Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Оценка износа и вероятности пробоя подземных кабелей среднего напряжения вследствие развития водного триинга в изоляции из СПЭ

Встранах Северной Европы кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) используются уже более 30 лет. В Норвегии установлено около 12 000 км силовых кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ без внешней дополнительной гидроизоляции. Все эти кабели подвержены развитию водных триингов. Особенно диагностика кабелей необходима для энергообъектов, в которых обнаружена высокая вероятность отказов вследствие ухудшения свойств изоляции кабелей из-за развития водного триинга [1].

Диагностика состарившихся кабелей с изоляцией из СПЭ с развитой структурой водного триинга может быть произведена при помощи измерения какого-либо диэлектрического параметра, в частности tgδ. Старение, вызванное водным триингом, может привести к значительным изменениям тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) [1, 2]. Однако только таких методов измерений недостаточно для определения остаточного срока эксплуатации и вероятности пробоя кабеля. В данной статье представлен подход, позволяющий решить эти проблемы.

В первой части даётся общая картина диагностики ухудшения работы и вероятности пробоя компонентов энергосистемы; во второй — представлен конкретный пример, который показывает, что общие принципы диагностики в сочетании с опытом, накопленным при измерении tgδ, может использоваться для моделирования надёжности кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА

На рис. 1 показаны основные этапы предлагаемого общего принципа диагностики, который состоит из определения цели и модели расчёта безотказности. Результаты анализа обычно используются в более широком контексте, например, для оценки риска. В начале анализа очень важно определить цель самого анализа, т.е. «о чём идёт речь». Таким образом, для проведения анализа необходимы три первоочередные задачи: определение компонента/системы для анализа, механизма отказа и основных эксплуатационных условий, которые приводят к процессу ухудшения свойств. Базой для этих определений могут служить результаты уже проведённых анализов, таких, как анализ характера и последствий отказов (FMEA) или техническое обслуживание, ориентированное на обеспечение надёжности (RCM). Следует отметить, что результаты последующего анализа обусловлены заданной целью, т.е. оценка времени пребывания в данном состоянии, определение вероятности отказа и остаточного срока службы применимы лишь в том случае, если свойства анализируемой системы согласуются с определениями заданной цели.

Рис. 1. Предлагаемая схема анализа

 

Следующие три этапа относятся к модели надёжности, которая в этом разделе представлена очень кратко. Модель ухудшения характеристик применяется для расчёта остаточного срока службы и вероятности пробоя. Результаты могут использоваться для введения в процесс оценки риска, например, при анализе степени риска, в котором она оценивается сочетанием вероятностей события и его последствий. Анализ риска может служить базой для определения степени риска и его обработки, когда окончательные решения принимаются в целях модификации риска, например, проведения профилактического ТО, восстановления или замены (примеры указаны в [3] и [4]).

Ранее [3—5] была представлена модель надёжности. В этой модели используется понятие условий состояния и кривая долговечности [6]. Предполагается, что технические условия компонента можно подразделить на пять состояний. Определение общего состояния даётся в табл. 1, где первое состояние (состояние 1) означает отсутствие ухудшения характеристик (как состояние нового), а последнее состояние (состояние 5) означает, что компонент повреждён. Это говорит о том, что компонент будет пребывать некоторое время Tk в каждом состоянии k (рис. 2).

Табл. 1. Определение технических условий состояния

 

Рис. 2. Кривая срока службы и полумарковский процесс

 

Как показано в литературе [7], модель построена на вероятностном принципе. Время пребывания Tk в каждом из состояний k может быть представлено в виде распределения вероятностей с одним или несколькими параметрами θk. Это может быть обозначено выражением Tk ~ PD(θk), где PD является соответствующим распределением вероятностей (экспоненциальным распределением, распределением Вейбул-ла, гамма-распределением и т.д.). Такое распределение зависит от представлений разработчика модели (модельных допущений) и совокупности знаний (доступности информации) H, можно обозначить как Tk ~ PD(θk /Н). Следовательно, распределение вероятностей будет изменяться так же быстро, как будут меняться представления разработчика модели и совокупность знаний (H), например, при поступлении новой информации [8]. На примере конкретного случая, приведённого в данной работе, можно наблюдать последствия влияния концепции вероятностей на результаты.

Применение принципа распределения вероятностей для моделирования времени пребывания подразумевает, что для распределения вероятностей нужны соответствующие оценки. Такие задачи требуют усилий. В случае если данные о надёжности доступны, то оценку параметров можно произвести классическими методами, такими, как методы максимального правдоподобия или наименьших квадратов [9]. Однако обычно данных о надёжности недостаточно, а если они и имеются, то цензурированы. В работе [8] даётся описание выхода из такой ситуации. Альтернативным источником информации являются специалисты, работающие в данной области. Они могут предоставить нужную информацию о распределении вероятностей в виде наилучшей оценки или в виде процентилей. На основании этой информации можно рассчитать характеристики распределения времени пребывания θ.

В том случае, если характеристики распределения времени пребывания известны, ухудшение характеристик компонента можно представить математически в виде полумарковского процесса, а остаточный срок службы и вероятность отказа можно рассчитать по формулам в литературе [5].

КОНКРЕТНЫЙ СЛУЧАЙ: КАБЕЛИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СПЭ

В данном разделе рассматривается конкретный пример, в котором применён предложенный подход. В нашем примере проведён анализ кабеля среднего напряжения первого поколения с изоляцией из СПЭ. Это кабель без внешней дополнительной гидроизоляции с экраном по изоляции из полупроводящего покрытия и ленты. Ввиду того, что основной механизм отказов таких кабелей заключается в образовании водного трекинга, именно на это и было направлено внимание при анализе.

Нормальными условиями эксплуатации для таких кабелей считаются следующие: 

  • нагрузка: около 50% номинальной, может изменяться в течение дня или года;
  • грунт: однородные влажностные условия;
  • прокладка: в середине кабельной цепи, с непрямым подключением к воздушной линии;
  • отсутствие замыкания на землю.

Начиная с 2000 года SINTEF Energy Research произвела измерение тангенса угла диэлектрических потерь и оценку состояния на местах более 200 кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ на предмет выявления ухудшения характеристик, вызванных возникновением водных трекингов. Базы данных были созданы на основании лабораторной дефектоскопии образцов состарившихся кабелей различной конструкции, измерений электрической прочности и микроскопии водного триинга, проведённых методами неразрушающего контроля [1] (рис. 3). Эти базы данных могут использоваться для оценки состояния и в качестве базы для анализа надёжности.

Рис. 3. Зависимость между tgS, наименьшим напряжением пробоя [1] и техническими условиями состояний

 

В частности, кабель, подверженный анализу, был установлен в 1979 году, и измерения тангенса угла диэлектрических потерь показали 3,2·10-3. Сетевая компания решила продолжить эксплуатацию кабеля, так как расчётная остаточная прочность изоляции находилась в пределах 3,5·U0, (рис. 3). Однако через год произошёл отказ кабеля, и компания вышла с просьбой произвести расчёт вероятности отказа. Для анализа была принята представленная модель надёжности.

Для модели надёжности требуется определение состояния. Так как технические условия состояния кабеля оцениваются путём измерения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции, этот параметр был использован для доказательства условий состояния. Специалисты в области исследований кабелей с изоляцией из СПЭ и диагностики кабелей сформулировали определение технических условий состояния путём установления диапазона значений tgδ, которые соответствуют описанию общего состояния, рассмотренного в предыдущем разделе (см. табл. 1). Определение состояния также показано на рис. 3.

На следующем этапе анализа производится расчёт времени пребывания в каждом из состояний. Специалистов попросили выразить свое мнение относительно среднего и 10-процентного времени пребывания в состояниях 1-4. В табл. 2 показаны оценки специалистов кабеля в нормальных условиях эксплуатации. Кроме того, они установили, как отклонения от нормальных условий эксплуатации могут повлиять на данные оценки: 

  • при прямом подключении кабеля к воздушной линии (ВЛ) среднее время пребывания в состояниях 3 и 4 уменьшается на 10 и 2 года соответственно вследствие высокой вероятности перенапряжений в этих кабелях, вызванных током молнии;
  • повреждение внешней оболочки может снизить ресурс кабеля на 10 лет;
  • высокие и постоянные нагрузки могут снизить средний срок службы кабеля на 12 лет.

Табл. 2. Экспертная оценка среднего времени пребывания (годы) в состояниях 1-4
10-й процентиль в скобках

 

Предположив, что форма распределения вероятности остаётся неизменной и средний срок службы распределён пропорционально среднему времени пребывания, в табл. 2 даны расчёты для «ненормальных» условий эксплуатации.

В соответствии с анализом кабель находится в состоянии 3. Поскольку диапазон состояния 3 довольно широк, мы можем подразделить это состояние на три части, обозначив их 3+, 3 и 3-, где знак «+» означает первую треть состояния и знак «-» — последнюю треть состояния. По предварительной оценке кабель находится в начале состояния 3-. Вероятность отказа кабеля с техническими условиями 3- показана на рис. 4.

Рис. 4. Вероятность отказа кабеля в условиях состояния 3-

 

Вероятность того, что отказ кабеля произойдёт в течение первого года, равна F (t =1 при нормальных условиях эксплуатации) ≈ 0,02. Это означает, что отказ кабеля, безусловно, возможен, но маловероятен. Необходимо заметить, что результат основан на предположении, что кабель эксплуатируется в нормальных условиях. Вследствие этого вероятность безотказной работы — около пяти лет (2010). Предполагаемый остаточный срок службы составляет около 9 лет. Однако диапазон распределения достаточно широк и указывает на то, что, возможно, отказ произойдёт раньше или позднее.

Также существует возможность расчёта вероятности отказа на основании срока службы кабеля. Вероятность отказа кабеля со сроком службы 26 лет, при его неизвестном состоянии, показана на рис. 5. Диапазон распределения вероятностей отказа довольно широк и далеко не информативен. Ожидаемый остаточный срок службы — 22 года, но такой результат не пригоден для планирования ТО и замены, потому что, не зная состояния кабеля, остаточный срок службы нельзя определить.

Рис. 5. Вероятность отказа кабеля со сроком службы 26 лет с неизвестным техническим состоянием

 

При более глубоких исследованиях выяснилось, что внешняя оболочка кабеля повреждена. Такая информация может быть включена в анализ, и тогда вероятность отказа кабеля с повреждением внешней оболочки будет выглядеть, как показано на рис. 6. Вероятность того, что произойдёт отказ кабеля в течение одного года, возрастает с F (t =1, повреждение оболочки) ≈ 0,04. Такие данные могут оказать влияние на принятие решения о замене или новых инвестициях.

Рис. 6. Вероятность пробоя кабеля с повреждённой внешней оболочкой и техническим состоянием 3

 

Анализ риска с учётом последствий отказа кабеля может оказаться необходимым при принятии окончательного и обоснованного решения по ТО и замене кабеля. Однако это не входит в задачу данной работы. Всем, кто интересуется этой проблемой, можно посоветовать обратиться к работам [3] и [5], в которых даны соответствующие примеры влияния результатов работы при их использовании в определении анализа рисков.

ВЫВОДЫ

В данной работе даётся описание структурного подхода к оценке ухудшения характеристик и вероятности отказа компонентов энергосети. Показаны значимость использования вероятностной модели, которая учитывает новые данные и может подстраиваться к различным ситуациям. Преимущества использования модели деградации в качестве модели безотказности заключаются в том, что могут быть использованы данные технического контроля состояния, поскольку данные о техническом состоянии компонентов содержат значительно больше информации, чем данные только об их сроке службы.

На примерах было показано практическое применение данного подхода. Обоснованная оценка состояния старых кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ, подверженной развитию водного триинга, может быть определена на основании экспертных знаний и результатов существующих баз данных.

Расчёт вероятности пробоя даст более основательную базу для принятия решения о проведении планового ТО, восстановления или замены, нежели одна диагностика технического состояния. Затем основания для принятия решения можно расширить исследованием степени риска, в котором вероятность отказа будет служить в качестве основного вводимого значения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Й. Скёльберг, С. Хвидсен, Х. Фа-ремо. Опыт определения состояния кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ, материалы Международной конференции IEEE по электрической изоляции (ISEI), 2006, с. 432-435.
2. С. Хвидсен, Е. Ильдстад, Б. Холм-грен, П. Верелиус. Зависимость между пробивным напряжением переменного тока и низкочастотными диэлектрическими потерями кабелей с изоляцией из СПЭ, подверженной развитию водного триинга, материалы IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, т. 13, с. 40-45.
3. Й. Хеггсет, Е. Солванг, Т.М. Вельте, Й.С Кри-стенсен, К.Р. Баккен. Оценка остаточного срока службы и вероятность отказа компонентов сети — практический подход, материалы CIRED, 2007, доклад № 0661.
4. Т.М. Вельте, Й. Ватн, Й. Хеггсет. Применение модели состояния Маркова для оптимизации техобслуживания и ремонта компонентов гидростанций, материалы Международной конференции IEEE по применению вероятностных методов в энергосистемах (PMAPS), 2006, с. 1-7.
5. Т.М. Вельте. Модели процессов старения и технического обслуживания компонентов гидроэлектрических станций, 2008, Норвежский университет науки и технологии, Трондхайм, Норвегия.
6. Г.Дж. Андерс, Й. Эндрений. Использование кривых надёжности в программе обеспечения технического обслуживания оборудования, материалы Международной конференции IEEE по проблемам использования вероятностных методов в энергетике (PMAPS), 2002, Неаполь, Италия.
7. С. Чхиббер, Г. Апостолокис, Д. Окрент. Классификация проблем, относящихся к использованию экспертной оценки в вероятностных исследованиях безопасности, журнал «Техника обеспечения надёжности и системы безопасности», 1992, т. 28, с. 27-45.
8. Т.М. Вельте, А.О. Эгген. Оценка параметров времени пребывания на основе экспертной оценки и данных диагностического контроля технического состояния, материалы Международной конференции IEEE по проблемам использования вероятностных методов в энергетике (PMAPS), 2008.
9. В.К. Микер, Л.А. Эскобар. Статистические методы в обработке данных о надёжности, 1998, Уили, Нью-Йорк, США.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно