Диагностика кабельных линий классов напряжения 35—110 кВ

За период с 2009 по 2011 год специалистами ОАО «МРСК Волги» накоплен значительный опыт в проведении работ по диагностике кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Работы проводились с использованием системы OWTS HV 150 производства фирмы SEITZ instruments, в которой реализован метод измерения уровня частичных разрядов (ЧР) и локализации мест их возникновения. За это время проведена диагностика 31 кабеля напряжением 35—110 кВ. Целью диагностики является определение степени опасности дефекта и прогноз вероятного пробоя кабеля на основании оценки динамики ухудшения состояния изоляции по скорости нарастания уровня и интенсивности ЧР в дефектном месте.

ВВЕДЕНИЕ
Всё более широкое применение в России при проведении реконструкции старых и прокладке новых кабельных линий находят кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Это в первую очередь связано с высокими эксплуатационными характеристиками таких кабелей, большими строительными длинами, меньшим весом, расширенным рядом номинальных сечений, меньшим радиусом изгиба и диаметра, а также с возможностью диагностики и мониторинга состояния изоляции кабелей неразрушающими методами контроля. В ОАО «МРСК Волги» эксплуатируются кабельные линии с изоляцией из СПЭ классов напряжения 35—110 кВ. Данные линии проложены в период с 2006 по 2009 год и относятся к категории «вновь введённого электрооборудования». Следовательно, дефекты, выявляемые на таких кабелях при проведении диагностических работ, можно с большой долей вероятности отнести к категории заводского брака и дефектам монтажа. Кабель, по заявлениям заводов-изготовителей, гарантированно имеет уровень ЧР не выше 10 пКл. Уровни ЧР в соединительных муфтах зависят, как правило, не столько от качества самой муфты, сколько от квалификации персонала, проводившего монтаж. Учитывая этот факт, приём вновь смонтированной КЛ у монтажной организации целесообразно проводить только после диагностики ЧР в изоляции. В связи с этим в распоряжение № 192 ОАО «МРСК Волги» «О диагностике состояния электрооборудования», выпущенное в 2008 году, был включён пункт, касающийся строящихся КЛ напряжением 110 кВ, а именно требование, по которому до принятия линии в эксплуатацию необходимо провести измерение уровня частичных разрядов.

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ
В силовых КЛ основными причинами снижения электрической прочности изоляции в процессе длительной эксплуатации (т.е. старения изоляции) или некачественного монтажа соединительных и концевых муфт являются воздействия частичных разрядов и повышенных температур. Физические процессы в изоляции силовых кабелей под воздействием ЧР (т.е. микроразрядов, возникающих в местах неоднородности изоляции при рабочем напряжении) к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Разработаны различные методы измерения характеристик ЧР в силовых КЛ, которые реализованы в отечественных и зарубежных приборах и установках различных конструкций. Одной из наиболее современных и эффективных диагностических систем, предназначенных для оценки состояния изоляции всех типов кабелей методом контроля характеристик ЧР, является система OWTS (Oscillating Wave Test System), в которой реализован метод измерения ЧР осциллирующим затухающим напряжением. Система OWTS HV 150 позволяет определять величину, интенсивность, напряжение возникновения и гашения ЧР, локализовать места их возникновения в КЛ, кроме того, измерять величину тангенса угла диэлектрических потерь и ёмкости кабельной линии. По совокупности полученных параметров может быть сделано обоснованное заключение о техническом состоянии и проблемных местах диагностируемой КЛ.

Диагностика с использованием системы OWTS (рис. 1 и 2) выполняется на полностью отключенной и отсоединенной с двух сторон КЛ. Перед началом диагностирования производится калибровка системы с целью определения скорости распространения импульсов ЧР по КЛ и определения степени затухания 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 замыкается через резонансную катушку на заземлённый экран кабеля. В процессе разряда кабеля в контуре 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, интенсивности и местоположения ЧР по длине КЛ. Так как амплитуда испытательного напряжения является затухающей, то можно точно определить напряжение, при котором возникают и исчезают ЧР. Колебательное напряжение прикладывается к объекту в течение нескольких сотен миллисекунд 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 дальнего конца КЛ (рис. 3).

По результатам диагностики составляется отчёт о техническом состоянии КЛ, в котором содержатся основные сведения о кабельной линии: тип кабеля, его длина, количество соединительных муфт и расстояния между ними, уровни и интенсивность измеренных ЧР, значения напряжений возникновения и гашения ЧР и т.д. На основании этого делается заключение о наличии «проблемных мест» и, как правило, устанавливается срок повторной диагностики.
Руководством эксплуатирующей организации может быть принято решение о необходимости определения конкретного места возникновения ЧР на кабеле. Сделать это возможно с помощью специально предназначенных для этого приборов PD Loc и PDS производства фирмы Seba KMT.
Перед проведением диагностики необходимо рассмотреть ряд технических и организационных вопросов:
— изучить проектное решение КЛ, компоновку РУ, фотографии с места предполагаемого проведения диагностических работ;
— разработать графический план расположения оборудования, с указанием высот и расстояний до заземлённых частей;
— оценить условия для подключения диагностической системы ОWTS HV 150:
• конструкцию контактного соединения на концевой муфте;
• наличие и конструкцию адаптера для подключения к КРУЭ;
• высоту портала концевой муфты;
— определить места подключения (220 В, 3 кВт) оборудования, с указанием расстояния до испытательной системы ОWTS HV 150;
— проанализировать информацию о диагностируемой КЛ (год прокладки, тип, номинальное напряжение, длина, расстояние до соединительных муфт, схема заземления экрана, наличие транспозиции экранов и т.д.);
— составить программу проведения измерений для согласования с ответственным руководителем (максимальное напряжение и т.д.);
— выяснить возможность проведения диагностики КЛ с обоих «концов».

ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ДИАГНОСТИКИ
За период с сентября 2009 г. по октябрь 2011 г. специалистами ОАО «МРСК Волги» проведены работы по диагностике 16 кабельных линий напряжением 35—110 кВ в различных регионах России (табл.).

Две кабельные линии 110 кВ в Саратове длиной по 700 м каждая являются частью воздушно-кабельной линии: с одной стороны — КРУЭ, с другой — опора ВЛ. Диагностика проводилась совместно с подключением КЛ в КРУЭ. По результатам диагностики на всех фазах были выявлены ЧР на одинаковом расстоянии 0—20 м. По локализации ЧР можно судить о том, что с большой долей вероятности место возникновения ЧР находится либо внутри КРУЭ, либо в концевой муфте. На рис. 4 представлена карта распределения ЧР, на рис. 5 — интенсивность возникновения ЧР на трёх фазах КЛ-110 кВ.

Для подтверждения наличия дефекта в изоляции запланирована повторная диагностика данных КЛ с противоположного конца кабеля, что сделать в настоящее время весьма затруднительно, так как концевые муфты расположены на высоте 15—20 м.
Что касается диагностики кабельных линий 35 кВ, то и здесь есть проблемы с изоляцией — при измерениях выявлены достаточно высокие уровни ЧР с низким напряжением зажигания.
На одной из линий при первой диагностике были обнаружены проблемные места на фазах «В» (рис. 6) и «С» (рис. 7).

Изоляция кабельной линии была испытана повышенным напряжением с частотой 0,1 Гц. По результатам повторной диагностики данные предыдущих измерений подтвердились, более того, присутствовали места, в которых наблюдалась устойчивая тенденция к увеличению интенсивности и повышению уровня ЧР. Данные места предположительно совпадали с расположением соединительных муфт. Спустя довольно короткий промежуток времени КЛ вышла из строя. Поток места повреждения строился на основе результатов диагностики в зоне с наибольшей интенсивностью и наибольшим уровнем ЧР, что заметно сократило время, затраченное на поиск повреждения. Вместе с повреждённой муфтой была демонтирована «целая» на то время муфта на соседней фазе, так как при диагностике в ней были выявлены высокие уровни ЧР. После вскрытия данной «дефектной» муфты представителями фирмы Raychem и специалистами ОАО «МРСК Волги» были обнаружены следы ЧР вследствие некачественно выполненного монтажа (рис. 8).

Диагностика КЛ с пропитанной бумажной изоляцией проводилась на кабеле типа АОСБ-35 3x150 35 кВ, проложенном в 1957 году. По длине линии, равной 5400 м, установлено более 100 соединительных муфт. В связи с этим карта распределения ЧР приняла вид «шкуры леопарда», т.е. мест возникновения разрядов оказалось достаточно много и максимальный их уровень около 2400 пКл, хотя интенсивность слабая (рис. 9).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена эксплуатируются в России уже более 20 лет, но до сих пор отсутствует национальная нормативная база, в которой должны были бы найти отражение критерии оценки «опасности» возникновения ЧР (максимальная интенсивность, порог зажигания и гашения ЧР, значение максимального напряжения при проведении диагностики и т.д.), а также даны рекомендации по срокам повторной диагностики, выводу в ремонт и дальнейшей эксплуатации и обслуживанию КЛ. Отсутствие нормативных документов в РФ затрудняет вынесение решения о возможности эксплуатации КЛ, а для эксплуатирующей организации это очень важно. Необходимо отметить, что, получив такой инструмент диагностики, как система OWTS HV 150, становится очевидным, что представление о техническом состоянии эксплуатируемых КЛ на основании только информации о высоковольтных испытаниях было недостаточным. Если кабель с пропитанной бумажной изоляцией находится в эксплуатации длительный срок, то понятно, что время неумолимо берёт своё и по результатам проведённых работ по диагностике и испытаниям правомерно ставить вопрос о целесообразности его дальнейшей эксплуатации и замене, имея в виду значительные затраты на восстановление повреждений и эксплуатацию. Другое дело с вновь смонтированными кабельными линиями 35—110 кВ с изоляцией из СПЭ. Здесь диагностика методом измерения и локализации ЧР позволяет на стадии пусконаладочных работ, до приёма КЛ в эксплуатацию, выявить целый ряд проблем, связанных с некачественным монтажом кабельной арматуры или прокладкой кабеля с нарушением технологии «джамшутами» из подрядных организаций. Прокладывать КЛ с изоляцией из СПЭ нужно «умеючи» — очень аккуратно и бережно, доверять данную работу специализированным организациям, имеющим опыт, квалифицированный персонал и необходимый набор технических средств, иначе кабельные линии превращаются в «мины замедленного действия», а мы становимся их заложниками, и возникающие ЧР в дальнейшем обязательно скажутся отрицательным образом на предполагаемой безаварийной и долговременной работе КЛ.
Диагностика КЛ для энергокомпаний — дело новое, и поэтому имеет место некоторое непонимание разницы между диагностикой и испытанием повышенным напряжением КЛ, особенно при принятии решения о возможности включения в работу КЛ. Так, в отличие от испытания повышенным напряжением, где применима градация, выдержал испытание или нет, годен — негоден к дальнейшей эксплуатации, диагностика кабеля проходит в щадящем режиме практически без стрессовых воздействий на изоляцию, работоспособность кабеля сохраняется, что позволяет оценить состояние и качество монтажа КЛ, запланировать объём финансирования восстановительных работ. Испытание номинальным фазным напряжением в течение 24 часов хотя и соответствует «Правилам технической эксплуатации станций и сетей», но не даёт достоверной информации о фактическом состоянии КЛ. Испытаниями на пониженной частоте 0,1 Гц, безусловно, можно и нужно заменить стандартные испытания выпрямленным напряжением, но, как показала практика, ими невозможно заменить диагностику ЧР системами OWTS.
Существенную роль в повышении надёжности и увеличении сроков безаварийного электроснабжения может сыграть инновационно-диагностический инжиниринговый центр, который будет выполнять работы по инжинирингу, диагностике, приёмо-сдаточным испытаниям, поиску мест повреждения, созданию методологии и нормативной базы, освоению новых приборов и методик, проведению технической экспертизы, анализу причин аварий, экспертной оценке проектов, проведению аттестации и созданию общей информационной базы данных кабельно-проводниковых материалов и электротехнических устройств. На этой базе можно создать учебный центр для внедрения современных методов монтажа, эксплуатации, ремонта и диагностики электрооборудования, работы с кабельными линиями, для подготовки и аттестации персонала и подрядных организаций для допуска к работам на объектах распределительных сетей.