О перспективах использования неразрушающих методов диагностики кабельных линий в «Псковэнерго»

Введение

Отличительной особенностью энергоснабжения городских потребителей является то, что более 90% электроэнергии поставляется посредством распределительных кабельных сетей 6-10, 0,4 кВ.

Несмотря на неоспоримые преимущества эксплуатации кабельных сетей в городских условиях в сравнении с воздушными, в современных условиях необходимо искать пути повышения надежности электроснабжения потребителей путем сокращения количества инцидентов, возникающих при внезапных коротких замыканиях в кабелях, и, как следствие, отключения последовательно связанных схемой ряда трансформаторных подстанций, включающих в себя до 12-15 шт. в одной цепочке.

Актуальность исследования причин отказов в кабельных сетях (КС) вызвана результатами анализа аварийности в целом в городах с населением более 100 тыс. жителей, где повреждения КЛ 6-10 кВ является причиной 80-90% от всех отключений.

Для разработки мероприятий по сокращению отказов в КС требуется тщательное исследование причин выхода кабельных линий из строя и принятие мер по сокращению внезапных отключений в сетях 6-10 кВ.

Если выход из строя КЛ из-за механических повреждений требует точного исполнения требований нормативно-технических документов по техническому обслуживанию КЛ и организационных мероприятий по работе с населением, строительно-монтажными организациями, предприятиями, обслуживающими инженерные коммуникации в городах, то широкий спектр причин ухудшения кабельной изоляции требует исследований на ранней стадии: от заводской поставки кабельной продукции до разборки вышедших из строя участков кабеля и кабельной арматуры и определения причин отказов.

Нормативно-техническим документом РАО «ЕЭС России» (СО 34.04.181.-2003) регламентируется производство технического обслуживания и ремонта кабельных линий электропередачи, в котором перечнем основных работ по ТО регламентируются профилактические испытания кабельных линий в соответствии с НТД: «Объем и нормы испытаний электрооборудования» (РД 34.45-51.300-97).

Профилактические испытания кабельных линий напряжением 6-10 кВ предписывается проводить 6-кратным от номинального выпрямленным напряжением. Данный способ рассматривается как основной критерий надежности кабеля и арматуры в ходе эксплуатации и в процессе ввода в эксплуатацию нового оборудования.

Причем в некоторых случаях, согласно указанному документу, решением технического руководителя электросетевого предприятия испытательное напряжение может быть снижено, и даже допускается не проводить вовсе испытания для:
а) КЛ со сроком эксплуатации более 15 лет, на которых удельное число отказов составляет 30 и более на 100 км в год.
б) для кабельных линий, подлежащих реконструкции или выводу из работы в ближайшие пять лет.

Действующая нормативно-техническая база оценки работоспособности КС путем испытания кабелей повышенным напряжением и, как следствие, оценка надежности электроснабжения потребителей явно не соответствует существующим требованиям потребителей, которые воспринимают достаточно болезненно любые внезапные отключения в электросетях.

Во-первых, в случае возможности непроведения профилактических испытаний кабелей 6/10 кВ согласно п.29.2.2. РД 34.45-51.300-97 внезапные отключения ряда трансформаторных подстанций неизбежны с соответствующим недоотпуском электроэнергии и жалобами потребителей. С другой стороны, из практики эксплуатации высоковольтных КЛ известно, что положительные результаты испытаний повышенным напряжением вовсе не гарантируют безаварийную работу кабельной сети в дальнейшем.

В Центральных электрических сетях «Псковэнерго» за 2004-2007 гг. из 215 проведенных высоковольтных испытаний после ремонта повторно выходили из строя 34 кабеля (без учета механических повреждений), причем 4 из них дважды, а 2 кабеля — трижды, т.е. 16% кабелей не гарантируют работоспособности в течение межиспытательного цикла.

Очевидно, что испытание повышенным напряжением травмирует изоляцию и, если пробой не происходит при испытаниях, то кабель выходит из строя через непродолжительное эксплуатационное время.

Таким образом, возникает проблема, при которой непроведение профилактических испытаний создает непредсказуемую ситуацию по внезапным отключениям, а испытания в/в напряжением не гарантирует надежность в электроснабжении, в большинстве случаев ухудшая изоляцию, т.е. время наработки и остаточный ресурс кабелей остается неизвестным. Выход из создавшегося положения определил мировой опыт эксплуатации КЛ, при котором неразрушающими методами испытаний проводится диагностика силовых КЛ 6-10 кВ с целью прогнозирования остаточного ресурса кабеля и своевременного планового вывода в ремонт, тем самым упреждая внезапные отключения.

Существенно, что данная идеология непосредственно изложена в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» в распределительном электросетевом комплексе», которая в разделе о диагностике кабельных линий сформулирована следующим образом: «В кабельных сетях следует перейти от разрушающих методов испытаний на неразрушающие методы диагностики состояния кабеля с прогнозированием состояния изоляции кабеля» (НРЭ № 11, 2006 г., п.2.6.6.).

Указанный метод неразрушающего контроля кабельных линий также является показателем прогрессивности технических решений для перспективного развития сетей РСК (НРЭ № 2, 2007 г., п. 4.4.).

Особенностью неразрушающих методов испытаний является то, что в момент их проведения кабель не подвергается старению и не выводится в ремонт, а результаты испытаний дают информацию об остаточном ресурсе кабеля, который, как правило, отличается от срока службы, т.к. ресурс определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию, независимо от наработки и коэффициента нагрузки.

Причем разработки неразрушающих способов определения ресурсов кабеля рассматриваются раздельно как для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ), так и с изоляцией их полиэтилена, поливинилхлоридной пластмассы и сшитого полиэтилена (СПЭ).

Пробой изоляции кабельных линий происходит в результате развития дефектов, возникающих при изготовлении, строительстве и эксплуатации. Поэтому для выработки критериев оценки состояния изоляции кабелей для определения остаточного ресурса необходимо на всех этапах «жизни» кабеля учитывать все возможные факторы, влияющие на продолжительность эксплуатации КЛ, т.е. технология определения остаточного ресурса основана на информативных параметрах, которые непосредственно связаны с ресурсами кабеля.

В этом и состоит главная и основная задача при обработке результатов диагностики кабелей неразрушающими методами, выработке критериев получения количественных оценок остаточного ресурса (REMAINING TOOL LIFE) изоляции в зависимости от изменения контролируемых характеристик изоляции в процессе старения и эксплуатации.

RTL = f (F1, F2, F 3,…Fn),

Неразрушающие методы контроля основаны на периодическом измерении и обработке результатов различных физико-химических, тепловых и электрических свойств изоляции кабеля.

В последнее время в России, Германии, Италии и ряде других стран ведутся интенсивные работы по совершенствованию неразрушающих методов диагностики изоляции и производству соответствующей аппаратуры и оборудования.

К числу существенных недостатков диагностических методов испытаний изоляции относятся высокая стоимость диагностического оборудования, требования по подготовке квалифицированного персонала, а также необходимые затраты на научные исследования для понимания механизмов зарождения дефектов в изоляции и предупреждения их развития.

Однако альтернативы диагностированию кабелей с последующим переходом их на плановый ремонт не имеется. Сегодня потребитель, понесший серьезные убытки при внезапных перерывах в электроснабжении заставит электроснабжающие организации идти на экономические издержки по диагностике, сопоставимые со средствами, компенсируемыми потребителям, как правило, в судебном порядке.

Следует отметить, что в настоящее время универсальных методов диагностики кабельных линий не существует, а применяются отдельные способы или их комбинации.

Самым простым и относительно недорогим является тепловизионный контроль концевых муфт и воронок в кабельной сети. Но этот метод выявляет фактическое предаварийное состояние концевых воронок, когда чаще всего из-за старения или механического воздействия жилы кабеля подвергаются термическому воздействию.

В то же время, диагностирование соединительных муфт по длине кабеля не представляется возможным и данный метод позволяет лишь в оперативном порядке ликвидировать угрозу внезапного отключения потребителей из-за выхода из строя концевых воронок и муфт.

Основными методами диагностики силовых кабельных линий являются:

1. Метод рефлектометрии.

Классический метод, когда каждая фаза КЛ обследуется низковольтными импульсами (до 100 В) с использованием в России цифрового рефлектометра РЕЙС-105Р, позволяющий обнаружить и определить расстояние до места повреждения или неоднородностей в КЛ. Импульсные рефлектометры используются для предварительного определения участка повреждения КЛ, а также могут быть использованы для паспортизации линии.

Недостатками метода являются трудности в анализе полученных рефлектограмм из-за многократных отражений, не позволяющих точно воспринимать информацию о дефектах изоляции, а также наведенные помехи промышленной частоты не способствуют классификации дефектов.

В России и за рубежом ведутся поиски усовершенствования данного метода, усиливается применяемая аппаратура, а также имеются предложения по использованию метода высокочастотной рефлектометрии.

2. Диагностика кабелей методом возвратного напряжения.

Метод основан на измерении и анализе возвратного напряжения в изоляции каждой фазы кабеля 6-10 кВ после зарядки кабеля постоянным напряжением и кратковременной его разрядки.

По разработанным методикам исследователи определяют состояние, степень старения и наличие влаги в бумажно-пропитанной изоляции кабелей.

Наиболее распространенная переносная диагностическая система CD31 разработки и производства германской фирмы «Seba-KMT». Исследования показали, что параметры крутизны возвратного напряжения характеризует старение изоляции, причем экспериментально в «Ленэнерго» сделали вывод, «…что степень старения изоляции определяется не столько длительностью эксплуатации КЛ, сколько фактической наработкой КЛ, зависящей от величины нагрузок на КЛ». (С.Ю.Анисимова, И.Н.Привалов, В.А.Канискин и др.).

Данный вывод подтверждается проведенным анализом в Центральных электрических сетях «Псковэнерго», где рассматривалась зависимость количества отказов кабелей из-за старения изоляции от срока службы кабелей от начала их ввода в эксплуатацию. Данная зависимость приведена на рис.1.

Очевидно, что срок службы кабеля и его остаточный ресурс не совпадают. Второй вывод можно сделать о том, что «критический возраст кабеля» составляет 10 лет после ввода в эксплуатацию. Повидимому, в течение первых 10 лет изоляция кабелей ухудшает свои свойства под воздействием различных эксплуатационных факторов, а также фактора качества использованных на заводе-изготовителе изоляционных компонентов, а далее наступает установившийся процесс, и, как правило, отказы кабелей происходят по причине пробоя изоляции в соединительных и концевых муфтах, для которых наиболее отслеживается линейная зависимость количества отказов от срока службы муфт и воронок.

3. Испытание силовых КЛ напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц взамен испытаний постоянным напряжением.

Метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты (СНЧ) основан на применении пониженного уровня испытательного напряжения частоты 0,1 Гц косинусоидально-прямоугольной формы. При такой форме напряжения частоты 0,1 Гц процесс смены полярности происходит таким же образом, как и при напряжении синусоидальной формы промышленной частоты 50 Гц. То есть, кабель нагружается и испытывается подобно тестированию при промышленной частоте 50 Гц.

При испытаниях кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией этот метод позволяет в значительной степени уменьшить испытательное напряжение по сравнению с испытаниями постоянным напряжением.

При проведении испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц величина испытательного напряжения не превышает 10 и 18 кВ для КЛ напряжением 6 и 10 кВ, соответственно (при вводе в эксплуатацию новых КЛ эти величины не превышают  18 и 30 кВ, соответственно). При этом длительность испытаний одной фазы КЛ составляет 15–30 мин. По мере накопления опыта испытаний КЛ с разными сроками эксплуатации и условиями работы параметры режимов испытаний (величина испытательного напряжения и длительность испытаний) могут уточняться и, соответственно, может быть повышена эффективность щадящих испытаний напряжением частоты сверхнизкой 0,1 Гц, т.е. обеспечена гарантированная отбраковка при испытаниях КЛ с большими дефектами или с сильно состаренной изоляцией и уменьшено число КЛ, необоснованно выводимых в ремонт при планово-профилактических испытаниях повышенным напряжением.

В Центральных электрических сетях «Псковэнерго» с января по март 2008 г. проводились профилактические испытания кабельных линий 6-10кВ установкой VLF-20 фирмы «Seba KMT» переменным напряжением частотой 0,1гц.

Всего было проведено 29 испытаний кабельных линий переменным напряжением 0,1гц (для кабельных линий 6кВ — 3U — 12кВ и кабельных линий 10кВ — 3U — 18кВ).

При проведении испытаний произошли пробои изоляции из-за имеющихся дефектов в двух кабельных линиях, при этом было предотвращено аварийное отключение таких социально значимых объектов как станция перекачки, котельная «Стройдеталь», вч Кресты, насосная КЭЧ, КНС, газовая котельная, ДОС 98 — 125.

Остальные кабельные линии выдержали испытание без пробоя изоляции.

Оценка состояния кабельной линии проводилась по величине тока утечки. Средний ток утечки составил от 0,02 до 0,5 мА, при этом учитывалась длина кабеля и срок службы. Результаты измерений заносились в банк данных кабельных линий, который уже насчитывает более 100 кабелей.

4. Метод частичных разрядов.

Теория частичных разрядов (ЧР) имеет достаточно длительную историю фактически с начала развития теории электромагнитного поля.

Частичные разряды (ЧР) — разряды, измеряемые по времени в наносекундах, которые появляются в слабых местах изоляции, шунтируя ее, приводят к развитию дефекта и постепенно разрушают целостность кабеля.

Проблемой всех времен являлись трудности в измерении и интерпретации результатов измерений частичных разрядов, возникающих в изоляции под воздействием переменного напряжения.

Критериями оценки работоспособности кабелей по данному методу являются: уровень частичных разрядов, частота и их интенсивность. Существенными недостатком данного метода является широкий разброс в оценке нормативов по величине частичных разрядов и различных методик измерений.

В качестве примера в следующей таблице приведены рекомендуемые нормативы для кабельных линий с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 6 кВ, разработанные ООО «Тест» (Пермский край).

В своей практической деятельности ООО «Тест» использует эти нормативы для выработки заключений по результатам диагностических испытаний кабельных линий.

В августе 2006 года ООО «Тест» методом частичных разрядов (системой OWTS) и методом возвратного напряжения в Пскове было продиагностировано 22 кабельные линии напряжением 6-10 кВ. На основе анализа результатов диагностики по 54% (12 кабелей) было сделано заключение, что их изоляция находится в неудовлетворительном состоянии и они рекомендованы к ремонту, 41% (9 КЛ) из числа оцененных удовлетворительно имеют признаки начальной стадии развития дефектов и рекомендуются к последующей диагностике через 3-5 лет, 5% (1) кабелей рекомендуется заменить полностью.

Анализ результатов диагностики показал, что в подавляющем большинстве проблемные места обнаруживаются в соединительных муфтах и концевых разделках, что говорит, прежде всего, о качестве монтажа кабельных линий.

Выработанные ООО «Тест» критерии оценки работоспособности кабелей методом ЧР являются частным выводом, т.к. например, в Германии и Италии критическим уровнем работоспособности кабеля считаются предельные величины ЧР от 1000 nК до 1200 nК.

В России пока отсутствуют регламентирующие документы, позволяющие по оценочным нормативам давать заключения о работоспособности кабелей в процессе эксплуатации.

Исходя из задач диагностики кабельных линий, эксплуатационному персоналу желательно знать:
- максимально возможно-достоверный остаточный ресурс кабеля;
- рекомендации по условиям эксплуатации.

Решение этих задач затруднено, во-первых: из-за великого множества эксплуатационных факторов; во-вторых, из-за отсутствия определяющих информативных параметров в каждом из применяемых методов, адекватных динамике состояния изоляции.

Очевидно, что только комплексный подход при использовании различных методов диагностики, может позволить выработать тот алгоритм исследований, при котором физикоматематические модели позволят дать количественную оценку остаточного ресурса кабелей.