5.2 Прогнозирование остаточного ресурса силовых кабелей

В условиях эксплуатации происходит старение кабелей и, в первую очередь, их электрической изоляции. Ресурс электрической изоляции определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию независимо от наработки и коэффициента нагрузки. У многих кабельных линий (КЛ) истек срок службы, но они продолжают работать, так как они не выработали своего ресурса. Поэтому на практике необходимо знать наработку кабеля и его остаточный ресурс.

В настоящее время ведутся исследования, направленные на поиски неразрушающих методов испытаний, во время которых кабели не подвергаются старению и не выходят из строя, а результаты диагностики дают информацию о наработке и остаточном ресурсе. Работы ведутся непрерывно, однако таких методов выявлено очень мало. Рассмотрим их.

Метод отклика напряжения в изоляции кабеля. По этому методу измеряются зависимости напряжения саморазряда U _d(t) – спадающего напряжения и восстанавливающегося напряжения U _r(t) (рисунок 5.1 а, б). Напряжение U_d(t) измеряется после длительного “заряда” изоляции кабеля, т.е. после возбуждения поляризационных процессов полей постоянного напряжения U ₀ = 1кВ за период t_c = 60 мин. Восстанавливающееся напряжение U _r(t) измеряется после “заряда” постоянным напряжением U ₀ = 1кВ за период t _c = 60 мин. Затем следует отключение от источника напряжения, закорачивание на t _dc = 3 - 5 с и снятие напряжения U _r(t). Снимать зависимости U _d(t) и U _r(t) необходимо через 1, 10, 15 с и 60 мин. Первоначальные участки зависимостей U _d(t) и U _r(t) и наклоны касательных S_d и S_r можно использовать как параметры, характеризующие состояние изоляции кабелей, так как имеем

S_d = E/ ₀; (5.2)

S_r = E/ ₀, (5.3)

где  - удельная электропроводность изоляции кабеля;

 - величина интенсивности поляризации.

_n

 = _к / Т_к , (5.4)

^{к = 1}

т.е.  прямо пропорционально интенсивностям  элементарных поляризационных процессов с постоянными времени Т₁…Т_n, которые определяются измеренными параметрами t_c и временем разряда. Этот метод не зависит от размеров и форм образцов, т.е. параметры являются “удельными”.

Количественной характеристикой являются первоначальные наклоны касательных S_d (прямо пропорционально проводимости) и S_r (прямо пропорционально интенсивности поляризации). По величинам параметров можно определить степени увлажнения (S_d) и старения (S_r). Параметр S_d является более характерным для диагностики кабелей с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката (ПВХП), т.к. при деградации молекул выделяется водород Н и хлор Cl, которые взаимодействуют между собой, образуя НCl. При увлажнении изоляции НCl растворяется в воде, существенно увеличивая электропроводность изоляции и ее старение. Параметр S_r является более характерным для диагностики кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ), т.к. термическое старение изоляции увеличивает интенсивность поляризации. Параметры S_d и S_r характеризуют ресурс (наработку) изоляции, а не срок службы. При накоплении опыта проведения испытаний этим методом и правильной трактовке полученных результатов можно предсказать остаточный ресурс кабельных линий.

а) спадающее напряжение U_d;

б) восстанавливающееся напряжение U_r

Рисунок 5.1 - Изменение напряжения саморазряда

Метод оценки ресурса кабелей с полиэтиленовой изоляцией. Данный метод основан на определении корреляционной зависимости между характеристиками изоляции кабеля и характеристиками, прямо связанными с ресурсом кабелей. Основной причиной выхода из строя кабелей с полиэтиленовой (ПЭ) изоляцией, находящихся под длительным воздействием повышенных температур и механических нагрузок (термомеханическое старение) при рабочих напряжениях, является растрескивание оболочек и изоляции кабелей. Стойкость к растрескиванию количественно определяется температурой холодостойкости Т_х. Разными исследователями было установлено, что уменьшение ресурса кабелей с ПЭ изоляцией в условиях эксплуатации обусловлено структурными изменениями в процессе термического старения, при этом температура Т_х ПЭ изоляции повышается. Тепловое движение структурных элементов в полимерах и их подвижность обуславливает релаксационные переходы, которые изучаются методами релаксационной спектроскопии. Спектры механических потерь отражают те же процессы молекулярного движения, что и диэлектрические потери. По мере старения в области -релаксации происходит увеличение тангенса угла диэлектрических потерь tq_м в максимуме температурной и частотной зависимости и, что самое главное, происходит смещение местоположения максимума tq_м на температурных зависимостях в область более высоких температур ΔΤ_м примерно на 35 ˚С от исходного состояния до полного расходования ресурса, а на частотных характеристиках - в область низких частот Δf_м примерно на 750 Гц. Отклонение местоположения tq_м от исходного состояния ΔΤ_м или Δf_м является количественной мерой оценки процесса старения. Данный метод неразрушающего определения ресурса может быть применен и для других видов изоляции.

5.3 Технические средства диагностики кабельных линий

В настоящее время отечественные и зарубежные производители выпускают широкий спектр приборов и комплексов для диагностики кабельных линий, отличающихся конкретным назначением, техническими характеристиками и стоимостью. Применение микропроцессорной техники в этих устройствах позволило повысить точность измерений, и соответственно, достоверность диагноза.

Прибор "ИРК-ПРО версия 5.10.00" предназначен для определения расстояния до участка с пониженным сопротивлением изоляции всех типов симметричных кабелей, измерения сопротивления изоляции и сопротивления шлейфа, омической асимметрии, измерения электрической емкости кабеля (рисунок 5.2).

В приборе используется микропроцессорное управление, расчет производится автоматически. В память прибора занесены параметры большинства используемых электрических кабелей. Результаты выводятся на многострочный алфавитно-цифровой дисплей.

Технические характеристики:

- определение расстояния до дефектного участка с сопротивлением изоляции от 0 до 20 МОм с точностью до 1 м;

- прямые показания расстояния в метрах до 60 км;

- определение расстояния при одновременном повреждении всех жил кабеля;

- измерение сопротивления шлейфа до 10 кОм с точностью до 0,1 Ом, определение омической асимметрии. Прибор может рассчитать по шлейфу длину кабеля любой марки;

- измерение электрической емкости кабеля. По измеренной емкости прибор рассчитывает расстояние до обрыва жилы кабеля.

Диапазоны измеряемых параметров:

- переходное сопротивление - 0 – 20 Мом;

- сопротивление шлейфа - 0 – 10 кОм;

- сопротивление изоляции - 1 кОм - 30 000 Мом;

- электрическая емкость - 1 – 2000 нФ;

- испытательное напряжение - не менее 350 В.

Кабельный прибор "ИРК-ПРО версия 7" (рисунок 5.3). Имеет такие же технические характеристики, как и прибор "ИРК-ПРО версия 5.10.00", но в отличие от него имеет следующие особенности:

- позволяет автоматизировать процесс измерения, записи и чтения плановых измерений сопротивления изоляции и емкости;

- возможна совместная работа с компьютером (сохранение и обработка результатов измерений);

- предусмотрена функция самонастройки;

- предусмотрена защита от напряжения на измеряемых кабелях;

- управление прибором осуществляется с помощью микрокнопок. Отсутствуют механические переключатели;

- в условиях помех производит усреднение результатов измерений.

Портативный кабельный мост ПКМ-105 предназначен для измерения параметров кабельных линий и определения мест повреждения телекоммуникационных и силовых кабелей на постоянном и переменном токе. Прибор реализует мостовые методы измерения сопротивления шлейфа, омической асимметрии, емкости кабеля, сопротивления изоляции и расстояния до обрыва или места понижения изоляции кабельной линии (рисунок 5.4).

Особенности изделия:

- высокая точность измерений;

- простота и удобство пользования;

- наглядность измерений за счет отображения на экране измерительных схем (текстовый, графический и символьный вид отображения информации);

- упрощение процесса измерения расстояния до места понижения изоляции;

- сохранение в памяти до 200 результатов измерений;

- возможность сравнения параметров кабельной линии с ранее измеренными;

- обмен информацией с компьютером по последовательному интерфейсу RS232.

Технические характеристики:

- диапазон измерения сопротивления шлейфа: (0,1…10000) Ом;

- диапазон измерения омической асимметрии при сопротивлении шлейфа 2 кОм: (0,1...100) Ом;

- диапазон измерения расстояния до места утечки при погонном сопротивлении 50 Ом/км: (0…40) км.

Рефлектометр цифровой Рейс-205 разработан специально для определения различных видов повреждений кабелей, а также воздушных линий связи и электропередачи (рисунок 5.5). Реализует мостовой метод и метод импульсной рефлектометрии.

Выполняемые функции:

- обнаружение и точное определение расстояния до места повреждения (короткое замыкание, обрыв, понижение изоляции) линий локационным методом (методом импульсной рефлектометрии) и мостовым методом;

- диагностика состояния линии за счет сравнения рефлектограмм, сопротивления изоляции и других параметров линии с ранее измеренными значениями (с паспортными данными);

- фиксирование результатов измерения в энергонезависимой памяти прибора и на внешнем компьютере;

- измерение длины линии (в том числе на бухте или барабане);

- определение волнового сопротивления линии;

- измерение сопротивления изоляции;

- измерение сопротивления шлейфа (петли);

- измерение омической асимметрии (разности сопротивлений жил);

- измерение емкости линии.

Прибор обеспечивает наглядность измерений за счет отображения рефлектограмм, режимов измерения, измерительных схем, измеренных параметров, комментариев и подсказок оператору на большом ЖК экране с высоким разрешением. Обеспечивается два режима отображения рефлектограммы измеряемой линии: однооконный режим, при котором на экране прибора отображается одна рефлектограмма измеряемой линии, и двухоконный, при котором на экране прибора отображается две рефлектограммы одной линии. Двухоконный режим позволяет одновременно наблюдать как всю рефлектограмму, так и выбранный для детального анализа растянутый и усиленный участок этой рефлектограммы. Прибор имеет три входа для одновременного подключения трех линий и выход на компьютер.

Трассопоисковый комплект "Успех АГ-5" предназначен для определения трассы кабелей и трубопроводов различного назначения, определения глубины их залегания, а также диагностики мест повреждения силовых кабелей.

Особенности изделия:

- эффективное выделение полезного сигнала в условиях сильных промышленных помех за счет использования фильтров 8-го порядка;

Технические характеристики:

- точность определения трассы: 0,2 м;

- глубина залегания трубопровода, кабеля: до 5 м.

Трассоискатель ТИ-01 предназначен для определения трассы и глубины залегания электрических кабелей, находящихся под напряжением (0,4 - 10) кВ частотой 50 Гц и трубопроводов, находящихся под напряжением катодной защиты частотой 100 Гц. Трассоискатель позволяет определить трассу силовых кабельных линий, находящихся в непосредственной близости от трубопроводов и трассу трубопроводов, находящихся в непосредственной близости от силовых кабельных линий. Высокая избирательность трассоискателя достигается за счет применения узкополосных фильтров.

Комплекс ИСКРА предназначен для определения места повреждения подземных кабелей электроснабжения 6 - 10 кВ длиной до 6 км. Определение расстояния до места повреждения производится импульсным методом при всех видах повреждений без предварительного полного прожига изоляции, что позволяет непосредственно после замера применить акустический метод нахождения места повреждения. Комплекс используется совместно с дополнительным регулируемым источником постоянного напряжения 0 - 50 кВ, 15 мА и может комплектоваться дополнительной поисковой аппаратурой обнаружения трассы кабеля и места его повреждения.

Состав комплекса:

- рефлектометр цифровой комбинированный РК-2М;

- генератор высоковольтных зондирующих импульсов ГВИ;

- делитель высоковольтного импульсного напряжения ДН;

- резистор зарядный.

Мощность установки 5 кВт.

Диагностика изоляторов. Важное место в обеспечении надежной эксплуатации устройств электроснабжения занимает современная и качественная диагностика изоляции сетей. На сегодняшний день не существует достаточно надежных методик дистанционного обнаружения дефектных изоляторов и технических средств, позволяющих эти методики реализовать. Фарфоровые тарельчатые изоляторы перед установкой испытываются напряжением 50 кВ промышленной частоты в течение 1 мин, далее мегаомметром на напряжение 2,5 кВ измеряется их сопротивление, которое должно быть не менее 300 МОм. Диагностирование изоляторов, находящихся в эксплуатации, производится приборами дистанционного контроля или измерительными штангами (рисунки 5.6 – 5.7). Рассмотрим, какие физические эффекты возникают в результате приложения к изолятору высокого напряжения. Из теории известно, что если к двум электродам, разделенным изолятором, приложить электрическое поле достаточной напряженности, то на поверхности или в теле изолятора образуется электропроводный слой, в котором возникает и развивается электрический разряд - стример. Возникновение и развитие разряда сопровождается генерацией колебаний в широком диапазоне частот (в инфракрасном, т.е. тепловом, звуковом, ультразвуковом диапазонах частот, в видимом спектре и в широком диапазоне радиочастот). Отсюда очевидно, что приемная часть устройства диагностики должна обнаруживать то или иное из перечисленных следствий образования и развития стримера. Полимерные изоляторы выходят из строя иными способами, чем фарфоровые или стеклянные изоляторы, и трудно определить состояние таких изоляторов в отсутствии каких-либо наблюдаемых физических дефектов типа трещин или почернения.

Комплекс ЭТКЛ - 10 – 2 предназначен для:

- испытания изоляции силовых кабелей, твердых диэлектриков, устройств и электрооборудования выпрямленным высоким напряжением;

- прожига дефектной изоляции кабелей с последующим дожигом;

- определения зоны повреждения силовых кабелей методами - импульсным и колебательного разряда;

- определения повреждения кабелей индукционным и акустическим методами;

- определения трасс и глубины залегания кабельных линий;

- определение наличия муфт и неоднородностей в кабелях;

- измерение сопротивления изоляции электрических цепей.