Неразрушающий контроль и диагностика кабелей с полиэтиленовой изоляцией
Козлов Д. Е., èíæ.
Компания “Пергам”
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 низ-
; ! 2 4 " & : '
кочастотной спектроскопии и установить зависимость между электрической прочностью изоляции кабеля и его откликом на тестовое воздействие напряжением низкой 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 (ðèñ. 1). Воздействие электрического поля приводит к постепенному росту “водного дерева” вплоть до наступления пробоя изоляции [2].
С целью установления корреляции между видом характеристик диэлектрических потерь (мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости +,) и емкости (действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости +() с концентрацией и размерами “водных деревьев”, а также с напряжением пробоя изоляции кабеля были проведены исследования более чем 300 образцов кабелей с различной степенью дефектности изоляции.
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 0,5Uðàá äî Uðàá. Результаты измерений представлялись в виде за-
висимостей +, и +( = +( – +(const от частоты при разных измерительных напряжениях (ðèñ. 2). Ïî-
сле проведения измерений проводились высоковольтные испытания исследуемых образцов с подня-
+' |
|
|
|
+" |
|
|
|
10–1 |
|
– 1 |
|
10–1 |
|
|
– 1 |
|
|
– 2 |
|
|
|
|
– 2 |
|
|
– 3 |
|
|
|
|
– 3 |
|
|
– 4 |
|
|
|
|
– 4 |
|
|
– 5 |
|
|
|
|
– 5 |
10–2 |
|
– 6 |
|
10–2 |
|
|
– 6 |
|
|
|
|
|
|
||
10–3 |
|
|
|
10–3 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
|
Частота, Гц |
|
|
|
Частота, Гц |
|
|
" # " ' # #$?
òèï I: 1, 2 – соответственно 6 и 3 кВ (графики совпали); тип II: 3, 6 – 3 êÂ; 4 – 4,5 êÂ; 5 – 6 êÂ
52 |
2003, ¹ 11 |
+' |
+" |
10–1 |
|
– 1 |
|
10–1 |
|
|
– 1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
– 2 |
|
|
|
|
– 2 |
|
|
– 3 |
|
|
|
|
– 3 |
|
|
– 4 |
|
|
|
|
– 4 |
10–2 |
|
– 5 |
|
10–2 |
|
|
– 5 |
|
|
|
|
|
|
||
10–3 |
|
|
|
10–3 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
|
Частота, Гц |
|
|
|
Частота, Гц |
|
|
% " # " '$?
1 – 1,5 êÂ; 2, 5 – 3 êÂ; 3 – 4,5 êÂ; 4 – 6 êÂ
+' |
|
|
|
+" |
|
|
|
10–1 |
|
|
|
10–1 |
|
|
|
|
|
– 1 |
|
|
|
|
– 1 |
|
|
– 2 |
|
|
|
|
– 2 |
|
|
– 3 |
|
|
|
|
– 3 |
10–2 |
|
|
|
10–2 |
|
|
|
10–3 |
|
|
|
10–3 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
10–4 |
|
|
|
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
|
Частота, Гц |
|
|
|
Частота, Гц |
|
|
( " # " ' #$?
1 – 3 êÂ; 2 – 6 êÂ; 3 – 9 êÂ
тием напряжения вплоть до наступления пробоя, а также визуальный осмотр изоляции кабеля после разрезания участка кабеля на диски толщиной 0,25 мм с подсчетом числа 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:
1.Тип I. Диэлектрическая проницаемость (как действительная, так и мнимая составляющие) практически не зависит от уровня измерительного напряжения (ðèñ. 2).
2.Тип II. Диэлектрическая проницаемость (как
действительная, так и мнимая составляющие) изменяется с изменением напряжения и зависит от длительности воздействия испытательного напряжения на кабель, т.е. при выполнении последовательных измерений при напряжениях 3; 4,5; 6 и 3 кВ результаты, полученные при последнем измерении, существенно отличаются от результатов
первого измерения в сторону увеличения диэлектрической проницаемости (ðèñ. 2).
3.Тип III. Появляются токи утечки через “водные деревья” при напряжении, близком к рабоче- му напряжению кабеля, что приводит к изменению характеристики диэлектрических потерь (ðèñ. 3).
4.Тип IV. Токи утечки проявляются уже при
низких уровнях тестового напряжения (ðèñ. 4). Каждый из перечисленных типов отклика ха-
рактерен 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)Uðàá, а у кабелей с откликом третьего типа пробой происходил при напряжении
(1,7 4,0)Uðàá.
Для отклика второго типа напряжение пробоя для исследуемых кабелей лежало в диапазоне (2,5 10)Uðàá и существенно зависело от разницы диэлектрических потерь при измерении на Uðàá и в случае измерения при напряжении, равном 0,5Uðàá. Эта зависимость показана на ðèñ. 5, ãäå
2003, ¹ 11 |
53 |
Uïðîá/Uðàá
12 |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
10–5 |
10–4 |
10–3 |
10–2 |
10–1 |
100 |
+" 0,1Ãö
) $ ' &
: '
+,0,1 Ãö – разность между мнимыми составляющими диэлектрической проницаемости для измерений на частоте 0,1 Гц при Uðàá è ïðè 0,5Uðàá. Из рис. 5 видно, что кабели со значением +,0,1 Ãö <
< 10 – 4 имеют напряжение пробоя (4 10)Uðàá. Для более точной оценки состояния кабелей с подоб-
ными значениями +,0,1 Ãö, а также для кабелей с первым типом отклика возможно выполнение измерений при напряжениях, превышающих Uðàá вплоть до 2Uðàá. 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.
На основании изложенного можно рекомендовать следующий алгоритм измерения параметров изоляции кабелей:
1. Выполняется спектроскопия полиэтиленовой изоляции кабеля поочередно при напряжениях 0,5Uðàá, 0,75Uðàá, Uðàá è 0,5Uðàá.
2.По характеру полученных кривых +(( ) и +,( ) идентифицируется отклик в соответствии с приведенными ранее 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 “водными 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 уче- том требований к надежности электроснабжения потребителей такой кабель можно оставить в работе только на непродолжительное время;
при отклике второго типа в зависимости от +,0,1 Ãö и местных условий эксплуатации следует либо запланировать замену кабеля, либо ввести для него учащенный контроль с ежегодным измерением +( ( ) и +, ( );
при отклике первого типа можно говорить о хорошей работоспособности кабеля. Повторные измерения рекомендуется производить через 5 – 10 лет.
В настоящее время оборудование для измерений в области сверхнизких частот серийно выпускается рядом зарубежных фирм. К их числу относится и корпорация General Electric, чьи интересы в СНГ в области диагностического оборудования представляет компания “Пергам”. Предлагаемая диагностическая система IDA-200 совместно с высоковольтным блоком HVU позволяет производить измерения на частотах до 0,1 МГц. Кроме этого, диагностическая система IDA-200 может быть использована при диагностике кабелей с бу- мажно-масляной изоляцией, силовых трансформаторов и высоковольтных вводов [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 изме-
рительных напряжений, не превышающих Uðàá, исключает “стрессовое” воздействие на изоляцию,
âотличие от высоковольтных испытаний.
Список литературы
1.Werelius P., Tharning P. Dielectric Spectroscopy for Diagnosis of Water Tree Deterioration in XLPE Cables. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2001, vol. 8, ¹ 1.
2.Stennis E., Kreuger F. Water Treeing in Polyethylene Cables. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1990, vol. 25, ¹ 5.
3.Козлов Д. Е. Диагностика изоляции на основе спектроскопии диэлектрических характеристик. – Энергетик, 2002, ¹ 11.
54 |
2003, ¹ 11 |