CC BY
66
УДК 621.3; 53.072
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
М.Г. БАШИРОВ*, Н.В. РОЖЕНЦОВА **, А.М. ХАЛЬФИЕВА **, С.Н. ЛАРИОНОВ **
* Уфимский государственный нефтяной технический университет **Казанский государственный энергетический университет
Исследуются вопросы обеспечения надежности эксплуатации кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена в российских распределительных сетях, а также эксплуатационные факторы, влияющие на старение изоляционной системы СПЭ-кабелей и виды их повреждений. Для диагностики кабельных линий в работе рассматривается возможность использования программно-аппартаного комплекса, позволяющего оценить фактическое состояния изоляционной системы и прогнозировать ее остаточный ресурс.
Ключевые слова: сшитый полиэтилен, отказ, водный триинг, спектральная диагностика.
Повышение надежности и технического состояния электрических сетей является одной из самых важных задач, стоящих перед энергетиками России. Решение этой проблемы может быть найдено только в широком применении новых прогрессивных технологий, современного оборудования, кабельной и проводниковой продукции, произведенной с использованием новейших технологий.
Сегодня энергосистема Татарстана ориентирована на увеличение объемов производства за счет переоборудования имеющихся и ввода дополнительных мощностей. С целью обеспечения надежности работы электрических сетей среднего и высокого напряжения, особенно для объектов с высокой плотностью нагрузки и высоким уровнем энергопотребления, в Татарстане происходит переход к использованию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ).
Кабели с изоляцией из СПЭ могут применяться как для новых проектов в комплекте с соответствующими соединительными и концевыми муфтами, так и для замены отдельных участков существующих кабельных линий (КЛ) с пропитанной бумажной изоляцией (БПИ) с использованием соединительно-переходных муфт.
В настоящее время в США и Канаде доля кабелей с изоляцией из СПЭ составляет 85%, в Германии и Дании - 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции в распределительных сетях среднего напряжения используется только кабель с изоляцией из СПЭ [1].
Ведущие энергосистемы России в основной своей массе также ориентированы на использование кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из СПЭ при прокладке новых КЛ и замене либо капительном ремонте старых.
Однако замена традиционных кабелей с БПИ на кабели с изоляцией из СПЭ без учета их конструктивных особенностей может привести не только к повышению надежности КЛ и снижению затрат на эксплуатацию, но и к новым проблемам. Проектирующими организациями уделяется недостаточно внимания условиям прокладки кабелей с изоляцией из СПЭ, что в ряде случаев приводит к перегреву и даже к возгоранию кабелей в нормальном эксплуатационном режиме.
Сдерживающим фактором развития российского рынка кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 10-35 кВ является отсутствие нормативной базы (главы ПУЭ) для обеспечения проектирования и эксплуатации КЛ на среднее напряжение [2]. В настоящее время организации, занимающиеся проектированием КЛ, берут на себя полную ответственность за применение данного вида продукции на новых объектах. Отсутствие регламентов на методы испытаний, типы испытательного оборудования для проверки кабелей после монтажа, а также диагностики линии во время эксплуатации увеличивают вероятность снижения надежности и длительности эксплуатации КЛ с применением кабелей нового поколения.
Из-за небольшого опыта эксплуатации отсутствует достоверная информация о количестве повреждений СПЭ-кабелей в России. За рубежом этот опыт гораздо более
длительный. По данным исследований кабельной изоляции из СПЭ в рамках совместного научно-исследовательского проекта Швеции и Норвегии, состояние СПЭ-изоляции вследствие воздействия внешних факторов ухудшается с каждым годом эксплуатации [3]. На рис. 1 представлена статистика отказов кабелей с СПЭ-изоляцией напряжением 12 и 24 кВ при эксплуатации за рубежом в течение 16 лет.
Рис. 1. Статистика отказов кабелей с СПЭ-изоляцией за рубежом [3]
По заверениям зарубежных и отечественных изготовителей кабелей с СПЭ-изоляцией, количество отказов этих кабелей на 2-3 порядка меньше по сравнению с БПИ. Именно поэтому кабели нового поколения являются столь привлекательными для внедрения. Однако к этому следует относиться осторожно, поскольку опыт наработки СПЭ-кабелей в отечественных распределительных сетях практически отсутствует, а применение зарубежного опыта эксплуатации применительно к нашим условиям является необоснованным.
В конце 2003 г. Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности России (ВНИИКП) начал двухгодичные ресурсные испытания кабелей на напряжение 10 кВ с изоляцией из СПЭ. Для проведения этих испытаний были отобраны образцы кабелей отечественного и импортного производства, которые были помещены в условия гораздо более жесткие по сравнению с условиями эксплуатации. Данные исследования выявили большое количество недостатков СПЭ-изоляции.
Однофазная конструкция кабелей с СПЭ-изоляцией накладывает определенные ограничения на способы их прокладки в отличие от кабелей традиционных трехфазных конструкций с БПИ. Оговариваются допустимые температурные условия эксплуатации кабеля при различных способах прокладки СПЭ-кабелей в местах, требующих их механической защиты с помощью труб, - при пересечении инженерных сооружений, автомобильных дорог, при естественных препятствиях и т.п. Невыполнение регламента прокладки кабелей с СПЭ-изоляцией в последних случаях может привести, по крайней мере, к двум негативным явлениям: к тепловому разрушению кабеля при его эксплуатации в номинальном режиме либо локальному снижению электрической прочности СПЭ-изоляции на участке кабеля, заключенного в защитную трубу из
магнитного материала (рис. 2) [4].
Основной причиной выхода из строя кабеля, находящегося под длительным воздействием повышенных температур и механических нагрузок при рабочих напряжениях, является растрескивание оболочки и изоляции, т.е. его термомеханическое старение.
Опыт эксплуатации КЛ с БПИ в мире показал, что электрический пробой изоляции при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в 60-70% случаев самоликвидируется и эксплуатационный персонал эти аварийные режимы не фиксирует. Это обусловлено спецификой диэлектрической среды БПИ. При электрическом пробое СПЭ кабель не сможет восстановить свою электрическую прочность и любое ОЗЗ будет приводить к устойчивому аварийному режиму. В этом случае эксплуатационному персоналу каждое возникновение ОЗЗ в изоляционной системе КЛ необходимо будет устранять. Таким образом, наряду с неоспоримыми преимуществами СПЭ имеют существенный недостаток, заключающийся в отсутствии эффекта самозалечивания СПЭ-изоляции [5].
Монолитная полимерная изоляция, в отличие от БПИ, является более чувствительной к разного рода посторонним микровключениям. К качеству и
Рис. 2. Последствие прокладки фазы кабеля с изоляцией из СПЭ в стальной трубе [4]
чистоте полиэтилена для изоляции кабеля предъявляются очень высокие требования, так как любой выступ изоляции в готовом изделии, пылинка или другая инородная частица являются местом концентрации электрического поля в процессе эксплуатации кабеля, что приводит к ускоренному старению изоляции, возникновению так называемого «триинга» и, в конечном счете, - к пробою.
Основная причина старения (деструкции) СПЭ-изоляции - водные триинги -повреждения полимера, развивающиеся на технологических дефектах изоляции при совместном действии электрического поля и влаги, диффундирующей из окружающей среды. Вместе с влагой в изоляцию проникают агрессивные вещества. Они разрушают полимерные цепи, приводя к образованию микрополостей, которые, в свою очередь, служат резервуарами для накопления влаги. Диаметр водного дендрита - доли микрон. За счет высокой растворяющей и ионизирующей способности воды в структуре водного дендрита накапливаются ионы, благодаря чему каждый "куст" дендрита является электропроводным. Поэтому при прорастании структуры триинга вглубь промежутка перед дендритом увеличивается напряженность поля. При распространении дендрита до размеров половины промежутка или более происходит пробой промежутка.
Типичный вид водного триинга, а также радиальный пробой «жила-экран» СПЭ-кабеля, обусловленного ростом таких проводящих каналов, показаны на рис. 3.
а б
Рис. 3. Типичный вид водного триинга: а - водный триинг типа «веер» с каналом пробоя; б - радиальный пробой «жила-экран» [6]
Исследования в лаборатории ВНИИКП участков таких кабелей показали, что на длине порядка 1 м могут присутствовать сотни каналов различной длины. К примеру, исследование срезов изоляции эксплуатируемого кабеля толщиной 1 мм под микроскопом при 40 - 200-кратном увеличении показало наличие триингов типа «бант» с максимальным размером 250 мкм [7].
Электрическая прочность изоляции в области триингов существенно снижается, что повышает напряженность на неповрежденной части изоляции и ускоряет процесс роста триинга. С этим явлением в 70-е годы были связаны многократные отказы кабелей с СПЭ-изоляцией в США.
Так как водные триинги не вызывают частичных разрядов, то описанные процессы старения можно обнаружить и оценить лишь при помощи методов диагностики диэлектриков.
Учитывая эти проблемы, представляется актуальным своевременное выявление электрически ослабленных мест изоляционной системы СПЭ-кабелей. Однако в настоящее время отсутствуют пригодные для эксплуатации прямые методы определения степени влажности и старения твердой изоляции. К сожалению, даже в европейских странах, где кабели с СПЭ-изоляцией находятся в эксплуатации с 70-х годов прошлого века, не существует пока единого мнения по оптимальному методу диагностики, а также по определению точного места повреждения в кабеле.
В России, как правило, применяются косвенные методы контроля. В соответствии с установившейся практикой место повреждения определяют в два приема: сначала определяют зоны повреждения КЛ, затем уточняется место повреждения в пределах зоны. В связи с этим применяют абсолютные (топографические) и относительные (дистанционные) методы. Абсолютные методы позволяют указывать место непосредственно на трассе, а относительные - определять расстояние от места измерения до места повреждения. В качестве абсолютных методов применяются индукционный и акустический методы, а в качестве относительных - петлевой, импульсный методы, а также метод колебательного заряда [8]. В таблице приведены методы определения мест повреждения КЛ, область применения и их недостатки.
Методы определения мест повреждения кабельных линий [8]
Таблица
Метод Недостатки метода
Дистанционные (относительные)
1. Импульсный Погрешность измерения, связанная с прохождением импульса через соединительные муфты; погрешность, обусловленная «ручным» расчетом места повреждения; используется только при повреждениях устойчивого характера.
2. Мостовой Трудоемкость метода, связанная с присоединением жил кабеля на зажимах моста (двойной опыт); ограничение переходного сопротивления жилы пределом 5000 Ом; определение повреждения только устойчивого характера.
3. Колебательного заряда Необходимость доведения линии до пробоя; высокая стоимость за счет применения выпрямителя и емкостного делителя напряжения; большая трудоемкость.
Топографические (абсолютные)
1. Индукционный Малое переходное сопротивление в месте повреждения жил; сложность, связанная с необходимостью обхода всей трассы; ограничение глубины пролегания кабеля - 1,5 м; необходимость использования высокочастотной техники; влияние различных помех.
2. Акустический Необходимость сквозного отверстия в оболочке кабеля; достаточное переходное сопротивление для образования искрового разряда; непригоден для определения однофазных металлических замыканий на землю; влияние помех от близлежащих, пересекающихся кабелей; влияние холмистости поверхности земли вдоль трассы.
3. Накладной рамки Необходимость вскрытия трассы для линий, проложенных в земле; необходимость большого переходного сопротивления; влияние «посторонних» сигналов на измерительную катушку.
Для контроля КЛ также используются разрушающие методы диагностики, к которым относится метод испытания повышенным напряжением. Основным назначением этого испытания кабелей является доведение ослабленного места в них до пробоя с целью предотвращения аварийного выхода КЛ в эксплуатации. Однако известно, что положительные результаты испытаний КЛ повышенным напряжением вовсе не гарантируют их безаварийную последующую работу. Кроме того, такие испытания кабелей с СПЭ-изоляцией практически бесполезны, так как полиэтилен обладает высокой электрической прочностью и малыми токами утечки. Однако при этом в полиэтиленовой изоляции под воздействием повышенного напряжения происходит интенсивное зарождение дендритов по всей длине кабеля, т. е. такие испытания заведомо уменьшают его ресурс. И, наконец, испытания повышенным постоянным напряжением не позволяют локализовать проблемные места линий [9]. В связи с этим сегодня стремления специалистов направлены 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. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в Германии, США и Японии.
В настоящее время кафедрой «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» совместно с кафедрой «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» разрабатывается спектральный метод диагностики кабельных линий. Метод основан на анализе амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ), снимаемых в конце участка кабельной линии при подаче на вход изменяющегося в широком диапазоне частот периодического гармонического сигнала. Если кабель имеет неоднородные параметры по длине (отклонения геометрических размеров, эффективной диэлектрической проницаемости комбинированной изоляции и др.), то в местах появления неоднородностей изменяются эквивалентные емкость, индуктивность, активное сопротивление и, соответственно, изменяется волновое сопротивление. Местные неоднородности формируют колебательные контуры с резонансной частотой, определяемой эквивалентными значениями емкости, индуктивности и активного сопротивления. Таким образом, при сканировании кабельной линии
синусоидальным сигналом, частота которого изменяется от нуля до бесконечности, возникают режимы резонансов, которые отражаются на АЧХ и ФЧХ кабельной линии. Анализ результирующей амплитудно-фазовой частотной характеристики полученной (АФЧХ) и сопоставление ее с эталонной АФЧХ кабельной линии позволяет выявить резонансные режимы, обусловленные местными неоднородностями, и оценить изменения эквивалентных значений параметров, характеризующие состояние изоляции рассматриваемого участка кабельной линии.
Для снятия АЧХ и ФЧХ кабельной линии вместо изменения входного синусоидального сигнала от нуля до бесконечности используется программируемый генератор качающейся частоты. Диапазон качания частоты определяется конкретным типом и назначением кабеля, диапазоном возможных изменений емкости, индуктивности и активного сопротивления в местах возникновения неоднородностей и передаваемыми частотами. Нижнее значение амплитуды синусоидального сигнала на входе кабельной линии определяется степенью затухания сигнала в линии, уровнем шумов и чувствительностью применяемых измерительных приборов. Верхнее значение ограничивается линейным участком характеристики материала диэлектрика для предотвращения нелинейных искажений синусоидального сигнала, поступающего в кабельную линию.
Структурная схема экспериментальной установки показана на рис. 4. При проведении исследований используется программно-аппаратный комплекс, содержащий программируемый генератор сигналов и анализатор спектра, позволяющий сразу строить АФЧХ кабельной линии. Параллельно с регистрацией параметров гармонического сигнала на выходе отрезка кабельной линии производится измерение наиболее часто использующихся для решения задач неразрушающего контроля состояния изоляции кабельных линий параметров -сопротивления изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь, добротности и емкости с помощью приборов Е7-22 и 2801 IN.
На испытуемый образец кабеля подается синусоидальный сигнал, изменяемый по амплитуде и частоте. В качестве генератора сигнала используется внешнее измерительное устройство Tie Pie Handyscope HS3, которое позволяет генерировать сигналы с диапазоном частоты от 0,1 Гц до 12,5 МГц с максимальной амплитудой сигнала 12 В, а также одновременно просматривать два сигнала: на входе и на выходе кабеля. «Чистый» синусоидальный сигнал необходим для идентификации именно тех гармоник, которые наводятся образцом кабеля. В случае питания образца от сети является обязательной фильтрация сетевых гармоник. Анализ гармонического спектра при повышенных частотах необходим для определения микроскопических дефектов изоляции кабеля.
Измерение параметров гармонических составляющих осуществляется анализатором качества электроэнергии АИ-5М, который дает возможность регистрации до 30 гармоник, а также позволяет измерять емкость и индуктивность линии. Параметры АЧХ сигнала образуют Фурье-образ технического состояния КЛ. На основе полученных измерений создается база данных различных повреждений.
Рис. 4. Структурная схема экспериментальной установки
На рис. 5 - 6 приведены АЧХ отрезка кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена марки АПвВнг при различной длительности термического воздействия (температура 70 еС) и увлажнения. Приведенные АЧХ и аналогичные ФЧХ кабельной линии показывают наличие взаимосвязи между изменениями АФЧХ кабельных линий и изменениями состояния изоляции. Следующим этапом исследований является идентификация технического состояния кабельных линий и прогнозирование их ресурса на основе спектрального анализа АФЧХ и применения теории распознавания образов.
В заключение следует отметить, что определение остаточного ресурса кабеля, работающего в полевых условиях, задача достаточно сложная и не имеющая однозначного решения. Это связано с многообразием эксплуатационных факторов, воздействующих на СПЭ, и определенными трудностями по выявлению наиболее
информативных параметров, адекватно отражающих процессы деградации СПЭ-изоляции. Очевидно, что только при комплексном подходе, аккумулирующем все информационно-значимые факторы, возможно достоверно оценить остаточный ресурс кабельных линий. Разработка новых методов либо распространение известных методов неразрушающего контроля и прогнозирования ресурса на силовые кабели с СПЭ-изоляцией является крайне целесообразной.
Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики отрезка кабеля марки АПвВнг при различной
длительности теплового воздействия: — сигнал на выходе кабеля в исходном состоянии;---
сигнал на выходе кабеля после термического воздействия в течение 168 час.; — сигнал на выходе кабеля после термического воздействия в течение 240 час.; - • - сигнал на выходе кабеля после термического воздействия в течение 336 час.; •••• сигнал на выходе кабеля после
термического воздействия в течение 504 час
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики отрезка кабеля марки АПвВнг при различной
длительности увлажнения: — сигнал на выходе кабеля в исходном состоянии;---сигнал на
выходе кабеля после термического воздействия в течение 168 час.; — сигнал на выходе кабеля после термического воздействия в течение 240 час.; - • - сигнал на выходе кабеля после термического
воздействия в течение 336 час.; .....сигнал на выходе кабеля после увлажнения
воздействия в течение 504 час
Из вышесказанного следует, что в настоящее время остро стоит проблема создания комплексного метода диагностики кабельных линий с изоляцией из СПЭ, исследования основных характеристик изоляции и выявления диагностических параметров, позволяющих оценить фактическое состояния изоляционной системы и прогнозировать ее остаточный ресурс.
Summary
Questions of maintenance of reliability of operation of cable lines with isolation from the sewed polyethylene in the Russian distributive networks, and also the operational factors influencing ageing изоляционной of system ofXLPE cables and kinds of their damages are investigated. For diagnostics of cable lines in work use possibility programm-device complex is considered, allowing to estimate actual conditions isolation systems and to predict its residual resource.
Key words: the XLPE, failure, water tree, spectral diagnostics.
Литература
1. http://www.dp.perm.ru/print.
2. http://380v.net/templates/main.
3. H. Faremo and J.T.Benjaminsen: "Feil pa PEX-kabel og kabelustyr for 2000 (12 or 24 kV). Notat SINTEF Energiforskning 2002 (in Norwegian). Pg. 2-3.
4. Кадомская А., Лавров Ю., Кандаков С. Кабели 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Требования к прокладке / Новости электротехники. 2005. №6 (36). С. 81-83.
5. Лавров Ю. В. Кабели 6-35 кВ с пластмассовой изоляцией // Новости электротехники. 2006. №6(42). С.72-75.
6. T. Takeda, T. Okamoto, H. Suzuki. A Study on Actual Failure Situation of XLPE Cable and Prioritization of Degradation Diagnosis. IEEJ Trans. PE, 2003. Vol.123, No.3. Pp. 382-388.
7. Попов Л.В. Кабельные линии 110 кВ с полиэтиленовой изоляцией. М: Энергоатомиздат, 1994. 94 с.: илл.
8. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992. 240 с.: илл.
9. http://www.polyethilene.info/css/styles.
10. Привалов И.Н. Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий номинальным напряжением 6-35 кВ / Электротехнический рынок. 2008. №2(20).
Поступила в редакцию
26 ноября 2008 г.
Баширов Муса Гумерович - д-р техн. наук, доцент, профессор, зав. кафедрой «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала ГОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета. Тел.: 8-917-7535064; 8 (3476) 324135; 8 (3476) 335480. E-mail: bashirov@newmail. ru, eapp@yandex. ru.
Роженцова Наталья Владимировна - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» (ЭХП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194345; 8 (843) 5194380. E-mail: natalia15969 @yahoo.com.
Хальфиева Ася Михайловна - магистрант 2-го года обучения гр. ЭХП-1-03 кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» (ЭХП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4090875. E-mail: [email protected].
Ларионов Сергей Николаевич - магистрант 2-го года обучения гр. ЭХП-1-03 кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» (ЭХП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4116537; 8 (843) 57058-96. E-mail: [email protected].
