Материал: Лекция 8. КЛ
В качестве источника испытательного напряжения необходимо применять установки сверхнизкой частоты (СНЧ). Установка СНЧ подает в кабель постоянное напряжение частотой 0,1...0,05 Гц.
Неправомерно переносить нормы испытаний КЛЭП постоянным напряжением для кабелей с пропитанной бумажкой изоляцией, на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Для последних воздействие испытательного постоянного напряжения величиной до 10 Uo является разрушающим.
Испытание наружной оболочки кабельной линии с СПЭ изоляцией проводится напряжением постоянного тока 5кВ в течение 10 минут перед включением кабельной линии в эксплуатацию с периодичностью 1 раз в 2,5 года.
В настоящее время рекомендуются следующие нормы испытания кабелей СПЭ. Испытания изоляции кабелей проводят на частоте 0,1 Гц. Для 6 кВ кабелей испытательное напряжение составляет 12 кВ, для 10 кВ кабелей –18 кВ, для 35 кВ кабелей — 60 кВ. Каждая фаза испытывается в течение 30 минут. Оболочка кабеля испытывается постоянным напряжением 5 кВ в течении 5 минут. Диагностика оболочки кабеля проводится перед подключением, затем через 3 года после подключения, а дальше через каждые 4 года эксплуатации.
Система для проведения испытаний на сверхнизких частотах (0,1 Гц) должна удовлетворять следующим требованиям:
частота повторения должна быть такой низкой, чтобы мощность, высвобождаемая в любом частичном разряде была настолько мала, чтобы не вызывать дальнейшей эрозии и, как следствие, не приводить к росту давления газа;
смена полярности с одной стороны должна происходить достаточно медленно, чтобы исключить любые переходные процессы, вызываемые бегущими волнами, с другой стороны, она должна быть достаточно быстрой, чтобы сохранить любой пространственный заряд в частичном разряде, откуда он нарастает в направлении противоположного электрода.
Система, удовлетворяющая этим требованиям, должна генерировать колебания частотой 0,1 Гц со сменой полярности в течении полуволны 50 Гц. Испытание производится напряжением, равным 3Uо. С помощью применения напряжения косинусно-прямоугольной формы дефектные места в кабелях с ПЭ, ПВХ изоляцией быстро приводятся в состояние пробоя, без ненужной дополнительной нагрузки на кабельную изоляцию.
Основной причиной увеличения уровня частичных разрядов при эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ является рост водных «триингов» в изоляции. В процессе старения (деструкции) сшитого полиэтилена его эксплуатационные характеристики снижаются. Основная причина этого – 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. Под воздействием электрического поля полярные молекулы воды образуют древовидные структуры, направленные вдоль силовых линий электрического поля,- водные «триинги».
Различают два вида «триингов»: «бант» (зарождаются в объеме изоляции, заполненном водой, или на включениях инородных материалов) и «веер» (развиваются с поверхности электропроводящих экранов). Электрическая прочность изоляции в области «триингов» существенно снижается, что повышает напряженность на неповрежденной части изоляции и ускоряет процесс роста «триинга».
Исследования электрической прочности показали. Электрическая прочность пероксидносшитой изоляции кабелей после старения снизилась практически в два раза, а кабелей силаносшитых - лишь на 12%. В пероксидносшитой изоляции после старения зафиксированы «триинги» типа «бант» и «дельта», (рис. ).
Рисунок 8 – Водные «триинги» в изоляции кабелей СПЭ
В силаносшиваемой изоляции «триинги» не обнаружены. Эксперименты показывают, что длина водных «триингов» в образцах с силаносшиваемым полиэтиленом (SXLPE) меньше, чем в образцах пероксидносшиваемого полиэтилена (XLPE), (рис ). Результаты измерений влагосодержания,%: Пероксидная сшивка - 0,118±0,024; Силановая сшивка - 0,043±0,020.
Рисунок 9 – Результаты исследований электрической прочности после
старения во влажной среде
Рисунок 10 – Длина водных «триингов»
На рис.11 показаны результаты развития дефекта и момент пробоя при испытании СПЭ–кабеля переменным напряжением на установке VLF-60.
Рисунок 11 – Развитие дефекта и момент пробоя при испытании СПЭ–кабеля переменным напряжением: а,б) частотой 50 Гц; в,г) частотой 0,1 Гц
В настоящее время существуют две концепции снижения негативного влияния водных «триингов» на свойства изоляции:
Согласно первой в полиэтилен вводятся специальные химические добавки, в итоге получается триингостойкий сшитый полиэтилен – ТСПЭ;
В соответствии со второй создаются макромолекулы, в состав которых, помимо этилена, входит более 5% других химических соединений, в итоге получается сополимерный сшитый полиэтилен – ССПЭ (механическая смесь полиэтилена низкой плотности, сополимера – этилена и этилакрилата или бутилакрилата и антиоксиданта, снижающего скорость окислительных процессов).
Доказано, что испытания высоким постоянным напряжением уменьшают срок эксплуатации кабелей и значительно увеличивают рост водных триингов.
Для проведения испытаний оболочки КЛЭП с изоляцией из сшитого полиэтилена используются испытательные установки с максимальным выходным напряжением до 5 кВ. На рис.12 показаны схемы испытания напряжением СНЧ на различных типах кабеля.
Рисунок 12 – Схемы испытания напряжением сверхнизкой частоты на различных типах кабеля.
При испытании КЛЭП с изоляцией из сшитого полиэтилена контроль токов утечки может не проводиться. Кабельная линия напряжением 6 – 35 кВ, считается пригодной к эксплуатации, если она выдержала испытательное напряжение в течение времени, указанного в нормах. Для кабельной линии, выполненной из 3-х одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, дополнительно учитываются результаты испытания защитной оболочки, которая должна выдерживать испытание постоянным выпрямленным напряжением в соответствии с нормами.
При испытании оболочки одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, испытательное напряжение прикладывается между экранами КЛЭП и землей. Для этого экраны каждой из жил кабельной линии, во избежание взаимного электрического контакта между собой и контуром заземления, отсоединяются от контура заземления с двух сторон линии и разводятся в разные стороны. Для экранов кабельной линии 6-10 кВ, если они объединены на строительных длинах (экраны кабелей 20 кВ и выше не объединяются), достаточно обеспечить на обоих концах КЛЭП только отсутствие контакта с контуром заземления. Рабочее заземление испытательной установки подключается к контуру заземления в ячейке РУ или, при работах из котлована, к заземлению созданному из металлических кольев.
Защитные оболочки каждой фазы КЛЭП с изоляцией из сшитого полиэтилена должны выдерживать испытание постоянным выпрямленным напряжением отрицательной полярности величиной 5 кВ в течении 5 минут. Ток утечки не должен превышать значение 200 мкА.
В другом варианте испытаний защитная оболочка кабелей СПЭ должна быть испытана напряжением 10 кВ постоянного тока, приложенным между металлическим экраном и заземлителем в течение 1 минуты. Оболочка кабеля считается выдержавшей испытание, если во время испытаний не произошло пробоя и, не было толчков тока утечки и его нарастания после установки значения испытательного напряжения. При заметном нарастании тока утечки или появлении толчков тока следует увеличить продолжительность испытания от 2 до 3 минут, и, если при этом не происходит пробоя оболочки, кабель может быть включен в работу. Через шесть месяцев с момента включения в работу кабеля должны быть проведены повторные испытания оболочки.
В случае, если оболочка кабеля испытание не выдержала, необходимо определить место повреждения, произвести ремонт оболочки с использованием термоусаживаемых манжет или специальных лент. После ремонта оболочки необходимо засыпать кабель песком с толщиной слоя не менее 100 мм и провести повторные испытания оболочки кабеля напряжением 10 кВ постоянного тока в течение 1 мин.
Примечание: Разница в нормах испытания оболочек зависит от завода – изготовителя кабеля, применяющих различный исходный материал для оболочек.
Для повышения надежности электроснабжения гораздо более предпочтительным является применение неразрушающих методов диагностики силовых КЛЭП. Использование неразрушающих методов диагностики позволяет не только получать информацию о текущем состоянии изоляции КЛЭП, не травмируя ее, но и рационально и обоснованно планировать сроки проведения ремонтов КЛЭП или замены кабелей с выработанным ресурсом изоляции.
Из разработанных методов можно выделить следующие неразрушающие методы диагностики силовых кабелей напряжением до 35 кВ, которые широко используются за рубежом:
метод измерения и локации частичных разрядов в силовых КЛ (с использованием диагностической системы OWTS);
метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции силовых кабелей (с использованием диагностических систем CD 31 и CDS);
метод измерения тока релаксации в изоляции СПЭ-кабелей (с использованием диагностических систем CDS);
метод измерения диэлектрических характеристик изоляции кабелей (с использованием диагностических систем OWTS и др.);
метод импульсной рефлектометрии для предварительной локализации низкоомных повреждений в силовых КЛЭП (с использованием рефлектометров Teleflex, Рейс 205 и др.)
метод импульсной рефлектометрии для предварительной локализации высокоомных повреждений в КЛЭП (с использованием рефлектометров и устройств стабилизации дуги);
метод контроля целостности оболочки силовых кабелей и определения мест неисправности в оболочках (с использованием приборов MFM 5-1, MVG 5).
2.4.3.3. Проблемы кабелей с бумажной изоляцией и изоляцией из полиэтилена (pe) и сшитого полиэтилена (vpe)
Вода в кабеле. Значительный эффект старения кабелей с изоляцией из РЕ/VPE вызывается, как было сказано выше, возникновением и ростом водяных «триингов» (watertrees). Другие эффекты старения появляются при термической перегрузке изоляции из РЕ/VPE. Влага в кабелях с дефектами оболочки особенно благоприятствует разрастанию водяных «триингов». Так как водяные «триинги», обусловленные физическими законами, не показывают частичных разрядов, то описанные процессы старения можно обнаружить и оценить лишь при помощи диэлектрической диагностики.
При этом постепенно продолжает уменьшаться электрическая прочность изоляции, пока она не достигнет величины рабочего напряжения, и произойдет пробой. Для определения влажности необходима диэлектрическая диагностика. Частичные разряды, как показывает опыт, не появляются во влажной бумажно-масляной изоляции.
Высыхание. Вытекание массы и недостаточная пропитка приводят к высыханию этих мест и образованию полых, наполненных газом, пространств в изоляции кабеля. Из-за уменьшенной электрической прочности в таких местах появляются частичные разряды (ЧР), которые могут привести к карбонизации бумаги и разрушить изоляцию.
Проблемы в муфтах и концевых заделках. Вследствие неправильного монтажа в муфтах и концевых заделках возникают ионизируемые, наполненные газом полости и зазоры, а также участки с повышенной напряженностью электромагнитного поля, которые частично уже при номинальном напряжении приводят к ЧР. Такие, поврежденные ЧР места можно обнаружить и локализовать при помощи диагностики ЧР.
Рисунок 13 – Электрический «триинг» инициируется на пустотном «триинге»
в течении периода испытания
Характеристики ЧР зависят от типа, размера и местоположения дефекта, изоляционного материала, приложенного напряжения, температуры кабеля, а также изменяются с течением времени. Повреждения из-за ЧР зависят от ряда факторов и могут изменяться в диапазоне от незначительных до опасных.
Рисунок 14 – Интерпретация и оценка результатов измерений:
PDIV – напряжение возникновения ЧР;
PDEV – напряжение угасания ЧР.
2.4.3.4. Измерение и локализация частичных разрядов в клэп
В силовых КЛЭП напряжением до 35 кВ включительно основными причинами снижения электрической прочности изоляции в процессе длительной эксплуатации (т. е. старения изоляции) являются воздействия ЧР и повышенных температур.
Частичный разряд - это искровой разряд очень малой мощности, который образуется внутри изоляции, или на ее поверхности, в оборудовании среднего и высокого напряжения. С течением времени, периодически повторяющиеся частичные разряды разрушают изоляцию, приводя в конечном итоге к ее пробою.
Локализация ЧР в КЛЭП осуществляется также с использованием метода рефлектометрии по результатам регистрации двух импульсов от одного и того же ЧР — первичного импульса и импульса, отраженного от конца КЛЭП.
При обработке записанных в памяти компьютера данных диагностики выделяются и учитываются первичные и отраженные импульсы ЧР на фоне возможных помех и шумов. При этом амплитуда ЧР определяется по первичному импульсу, а расстояние до места возникновения ЧР в КЛЭП определяется по промежутку времени между первичным импульсом и его отражением.
Рисунок 16 – Схема установки для измерения частичных разрядов
Рисунок 18 – Распределение напряжений зажигания ЧР и повреждений на бумажно-масляном кабеле
Рисунок 19 – Распределение напряжения зажигания ЧР и повреждений на VPE кабеле: ЧР в муфтах – оранжевый цвет; ЧР в концевых муфтах – синий цвет
Рисунок 21– Образцы ЧР
Рисунок 22 – Образцы ЧР в пустотах между слоями бумаги
Рисунок 23 – Система диагностики ЧР OWTS, размещенная в ЭТЛ «COMPACT»
Рисунок 24 – Локализация частичных разрядов методом блуждающих волн
Рисунок 25 – Примеры повреждения изоляции от ЧР