Неразрушающая диагностика кабельных линий

Для обеспечения надёжной работы силовых кабельных линий (КЛ) в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой КЛ на напряжение 6—35 кВ периодически подвергаются действию повышенного постоянного напряжения, в 4—6 раз превышающего номинальное напряжение КЛ с измерением токов утечки. Однако практика показывает, что планово-профилактические испытания повышенным постоянным напряжением даже в случае их успешности не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ. Кроме того, испытания повышенным постоянным напряжением силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые находят все более широкое применение в России, не только неэффективны, но и оказывают негативное воздействие на их изоляцию.
Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена гораздо более эффективным и экономичным является щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое по величине не превышает более чем в 3 раза номинальное напряжение КЛ. Испытания при очень низких частотах со сменой полярности позволяют выявлять дефекты в изоляции без формирования объёмных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции, в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного напряжения. Поэтому за рубежом кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена испытываются исключительно напряжением сверхнизкой частоты. При испытаниях силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией применение этого метода уменьшает приложенное напряжение и повышает эффективность испытаний.
Одним из лидеров в разработке метода испытаний напряжением сверхнизкой частоты, а также установок для проведения испытаний КЛ в условиях эксплуатации является фирма «Seba KMT» (Германия). Запатентованный фирмой «Seba KMT» принцип колебаний при напряжении косинусоидально-прямоугольной формы в соединении с повторным использованием сохраненной в кабеле энергии обуславливает незначительный вес установок, а также низкий расход энергии при одновременно высокой допустимой ёмкости испытуемого объекта. Фирмой «Seba КМТ» выпускается серия испытательных установок (VLF 20 kV, VLF 28 kV, VLF 40 kV, VLF 54 kV, VLF 60 kV и др.), предназначенных для проведения испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц силовых КЛ среднего класса напряжения. Из других зарубежных аналогов можно выделить оборудование фирмы BAUR (системы Frida, Viola, PHG 70/80), оборудование фирмы «HV Inc» (системы VLF-4022CM, VLF-6022CM, VLF-12011CM) и оборудование фирмы «HV Diagnostics» (системы HVA 30, HVA 60, HVA 90).
В последние годы в мировой практике всё более широкое применение находят неразрушающие методы диагностики КЛ в условиях эксплуатации. Использование неразрушающих методов диагностики позволяет не только получать информацию о текущем состоянии изоляции, не травмируя её, но и рационально и обоснованно планировать сроки проведения ремонтов и замены КЛ по их фактическому техническому состоянию.
Наибольшие успехи в разработке неразрушающих методов и соответствующего оборудования достигнуты за рубежом (в Германии, США, Японии и др.). К настоящему времени на основе применения современных технологий созданы достаточно компактные системы и приборы для неразрушающей диагностики КЛ, которые могут использоваться либо как отдельные переносные системы, либо могут быть встроены в передвижные кабельные лаборатории.
Из разработанных можно выделить следующие неразрушающие методы диагностики изоляции КЛ среднего класса напряжения, которые широко используются за рубежом:
• измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции КЛ (с использованием диагностических систем CD 31, CDS);
• измерения и локализации частичных разрядов в КЛ (с использованием диагностических систем OWTS, PHG PD и др.);
• измерения тока релаксации в КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена (с использованием диагностических систем KDA-1, CDS);
• измерения диэлектрических характеристик изоляции КЛ (с использованием диагностических систем OWTS, PHG TD и др.).

Разработанные за рубежом методы и соответствующее оборудование ориентированы в первую очередь на проведение диагностики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые преимущественно используются в распределительных кабельных сетях зарубежных стран.
Применительно к кабелям с бумажной пропитанной изоляцией, которые являются основным типом кабелей в кабельных сетях России напряжением до 35 кВ включительно, наиболее эффективными неразрушающими методами диагностики являются метод измерения и анализа возвратного напряжения в изоляции КЛ и метод измерения и локализации частичных разрядов в КЛ.

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ВОЗВРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КЛ 6—35 КВ С БУМАЖНОЙ ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Метод измерения и анализа возвратного напряжения (RVM-анализ) основан на измерении и анализе зависимостей от времени тока зарядки в процессе зарядки ёмкости диагностируемого кабеля постоянным напряжением небольшой величины (1 и 2 кВ), не оказывающей влияния на изоляцию кабеля, и восстанавливающегося (возвратного) напряжения в изоляции кабеля после его кратковременной разрядки. Эти зависимости характеризуют состояние, степень старения и содержание влаги в изоляции КЛ.
Измеряемые характеристики для оценки состояния изоляции: величина тока зарядки; максимальная величина возвратного напряжения; время достижения максимальной величины возвратного напряжения; скорость нарастания возвратного напряжения; коэффициенты нелинейности — соотношение измеренных величин при разных значениях зарядного напряжения.
Лидером в разработке этого метода и установок для проведения диагностики в условиях эксплуатации является фирма «Seba KMT». Этой фирмой была создана диагностическая система CD 31, предназначенная для диагностики как кабелей с полиэтиленовой изоляцией, так и кабелей с бумажной пропитанной изоляцией.

Система CD 31 состоит из высоковольтного блока (включающего генератор высокого постоянного напряжения, высоковольтный выключатель и разрядное устройство) и блока управления. Система CD 31 подключается к портативному компьютеру через интерфейс для записи, обработки и архивирования результатов измерения. Система может использоваться как отдельная переносная, так и может быть встроена в передвижную кабельно-измерительную лабораторию.
Основные технические характеристики диагностической системы CD 31 приведены в табл. 1.

К числу преимуществ системы CD 31 можно отнести возможность производить диагностику одновременно на трёх фазах. Достоинством является также то, что с её помощью можно определить предпробивное состояние изоляции линии при напряжениях ниже номинальных. К недостаткам системы CD 31 можно отнести то, что она позволяет оценивать только состояние изоляции КЛ в целом (интегрально), а не отдельных её участков.
Диагностика КЛ с бумажно-пропитанной изоляцией с помощью системы CD 31 выполняется на КЛ, отсоединённой с двух сторон. Процедура диагностики включает в себя два цикла измерений при зарядном напряжении 1 и 2 кВ (независимо от номинального напряжения КЛ). В каждом цикле диагностика происходит по следующей схеме:
• 1-й этап: измерение остаточного заряда на диагностируемой КЛ (нулевое измерение) для контроля стекания остаточного заряда и отсутствия помех;
• 2-й этап: зарядка ёмкости всех трёх фаз КЛ постоянным напряжением 1 кВ от источника постоянного напряжения в течение достаточно длительного времени (в течение 15 минут) для равномерной зарядки всех элементов ёмкости кабеля c измерением величины тока зарядки;
• 3-й этап: кратковременная разрядка ёмкости КЛ (в течение 2 секунд) через разрядное сопротивление;
• 4-й этап: измерение характеристик восстанавливающегося (возвратного) напряжения в процессе перезаряда ёмкости кабеля после кратковременной разрядки кабеля (в течение 30 минут).
По окончании процесса измерения возвратного напряжения кабель разряжается до полного стекания остаточного заряда. После этого процедура диагностики КЛ повторяется по описанной схеме при зарядке кабеля постоянным напряжением 2 кВ.
При проведении диагностики результаты измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы КЛ и для каждого цикла измерений отображаются на мониторе компьютера системы CD 31 в цифровом, графическом и табличном виде. Результатом диагностирования КЛ с использованием системы CD 31 является протокол измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы КЛ, который автоматически составляется системой CD 31, записывается в память портативного компьютера и может быть распечатан на принтере.
Дальнейшим развитием системы CD 31 является универсальная переносная комбинированная система CDS, предназначенная как для диагностики кабелей с полиэтиленовой изоляцией методом анализа изотермического тока релаксации (IRC-анализ), так и для диагностики кабелей с бумажной пропитанной изоляцией методом измерения и анализа возвратного напряжения (RVM-анализ).

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ИЗОЛЯЦИИ КЛ 6—35 КВ С БУМАЖНОЙ ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
В настоящее время одним из самых эффективных методов диагностики в условиях эксплуатации является метод измерения и локализации частичных разрядов (ЧР) в КЛ затухающим осциллирующим напряжением с использованием диагностической системы OWTS (Oscillating Wave Test System) разработки фирмы «Seba KMT». Диагностирование силовых КЛ с использованием системы OWTS позволяет определять величину и место расположения ЧР, количество ЧР в локальных местах КЛ, величину напряжения возникновения и гашения ЧР, а также тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции, электрическую ёмкость и ряд других величин. По совокупности этих параметров может быть сделано обоснованное заключение о техническом состоянии изоляции диагностируемой КЛ.

Система OWTS 25 первой разработки конструктивно состоит из блока-анализатора, включающего промышленный компьютер и источник постоянного напряжения, и блока-катушки с интегрированной электронной схемой для выработки переменного испытательного напряжения. Системы OWTS последних разработок (OWTS М 28 и OWTS М 60) состоят из высоковольтного блока, блока обработки сигнала и ноутбука с адаптером для беспроводной связи с высоковольтным блоком. Управление системой, сохранение, анализ и оценка результатов измерения характеристик ЧР производятся с помощью ноутбука с использованием специального программного обеспечения.

Технические характеристики систем OWTS разных модификаций приведены в табл. 2.

Диагностика с помощью систем OWTS выполняется на отсоединённой с двух сторон КЛ. Перед началом диагностирования производится калибровка системы с целью уточнения длины КЛ и определения ожидаемой амплитуды ЧР. После калибровки каждая фаза КЛ последовательно заряжается в течение нескольких секунд постоянным напряжением до выбранной величины, не превышающей амплитуду номинального линейного напряжения КЛ. После зарядки фаза КЛ с помощью электронного переключателя подключается через резонансную катушку к заземлённому экрану кабеля. В процессе разрядки кабеля возникают затухающие синусоидальные колебания, частота которых зависит от ёмкости диагностируемого объекта. Бегущая волна инициирует ЧР в изоляции КЛ, которые фиксируются и сохраняются в памяти компьютера системы OWTS для последующей обработки с целью определения амплитуды и местоположения ЧР по длине КЛ. Так как амплитуда испытательного напряжения является затухающей, то можно точно определить напряжение, при котором возникают и погасают ЧР. Колебательное напряжение прикладывается к объекту менее 1 секунды и поэтому не нагружает кабель и не повреждает его. Локализация ЧР в КЛ осуществляется c использованием метода рефлектометрии по результатам регистрации двух импульсов от одного и того же ЧР — первичного импульса и импульса, отражённого от конца КЛ.
При обработке записанных в памяти компьютера данных диагностики выделяются и учитываются первичные и отражённые импульсы ЧР на фоне возможных помех и шумов. При этом амплитуда ЧР определяется по первичному импульсу, а расстояние до места возникновения ЧР в КЛ определяется по промежутку времени между первичным импульсом и его отражением.
Обработанные и учтённые импульсы ЧР представляются на карте распределения ЧР различной величины по длине КЛ (на карте дефектных мест) как для всех трёх фаз КЛ, так и для каждой фазы КЛ в отдельности. Карта дефектных мест может быть преобразована в гистограмму распределения количества ЧР по длине КЛ как для всех трёх фаз КЛ, так и для каждой фазы КЛ в отдельности.
Из других зарубежных разработок можно выделить диагностические системы фирмы BAUR (системы PHG 70/80 PD) и фирмы «HV Diagnostics» (системы PD 30, PD 60).
Необходимо отметить, что опыт применения неразрушающих методов с использованием зарубежного оборудования к кабелям с бумажной пропитанной изоляцией в России ограничен. Кроме того, разработанные за рубежом критерии оценки состояния изоляции КЛ не всегда возможно и целесообразно применять, так как для России характерным является эксплуатация КЛ до их предельного состояния.
В Кабельной сети ОАО «Ленэнерго» совместно с ОАО «НИИПТ» в течение нескольких лет ведутся работы по экспериментальной проверке в условиях эксплуатации щадящих и неразрушающих методов испытаний и диагностики КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией, большое количество которых (более 15 000 КЛ) эксплуатируется в Кабельной сети ОАО «Ленэнерго». При проведении работ использовалось испытательное и диагностическое оборудование фирмы «Seba KMT». Работы производились в различных сетевых районах Кабельной сети ОАО «Ленэнерго» на КЛ 6, 10 и 35 кВ разных лет прокладки.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований и опыта применения различных методов были уточнены объём и режимы испытаний, критерии диагностики и оценки состояния изоляции КЛ 6—35 кВ, а также разработаны инструкции и методики по проведению испытаний и диагностики КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией c применением различных методов и соответствующего оборудования.
Результаты исследований показали, что наиболее эффективно задача оценки состояния изоляции и выдачи обоснованного заключения может быть решена при сочетании различных методов испытаний и диагностики. В связи с этим была разработана «Комплексная методика испытаний и диагностики КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией с применением щадящих и неразрушающих методов». В комплексной методике изложены порядок организации и проведения в условиях эксплуатации комплексных испытаний и диагностики КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией с применением различных щадящих и неразрушающих методов и соответствующего оборудования, а также методы обработки и оценки результатов испытаний и диагностики КЛ.
В методике содержится перечень и объём работ как на новых линиях при вводе их в эксплуатацию, так и на эксплуатирующихся линиях (после их ремонта и между ремонтами).
Работы по проведению комплексной диагностики и испытаниям включают в себя:
• обследование каждой фазы КЛ (при вводе линий в эксплуатацию или после ремонта линий) методом рефлектометрии с применением импульсных рефлектометров (РЕЙС-105М или его аналог) для уточнения длины КЛ, местоположения соединительных муфт (для паспортизации новых линий или после их ремонта), обнаружения и локализации (при их наличии) явных и низкоомных повреждений и дефектов в КЛ;
• диагностирование каждой фазы КЛ методом измерения и локализации частичных разрядов с применением системы OWTS для проверки качества монтажа (при вводе линий в эксплуатацию или после их ремонта), для оценки состояния эксплуатирующихся КЛ (между ремонтами линий), для выявления и локализации (при их наличии) участков линий и муфт с повышенным уровнем частичных разрядов;
• диагностирование изоляции каждой фазы КЛ со сроком эксплуатации более 15 лет (после ремонта линий или между их ремонтами) методом измерения и анализа возвратного напряжения с применением системы CD 31 (или ее аналога) для интегральной оценки состояния, степени старения и увлажнённости изоляции КЛ;
• тестирование изоляции каждой фазы КЛ напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц с применением системы тестирования VLF (или её аналога) для проверки исправности и работоспособности КЛ перед вводом её в эксплуатацию после монтажа или после ремонта (тестирование величиной 3Uo в течение 15 минут), а также между ремонтами в случае неудовлетворительных характеристик диагностируемых КЛ (тестирование величиной 1,7Uo в течение 30 минут).

Общая длительность проведения работ по комплексной диагностике и испытаниям составляет 2—2,5 часа для новой КЛ, 2—3 часа — для КЛ со сроками эксплуатации до 15 лет и 4—5 часов — для КЛ со сроками эксплуатации более 15 лет.
Диагностика методом импульсной рефлектометрии позволяет производить как паспортизацию КЛ, так и выявлять (локализовать) явные и низкоомные повреждения в КЛ. Для обнаружения и локализации высокоомных повреждений в КЛ без предварительного прожига изоляции следует использовать рефлектометры, реализующие волновой (метод колебательного разряда) и импульсно-дуговой методы (метод стабилизации дуги).

Диагностика методом измерения и локализации частичных разрядов с использованием системы OWTS позволяет проверить качество монтажа КЛ при вводе их в эксплуатацию или после ремонта, а также оценить состояние эксплуатирующихся КЛ и локализовать участки линий или кабельные муфты с повышенным уровнем частичных разрядов.
Оценка состояния изоляции КЛ производится по наихудшему из следующих основных диагностируемых параметров: максимальная величина ЧР, определённая в локальном месте при величине измерительного напряжения, соответствующей амплитуде наибольшего фазного и линейного напряжения КЛ; среднее количество ЧР, определённое в локальном месте; величина напряжения возникновения ЧР, определённая в локальном месте. Для оценки состояния изоляции КЛ могут также использоваться дополнительные параметры, получаемые в результате диагностирования КЛ с использованием системы OWTS, такие, как максимальная величина ЧР при напряжении возникновения ЧР, напряжение погасания ЧР, ёмкость изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь.
Оценка технического состояния КЛ по характеристикам ЧР производится по шкале: «хорошее» — «удовлетворительное» — «неудовлетворительное» — «предпробивное». Определение проблемных мест в КЛ (определение местоположения дефектов и повреждений) производится на основе анализа полученных карт распределения ЧР по длине КЛ (карт дефектных мест) и гистограмм распределения числа ЧР по длине КЛ как для трёх фаз, так и для каждой фазы КЛ в отдельности.
В зависимости от результатов могут быть даны рекомендации по срокам последующей диагностики или ремонта КЛ с указанием участков линий или муфт, подлежащих ремонту. Например, КЛ, оцененные как находящиеся в «хорошем» состоянии, подлежат последующему диагностированию через 5 лет, а КЛ, оцененные как находящиеся в «удовлетворительном» состоянии, подлежат последующему диагностированию через 1 год. КЛ, оцененные как находящиеся в «неудовлетворительном» состоянии, подлежат ремонту в течение года, а КЛ, оцененные как находящиеся в «предпробивном» состоянии, подлежат срочному ремонту с последующим диагностированием.
Для оценки технического состояния КЛ в совокупности с методом измерения ЧР весьма эффективно использование метода измерения и анализа возвратного напряжения, позволяющего оценивать общее состояние и степень увлажнения и старения изоляции КЛ. Это особенно актуально для КЛ с длительными сроками эксплуатации, приближающимися к нормативному сроку службы кабелей или превышающими их.
Оценка состояния и степени увлажнённости муфт производится по величине тока заряда (установившееся значение). Для КЛ в хорошем состоянии с сухими (неувлажнёнными) муфтами величина тока зарядки не превышает нескольких микроампер. Чем сильнее увлажнены кабельные муфты, тем выше величина тока заряда.
Интегральная оценка степени увлажнённости бумажной пропитанной изоляции кабелей производится по соотношению скоростей нарастания (начальной крутизны кривой) возвратного напряжения при двух величинах зарядного напряжения, находящихся в соотношении 2:1. Соотношение начальных фронтов возвратного напряжения для идеально сухих (неувлажнённых) кабелей имеет значение, близкое к 2,0. Чем выше степень увлажнённости изоляции кабеля, тем это соотношение меньше. Для сильно увлажнённых («сырых») кабелей это соотношение может уменьшиться до 1,6—1,5 в зависимости от степени увлажнения.
Интегральная оценка степени старения бумажно-пропитанной изоляции, сопровождающегося деструкцией бумажной изоляции (целлюлозы) и одновременно увеличением содержания влаги в бумажной пропитанной изоляции, производится по форме кривой возвратного напряжения, характеризующейся такими измеряемыми параметрами, как максимальная величина возвратного напряжения, время её достижения и скорость нарастания возвратного напряжения.
Оценка технического состояния кабеля и муфт по результатам диагностики методом измерения возвратного напряжения производится также по шкале: «хорошее» — «удовлетворительное» — «неудовлетворительное» — «предпробивное». В зависимости от оценки состояния КЛ могут быть даны рекомендации по срокам проведения последующей диагностики.
Критерии диагностики по характеристикам ЧР и возвратного напряжения для оценки состояния КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией могут уточняться и корректироваться по мере накопления опыта диагностики КЛ с использованием соответствующего оборудования и увеличения банка данных с результатами диагностики на КЛ с разными сроками эксплуатации.
Тестирование изоляции КЛ напряжением сверхнизкой частоты позволяет при наличии сильно ослабленного места в КЛ (например, вследствие дефекта монтажа) предупредительно довести линию до пробоя в этом месте, предотвратив тем самым возможный пробой под рабочим напряжением, или проверить работоспособность КЛ и пригодность её к дальнейшей эксплуатации при значительном ухудшении характеристик изоляции КЛ.
Использование неразрушающих методов диагностики позволяет обоснованно скорректировать план профилактических испытаний КЛ повышенным напряжением (с учётом их реального состояния) в действующей системе планово-профилактических испытаний. Например, КЛ, оцененные по результатам диагностики как находящиеся в «хорошем состоянии», могут быть переведены на удлинённые сроки испытаний повышенным напряжением.
В целом внедрение технического диагностирования с использованием неразрушающих методов диагностики позволяет перейти к техническому обслуживанию и ремонту силовых КЛ по их фактическому техническому состоянию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Внедрение неразрушающих методов диагностики силовых КЛ с использованием современного диагностического оборудования позволяет оценивать состояние изоляции и локализовать проблемные места в КЛ, не травмируя изоляцию КЛ; принимать обоснованное решение о дальнейшей эксплуатации или сроках замены кабелей, отработавших нормативный срок службы; рационально и обоснованно планировать сроки проведения ремонтов КЛ и в целом будет способствовать повышению надёжности работы силовых КЛ 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоляцией.