Диагностика высоковольтных кабельных линий. Опыт внедрения

В последние годы в нашей стране ведутся интенсивные исследования с целью разработки и внедрения эффективных щадящих и неразрушающих методов диагностики силовых кабельных линий в условиях эксплуатации, во время которых изоляция кабельной линии не подвергается интенсивной нагрузке, в отличие от испытаний постоянным напряжением. Это касается кабельных линий, находящихся в эксплуатации уже несколько десятков лет. Данные кабели составляют основную массу всего кабельного хозяйства энергосетевых предприятий России. Данная задача затрагивает и вновь вводимые кабельные линии, качество прокладки и монтажа концевых и соединительных гарнитур которых на очень низком уровне, что приводит к их преждевременному выходу из строя. Состояние таких линий зачастую гораздо хуже тех, что проложены несколько десятков лет назад.

Наиболее распространёнными из множества внедряемых, зарекомендовавших себя как эффективные, являются методы:
• измерения и оценки параметров частичных разрядов (ЧР) и выявления мест их сосредоточения с целью прогнозирования будущего повреждения в кабельной линии (КЛ), вызванного их наличием, и недопущения аварийного отключения;
• измерения и анализа параметров возвратного напряжения, применяемый для повсеместно распространённых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ), и изотермического тока релаксации, а также для находящихся в эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ).

По результатам диагностики кабельных линий можно достоверно сказать о степени старения изоляции и увлажнённости, местах наличия дефектов, выраженных концентрацией частичных разрядов, их уровне и интенсивности. Ранее невозможное определение скрытых дефектов в изоляции сегодня является решаемой задачей, с высокой точностью достоверности расчёта выхода их из строя. Диагностика даёт полную картину развития скрытых дефектов на всей протяжённости кабельной линии. Это одни из преимущественных и отличительных особенностей диагностических методов по сравнению с применяемыми испытаниями повышенным напряжением.

ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ
И СТАБИЛЬНОЙ ПОСТАВКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Отличительной особенностью внедряемых методов диагностики по сравнению с испытаниями является специфика неразрушающего обследования без ухудшения состояния и сокращения остаточного ресурса кабеля. Диагностическое напряжение, воздействующее на кабель, прикладывается на очень короткое время, равное интервалу от нескольких секунд до нескольких миллисекунд, при уровне напряжения, не превышающем двукратной величины номинального рабочего напряжения кабеля. В то время как целью и возможностью высоковольтных испытаний является только определение явно выраженных дефектов в конструкции КЛ. Это серьёзные ошибки, вызванные нарушением или несоблюдением технологии монтажа, которые приводят к пробою линии в кратчайшие сроки, сразу после включения КЛ в эксплуатацию, или нарушением целостности внешней защитной оболочки кабеля — одиночные значительных размеров водные триинги.

ДИАГНОСТИКА МЕСТНЫХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ
В КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ПОМОЩИ ИЗМЕРЕНИЯ ЧР

Одним из общепринятых методов, достоверно выявляющим скрытые дефекты и, как следствие, эффективно повышающим надёжность энергосистемы, является метод измерения частичных разрядов (ИЧР).

ЧР — локализованный электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между проводниками, который может возникать как в прилегающих, так и в не прилегающих к проводнику объёмах изоляции. Разряды не замыкают изоляцию и проводник и могут быть обнаружены в следующих местах:
• полностью внутри изоляции (полости);
• вдоль мест соприкосновения изоляционных материалов (например в гарнитурах).

Характеристики частичных разрядов зависят от типа, размера и местоположения дефекта, изоляционного материала, приложенного напряжения, температуры кабеля, а также изменяются с течением времени (рис. 1 и 2). Повреждения из-за ЧР зависят от ряда факторов и могут изменяться в диапазоне от незначительных величин до опасных, приводящих к отказам в сроки от нескольких дней до нескольких лет.

Сущность реализации метода основана на подаче высокого напряжения в кабельную линию и инициировании в ней на несколько долей секунд переменного затухающего напряжения (DAC), иначе именуемого как демпфирующее, под действием которого в дефектных участках и полостях кабельной линии возгораются частичные разряды. В дальнейшем по известной или заблаговременно измеренной длине кабельной линии и руководствуясь определённой скоростью распространения электромагнитного импульса, методом рефлектометрии определяется локальное место сосредоточения частичных разрядов.

Результатом диагностики инновационным методом ИЧР является карта распределения ЧР, на которой определяются наличие или отсутствие скрытых дефектов по длине кабельной линии, возможность ранжирования линий по критериям состояния — «хорошая», «плохая» или «критичная». Благодаря методу возможно определение как общего состояния линии, так и конкретных дефектных мест, а также прогнозирование развития дефекта и определения затрат, связанных с плановым ремонтом линии, а не с аварийным. В большинстве случаев, имея дело с изношенными КЛ, целесообразнее использовать финансовые потоки, направленные на замену состарившихся линий, выбирая из нескольких наиболее критичные, подлежащие первоочередной замене.

Одним из лидеров в области производства диагностических установок является немецкий концерн SebaKMT — установка CDS интегральной диагностики КЛ и установка OWTS-диагностики методом измерения частичных разрядов. В комплексе данные установки, работающие с любым типом изоляции, в полной мере дают картину о техническом состоянии кабельных линий (рис. 3).

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧР В КАБЕЛЯХ
С БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

В городских условиях кабельные сети с БПИ составляют порядка 90% и характеризуются:
• сильной изношенностью;
• значительным количеством проблемных мест;
• частой повреждаемостью;
• сложностью поиска проблемных мест и мест повреждений.

Конструкция кабелей с БПИ не предусматривает отсутствия ЧР в самой изоляции. Пропиточная масса может перемещаться из-за термической нагрузки и перепада уровня прокладки кабеля. Термическая нагрузка может привести к расширению свинцовой оболочки — сухие области в верхней части кабеля с БПИ. Все эти факторы являются предпосылками к образованию пустот в изоляции и зарождению в них ЧР. Присутствуют также такие эффекты, как «самолечение», благодаря перемещению пропиточной массы при высокой нагрузке и появлению угольных дорожек от ЧР.

Кроме ЧР в изоляции кабеля рассматриваются разряды в соединительных и концевых муфтах, вследствие ошибок монтажа, особенно в переходных муфтах, отсутствия масла в гарнитурах или вытекания его из-за коррозии свинцовой оболочки и негерметичности, увеличения напряжённости электрического поля из-за плохого соединения жил и контроля за перенапряжением.

ВОЗМОЖНЫЕ МЕСТА И ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧР
В КАБЕЛЕ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СПЭ

На смену кабелям с БПИ приходят кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Но наличие скрытых дефектов в самой изоляции или вызванных некачественным монтажом присутствует и здесь. Наиболее часто встречаемыми причинами образования скрытых дефектов является нарушение целостности внешней защитной оболочки — образование древовидных структур, пустоты, неоднородности или вкрапления в изоляции кабеля, отслаивание изоляции. В большинстве случаев испытания их не выявляют, как и в кабелях с БПИ. Благодаря методу ИЧР стало возможным определить как общее состояние линии, так и конкретных дефектных мест, спрогнозировать развитие дефекта и спланировать затраты, связанные с плановым ремонтом линии, а не с аварийным ремонтом.

Практика эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена показывает, что наиболее опасные места и часто пробиваемые в конструкции кабельной линии — это соединительные муфты и концевые разделки. Вследствие ошибок при монтаже, дефекта материала, повышенной термической нагрузки многие муфты выходят из строя (рис. 4—5).

Последствия такой безалаберности, или правильнее сказать — нарушения технологии производства работ, всегда неутешительны и ведут к большим проблемам — снижению эффективности и надёжности системы электроснабжения, порче электрооборудования, штрафным санкциям со стороны потребителя и громадным финансовым затратам на замену оборудования и восстановление нормальной работоспособности.

Внедряемый метод диагностики позволяет на стадии приёмо-сдаточных испытаний выявлять дефекты, связанные с ошибкой монтажа, и на ранней стадии их устранять. Для эксплуатирующих организаций появилась возможность контролировать качество прокладки кабеля и монтажа соединительных и концевых гарнитур перед постановкой кабельной линии на баланс.

Данная тема наиболее актуальна в свете последних сведений о частом выходе из строя кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена в концевых и соединительных гарнитурах, которые были введены в эксплуатацию в 2008—2010 гг., классом напряжения 6—35 кВ.

Обратившись в нашу организацию — ООО «ПКБ «РЭМ», есть возможность ознакомиться с практическими примерами применения диагностических методов (рис. 6).

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КЛ

На основании многолетних исследований и измерений пользователями диагностических установок OWTS и CDS была разработана применительно для российских условий «Методика оценки технического состояния КЛ 6—110 кВ по результатам диагностического обследования щадящими и неразрушающими методами» с определёнными критериями оценки. С помощью данных критериев стало возможным быстро и детально определять и достаточно точно прогнозировать, в период какого времени дойдут до пробивного значения выявленные скрытые дефекты.

На основе данной методики, в частности, в ОАО «Ленэнерго» были разработаны, внедрены и успешно применяются «Объём и нормы щадящих и неразрушающих методов испытания и диагностики кабельных линий 6—110 кВ», за что ОАО «Ленэнерго» было награждено дипломом за 1-е место в конкурсе по качеству «Сделано в Санкт-Петербурге» 2010 г., в номинации «Лучший проект в области мониторинга электрооборудования», а также знаком качества «Сделано в Санкт-Петербурге».

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЩАДЯЩИХ
И НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ

Следствия внедрения диагностических методов:
• экономически и технически оправданный переход от «Технического обслуживания по необходимости», т.е. при аварийном выходе из строя кабельной линии (при котором выражено — «Отсутствие контроля за финансовыми ресурсами. Продолжительное время перерывов в энергоснабжении. Высокие расходы вследствие неконтролируемого времени отключения энергоснабжения»), к «Техническому обслуживанию, ориентированному на состояние»;
• эксплуатация продиагностированных кабельных линий показала, что результаты диагностики могут достаточно точно определять места предпробойного состояния кабельной линии и соответственно заблаговременно производить её ремонт, что позволит во многом сократить аварийность на производстве, спланировать график проведения ремонтных работ, получить ощутимый экономический эффект;
• помогают значительно экономить на затратах, связанных с внеплановыми ремонтно-восстановительными работами;
• позволяют более эффективно планировать вывод эксплуатируемого оборудования и кабельных линий в планово-профилактические ремонты;
• дают возможность проверки качества прокладки и монтажа гарнитур кабельных линий для контроля подрядных организаций и выявления дефектов на ранних стадиях.