CC BY
252
УДК 621.3
Д.Г. Аникушин, магистр, (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ НА ОСНОВЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ
Рассматриваются вопросы анализа существующих методов определения мест повреждения кабельных линий без разрушения кабельных трасс.
Ключевые слова: кабельные линии, неразрушающая диагностика
Для повышения надежности электроснабжения потребителей и снижения числа КЛ, необоснованно выводимых в ремонт при профилактических испытаниях повышенным выпрямленным напряжением, более предпочтительным является применение неразрушающих методов испытаний и диагностики силовых КЛ в условиях эксплуатации. Неразрушаю-щие методы диагностики, основанные на периодическом измерении наиболее информативных характеристик изоляции, позволяют не только получать информацию о текущем состоянии изоляции кабелей, не травмируя ее, но и могут быть использованы для прогнозирования остаточного срока службы длительно эксплуатирующихся кабелей. На основе этой информации может быть скорректирован план профилактических испытаний КЛ и выработана стратегия по замене кабелей с опасными дефектами или с выработанным ресурсом изоляции.
В последние годы ведутся интенсивные исследования с целью разработки и внедрения неразрушающих методов испытаний и диагностики силовых кабелей в условиях эксплуатации. Наибольшие успехи в этом направления достигнуты в Германии, США, Японии и ряде других стран.
К настоящему времени на основе применения современных технологий были созданы достаточно компактные диагностические системы и приборы для неразрушающей диагностики силовых КЛ в условиях эксплуатации, которые могут использоваться либо как отдельные переносные системы, либо могут быть встроены в передвижные кабельно-измерительные лаборатории.
Из разработанных методов можно выделить следующие неразру-шающие методы диагностики силовых КЛ напряжением до 35 кВ включительно, которые широко используются за рубежом:
- метод измерения характеристик частичных разрядов;
- метод измерения и анализа возвратного напряжения;
- метод измерения тока релаксации в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена;
- метод измерения диэлектрических характеристик изоляции.
Методы измерения характеристик частичных разрядов в силовых кабельных линиях
В силовых кабелях номинальным напряжением до 35 кВ включительно основными причинами снижения электрической прочности изоляции в процессе длительной эксплуатации (т.е. старения изоляции) являются воздействие частичных разрядов (ЧР) и повышенных температур. Физические процессы в изоляции силовых кабелей под воздействием ЧР, т.е. микроразрядов, возникающих в местах неоднородности изоляции, к настоящему времени изучены достаточно хорошо.
В кабелях с бумажно-пропитанной изоляцией (с вязкой пропиткой) ЧР возникают в воздушных включениях, наличие которых допускается по существующей технологии изготовления кабелей. Кроме того, в процессе эксплуатации кабелей с вязкой пропиткой возможно образование пустот в изоляции вследствие неизбежных многократных циклов нагрева и охлаждения кабелей и поперечного перемещения пропиточного состава. При длительном воздействии начальные ЧР приводят к старению изоляции, т.к. пропиточная масса и пропитанная бумага подвергаются бомбардировке частицами с большей энергией, вызывающей эрозию твердого диэлектрика. В зоне действия ЧР локально повышается температура, появляются продукты распада, воздействующие на изоляцию. Эти процессы при интенсивном протекании (при возникновении критических ЧР) приводят к пробою изоляции. Увлажнение изоляции снижает напряжение возникновения ЧР и пробивное напряжение изоляции.
К настоящему времени различные способы измерения характеристик ЧР как на отключенных от сети КЛ, так и под рабочим напряжением без отключения КЛ от сети, реализованы в зарубежных и отечественных приборах и установках разных конструкций.
Метод измерения и локализации частичных разрядов осциллирующим затухающим напряжением
В настоящее время одним из самых современных и эффективных методов измерений ЧР в условиях эксплуатации является метод измерения и локализации ЧР в силовых КЛ затухающим осциллирующим напряжением с использованием диагностической системы OWTS (Oscillating Wave Test System - система диагностики колебательным напряжением) разработки и производства фирмы «Seba KMT» (Германия). Диагностирование силовых КЛ с использованием системы OWTS позволяет определять величину и место расположения ЧР, количество ЧР в локальных местах КЛ, величину напряжения возникновения и гашения ЧР, а также тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции, электрическую емкость и ряд других величин. По совокупности этих параметров может быть сделано обоснованное заключение о техническом состоянии изоляции диагностируемой КЛ.
Система OWTS 25 конструктивно состоит из блока-анализатора,
включающего промышленный компьютер и источник постоянного высокого напряжения, и блока-катушки с интегрированной электронной схемой для выработки переменного испытательного напряжения. Блок-анализатор оборудован накопителем на гибких дисках, устройством записи на компакт-диски, дисплейным экраном и жестким диском для вывода, отображения и хранения данных. Ввод данных производится с клавиатуры или с помощью мыши. Для подключения системы ОШТ8 25 к объекту диагностики она укомплектована соединительными высоковольтными кабелями (см. рис. 9).
Управление системой ОШТ8 25 осуществляется с помощью компьютера, в котором производится цифровая регистрация данных, их сохранение в памяти и последующий анализ. Программное обеспечение системы ОШТ8 позволяет локализовать места повреждений в КЛ частичными разрядами.
Системы ОШТ8 последних разработок (01^8 М 28 и М
60) состоят из высоковольтного блока, блока обработки сигнала и ноутбука с адаптером для беспроводной связи с высоковольтным блоком.
Диагностика КЛ с помощью системы ОШТ8 выполняется на КЛ, отсоединенной с двух сторон. Перед началом диагностирования производится калибровка системы с помощью калибратора, входящего в комплект поставки системы, с целью уточнения длины КЛ и определения ожидаемой амплитуды ЧР. После калибровки каждая фаза КЛ (Сх) последовательно заряжается в течение нескольких секунд постоянным напряжением до выбранной величины, не превышающей амплитуду номинального линейного напряжения КЛ (рис. 1).
Рис. 1. Схема измерения ЧР при затухающем осциллирующем напряжением: Яз - зарядное сопротивление; Ь - катушка индуктивности; ЯЬ - активное сопротивление обмотки катушки индуктивности; К - высоковольтный ключ; ИЧР - измеритель ЧР
После зарядки фаза КЛ с помощью электронного переключателя (К) подключается через индуктивность Ь (резонансную катушку) к зазем-
80
ленному экрану кабеля. В процессе разрядки кабеля возникают затухающие синусоидальные колебания, частота которых зависит от емкости диагностируемого объекта. Бегущая волна инициирует ЧР в изоляции КЛ, которые фиксируются и сохраняются в памяти компьютера системы OWTS для последующей обработки с целью определения амплитуды и местоположения ЧР по длине КЛ.
Измерение частичных разрядов под рабочим напряжением
Альтернативой неразрушающей диагностике на отключенных от сети КЛ может быть применение систем периодического или постоянного контроля состояния изоляции КЛ на основе регистрации и анализа характеристик ЧР под рабочим напряжением без отключения нагрузки (в режиме «on-line»).
Для практической организации контроля состояния изоляции КЛ 635 кВ под рабочим напряжением быть использовано отечественное оборудование разработки и производства фирмы ООО «ПВФ «Виброцентр», базирующееся на современных технических решениях. При этом существует несколько вариантов практической организации контроля состояния силовых КЛ c использованием оборудования фирмы ООО «ПВФ «Виброцентр»:
1-й вариант - периодический контроль состояния изоляции КЛ по характеристикам ЧР при помощи переносного измерительного прибора R 400 в комплекте с высокочастотными разъемными клещами RECT-5, предназначенными для регистрации ЧР в заземляющем проводе КЛ.
Для повышения достоверности измерений и принятия диагностических решений в приборе R 400 реализовано несколько способов защиты от помех. В первую очередь, это достаточно широко применяемые методы регистрации импульсов от ЧР с использованием фазовых и амплитудных окон. Во-вторых, это использование эффективных аппаратных методов селекции входных импульсов по форме, длительности импульса и паузы.
Импульсный метод рефлектометрии
Для предварительной локализации мест повреждений в силовых КЛ наибольшее распространение получил импульсный метод рефлектометрии (метод отраженных импульсов - TDR). При использовании этого метода в КЛ посылается зондирующий короткий низковольтный импульс и регистрируется отраженный сигнал. По параметрам отраженного импульса можно оценить наличие повреждений и неоднородностей по трассе КЛ, тип неоднородностей и расстояние до них (рис. 2).
Метод отраженных импульсов используется для определения расстояний до мест обрыва, коротких замыканий и до низкоомных повреждений в кабелях с применением импульсных рефлектометров.
Разработанные современные портативные импульсные рефлектометры при малых габаритах позволяют диагностировать КЛ большой длины, имеют высокую разрешающую способность по длине КЛ, низкую по-
грешность измерения, большую внутреннюю память и связь с компьютером, а также имеют низкое энергопотребление и возможность автономного питания. Из зарубежных разработок можно выделить приборы фирм «Seba КМТ», «InterEng Messtechnik GmbH» (Германия); «Bicotest» (Англия); «RiserBond» (США).
Рис.2.Вид отраженных сигналов нарефлектограмме
Волновой метод (метод колебательного разряда)
Возникновение пробоя в месте повреждения вызывает появление в кабельной линии волновых процессов. Существуют два варианта осуществления волнового метода для определения расстояния до места повреждения: метод бегущей волны напряжения и метод импульсного тока.
При реализации метода бегущей волны напряжения в кабельную линию от источника постоянного напряжения через сопротивление, величина которого значительно больше волнового сопротивления линии (Ш), подают напряжение отрицательной полярности, которое медленно повышают до пробоя (короткого замыкания) (рис. 3).
йнсоковольтней ГЕНЕРАТОР постоянного напряжения UHCTI. — f К
ивах» w
СИСТЕМА КвР-5 ВДЛйОЯОА ЮКШ устройство присоединения по напряжению
Рис. 3. Схема реализации волнового метода бегущей волны напряжения
82
В месте пробоя (повреждения) формируются электромагнитные волны положительной полярности, так как испытательное напряжение имеет отрицательную полярность, а коэффициент отражения по напряжению в месте пробоя также отрицателен (Ки = -1). Одна из волн распространяется от места пробоя к началу кабеля, а другая - к концу кабеля. Достигнув начала кабеля, первая волна отражается от большого сопротивления источника и, не изменяя полярности, распространяется к месту повреждения. В месте повреждения вновь возникает пробой и отражение с обратным знаком, и так далее. Затухая, волновой процесс продолжается до тех пор, пока энергии волны достаточно для пробоя в месте повреждения. Данный процесс фиксируются регистратором волновых процессов, анализируется и определяется расстояние до места повреждения.
При реализации метода импульсного тока к поврежденной жиле кабельной линии подключается высоковольтный импульсный генератор, у которого на выходе включен высоковольтный конденсатор и специальный разрядник (рис. 4). В отличие от метода бегущей волны напряжения, выходное сопротивление высоковольтного импульсного генератора должно быть значительно меньше волнового сопротивления кабельной линии (Ш), а коэффициент отражения по току положителен ( К = 1).
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ импульсный ГЕНЕРАТОР IV Эвы* « IV * н
СИСТЕМА К6Р-5 УСТРОЙСТВО ПРИСОЕДИНЕНИЯ ПО ТОКУ
Рис.4. Схема реализации волнового метода импульсного тока
Ударная волна от высоковольтного импульсного генератора достигая места высокоомного или заплывающего повреждения вызывает пробой в нем. При этом часть энергии импульса отражается и возвращается к началу линии. Импульсный конденсатор, подключенный к началу линии, пробивается, в результате чего импульс снова отражается. Данный процесс периодически повторяется и фиксируется измерителем волновых процессов. Связь измерителя волновых процессов с кабельной линией производится с помощью специального присоединительного устройства по току (импульсного токопреобразователя).
Анализ применяемых современных неразрушающих методов диагностики показывает, что при переходе к техническому диагностированию силовых КЛ одним из наиболее эффективных является метод измерения и локализации ЧР осциллирующим затухающим напряжением с использова-
нием диагностической системы OWTS, разработки фирмы «Seba КМТ». Использование системы OWTS позволяет определить величину ЧР, количество ЧР в локальных местах КЛ, напряжение возникновения и гашения ЧР, величину емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции. Использование этого метода позволяет не только получить информацию о техническом состоянии диагностируемых линий, не травмируя их изоляцию, но и локализовать имеющиеся проблемные места в КЛ с повышенным уровнем ЧР.
Для внедрения технического диагностирования силовых КЛ с использованием неразрушающих методов на предприятиях России необходимо иметь обоснованные нормативы оценки состояния силовых КЛ по результатам их диагностирования, а также регламентирующие документы по переходу к системе технического обслуживания и ремонта силовых КЛ по техническому состоянию и проведению такого обслуживания КЛ.
Список литературы
1. Аксенов Ю.П., Ляпин А.Г., Певчев Б.Г. Применение рефлек-тометрии для диагностики кабелей // Электрические станции. 1997. № 4.
2. Определение характеристик неоднородностей в кабельных линиях методом рефлектометрии / Ю.П. Аксенов [и др.]. Электрические станции. 1997. № 7.
3. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения / К.П. Кадомская [и др.] // Электротехника. 2000. № 11.
4. Кадомская К.П., Сахно В.В. Импульсный метод диагностики силовых кабельных линий // Труды Третьей Международной конференции «Электрическая изоляция - 2002» (С.-Петербург), 2002.
5. Сайт фирмы «ЭРСТЕД» - www.ersted.ru.
D.G. Anikushin
THE ANALYSIS OF METHODS OF DEFINITION OF PLACES OF DAMAGE CABLE LINES ON THE BASIS OF NONDESTRUCTIVE DIAGNOSTICS
Questions of the analysis of existing methods of definition ofplaces of damage of cable lines without destruction of cable routes are considered.
Key words: cable lines, nondestructive diagnostics.
Получено 19.06.12
