Uраб, Uраб и 0,5* Uраб.
    2. По характеру полученных кривых Δε’(ω) и ε”(ω) идентифицируется отклик в соответствии с приведенными выше типами.
    3. По типу отклика принимается решение о дальнейшей эксплуатации кабеля:
    • При отклике четвертого типа кабельная линия не подлежит вводу в работу и рекомендуется ее замена, так как степень поражения изоляции «водяными деревьями» очень высока и вероятен пробой изоляции даже при незначительных перенапряжениях.
    • При отклике третьего типа вероятность повреждения кабеля также очень высока, и следует принять меры по скорейшей замене кабеля. С учетом требований к надежности электроснабжения потребителей такой кабель можно оставить в работе только непродолжительное время.
    • При отклике второго типа в зависимости от величины 0,1Гц и местных условий эксплуатации следует либо запланировать замену кабеля, либо ввести для него учащенный контроль с ежегодным измерением Δε’(ω) и ε”(ω).
    • При отклике первого типа можно говорить о хорошей работоспособности кабеля. Повторные измерения рекомендуется произвести через 5…10 лет.

    В настоящее время оборудование для измерений в области сверхнизких частот серийно выпускается рядом зарубежных фирм. К числу лидеров в области производства такого оборудования относится австрийская фирма BAUR, чьи интересы в СНГ представляет компания «Мега Инжиниринг». Предлагаемые диагностические системы PHG 70/80, FRIDA и VIOLA позволяют производить измерения на сверхнизких частотах в широком диапазоне ёмкостных нагрузок. Кроме этого системы PHG, FRIDA и VIOLA могут быть использованы при диагностике кабелей с бумажно-масляной изоляцией [3].

    Выводы

    1. Представленная методика диагностики изоляции кабелей позволяет определить ресурс полиэтиленовой изоляции без применения деструктивных методов испытаний и достаточно просто может быть реализована в полевых условиях.
    2. Применение данной методики позволяет исключить внеплановые затраты на ремонт и восстановление кабеля в случае пробоя при высоковольтных испытаниях.
    3. Использование относительно низких измерительных напряжений, не превышающих Uраб, исключает «стрессовое» воздействие на изоляцию, в отличие от высоковольтных испытаний.

    Литература:

    1. P. Werelius, P. Tharning, «Dielectric Spectroscopy for Diagnosis of Water Tree Deterioration in XLPE Cables», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.8 No.1, pp 27-42, 2001.
    2. E. Stennis, F. Kreuger, «Water Treeing in Polyethylene Cables», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.25 No.5, pp 989-1028, 1990.
    3. Д. Козлов, «Диагностика изоляции на основе спектроскопии диэлектрических характеристик», Энергетик №11, 2002.

    Информация о компании

    МЕГА, ООО
    Промышленная Группа Компаний МЕГА представляет широкий ассортимент оборудования для различных областей промышленности: электротехническое оборудование, лабораторное оборудование для проведения испытаний, оборудование для тепловизионного обследования, трассопоисковое оборудование, оборудование для проведения неразрушающего контроля объектов.

    Рекомендуем почитать

    Комментировать

      Еще никто не оставил комментариев.

    Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.