Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Первый практический опыт онлайнового мониторинга частичных разрядов кабельных систем среднего напряжения

В докладе представлена новая измерительная система, предназначенная для онлайнового мониторинга и локализации частичных разрядов (РD) в силовых кабелях среднего напряжения. В системе используются два индуктивных датчика, которые устанавливаются на обоих концах кабеля. Измерительная система называется PD-OL, что означает обнаружение частичных разрядов (PD) и их локализация в режиме онлайн (OL). Для синхронизации времени данных, поступающих с обоих концов кабеля и их идентификации в режиме онлайн, используется система впрыска импульсов. Данные о частичных разрядах пересылаются по интернет-связи в Центр управления КЕМА для их обработки, окончательного представления и вывода на дисплей на защищённом сайте для владельцев энергосетей. В данном докладе обсуждаются основные понятия измерительной системы PD-OL и некоторые результаты измерений.

ВВЕДЕНИЕ

Многие владельцы энергосетей указывали на необходимость системы измерения частичных разрядов в режиме онлайн, т.е. когда кабель остаётся под напряжением. Эта необходимость назрела в течение ряда лет для кабелей как высокого, так и низкого напряжения.
Для кабельных цепей высокого напряжения (больше или равно 50 кВ) были внедрены решения по мониторингу частичных разрядов с установкой датчиков на каждое устройство. Для кабелей среднего напряжения (меньше или равно 36 кВ) это решение оказалось непрактичным. Поэтому для кабельных цепей среднего напряжения лучшим решением оказалась работа с двумя датчиками, установленными на обоих концах кабеля. При помощи двух датчиков, замером разности времени поступления импульса на каждом датчике, охватывается вся протяжённость кабеля. Чувствительность такой измерительной системы можно сравнить с чувствительностью хорошо известных офлайновых систем измерения частичных разрядов для кабелей среднего напряжения (например, кабелей с изоляцией из СПЭ, с бумажной изоляцией) и всей установленной кабельной арматуры.
Сегодня такой подход звучит просто. Однако до 2005 года осуществить это было нереально. Одной из проблем была невозможность синхронизации по времени датчиков на обоих концах кабеля. Через два года научно-исследовательских поисков [1, 2] появился опытный образец такой измерительной системы. Впервые на Международной конференции CIRED 2005 была представлена в полном масштабе измерительная система частичных разрядов PD-OL [3], которая защищена патентом [5].
В 2007 г. первая серийная измерительная система была реализована. С тех пор в эксплуатацию поступило около 120 таких систем. Некоторые принципы и результаты представлены в этом докладе и частично являются копией работы, представленной на CEPSI в 2008 г. [6]. В докладе CIRED 2009 основной акцент был сделан на новые примеры результатов измерений, представленные во второй ее части.

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ PD-OL
Система PD-OL состоит из двух отдельных PD-OL измерительных блоков (рис. 1), каждый из которых устанавливается на одном из концов кабельной сети подстанции или замкнутой вспомогательной сети распределения (RMU).

Каждое измерительное устройство имеет:
• блок датчик/инжектор (PD-OL — SIU). В состав этого блока входят датчик для измерения импульсов кабеля и прибор для инжекции зарядов в кабель. Блок можно разделить на две части и в таком виде в онлайновом режиме закрепить на кабеле или его заземляющем проводе;
• блок управления (PD-OL — CU), который подключён к SIU при помощи волоконно-оптического кабеля. Блок управления представляет собой небольшой специальный компьютер, который управляет последовательностью измерений, сбором данных и обработкой сигналов. В него встроены средства связи (LAN, модем или мобильный телефон/плата GPRS) для загрузки по Интернету полученных данных в Центр управления KEMA для последующей интерпретации. Более того, к блокам PD-OL имеется доступ по Интернету в целях диагностики и обновления. Всё это осуществляется автоматически, поэтому после установки приборов в доступе к ним нет необходимости.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ PD-OL
В ситуации с онлайновым режимом силовые кабели в большинстве случаев соединены с другими кабелями. Поэтому импульсы частичных разрядов не отражают ситуацию в полной мере или отражают в малой степени. Более того, в режиме онлайн импульсы от смежного оборудования, подобные частичным разрядам, поступают в датчики. Для распознавания частичных разрядов тестируемого кабеля от других импульсов и для локализации места их возникновения датчики необходимо устанавливать на обоих концах кабельной цепи, что и явилось решением в ситуации с PD-OL. Этот простой факт подразумевает, что для синхронизации по времени блоков PD-OL — CU, установленных на обоих концах кабеля, необходимо произвести некие манипуляции. Запатентованным решением [5] является то, что при помощи блоков PD-OL — SIU не только измеряются частичные разряды, но и посредством индукционной катушки в кабель впрыскиваются импульсы (один раз в минуту). Момент впрыска импульсов ведущим блоком PD-OL — SIU является точным временем начала измерений частичных разрядов. Ведомый блок PD-OL — SIU на другом конце кабеля начинает производить то же самое немедленно после получения этого впрыснутого импульса, что в дальнейшем будет использоваться как точное время прохождения импульса. Поскольку время прохождения сигналов по кабелю известно, возможно определить точность синхронизации по времени двух блоков PD-OL. Современная аппаратура обработки сигналов способствует совершенствованию надёжности и точности данного метода.
Эта последовательность выражается в записи синхронизированных по времени данных. В блоке управления эти данные коррелируются в комплекте согласующих фильтров. и можно определить, содержат ли измеренные данные частичные разряды. Результатом такой обработки сигналов являются таблицы импульсов частичных разрядов (PD), обнаруженных датчиками на обоих концах кабеля. В Центр управления KEMA по интернет-связи передаются не полные формы сигналов, а только эти (значительно меньшие по форме) данные суммарных таблиц. В этом Центре управления сигналы с обоих концов кабеля комбинируются, в результате чего происходит отделение импульсов от других источников и локализация места возникновения частичных разрядов.
Существует несколько способов удаления других мешающих импульсов и распознавания настоящих импульсов частичных разрядов. Подробное обсуждение проблемы представлено в патенте [4]. Здесь также даётся подробное описание отдельных характеристик измерительной системы PD-OL, например, метод монтажа датчиков, выбор наилучшего места установки датчика, проблемы настройки датчиков и подавление помех. Кроме этого, указаны другие работы, в которых эти вопросы обсуждаются более подробно.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Вследствие того, что в период между 2007— 2008 гг. было установлено множество различных систем измерений, получены многочисленные данные, которые показывают преимущества разных систем измерений частичных разрядов в онлайновом режиме.

Пример цепи A
Первый пример представляет кабельную цепь A из освинцованных кабелей с бумажной изоляцией длиной 143 м. На рис. 2 для демонстрации многодневных испытаний выбран 8-дневный период. Ясно видна различная активность частичных разрядов по времени; она отражает дневные и ночные циклы нагрузки, что явно выражено на восьми скоплениях частичных разрядов с периодами спокойствия между ними.

На вертикальной оси слева расположены заряды (pC), на нижней слева вертикальной оси изображена локализация разрядов по длине кабеля (143 м) и на горизонтальной оси — время, которое приблизительно составляет 8 дней.

Пример цепи B

На рис. 3 представлены результаты измерений продолжительностью 4 мес. системой PD-OL другой цепи B (длина — 2,1 км), состоящей из освинцованных кабелей с бумажной изоляцией. Кроме роста активности ЧР в других местах цепи и увеличения импульсов ЧР по величине за кабельным соединением на расстоянии 1364 м, ясно просматривается совершенно новое скопление частичных разрядов большой мощности. Очевидно, что появилось новое слабое место вблизи муфты на 1364-м метре, которого в течение первых трёх месяцев не было видно или были видны слабые признаки его присутствия.


На рис. 4 показана трёхмерная диаграмма этих же измерений. На ней явно просматривается тенденция роста величины ЧР на 1364-м метре — в месте расположения муфты. Этот уровень интенсивности ЧР пока не представляет угрозы, но, если сохранится такая же тенденция к увеличению уровня интенсивности ЧР, может последовать ухудшение эксплуатационных характеристик кабеля и будет достигнут высокий уровень риска. Именно эти тенденции теперь становятся видимыми и, вероятно, окажут огромную помощь в расшифровке таких графиков для оценки уровней риска и расчёта остаточного срока службы.

Просматривается явная тенденция возрастающей активности ЧР в направлении от муфты с жидким наполнителем на 1364-м метре кабеля.

Пример цепи C
Трёхмерный график на рис. 5 также показывает возрастающую активность ЧР в соединительной муфте на 173-м метре освинцованного кабеля с бумажной изоляцией (длина кабельной цепи — 537 м). Владелец сети планирует заменить эту муфту.


Пример цепи D

На рис. 6 в формате 3D показано скопление XH в направлении от соединительной муфты приблизительно на 139-м метре освинцованного кабеля с бумажной изоляцией в кабельной цепи длиной 214 м. Владельцу энергосети выданы рекомендации либо заменить муфту, либо провести испытания на выдерживаемое напряжение постоянным током. В результате проведённых испытаний муфта развалилась, подтвердив тот факт, что к дальнейшему использованию она была непригодна. После испытаний кабель был изъят на несколько дней из эксплуатации, в течение которых муфта была заменена новой, без частичных разрядов.


Пример цепи E
На 3D графике рис. 7 показано скопление ЧР в направлении от вышедшей из строя термоусадочной муфты. Муфта находилась на 1678-м метре кабельной цепи с изоляцией из СПЭ длиной 4258 м. Владельцу сети были выданы своевременные рекомендации по замене муфты, но, к сожалению, была заменена другая муфта (на 1801-м метре), что, естественно, не способствовало исчезновению ЧР, и позже кабель вышел из строя именно в месте расположения указанной муфты — на 1678-м метре. В любом случае рекомендация по замене муфты оказалась верной.


Пример цепи F

2D график на рис. 8 показывает явно выраженные концентрации ЧР в трёх разных местах на кабеле с изоляцией из сшитого полиэтилена длиной 7058 метров. Скопление ЧР происходило в течение одного месяца. Это было интересное наблюдение, поскольку скопления ЧР находились далеко от местоположения кабельных муфт. Владелец сети проверил кабель в этих местах и обнаружил на многих участках выгорание заземления оболочки кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена вследствие высоких токов повреждения в медной жиле заземления оболочки кабеля (рис. 9).

Эти места были локализованы при помощи измерительной системы PD-OL.

Пример цепи G
3D график на рис. 10 показывает тенденцию роста интенсивности ЧР на 396-м метре освинцованного кабеля с бумажной изоляцией длиной 666 м.

Пробой кабеля произошёл в этом месте, но, как видно из графика на рис. 10, рост интенсивности достиг своего пика через два дня. Причиной повреждения стал корень дерева, который зажал кабель, повредив его.

ВЫВОДЫ

По сравнению с диагностикой ЧР в режиме офлайн диагностика при помощи системы PD-OL представляется прорывом в диагностике кабелей среднего напряжения. Эта диагностика имеет следующие преимущества:
• установка системы для владельцев энергосетей в любой точке земного шара;
• монтаж в процессе эксплуатации, бесконтактная установка датчиков;
• образование частичных разрядов под постоянным наблюдением; непрерывный мониторинг ЧР в режиме эксплуатации, визуализация тенденций их развития, изменений и кратковременной активности;
• все данные о ЧР автоматически по интернет-связи загружаются в одно место для интерпретации и проведения экспертизы;
• почасовое обновление карт активности ЧР и расшифровка результатов для владельцев энергосетей по Интернету.

ЛИТЕРАТУРА
1. P.C.J.M. van der Wielen, д-р наук. Обнаружение и локализация частичных разрядов в кабелях среднего напряжения в режиме онлайн. Диссертация, Университет технологий Эйндховена, Эйндховен, Нидерланды, 2005.
2. J. Veen, д-р наук. Онлайновый анализ сигналов частичных разрядов в кабелях среднего напряжения. Диссертация, Университет технологий Эйндховена, Эйндховен, Нидерланды, 2005.
3. P.C.J.M. van der Wielen, J. Veen, P.A.A.F. Wouters и E.F. Steennis. Обнаружение частичных разрядов кабелей среднего напряжения с локализацией повреждения на основе данных системы (PDOL). Международная конференция по распределению электроэнергии (CIRED). Сессия 1. Документ №456, Турин, Италия, 6—9 июня 2005 года.
4. P.C.J. M. van der Wielen and E.F. Steennis. “On-line PD monitoring system for MV cable connections with weak spot location”. IEEE Power Engineering Society (PES) General Meeting, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, July 2008.
5. E.F. Steennis, P.A.A.F. Wouters, P.C.J.M. van der Wielen и J. Veen. Способы и системы передачи информационных сигналов по силовым кабелям. Международный патент № WO 2004/013642, июнь 2002.
6. E.F. Steennis и P.C.J.M. van der Wielen. Новая система мониторинга ЧР с локализацией для протяженных подземных силовых кабелей среднего напряжения. 17-я Международная конференция по поставкам электроэнергии (CEPSI), сессия 5.1, Макао, Китай, 27—31 октября 2008 года.


Авторы выражают благодарность за поддержку при написании этой работы компаниям KEMA Nederland B.V. и датскому предприятию s N.V. Continuon Netbeheer (в настоящее время Alliander), ENECO Netbeheer B.V. (теперь Stedin.net) и Essent Netwerk B.V. (сейчас Enexis).

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно