Передача, распределение и накопление электроэнергии

Неразрушающий контроль и диагностика кабелей

10 апреля 2013 г. в 08:00

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.

    👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

    Читайте также
    Новости по теме
    Объявления по теме

    ПРОДАМ: Изоленты Энергия

    Электроизоляционная лента (изолента) предназначена для обмотки проводов и кабелей с целью их электроизоляции. Технические характеристики — Номинальное напряжение: 600 В; — Напряжение изоляции, кВ: 4; — Коэффициент растяжения: 1.5; — Условия эксплуатации, ⁰С: от -50 до +70; — Срок службы: 5 лет; — Гарантийный срок эксплуатации: 12 месяцев.
    Рыжов Сергей · ЭТК Энергия · 26 февраля · Россия · г Москва
    Изоленты Энергия

    ПРОДАМ: Устройство дистанционного прокола кабеля УДПК

    ООО «Техношанс 2006» прдлагает устройство дистанционного прокола кабеля УДПК. Устройство предназначено для индикации отсутствия напряжения на ремонтируемом электрическом кабеле от 0,4-10 кВ перед его разрезкой, путем прокола кабеля по диаметру и закорачивания всех жил разных фаз между собой и на землю, с целью предотвращения возможности поражения персонала электрическим токоми электрической дугой.
    Анисимов Алексей · ТЕХНОШАНС 2006 · 26 февраля · Россия · г Москва
    ТЕХНОШАНС 2006, ООО

    ПРОДАМ: Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ РФ

    Литые изоляторы из эпоксидного компаунда предназначены для работы в электрических сетях с напряжением 6-10 кВ. Их главной особенностью является использование в качестве изоляции эпоксидного компаунда. Преимущество данного вида изоляции — обладая высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами, он обеспечивает высокую электрическую прочность изделия, являясь одновременно его несущей конструкцией, полностью герметизирует изделие, что повышает его надежность и сводит до минимума объем профилактических работ в процессе его эксплуатации. По сравнению с изделиями из фарфора, наши изделия имеют меньший вес и габариты и могут быть установлены в любом пространственном положении. Изоляторы выпускаются в климатическом исполнении УХЛ2.
    Курамшин Финат · ООО "МС" · 26 февраля · Россия · г Санкт-Петербург

    ПРОДАМ: Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ

    Литые изоляторы из эпоксидного компаунда предназначены для работы в электрических сетях с напряжением 6-10 кВ. Их главной особенностью является использование в качестве изоляции эпоксидного компаунда. Преимущество данного вида изоляции — обладая высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами, он обеспечивает высокую электрическую прочность изделия, являясь одновременно его несущей конструкцией, полностью герметизирует изделие, что повышает его надежность и сводит до минимума объем профилактических работ в процессе его эксплуатации. По сравнению с изделиями из фарфора, наши изделия имеют меньший вес и габариты и могут быть установлены в любом пространственном положении. Изоляторы выпускаются в климатическом исполнении УХЛ2.
    Курамшин Финат · ООО "МС" · 26 февраля · Россия · г Санкт-Петербург
    Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ

    ПРОДАМ: Реле контроля изоляции РКИ-2-300-01

    ссылка для заказа на сайте elec.ru https://www.elec.ru/market/rele-kontrolja-izoljatsii-rki-2-300-01-220v-aktsij-14969723438.html Реле контроля изоляции РКИ-2-300-01 предназначено для контроля сопротивления изоляции под напряжением в сетях постоянного тока с изолированными шинами. Преимущества Импульсный блок питания Микропроцессорное управление Постоянный контроль питания под рабочим напряжением Конструкция системы Реле РКИ-2-300-01 выполнено в корпусе для установки на DIN-рейку. На передней панели прибора находятся светодиодные индикаторы «ПИТАНИЕ», «КОНТРОЛЬ СЕТИ», «НОРМА», «АВАРИЯ» и переключатель уставок порогового значения сопротивления изоляции «0…9». В верхней части блока находятся клеммные колодки для подключения питания прибора (A1, A2) и контролируемой сети («+», «-», PE). Питание реле может осуществляться от сети АС 220 (176-242), DC 75-340. В нижней части блока находятся клеммные колодки контактов трех выходных реле 11-12-14; 21-22-24; 31-32-34 для подключения цепей сигнализации и автоматики. Цепи питания, измерения и контакты выходных реле гальванически разделены. Климатическое исполнение У, категория размещения 2 по ГОСТ 15543.1-89 РКИ-2-300-01 контролирует сопротивление изоляции в сети постоянного тока с питанием от сети 220 В, где «+» и «-» изолированы от «земли». Порог срабатывания защиты — 300 кОм. Показывает аварийное изменение сопротивления изоляции по минусовому и плюсовому проводу. Масса, кг0,25 кгГабаритные размеры, мм88×90×65 мм Температура эксплуатации, ˚С -40 … +60 °С Сечение проводов для подключения 0,5…1,5 мм² Напряжение питания, В 220 В Пороговое значение сопротивления изоляции, кОм 300 Коммутируемый ток контакта (АС1 250 В), А 5 Потребляемая мощность, не более 3 Вт Рабочее напряжения контролируемой сети, В =75…1000 Уставка пороговых значений сопротивления изоляции (с точностью, не ниже ±3%) 10; 20; 30; 40; 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300 Гистерезис включения/включения сигнализации на пороговых значениях, не более 5% Временная...
    Смолич Елена · НПК Электроэнергетика · 28 февраля · Россия · Московская обл
    Реле контроля изоляции РКИ-2-300-01
    АО «Контактор» входит в число крупнейших заводов электротехнической промышленности России. Высококачественная продукция завода используется на всех ведущих предприятиях энергоемких отраслей России, а также стран ближнего и дальнего зарубежья.