В поисках повреждений. Неразрушающая диагностика состояния силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией

Аварии на промышленных предприятиях могут возникать по самым разнообразным причинам. Одной из них являются отказы силовых кабелей, в частности, на 6 кВ с бумажной пропитанной изоляцией, наиболее распространенных на объектах промышленности. В процессе их продолжительной эксплуатации из-за воздействия повышенных температур, частичных разрядов и иных факторов снижаются электрическая прочность бумажной изоляции и проводимость, провоцируя неблагоприятные последствия.

Для обеспечения безопасности кабельных линий проводятся испытания повышенным выпрямленным напряжением, которые относятся к косвенно разрушающим методам. В качестве альтернативы авторами ряда публикаций в различных научных и научно-популярных изданиях предлагается иной метод оценки технического состояния силовых кабелей, построенный на принципах неразрушающего контроля и предусматривающий периодические измерения наиболее информативных диагностических параметров. Они дают полную картину текущего технического состояния кабеля, не травмируя его.

Идея заключается в разработке комплексного критерия оценки состояния силовых кабелей 6 кВ с бумажной пропитанной изоляцией для своевременной технической диагностики кабельных линий. Основная задача – максимальное использование их ресурса и предупреждение аварийного отказа.

Для перехода на обслуживание и ремонт силовых кабелей по их фактическому техническому состоянию нужен эффективный контроль с обнаружением всех потенциально опасных дефектов на стадии их возникновения. Лишь полная диагностика на основе комплексного критерия, учитывающего все технические параметры кабеля, позволит своевременно принять правильное решение о необходимости обслуживания или ремонта кабельной линии.

Одним из примеров такого подхода является лабораторное исследование силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией, выполненное на специальном экспериментальном стенде в лаборатории диагностики Уфимского государственного нефтяного технического университета. На изучаемый кабель распространенной марки ААШв 3х185 с одного конца подавался, а с другого конца снимался и анализировался тестовый сигнал, параллельно измерялись технические параметры и велся тепловизионный контроль образца. Перед началом тестирования силовые кабели подвергались воздействию повышенных температур, напряжения, влажности, испытывались на механическую прочность к различного рода деформациям. Все операции проводились в соответствии с действующим ГОСТ 18410–73 «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией. Технические условия».

Указанные мероприятия изменили электрофизические и диэлектрические свойства изоляции исследуемых образцов. В результате выделены и взяты для дальнейших тестов три экземпляра: совершенно новый исправный кабель, не подвергавшийся никаким воздействиям (принят за эталон); кабель с незначительными дефектами, сохранивший работоспособность (деформированный); вышедший из строя кабель, получивший пробой во время испытаний (неисправный). На экспериментальной установке сотрудниками лаборатории диагностики Уфимского государственного нефтяного технического университета измерены диагностические показатели образцов кабеля: сопротивление изоляции R (МОм), тангенс угла диэлектрических потерь tga, емкость C (нФ), добротность Q, избыточная температура изоляции T (°С), а также действительные и мнимые части корней характеристического уравнения передаточной функции (подачей входных сигналов различной частоты на вход и их регистрацией на конце силового кабеля). Полученные результаты приведены в таблице. Для определения взаимосвязи между изменениями измеряемых параметров и степенью повреждения и ухудшения свойств изоляции кабеля использовалась искусственная обучаемая нейронная сеть Кохонена.

Результаты испытаний

Дефекты и повреждения в бумажной пропитанной изоляции силовых кабелей начинают развиваться задолго до появления предпосылок аварийных ситуаций и при этом почти сразу оказывают влияние на технические параметры, такие как сопротивление изоляции и электрическая емкость. Степень их отклонения от нормы определяется по диагностическим показателям, на основе которых выведен нормированный диагностический параметр D₁.

Для оценки технического состояния необходимо учитывать избыточную температуру силового кабеля, которая влияет на срок службы и, следовательно, выступает одним из индикаторов состояния силового кабеля в процессе его эксплуатации. Опытным путем установлено, что если избыточная температура превышает 30°С, то кабель аварийный. Изоляция любого силового кабеля должна выдерживать температуру, равную сумме наибольшей возможной температуры окружающей среды и максимальной величины нагрева самого кабеля при эксплуатации в условиях пиковой нагрузки. С учетом этого выведен параметр поврежденности силового кабеля D₂, определяющий режим его работы с учетом температуры.

Для анализа процессов, протекающих внутри силовых кабелей и не видных человеческому глазу, но при этом заметно влияющих на их общее техническое состояние, кабель рассматривался как система с неопределенным содержимым. На вход подавался единичный сигнал прямоугольной формы с последующей регистрацией на выходе. В итоге получен диагностический параметр D₃, зависящий от передаточной функции.

Предложенный комплексный критерий состояния силовых кабелей рассчитывается по итоговой формуле I_к = Δ₁D₁ + Δ₁D₁ + Δ₁D₁, в которой Δ₁, Δ₂, Δ₂ показывают весомости соответствующих параметров силового кабеля и определяются путем экспертной оценки в интервале от 0 до 1. Комплексный критерий I_к изменяется в пределах от 0 до 100%. Именно на его основе оценивается текущее состояние силовых кабелей. Если I_к не превышает 45%, то повреждения не обнаружены, можно продолжить эксплуатацию. Значение I_к от 46 до 80% свидетельствует об обнаружении повреждения, рекомендовано отремонтировать кабель либо использовать его в облегченном режиме. Уровень I_к > 81% говорит об обнаружении критического повреждения кабельной линии и необходимости ее вывода из эксплуатации.

Для комплексной оценки состояния силовых кабелей используется абсолютный показатель A_п = 1/(I_кМ_у), где М_у – потенциальный материальный ущерб в результате аварийной ситуации. Абсолютный показатель А_п можно использовать для ранжирования силовых кабелей 6 кВ с бумажной пропитанной изоляции по текущему техническому состоянию в целях разработки управленческих решений для повышения энергобезопасности промышленных предприятий.