Инструментарий стратегии профилактического технического обслуживания силовых кабельных систем

Программы профилактического технического обслуживания очень полезны для повышения надёжности кабельных систем среднего напряжения. Чтобы они работали успешно, необходимо определить состояние электрических кабельных систем среднего напряжения. Оценка состояния кабельных систем, когда они находятся под напряжением, и развертывание программы по ремонту или замене кабелей на основании этой оценки помогут менеджеру по управлению ресурсами (asset manager) реализовать надёжную систему для работы в энергетических и промышленных компаниях. Технология обработки кабелей основана на хорошо зарекомендовавшем себя процессе впрыскивания кремнийорганического соединения, который успешно используется для продления срока службы старых кабельных систем с экструдиро-ванной изоляцией. Технология оценки состояния кабелей является эффективным и надёжным инструментом, позволяющим упростить программу запланированного технического обслуживания, так как она обеспечивает отличную индикацию состояния кабелей всех типов. Здесь представлены подробные сведения о полностью пассивной методике диагностики состояния кабелей, которая анализирует радиочастотные (RF) импульсы, излучаемые кабельной системой, когда она находится под напряжением и в рабочем состоянии. В настоящей работе описаны новейшие технологии, используемые для оценки состояния и продления срока службы кабелей среднего напряжения, применяемых в системах распределения электроэнергии, а также рассмотрено несколько конкретных примеров.

ВВЕДЕНИЕ

Силовые кабели, являясь критически важным компонентом распределительной электрической сети, должны работать как можно дольше, при этом соответствуя стандартам надёжности и безопасности. Для достижения этой цели исключительно важна такая часть программы технического обслуживания, как правильные диагностические испытания, главной целью которых является определение дефектов, которые могут привести к отказу системы, и прогнозирование периода времени, который потребуется для того, чтобы эти дефекты привели к повреждению кабельной системы. Эти испытания должны быть экономически обоснованными и не должны привести к дополнительному ухудшению работы проверяемой системы. Таким образом, описанная в настоящей работе технология позволяет избежать проведения испытаний с использованием подачи высоких напряжений.

Полевые испытания кабельных систем, находящихся под рабочим напряжением, для оценки их будущей работы позволяют повысить надёжность кабелей в распределительных системах. Это стало возможным благодаря новой технологии CableWISE, разработанной десять лет назад. Эта технология является самой эффективной по сравнению с рядом существующих сегодня методов диагностики. Она обеспечивает раннее определение слабых компонентов кабельной системы, работающей под напряжением. Данный метод даёт возможность определить местоположение изношенных компонентов системы и определить степень их износа. Это исключительно важно для поддержания надёжности системы. Экономия получается за счёт расстановки приоритетов по замене слабых частей цепи и ремонту старых кабельных систем с экструдированной изоляцией.

Не все явления, связанные с деградацией кабеля, ассоциируются с частичными разрядами (ЧР). Например, в освинцованных кабелях с бумажной изоляцией (PILC) повреждения всегда связаны с попаданием влаги, что обычно может привести к повреждению из-за теплового пробоя. Влага в кабелях PILC увеличивает потери в изоляции, что приводит к локальному выделению тепла, ухудшению бумажной изоляции и в результате к быстрому повреждению кабеля. Частичный разряд может присутствовать только на последних стадиях деградации кабеля. Тем не менее кабельная система излучает сигналы во время работы и может изменить характер старения кабеля независимо от возникновения ЧР, обнаруживаемого обычным способом [4. 6].

Большинство повреждений кабельных систем с экструдированной изоляцией связано с образованием древовидного пробоя в результате воздействия воды (водным триингом), что приводит к преобразованию его в электрический триинг [1]. Водный триинг — это незначительное ухудшение состояния, которое происходит в результате комплексного воздействия электрических полей переменного тока и водных растворов солей от заполненных электролитом пустот, соединенных узкими порами через аморфные области (области с ухудшившимися свойствами) полимера. Давление, наведённое полем, заталкивает гидратированные ионы в полимер. В результате электрохимической реакции (разрыв связей при окислении) и перегруппировки полимерной цепи в областях с низкой плотностью (аморфной областью) образуются микропоры. Электрический триинг представляет собой деградацию высокого уровня, которая растёт от областей с повышенными электрическими напряжениями переменного/постоянного тока (т.е. шероховатости металлических поверхностей, нарушения структуры и проводимости) в непосредственной близости от водного триинга кабельной изоляции. Формирование электрического триинга может быть результатом частичных разрядов в больших пустотах в материале изоляции, кабельных муфтах и соединениях. Момент преобразования водного триинга в электрический занимает очень короткий период времени до повреждения, поскольку начавшийся электрический триинг распространяется по ослабленной изоляции с большой скоростью. Таким образом, стандартным выходом для локализации частичного разряда является процесс преобразования. В нормальных условиях такое преобразование вызвано продолжительной активностью, инициированной в водном триинге и которую можно выявить в изоляционных полостях и при помощи технологий «In situ» («на месте»). На рис. 1 показаны участки деградации, которая возможна в стареющих кабельных системах с экструдирован-ной изоляцией. Технологии «In situ» (CableWISE) способны выявить, определить местоположение и произвести оценку таких участков. Если не предпринять никаких мер противодействия, на большинстве участков деградации могут развиться электрические триинги.

Рис. 1. Нарушения изоляции кабелей с экструдированной изоляцией, которые можно обнаружить

ТЕХНОЛОГИИ «IN SITU» ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЯ

Сбор данных начинается с момента установки радиочастотного датчика на внешнюю оболочку экранированного кабеля под напряжением. Радиочастотные сигналы, излучаемые кабельной системой под напряжением, отслеживаются, усиливаются и регистрируются переносным компьютером для дальнейшего анализа специалистами [3]. Процесс анализа включает в себя считывание сигналов в частотной и временной областях. Частотный спектр используется для обнаружения участка деградации, который излучает радиочастотные сигналы, временной спектр используется для отслеживания и определения значимости деградации. Оценка состояния каждого кабеля также зависит от типа изоляции, воздействия условий установки кабеля, а также от оценки предыдущего состояния кабеля (если таковые имеются). Усовершенствованное ПО анализа данных позволяет фиксировать даже слабые сигналы с помощью корреляционной программы быстрого преобразования Фурье. Для дальнейшей идентификации сигналов также используется соотношение основной частоты и первой гармоники (рис. 2).

Рис. 2. Типовые дефекты, выявленные испытательной системой СableWISE

СТЕПЕНЬ ОЦЕНКИ

На основании анализа данных состояние кабельной системы между каждым комплектом датчиков определяется при помощи амплитуды сигнала, частоты повторения импульсов и фазовым углом.

Уровень 1. Система не повреждена. Никаких мер не требуется.

Уровень 2. Обнаружены небольшие нарушения — соответствующие сигналы. Вероятность отказа небольшая. Рекомендуется повторная проверка через четыре года. Для кабелей с экструдированной изоляцией необходимо профилактическое обслуживание.

Уровень 3. Кабельная сеть подвержена старению, низкая вероятность выхода из строя через два года. Провести повторные испытания через два года. Для кабелей с экструдированной изоляцией рекомендуется профилактическое обслуживание.

Уровень 4. Небольшая вероятность выхода из строя. Рекомендуется замена кабеля через 2 года. Требуется совместное обсуждение для определения стойкости кабеля после принятия профилактических мер.

Уровень 5. Высокая вероятность выхода из строя через два года. Требуется немедленная замена.

Одна из независимых организаций представила статистику результатов испытаний, проведённых системой CableWISE. Значительная часть данных была получена, когда кабели находились в рабочем состоянии под напряжением на протяжении многих лет после окончания испытаний. Проведённый анализ подтвердил правильность рекомендаций относительно будущих характеристик кабеля в части вероятности отказа, чего нельзя сказать в отношении абсолютных значений, полученных в результате испытаний отдельных сегментов кабеля. Был сделан вывод, что анализ представляет собой руководство по точности методики диагностических испытаний. Таким образом, мы получили новый подход для руководства энергетических компаний при принятии решений относительно управления ресурсами.

ПРИМЕРЫ ИЗ ПРАКТИКИ

Пример A. Вышеперечисленные уровни оценки были использованы при анализе кабельных систем компании Western Utility, США, и служат примером применения технологий прогнозных расчётов. В основном анализ позволил этой компании оценить потенциал использования этой технологии прогнозных расчётов состояния (CableWISE), как части программы полной замены кабельной системы. Эта компания проводит мониторинг своей системы и ведёт учёт данных; специальные меры по оценке результатов применения технологии прогнозных расчётов обеспечили снижение себестоимости и позволили избежать рекламаций заказчиков. Удаление обнаруженных дефектных участков кабелей согласно запланированной программе и мероприятия по предотвращению наложения преднамеренных внешних напряжений после получения прогнозов принесли свои результаты [5].

Пример B. Был проведён детальный анализ результатов диагностических испытаний 2000 года на распределительных фидерных кабелях длиной 22 км. Были проверены эксплуатационные характеристики за 7 лет. После окончания диагностических испытаний кабели находились в непрерывной эксплуатации ещё длительное время. Кабели, которые по оценке уже «давно должны выйти из строя», показали фактически очень низкий уровень отказов; точность прогнозов для кабелей, которые не должны выйти из строя, была очень высока. Общая точность прогнозирования для кабельных сегментов и арматуры (анализ проводился отдельно) составила 98% [8].

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОСЛЕ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ

Проведение испытаний оценки состояния по технологии «In situ» (CableWISE) установленных кабельных систем включает в себя установку датчиков обнаружения сигналов на выбранные участки, причём кабель остаётся в эксплуатации под напряжением. Сигналы записываются, а затем обрабатываются для выдачи информации о состоянии компонентов кабельных систем (спайки, муфты, трансформаторы и т.д.).

Накопленный опыт применения этой технологии показывает, что пользователю достаточно как минимум вести чёткий учёт и проводить соответствующий мониторинг испытуемых кабельных систем. Кроме того, необходимо, чтобы пользователь не проводил никаких самостоятельных действий, которые бы повлияли на результаты прогнозирования, проводимого при помощи технологии CableWISE. Таким образом, определённые действия, которые следует предпринять пользователю для обеспечения надёжной работы кабельной системы после испытаний с использованием технологии CableWISE, включают следующее: проведение мониторинга последующего поведения, не воздействовать повышенным напряжением и проводить дальнейшие испытания ослабленных систем согласно полученным рекомендациям.

В случае подачи максимального напряжения на кабельную систему с экструдированной изоляцией электроны могут индуцировать разряды (это приводит к немедленному визуальному эффекту) или же они захватываются изоляцией (что приводит к потенциально скрытым проблемам). Тогда как целью подачи перенапряжения во время испытаний является создание повреждения, электроны, которые захватываются и высвобождаются после диагностических испытаний, могут привести к преждевременному отказу в дальнейшем. Отказ в более позднее время может оказаться просто результатом продолжительного старения в нормальных условиях нагрузки кабельной системы, после того как процесс «старения» был ускорен преднамеренной подачей повышенного напряжения. (Это явление не должно учитываться при прогнозировании, поскольку оно сфокусировано на процессе старения при нормальных условиях нагрузки без приложения внешнего перенапряжения.) Таким образом, преднамеренная подача перенапряжения может вызвать медленно развивающееся повреждение, готовое перерасти в более серьёзный дефект, приводящий к предварительному отказу.

Пользователь должен быть уверен, что кабельная система не будет подвергаться воздействию перенапряжений после проведения испытаний по технологии CableWISE, иначе такие напряжения будут способствовать процессу ускоренного старения и/или росту водного триинга и искажению прогнозирования. Ниже рассматривается несколько примеров использования перенапряжения в условиях эксплуатации.

Импульсный удар представляет собой процедуру обнаружения повреждения, которая заключается в посылке импульса тока с целью снижения высокого полного сопротивления в месте повреждения путём создания световой дуги. Для такого испытательного метода не существует каких-либо определённых требований или стандартов, следовательно, не существует общепринятой методологии частоты подачи импульсов. Импульсный удар вызывает деформацию стержня и обмоток трансформаторов, а также контактов коммутирующей аппаратуры, подключённой к кабельной цепи. Именно система CableWISE должна отвечать за то, чтобы чрезмерная величина импульсного удара вызывала захват электронов и импульсы такой величины не подавались в кабельные сети большой длины. Чтобы не подвергать воздействию импульсов неповреждённые неотклю-чённые участки кабелей, повреждения должны обнаруживаться радарами или при помощи методов кратковременной световой дуги.

При помощи установки dc HiPot на кабель подаётся повышенное напряжение, что приводит к захвату электронов или перекрытию изоляции. Пространственный заряд, развивающийся вокруг повреждения, может фактически экранировать (защитить) участок с повреждением. Испытание постоянным током фактически представляет собой инструмент преднамеренного введения умышленного повреждения в кабельную систему, испытываемую технологией CableWISE, и такой вид испытаний, к сожалению, оказывает негативное влияние на кабельную систему, даже если введения умышленного повреждения не произошло. Вредное воздействие постоянного тока связано с уже присутствующей степенью деградации изоляции, что в случае с изоляцией из сшитого полиэтилена может быть отнесено к уменьшению ресурса кабельной системы. Упоминания об этом имеются в технической литературе. Испытания постоянным током проводить не рекомендуется [2].

Испытательные установки сверхнизкой частоты (VLF) рассматриваются в качестве замены испытательным установкам постоянного тока и также применяются с повышенным напряжением; при этом прогнозирование не осуществляется, и поэтому такой тип испытаний имеет другие цели, нежели испытания «In situ» при помощи системы CableWISE. Что касается испытаний постоянным током, такие испытания не проводятся после онлайновых испытаний по той же причине. Более того, испытания VLF считаются очень эффективными для кабелей, подлежащих замене с несколькими, но очень обширными повреждениями, и неэффективны для кабелей с небольшими дефектами, которые могут быть обнаружены испытательной системой CableWISE. Таким образом, испытания VLF с использованием перенапряжений, которые потенциально позволяют избежать проблем, возникающих при испытаниях постоянным током, могут и не выявить зарождающегося дефекта. В любом случае, поскольку испытания VLF проводятся с применением перенапряжения, причины, чтобы не применять таких испытаний после испытаний системой CableWISE, остаются те же, что и для испытаний постоянным током.

В заключение можно сказать, что преднамеренное использование испытательных перенапряжений на кабельных системах, прошедших испытания по технологии «In situ» при помощи системы CableWISE с целью прогнозирования будущих характеристик, не рекомендуется.

ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ КАБЕЛЕЙ С ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Технологии, используемые для продления срока службы кабелей с экструдированной изоляцией, применяются с середины 80-х годов. Сначала между жилами кабелей для осушения сердечника и устранения воды закачивали азот, но этот метод оказался очень затратным и требовал высоких эксплуатационных расходов для постоянной подачи азота. Как показывают результаты исследований [1], затем с целью продления срока службы вместо азота в кабели начали вводить ацетофенон — побочный продукт образования поперечных межмолекулярных связей, который усилил задержку образования водного три-инга в изоляции из сшитого полиэтилена. Однако и в этом методе имеется несколько недостатков. Аце-тофенон при комнатной температуре затвердевает, и для ввода его в кабель требуется подогрев. Он с течением времени диффундирует сквозь кабель, и, следовательно, все усовершенствования свойств изоляции пропадают. Поэтому пришлось отказаться от ацетофенона как средства, продлевающего срок службы кабеля в условиях эксплуатации. В конце 80-х годов на основе кремния была разработана новая жидкость, которая с тех пор успешно применяется в процессе эксплуатации кабелей. Этот «эликсир молодости» имеет высокую скорость обработки, обладает способностью продлить срок службы кабелей в тяжелых условиях эксплуатации при повышенных температурах, а также другими преимуществами [7]. Дополнительные исследования, проведённые за последние несколько лет, привели к разработке новой жидкости, специально предназначенной для продления срока службы крупных работающих в условиях перегрева кабельных систем, таких, как питающие кабели.

Жидкость CableCURE вводится непосредственно в пустотные участки электрических кабелей. Вначале кабель отключается от напряжения, и к нему присоединяются специальные фитинги, которые затем подводятся к трансформатору. Потом жидкость через форсуночные отверстия фитингов закачивается в кабель, находящийся под напряжением. По пустотам жидкость диффундирует в полимерную изоляцию кабеля, находя участки с ухудшенными характеристиками, в которых может находиться вода. CableCURE на 100% состоит из жидкостей, вступающих в реакцию с водой и предназначенных для обработки кабелей, которые устраняют воду посредством межмолекулярного воздействия из кабельных пустот, а также способствуют диффузии воды из кабелей. Во время контакта с водой жидкость олиго-меризуется (происходит увеличение молекулярного веса), заполняя полости с водным триингом более вязким водоотталкивающим раствором, препятствующим дальнейшему его разрастанию. Поскольку эта жидкость вступает в реакцию с водой в пустоте, она подвергается непрерывной олигомеризации. Этот исходный мономер слабо полимеризуется в участках с водным триингом. Таким образом, в процессе задействован мономерный исходный материал, который вступает в реакцию с водой, сам полимери-зуется, заполняет пустоты и при выталкивании воды замедляет процесс диффузии материала. Поскольку молекулы полученного олигомера в несколько раз больше молекул воды, они запираются и замедляют дальнейший рост водного триинга. Весь процесс способствует сушке кабеля, восстановлению электрической прочности, вследствие чего увеличивается срок службы кабеля. Диффузия материала гораздо быстрее, чем скорость процесса старения и скорость диффузии воды.

Основным преимуществом процесса омоложения кабелей с использованием CableCURE является то, что он значительно увеличивает экономически полезный срок эксплуатации подземных силовых распределительных кабелей, позволяя отсрочить затраты на замену кабелей на десятки лет. Достигается значительное усиление надёжности кабельной системы, что почти полностью устраняет возникновение отключений вследствие пробоя изоляции.

Эта технология уже используется более чем на 70 миллионах футов подземных распределительных кабелей. Более 500 энергетических компаний по всему миру применяют технологию CableCURE для усиления надёжности кабельных систем. Более 99% этих систем обеспечивают бесперебойную работу систем энергоснабжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Менеджеры по управлению ресурсами энергетических компаний и промышленных предприятий могут использовать новые технологии для усиления надёжности своих распределительных систем. Сокращение издержек может быть реализовано путём правильной инженерной оценки на основе использования системы «In situ» (CableWISE) и за счёт увеличения срока службы стареющих кабелей с экс-трудированной изоляцией при помощи технологии введения жидкости CableCURE. Обе эти технологии подтвердили свою жизнеспособность на протяжении многих лет успешной эксплуатации.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Автор выражает благодарность персоналу компании UtilX, д-ру Оскару Морелю, специалисту компании CableWISE Technology и техническому директору д-ру Уэйну Чаттертону зa вклад в написание данной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нагу Н. Сринивас, главный исследователь. Оценка срока службы кабелей с полиэтиленовой изоляцией.
2. Нагу Н. Сринивас и Б.С. Бернштайн. Влияние испытаний постоянным током на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, материалы конференции Jicable 95, Версаль, Франция (июнь 1995),
с. 139-144; доклады EPRI TR-101245 V 1 и V2. «Влияние испытаний постоянным током на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена», этап 1 (январь 1993), этап 2 (октябрь 1995).
3. Н. Ахмед и Н.Н. Сринивас. Измерение частичных разрядов в распределительных кабелях с экстру-дированной изоляцией, документы конференции IIED 1999 T&D, с. 46-51, Нью-Орлеан, 1999.
4. С. Боггс. Анализ испытаний частичных разрядов в частотной области в контексте распределительных кабелей, IEEE Electrical Insulation Magazine, т. 19, №4,2003.
5. Н.Н. Сринивас, T. Нишиока, K. Санфорд и Б. Бернштайн. Неразрушающая оценка кабельных систем под напряжением, работа представлена на конференции 2005/2006, посвящённой передаче и распределению электроэнергии, Даллас, Техас.
6. Н.Н. Сринивас и Н. Ахмед. Оценка опасности частичного разряда в кабельных системах. Конференция по передаче и распределению электроэнергии, 2001, IEEE.
7. У. Стэйджи и У. Чаттертон. Восстановление кабелей, прошлое — настоящее — будущее, материалы конференции Jicable 2007, с. 7, 2, 14, Версаль, Франция, 2007, с. 858-861.
8. Внутренний доклад компании CableWISE.