Канискин В.А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ

КВАЛИФИКАЦИИ РУКОВОДЯЩИХ РАБОТНИКОВ И СПЕЦИАЛИСТОВ

(ПЭИПК)

КАФЕДРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ,

ПОДСТАНЦИЙ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Боев М.А., Канискин В.А., Костенко Э.М.,

Сажин Б.И., Таджибаев А.И.

Эксплуатация силовых

электрических кабелей

Часть 2.

Диагностика силовых кабелей и определение остаточного

ресурса в условиях эксплуатации

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2001

УДК 621.315.2 /075.8/

БОЕВ МИХАИЛ АНДРЕЕВИЧ, доктор технических наук,

КАНИСКИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ, доктор технических наук,

профессор,

КОСТЕНКО ЭММА МИХАЙЛОВНА, кандидат технических наук, доцент

САЖИН БОРИС ИВАНОВИЧ, доктор физико-математических наук,

профессор,

ТАДЖИБАЕВ АЛЕКСЕЙ ИБРАГИМОВИЧ, кандидат технических наук,

доцент

Эксплуатация силовых электрических кабелей.

Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного

ресурса в условиях эксплуатации.

Учебное пособие

Одобрено и рекомендовано к опубликованию ученым советом института.

Протокол № от 2001 г.

Рассмотрены разрушающие и неразрушающие методы испытаний

кабельных изделий. Основное внимание уделено неразрушающим методам

испытаний кабелей и проводов в условиях эксплуатации. Подробно

рассмотрены неразрушающие методы испытаний кабелей распределительных

сетей с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой (с канифолью) напряжением

до 35 кВ включительно и с поливинилхлоридной изоляцией. Приведено

детальное описание запатентованного метода неразрушающих испытаний

кабелей с полиэтиленовой изоляцией в условиях эксплуатации с определением

остаточного ресурса. Описаны методы технической диагностики кабелей

низкого напряжения и поливинилхлоридной изоляцией с отбором микропроб

и определением остаточного ресурса.

Учебное пособие предназначено для работников кабельных сетей

энергосистем.

Научный редактор: кандидат технических наук Корепанов А.А.

Петербургский энергетический институт повышения квалификации

руководящих работников и специалистов Министерства энергетики

Российской Федерации

Санкт-Петербург

2001

ВВЕДЕНИЕ.

Только с помощью проведения испытаний можно получить

информацию о состоянии кабелей. После изготовления силовые кабели

подвергаются контрольным (приемно-сдаточным), типовым и

периодическим испытаниям. Контрольные испытания проводятся на

каждой строительной длине кабеля или, в крайнем случае, на каждой

партии кабеля (партия – кабели одной марки, одного сечения и

напряжения, одновременно предъявляемые к приемке). Основное

назначение контрольных испытаний состоит в выявлении грубых

технологических дефектов, полученных в процессе производства.

Периодические испытания проводятся не реже 1 раз в 3 месяца или не

реже 1 раза в год на строительной длине от партии, выдержавшей

контрольные испытания.

Типовые испытания проводятся на соответствие требованиям

технической документации по программе, включающей контрольные и

периодические испытания.

Во время эксплуатации кабели подвергаются профилактическим

испытаниям; назначение таких испытаний заключается в своевременном

выявлении состаренных кабелей, определении мест повреждений и

проведении ремонта. После проведения высоковольтных испытаний

кабелей имеется уверенность, что какое-то время кабель будет работать

без пробоя, однако время наработки и остаточный ресурс кабеля остается

неизвестным.

Поэтому все стремления специалистов направлены на поиски

неразрушающих методов испытаний, дающих информацию о наработке.

Эти поиски ведутся все время непрерывно, однако выявленных

неразрушающих методов имеется ограниченное количество. Они будут

рассмотрены в данном учебном пособии.

1. РЕСУРС ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ. РАЗРУШАЮЩИЕ И

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ.

Ресурс электрической изоляции отличается от срока службы, т.к.

ресурс определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы

характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию

независимо от наработки и коэффициента нагрузки. Многие кабельные

линии в эксплуатации выработали срок службы, но продолжают работать,

т.к. не выработали своего ресурса. Поэтому в эксплуатации важно знать

наработку кабеля и остаточный ресурс.

Ресурс изоляции существенно зависит от температуры и,

подчиняясь закону Аррениуса, выражается следующей зависимостью:

,еА

КТ/W

тр

⋅=

(1)

где W

– энергия активизации; К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная

температура.

Зависимость ресурса изоляции от напряженности поля Е

выражается соотношением:

,AE

−

(2)

где n – показатель степени зависти от особенности изоляционной

конструкции, вида изоляции, рода воздействующего напряжения и его

величины (область начальных или критических частичных разрядов – ЧР).

Например, для конденсаторной изоляции при напряжении промышленной

частоты n=6–10, а для маслобарьерной изоляции силовых

трансформаторов при напряженностях, близких к рабочим, n=55–80.

Зависимость ресурса изоляции от напряженности поля и

температуры Т выражается следующей формулой:

.еЕА

КТ/W

3р

⋅=

−

(3)

В монолитных полимерах, не имеющих микротрещин и газовых

включений, в том числе между электродами и диэлектриком, в силовых

электрических полях ЧР не регистрируются; в этих случаях старение

диэлектриков во многом определяется процессами образования объемных

зарядов, инжектированных в диэлектрик с поверхности электродов.

Инжектированные носители зарядов захватываются ловушками,

концентрация которых может достигать до 10

1/см

, а их энергия лежит

в пределах от сотых долей до значений несколько более 1 эВ. Время

релаксации объемных зарядов на мелких ловушках может достигать

десятков микросекунд, а на глубоких доходит до 10

–10

с.

Возникновение объемного заряда в полимерах и усиление

напряженности поля на его границах могут привести к появлению и

развитию субмикротрещин, снижению электрической прочности – одной

из форм электрического старения (В.Я. Ушаков, 1988 г.). В процессе

механического разрушения твердых тел происходит разрыв межатомных

связей, которые характеризуются соответствующей энергией активизации.

Разрыв этих связей при больших механических нагрузках может

происходить вследствие неравномерного распределения частиц по

тепловым энергиям, в результате чего за счет тепловых флуктуаций

отдельные атомы могут приобретать энергию, во много раз превышающую

среднее значение. Механическое напряжение

приводит к снижению

энергии активизации. Это явление лежит в основе термофлуктуационной

теории механического разрушения диэлектриков; при этом долговечность

изделия определяется зависимостью:

жW

exp













⋅−

ττ

(4)

где

и æ

– постоянные, характеризующие механическую

прочность материала; W

– энергия активации разрушения.

Аналогично можно рассматривать термофлуктуационную теорию

электрического старения и разрушения диэлектриков. Непосредственный

разрыв нейтральных дипольных молекул под действием сил

электрического поля в поляризованном диэлектрике практически

невозможен. Однако если происходит ионизация молекулы, возникают

местные механические возмущения, неоднородности структуры, тогда

энергия связи резко снижается. Это может привести к разрыву

макромолекул в полимерах под действием сильного электрического поля.

Накопление числа разорванных связей приводит к появлению

субмикротрещины, при этом ресурс изоляции можно определить по

следующим формулам:

EжW

exp

pop













⋅−

ττ

или ,

EжW

exp

pop













⋅

′

−

ττ

(5)

где

и æ

– постоянные, характеризующие ресурс материала.

Образование субмикро- и микротрещин в полимерных

конструкциях приводит к зарождению дендрита и пробою.

В реальных условиях эксплуатации формулы (1–5) трудно

применять, т.к. от исследуемого кабеля необходимо взять отрезок,

приготовить образцы, определить параметры, входящие в эти формулы, а

затем вычислить ресурс кабеля. Это неприемлемо к действующим кабелям,

т.к. на эксперименты требуется много времени и средств и такой отбор

образцов является разрушающим.

Силовые кабели в эксплуатации подвергаются высоковольтным

испытаниям. В результате испытаний возможен исход: а) кабель

пробивается, т.е. разрушающий метод, и он требует ремонта; б) не

пробивается и может работать дальше, но не ясно какое время? Эти

испытания не связаны с ресурсом и выявляют грубые дефекты или

ослабленные места в кабельной линии; при этом кабель мог бы еще

работать, но его пробили высоким напряжением (испытательные

напряжения в соответствии со стандартом выбраны очень жесткие).

Измерение сопротивления изоляции R

из

, полной проводимости,

тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, характеристик частичных

разрядов (ЧР), которые непосредственно не связаны с ресурсом кабеля,

могут показать значительные отклонения от нормы только в

предпробивной период, когда началось интенсивное разрушение изоляции

и кабель скоро выйдет из строя.

Важнейшей особенностью неразрушающих методов испытаний

является то, что в момент испытаний кабель не подвергается старению и

не выходит из строя. Результаты испытаний дают информацию о

наработке и остаточном ресурсе. Как правило, ведется поиск

информативного параметра, который связан непосредственно с ресурсом

кабеля или с другим параметром, который связан с ресурсом кабеля, но

метод его получения является разрушающим. После этого определяются

корреляционные зависимости этих параметров и, определив

информативный параметр, можно диагностировать состояние кабеля в

условиях эксплуатации, т.е.его наработку и остаточный ресурс. Несмотря

на непрерывно ведущиеся поиски неразрушающих методов определения

наработки и остаточного ресурса кабеля, их очень мало. В данном учебном

пособии рассмотрим эти неразрушающие методы.

2. ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ ДИАГНОСТИКИ СИЛОВЫХ

КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ МЕТОДОМ ОТКЛИКА НАПРЯЖЕНИЯ.

Этот метод разработан венгерским ученым E. Nemeth.

Очень важно постоянно получать информацию о фактической

электрической прочности Е

пр

изоляции кабеля в условиях эксплуатации.

Косвенная информация о состоянии изоляции должна быть получена

неразрушающими методами. Таким методом, чувствительным к

ухудшению изоляции, является метод поляризации с очень большими

постоянными времени. Применяемые ранее методы диагностики

ненадежны, т.к. неизвестны точные соотношения между результатами

испытаний и основными процессами в электрической изоляции кабелей.

Следующие диэлектрические параметры являются наиболее

значимы с точки зрения оценки состояния изоляции:

а) при переменном напряжении

– диэлектрические потери ( tgδ) и

емкость (относительная диэлектрическая проницаемость

) при 50 Гц и

при очень низких частотах;

б) при постоянном напряжении

– измерение токов утечки (токовый

отклик) при заряде или при разряде изоляции кабеля, т.е. определение

активной I

и реактивной составляющей I

токов;

– измерение отклика напряжения изоляции кабеля, т.е.

зависимостей напряжения соморазряда Ud(t) и восстанавливающегося

напряжения U

(t) от времени.

По измеренным параметрам, характеризующим состояние

изоляции, можно рассчитать коэффициенты абсорбции, коэффициенты

дисперсии, соотношение емкостей и сопротивлений, измеренных при

разных временах.

Метод отклика напряжений стал применяться только в последние

годы. По этому методу измеряются зависимости напряжения саморазряда

Ud(t) – спадающего напряжения и восстанавливающегося напряжения U

(t)

(рис. 1а и 1в).

Напряжение Ud(t) измеряется после длительного "заряда" изоляции

кабеля, т.е. после возбуждения поляризационных процессов полей

постоянного напряжения U

=1кВ за период t

=60 мин.

Восстанавливающееся напряжение измеряется после заряда постоянным

напряжением U

=1кВ за период t

= 60 мин, а затем следует отключение от

источника напряжения (см. рис. 5.1с), закорачивание на период t

=3–5 с

(замыкание ключом К2) и размыкание ключа К2 и снятие

восстанавливающегося напряжения U

(t). Снимать зависимости U

(t) и

(t) необходимо через 1с, 10 с, 15 с, 60 с и 60 мин. Первоначальные

участки зависимостей U

(t) и U

(t) и наклоны касательных Sd и Sr можно

использовать как параметры, характеризующие состояние изоляции

кабелей, т.к. имеем:

,/ESd

⋅= (6)

,/ESr

⋅= (7)

где

– удельная электропроводность изоляции кабеля;

– величина

интенсивности поляризации, которая определяется как:

∑

(8)

т.е. прямо пропорциональна интенсивностям

элементарных

поляризационных процессов с постоянными времени T

…T

, которые

определяются измеряемыми параметрами t

и временем разряда.

Бумажно-пропитанную изоляцию (БПИ) кабелей (пропитка – вязкое

масло с канифолью) ухудшают два процесса: увлажнение и термическое

старение. Влажность главным образом увеличивает проводимость

изоляции, а термическое старение увеличивает интенсивность

поляризации при очень больших постоянных времени (T>1c). Протекание

обоих процессов теоретически определяется либо методом переменного,

либо постоянного тока измерением tgδ, по тока или вольт–отклику

изоляции. Для проверки чувствительности этих методов были проведены

лабораторные исследования. В качестве образцов использовали 3-х

жильные кабели 10 кВ с БПИ длиной 6 м. Одна часть образцов была

состарена циклически с длительностью нагрева 2-х кратным номинальным

током 1 час и охлаждения 6 час. В исходном состоянии и после 28 циклов

измеряли: tgδ при частоте 80 Гц и напряжении 50 В:

– временную зависимость тока при воздействии постоянного

напряжения 1 кВ в течении 60 мин, а также коэффициенты абсорбции:

=R60″/R15″, K

=R10″/R1″ и K

=К60′/К15″ (обозначения: ′ – мин.

″ – с.).

=60′

1 кВ =

а)

=60′ t

1 кВ =

Рис. 1. Метод от-

клика напряжения в изоля-

ции кабеля. а) U

– напряже-

ние саморазряда, S

– каса-

тельная; b) U

– напряжение

восстановления, S

– каса-

тельная; c) электрическая

схема испытания кабеля.

К1

К2

с)