Эволюция метода испытания напряжением сверхнизкой частоты за последние два десятилетия

В настоящей статье рассматриваются вопросы эволюции метода испытания напряжением сверхнизкой частоты (СНЧ) за последние два десятилетия. С момента внедрения в практику метода СНЧ изменилась не только его технология. Применение на практике данной методики получает всё большее внимание со стороны компаний, управляющих снабжающими электросетями, т.к. широкое использование получили разнообразные системы, реализующие данный метод, а также собрано большое количество данных по их практическому применению и по данной тематике проведены серьёзные исследовательские работы.

ПОЧЕМУ СЛЕДУЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ИСПЫТАНИЯ СНЧ

Метод испытания напряжением СНЧ был введён в практику с 1986 г.; основной причиной этого явилась необходимость разработки новых методов испытаний для кабелей с полимерной изоляцией и огромное количество проблем, связанных с эффектами водных триингов (водный триинг или дендрит — образование разветвлённой микроструктуры в виде объёмной сетки или микрокустов в теле диэлектрика) в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена первого поколения (рис. 1). Целый ряд исследователей [1, 2] продемонстрировали, что традиционно использовавшийся метод испытания постоянным напряжением применительно к кабелям с полимерной изоляцией приводит к образованию в полимерном материале объёмных зарядов. Подобные объёмные заряды могут сохраняться внутри аморфных областей полимерного материала до 24 часов. Если на кабель будет возобновлена подача энергии до того, как все объёмные заряды исчезнут, то возникнет локальное перенапряжение, которое может привести к электрическому триингу, и в результате вскоре после ввода кабеля в эксплуатацию произойдёт его пробой.

Рис. 1. Водный триинг критической длины может эффективно выявляться с помощью метода испытания СНЧ [3]

Именно по этой причине в большинстве стран метод испытания постоянным напряжением запрещён к применению для кабелей с полиэтиленовой/сшитой полиэтиленовой изоляцией, а также из-за ряда других недостатков, присущих данному методу, таким, как описано в источнике [2]: 

• нечувствительности к целому ряду дефектов, например, к чистым полостям или надрезам;
• невозможности воспроизвести существующее распределение нагрузки при переменном сетевом напряжении. Распределение нагрузки чувствительно к температуре и температурному распределению.

Кроме того, использование метода СНЧ имеет ряд дополнительных преимуществ по сравнению с методами испытания переменным напряжением с частотой 50 Гц или резонансной: 

• меньший вес испытательного оборудования;
• большая допустимая ёмкость испытываемого кабеля;
• меньше повреждений исправной изоляции.

На рис. 2 [11] показан график зависимости напряжения пробоя от частоты испытательного напряжения для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена при наличии и отсутствии механических повреждений. Из графика чётко видно, что величина напряжения пробоя для кабеля без механических повреждений имеет максимальное значение на частоте 0,1 Гц, т.е. проведение испытания методом СНЧ на кабеле с целостной изоляцией не приводит к повреждениям/старению изоляции, в то время как испытания на рабочей частоте или более высокой имеют существенно меньшее напряжение пробоя. Это означает, что напряжение с частотой 50 Гц существенно сильнее воздействует на изоляцию, чем напряжение СНЧ на частоте 0,1 Гц.

Рис. 2. Напряжение пробоя как функция частоты напряжения для модели кабеля
с изоляцией из сшитого полиэтилена без и с механическими дефектами [11]

С другой стороны, эффективность поиска повреждений или водных триингов выше всего на частоте 0,1 Гц (рис. 3) [12]. Третий и четвёртый столбцы соответствуют механическому повреждению внутри кабеля и водному триингу. Как следует из рис. 3, напряжение пробоя для этих дефектов имеет наименьшую величину на частоте 0,1 Гц и, таким образом, метод СНЧ лучше всего подходит для идентификации дефектов в изоляции кабеля.

Рис. 3. Относительное напряжение пробоя на объектах формы от прутка до пластины
и для кабеля с дефектами и без них для нескольких напряжений различной формы [12]

СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ СНЧ

Первые испытательные установки СНЧ работали на до сих пор существующей и хорошо зарекомендовавшей себя косинусно-прямоугольной форме напряжения. В начале 90-х годов была внедрена синусоидальная форма напряжения СНЧ. Эти две формы испытательного напряжения по-прежнему широко применяются при пусконаладочных испытаниях вновь проложенных кабелей, а также при контроле «состарившихся» кабелей, проходящих техническое обслуживание. Это делается для того, чтобы выявить слабые места, имеющие критическое значение, например, намокшие соединения или водные триинги критической длины.

Данные технологии отличаются только формой используемого напряжения (рис. 4). Кроме применения косинусно-прямоугольной и синусоидальной форм также имеются системы, в которых форма испытательного напряжения похожа на синусоидальную.

Рис. 4. Форма напряжения СНЧ

Первые две модификации наиболее часто используются при проведении испытаний, при этом каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками.

МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ СНЧ КОСИНУСНО-ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Именно эта методика, основанная на применении косинусно-прямоугольной формы напряжения, появилась первой. Установка, реализующая эту методику, включала в себя источник постоянного напряжения, катушку индуктивности, управляемую от роторного переключателя и вспомогательной ёмкости. В связи с развитием электроники в настоящее время роторный переключатель заменён на тири-сторный, что позволило снизить весогабаритные параметры и создать более мощную установку.

Одно из существенных преимуществ использования косинусно-прямоугольной формы — возможность рециркуляции мощности в процессе изменения полярности, основанной на резонансном принципе. Именно поэтому удалось добиться достаточно низкого потребления мощности при высокой ёмкостной нагрузке. В настоящее время имеются установки с максимальной ёмкостной нагрузкой 25 мкФ при напряжении 60 кВ (СКЗ).

Изменение полярности напряжения в такой установке осуществляется в виде кривой косинусообраз-ной формы с частотой, близкой к 50 Гц (рис. 5). Таким образом, распределение поля напряжения сравнимо с тем, что наблюдается на рабочих частотах кабеля.

Рис. 5. Изменение полярности косинусно-прямоугольного напряжения (CR)

Ограничением применения косинусно-прямо-угольной формы СНЧ является тот факт, что при использовании данной методики приходится предпринимать большие усилия для обеспечения возможности диагностики частичных разрядов (ЧР) или измерения тангенса дельта. Последнее может быть выполнено с помощью аппроксимации Хамона (Hamon) [4, 5].

Поскольку напряжение имеет прямоугольную форму, появляется возможность измерения тока утечки во время проведения испытаний. Величина тока утечки является индикатором качества изоляции кабеля.

МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ СНЧ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ

В начале 90-х годов была предложена методика испытания напряжением СНЧ синусоидальной формы. Данные установки уже использовали последние достижения в развитии электроники, имевшиеся к тому моменту. Развитие базы комплектующих позволило создать систему с большей производительностью, меньшим весом и габаритами. Принцип работы установки основан на применении преобразователя «переменный ток — постоянный ток — переменный ток». Синусоидальные установки СНЧ не могут повторно использовать мощность, накопленную в кабеле, т.к. накопленная в кабеле энергия должна быть разряжена и преобразована в тепло на разрядном сопротивлении. Именно поэтому в общем случае ёмкостная нагрузка в синусоидальной установке ниже, чем в косинусно-прямоугольной.

Преимущество использования чисто синусоидальной формы напряжения заключается в возможности комбинации такой системы с диагностическими средствами, которые позволяют, например, провести диагностику частичных разрядов (ЧР) или измерение тангенса дельта. Тем не менее, поскольку испытательная частота в 500-600 раз отличается от рабочей частоты кабеля, характеристики ЧР не являются теми же самыми. При таком подходе уже не удаётся получить прямой корреляции между приложенным испытательным напряжением и важными параметрами ЧР, соответствующими рабочей частоте сети в 50/60 Гц. Более того, недавно проведённые исследования показали, что ЧР вообще затухают на более низких частотах [6].

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 6 представлены графики развития электрического триинга для нескольких видов формы испытательного напряжения и частот в зависимости от амплитуды испытательного напряжения [7].

Рис. 6. Степень развития электрических триингов как функция напряжения для нескольких частот и форм напряжения [7]

Выполненные исследования ясно показали, что проведение испытаний на более низких частотах, например, на частоте 0,01 Гц вместо 0,1 Гц приводит к значительно меньшей скорости развития электрических триингов. Разница в скорости роста для частот в 0,1 Гц и 0,01 Гц оказывается примерно в 10 раз. Если перевести данный факт применительно к времени проведения испытаний, то это будет означать, что при проведении испытаний на частоте 0,01 Гц время испытаний должно быть увеличено в 10 раз по сравнению с испытанием на частоте 0,1 Гц. Таким образом, при проведении приёмо-сдаточных испытаний это будет означать увеличение времени испытаний с 1 до 10 ч при одном и том же испытательном напряжении 3U_o.

В своей исследовательской работе [8] Мох (Moh) подтвердил вывод об эффективности применения метода испытания СНЧ для выявления скрытых дефектов. Испытания, вынужденно проводившиеся на более низких частотах из-за ограниченных возможностей испытательного оборудования, после проведения сравнения результатов показали, что степень отказов после проведения испытаний была в три раза выше по сравнению с испытаниями, проведёнными на частоте 0,1 Гц. Более того, данная работа продемонстрировала, что эффективность СНЧ-испытаний на частоте 0,1 Гц при напряжении 3U_o более высокая, чем для испытаний, проведённых на частоте 50 Гц при напряжении 2U_o.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ

Пример города Дортмунда
Далее приведён пример опыта использования СНЧ-испытаний в Дортмунде за 10-летний период (1987-1998 гг.). За указанный период было проконтролировано и испытано более 3000 км кабеля (табл.). Если посмотреть на количество отказов, то видно, что большинство произошло на старых кабелях с полимерной изоляцией, в среднем 4,2 отказа на 100 км кабеля.

Табл. Количество отказов, произошедших в процессе испытаний [9]

Если более тщательно проанализировать полученные результаты и изучить распределение повреждений во времени, то можно понять, что 66% от их общего количества произошло в первые 10 мин испытаний, а 75% — в первые 30 мин (рис. 7). При этом 25% повреждений произошло в последние полчаса, что подтверждает необходимость проведения испытаний на протяжении всего часа, рекомендуемого всеми стандартами. Аналогичный опыт был получен и при испытаниях других энергетических объектов.

Рис. 7. Количество отказов как функция времени испытания [9]

Тем не менее, если постараться проанализировать проблему глубоко и попытаться понять, в каких местах произошли повреждения, то можно увидеть, что все повреждения соединений произошли в первые 20 мин испытаний (рис. 8). Данное утверждение распространяется на вновь смонтированные кабели, для которых считается, что изоляция — новая, при этом достаточно проводить СНЧ-испытание в течение 20 мин.

Рис. 8. Количество отказов как функция времени испытания и места расположения повреждения [9]

Большее количество повреждений сшитой полиэтиленовой изоляции вызвано недостаточно хорошей технологией производства первого поколения кабелей с изоляцией из СПЭ с графитовым полупроводящим слоем. Современные кабели со сшитой полиэтиленовой изоляцией уже не имеют таких проблем, как аналогичные кабели первого поколения.

ПЕРСПЕКТИВЫ

В настоящее время испытания напряжением СНЧ очень часто комбинируются с диагностикой ЧР. Так, например, в Нидерландах в энергосистемах общего назначения после прокладки кабелей используются следующие процедуры [10]: 

• контроль оболочки;
• проверка прочности кабеля с использованием СНЧ-испытаний на частоте 0,1 Гц при напряжении 3U_o;
• диагностика ЧР с применением затухающего переменного напряжения (DAC).

Преимущество комбинации методов контроля, а именно диагностики ЧР, проводимой сразу после СНЧ-испытаний, заключается в том, что можно обнаружить существенные дефекты проведённых монтажных работ, которые не были выявлены с помощью СНЧ-испытаний, и своевременно устранить их. Это позволяет дополнительно повысить надёжность сетей электроснабжения и снизить затраты на внеплановые отключения электроснабжения, на недопоставленную энергию (например, когда отключают ветроустановки) или оплату штрафов.

К существенным дефектам проведённых работ могут быть отнесены, например, неполная усадка термоусаживаемых соединений, неправильное удаление внешнего полупроводящего слоя или наличие грязи внутри соединений. Подобные недоделки пройдут незамеченными в процессе испытаний СНЧ, но будут выявлены при диагностике ЧР (рис. 9). Если подобные недоделки в работе не будут своевременно устранены, то в ближайшие годы эксплуатации можно ожидать непредвиденных пробоев таких муфт (в зависимости от типа дефекта).

Рис. 9. Повреждения изоляции из-за нарушения технологии монтажа муфт
а) неправильная зачистка изоляции, выявленная с помощью диагностики ЧР, позволившая предотвратить пробой;
б) следы ЧР на оболочке кабеля.

Обычно после успешного проведения испытания и прокладки кабеля следующие испытания и диагностика проводятся через 10-15 лет. Другими словами, в указанный период времени не ожидается возникновение каких-либо проблем, если только последние не будут вызваны внешними воздействиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние два десятилетия метод испытания напряжением СНЧ доказал свою эффективность при проведении приёмо-сдаточных испытаний вновь проложенных кабелей, а также при выполнении технического обслуживания состарившихся кабелей с целью устранения мест, имеющих критически опасное состояние.

Эволюция базы электронных комплектующих, используемых в энергетике, позволила создать установки, не требующие технического обслуживания, а также обеспечивающие более высокую производительность.

По сравнению с испытаниями на частоте 50 Гц или резонансной метод испытания напряжением СНЧ показывает лучшие результаты как для выявления повреждений, так и для снижения негативных воздействий на неповреждённую часть испытываемого кабеля.

Эффективность данной методики проявляется только при проведении испытаний на частоте 0,1 Гц. При использовании более низких частот время испытаний возрастает, что и c практической, и с экономической точек зрения неудобно и слишком затратно.

Практический опыт показал, что большинство повреждений в местах соединений происходит в первые 20 минут испытаний. Если данный практический опыт применить к вновь проложенным кабелям, то время испытания последних можно сократить до 20 мин вместо рекомендованных 60.

Сегодня при проведении приёмо-сдаточных испытаний метод СЧН рекомендуется применять в комплексе с диагностикой ЧР. Комплексный подход помогает выявить даже незначительные нарушения в технологии и качестве выполненных работ, что, в свою очередь, повышает надёжность сетей электроснабжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. F.H. Kreuger, "Industrial High DC Voltage , Delft University Press, 1995.
2. 400-2001 "IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems" IEEE guide.
3. H.T. Putter, 2007, "Investigation of Water Treeing — Electrical Treeing Transition in Polymeric Insulation of Service Aged Power Cables" TU-Delft, Thesis.
4. D. Go, F. Petzold, H. Schlapp, H. Putter, "Dielectric loss measurement of power cables using Hamon Approximation" CMD2010, Tokio, Japan.
5. B.V. Hamon, "An approximate method for deducing dielectric loss factor from direct-current measurements", Proc. IEEE, vol.99, 151-155.
6. N. Javerberg, H. Edin, "Applied Voltage Frequency Dependence of Partial Discharges in Electrical Trees" Proc. IR-EE-ETK, Stockholm, Sweden, 2009.
7. E. Neudert, M. Sturm, "Characterization of tree processes in XLPE by PD Measurement at 50 Hz and very low frequencies', ICDI Budapest, 1997.
8. S.H. Moh, "Very low frequency testing-its effectiveness in detecting hidden defects in cables,17th international conference on electricity distribution, Cired, Barcelona, 2003.
9. DEW, "Experience report — About 10 years "Voltage on-site Test on Medium Voltage Cable Networks by means of 0.1 Hz Cosine Square Wave Voltage" in the 1OkV network in the City of Dortmund, Germany, 1998.
10. FR. De Vries, 2009 "Expediencies with PD measurements on MV cables in wind farms in the Netherlands" F05D IEEE/ICC meeting, Scottsdale, USA.
11. E. Gockenbach, "The selection of the frequency range for high-voltage on-site testing of extruded cable systems" IEE Electrical Insulation Magazine Vol. 16 № 6, pp. 11-16.
12. E. Gockenbach, 2002, "Grundsatzliche Unter-suchungen zum Durchschlagverhalten kunstst-offisoiiertet Kabel bei Spannungen unterschiedli-cher Frequenz" BEWAG Symposium Berlin, Germany.