Совершенствование контроля изоляции силовых кабельных линий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.048

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

С.В. КЛИМЕНКО, Л.М. РЫБАКОВ

В статье рассматривается возможность применения высокочастотной дефектоскопии как основного дистанционного способа диагностирования кабельной изоляции на ранней стадии дефектообразования.

Введение

Надежность электрооборудования систем электроснабжения является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на экономические показатели энергокомплексов страны. В связи с этим вопросы совершенствования методов диагностирования в системах электроснабжения различного уровня являются особенно актуальными. Инструментом поддержания заданной надежности являются методы и средства диагностирования.

Сложившаяся система диагностирования ЭУ базируется, как правило, на проведении периодических плановых работ, то есть в основе принято обслуживание по истечении заданного периода работы. Применительно к устройствам высокого напряжения такая система не всегда является оптимальной, так как приводит к неоправданным плановым отключениям работоспособного оборудования.

Анализ существующих методов контроля КЛ

Кабельные линии должны отвечать многим требованиям в отношении электрических характеристик изоляции и их стабильности во времени, электропроводности проводящих жил, герметичности металлических оболочек, коррозийной стойкости и т.д.

Это обуславливает исключительно широкое разнообразие видов испытаний кабельных линий, включающих контроль сопротивления изоляции, измерение тангенса угла диэлектрических потерь и емкости, токов утечки и др.

Сложность процессов, протекающих в изоляции под действием электрического поля и повышенной температуры, невозможность непосредственного осмотра изоляции по всей длине контролируемого кабеля, необходимость в ряде случаев приложения высокого напряжения требуют хорошего знания используемого оборудования, измерительных схем и правил техники безопасности.

Большинство видов кабельных линий представляют крайне важные элементы установок, имеющих большое народнохозяйственное значение, поэтому к надежности и долговечности кабельных изделий предъявляются высокие требования. В целях предупреждения аварийного отключения кабельной линии в процессе ее эксплуатации проводят периодический контроль для выявления

© С.В. Клименко, Л.М. Рыбаков Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

ослабленных мест изоляции, возникших вследствие механических повреждений или местного старения изоляции.

Существует много методов контроля изоляции, которые можно разделить на разрушающие и неразрушающие. К первым относят испытание повышенным напряжением, ко вторым - все остальные методы, которые проводятся без приложения к изоляции напряжений, способных привести к пробою. Но по этой же причине все неразрушающие испытания являются косвенными.

Испытания повышенным напряжением производятся для проверки наличия необходимого запаса электрической прочности изоляции.

Недостатки метода:

1) для проведения испытания кабель выводят из работы, что приводит к перерыву в электроснабжении потребителей;

2) при проведении испытания накапливается аккумулятивный дефект, который приводит к постепенному разрушению изоляции даже под рабочим напряжением;

3) для проведения испытаний необходимо иметь дорогостоящее испытательное оборудование и высококвалифицированный персонал.

К неразрушающим методам относят:

1. Измерение сопротивления изоляции или измерение тока сквозной проводимости.

Измерение сопротивления изоляции производится стрелочными приборами (мегаомметрами), и следовательно, на показание приборов влияют только процессы медленной поляризации. Величина Я определяет наличие сквозных проводящих путей в изоляции. Резкое падение Я показывает на далеко зашедшее развитие дефекта в изоляции. Обычно суждение об изоляции составляется на основании сравнения с результатами предыдущих измерений Я или заводскими данными.

Недостатки:

1) для проведения испытания кабель выводят из работы, что приводит к перерыву в электроснабжении потребителей;

2) небольшая точность измерительного прибора;

3) значительное влияние температуры на показания прибора.

2. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь.

Протекание через диэлектрик поляризационных токов ведет к разогреву изоляции. Связанные с этим потери энергии называются диэлектрическими. Диэлектрические потери при промышленной частоте возникают, в основном, за счет явлений быстрой поляризации. Отношение активной составляющей тока через диэлектрик 1а к реактивной составляющей Iс называют тангенсом угла диэлектрических потерь tgS.

Угол диэлектрических потерь является, в первую очередь, показателем наличия в изоляции посторонних включений, в частности увлажнения изоляции.

Недостатки:

1) для проведения испытания кабель выводят из работы, что приводит к перерыву в электроснабжении потребителей;

2) испытания должны проводить два человека;

3) для испытания требуется специальная электролаборатория с испытательным напряжением до 10 кВ;

4) значительное влияние температуры и внешних магнитных полей на показания прибора.

© Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

3. Измерение емкости.

Емкость кабеля при неизменной температуре и частоте есть величина постоянная. Поэтому скачкообразное изменение емкости свидетельствует о крупных дефектах в изоляции - появлении больших по объему и хорошо проводящих включений, шунтировании части изоляции.

Для оценки увлажненности изоляции используется зависимость емкости от

Недостатки:

1) значительное влияние температуры на показания прибора;

2) схема измерения позволяет оценить емкость по отношению фазы к земле, а отношение емкости между фазами оценить невозможно.

Анализ показывает, что основными причинами недостаточной эффективности имеющихся методов диагностирования являются следующие [1]:

1) существующие методы проверок не согласованы должным образом с показателями надежности и наиболее характерными причинами отказов оборудования, что снижает эффективность методов проверок;

2) диагностические параметры и принятые пределы ухудшения состояния изоляции не согласованы в достаточной степени с электрической прочностью. Предполагается, что допустимое ее ухудшение незначительно сказывается на снижении надежности объекта;

3) недостаточно изучены физико-химические процессы старения изоляции, которые представляют широкий класс процессов, развивающихся во времени и приводящих к изменению состояния объекта, поэтому задача диагностирования -своевременное получение информации об ухудшении соответствующих свойств объектов;

4) недостаточно учитываются раздельные влияния воздействующих факторов и их изменения в течение года.

Обнаружение дефекта методом регистрации ВЧ сигналов

При изготовлении изоляции кабеля используют материалы с неоднородным строением. Основной особенностью таких материалов является наличие в них полостей, заполненных газообразным, жидким или твердым инородным веществом. Обычно диэлектрическая проницаемость таких полостей меньше, чем у основного материала, и они представляют собой слабое место для пробоя. При некотором напряжении, меньшем напряжения пробоя диэлектрика, происходит электрический разряд, локализованный в границах слабого участка изоляции и не захватывающий остальной объем. Такой разряд называют частичным, а элемент изоляции, участвующий в разряде, - включением или очагом разряда. Частичные разряды (ЧР) возникают в газовых включениях, тонких масляных пленках, твердых включениях инородного вещества.

Разряды могут возникать, если размер включения значительно больше среднего пути свободного пробега электрона при атмосферном давлении (10-5 см). Это означает, что с практической точки зрения во включениях размером меньше 10-4 см в направлении поля разряды не возникают. После разряда во включении остаются объемные заряды, а на его поверхности - связанные. Восстановление изоляционных свойств зависит от рекомбинации этих зарядов и проводимости граничной поверхности. В отдельных случаях для этого требуется значительное время. Восстановленное включение вновь заряжается до тех пор пока не наступит © Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

новый разряд. Величина заряда зависит от времени действия внешнего напряжения, от параметров твердой изоляции и источника напряжения [2].

ЧР возникают при некотором начальном напряжении и усиливаются при его повышении. Если напряжение снизить, то разряды прекращаются. При напряжении, близком к начальному, разряды могут прекратиться и при длительном приложении начального напряжения. При этом разрушение изоляции и снижение начального напряжения ЧР не возникают. Длительное воздействие таких разрядов, называемых начальными ЧР, ведет к медленному разрушению диэлектрика.

Если напряжение превышает начальное, интенсивность разрядов увеличивается и при некоторой критической напряженности Екр возникают критические ЧР со значительно большей интенсивностью, которые продолжают существовать и при снижении напряжения. Длительная работа изоляции при критической напряженности невозможна, так как разряды будут существовать и при рабочем напряжении и приведут к быстрому пробою изоляции.

В бумажно-масляной изоляции кабельной линии 10 кВ начальные ЧР представляют собой пробой тонких масляных пленок. Воздействуя на пропитывающий состав, ЧР разлагает его с выделением газов, объем которых настолько мал, что они быстро растворяются в жидкости, и последующий разряд вновь развивается в масле. Разрушающий эффект возникает после многократного действия. При критических напряженностях интенсивность начальных ЧР становится столь большой, что выделяющиеся газы не успевают растворяться. В результате бурного газообразования возникают критические ЧР, способные в короткий срок привести к пробою.

Эксперимент по определению дефекта в силовых кабельных линиях 10 кВ регистрацией ВЧ-излучений

Цель эксперимента состояла в определении:

1) зависимости коэффициента передачи от частоты;

2) диапазона частот, на которых целесообразно вести диагностирование

КЛ;

3) оптимальной схемы присоединения измерительного устройства.

Измерения производились антенным методом под напряжением 10 кВ

(рис.1.). Напряжение 10 кВ постепенно подавалось на испытуемый кабель. При напряжении пробоя возникал разряд, параметры которого фиксировались измерительной антенной прибора ЛИ-5000. Также производилось снятие сигнала в предразрядном состоянии. Снятие характеристик ЧР производилось на расстоянии 30м.

В результате опыта при моделировании дефекта в бумажно-масляной изоляции силового кабеля 10 кВ было установлено, что при некотором напряжении, близком к пробою диэлектрика, возникают ЧР, которые излучают ВЧ сигнал, обладающий наибольшим коэффициентом передачи порядка 46 МГц.

Основываясь на результатах проведенного нами опыта, можно разработать новый способ контроля изоляции, основанный на регистрации ВЧ излучения, методика которого заключается в том, что по регистрации ВЧ сигналов, проходящих в кабеле, можно судить о состоянии его изоляции.

Структурная схема метода представлена на рис. 2. На одну из жил кабельной линии устанавливают высокочастотный трансформатор тока, который передает в высокочастотный фильтр все сигналы, проходящие по

кабелю. В высокочастотном фильтре происходит отсев помех, и широта пропускания фильтра отстраивается от частоты возникновения ЧР, предшествующих пробою изоляции. Дальше отфильтрованный сигнал, проходя через усилитель, поступает на датчик. В датчике происходит обработка поступившего сигнала, и формируется информация о состоянии кабельной линии, которая подается на пульт управления диспетчера и сравнивается с данными предыдущих замеров. Диспетчер принимает решение о дальнейших действиях.

Т 1

Рис.1.Схема измерений ВЧ-излучения дефектной изоляции кабельной линии 10 кВ: Т -трансформатор; 1-испытываемый кабель; 2 - модель дефекта (искровой промежуток); 3 -измерительная антенна приемника ЛЯ-5000

Рис.2. Структурная схема предлагаемого метода: Ф - высокочастотный фильтр; У - усилитель сигнала; Д - датчик реагирующий на частоту ЧР; ПУ - пульт управления оператора Вывод

Предлагаемый метод позволяет осуществить непрерывный контроль за состоянием кабельной линии и предупредить образование дефекта.

Summary

In this article is considered an opportunity of application high-frequency defectoscopi as basic remote way of diagnosing of external isolation at an early stage of defect.

Литература

1. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. -Й-Ола: Марийский Государственный Университет, 2000.- 348с.

2. Сви П.М. Измерения частичных разрядов в изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем. -М.: Энергия,1977.- 199 с.