Анализ неразрушающих методов диагностики кабельных линий

В данной статье выполнен анализ основных методов неразрушающего контроля состояния изоляции силовых кабелей, которые наиболее часто применяются как на территории Российской Федерации, так и за рубежом. Будут рассмотрены основные принципы методов, а также преимущества и недостатки методов диагностики, таких как: измерение сопротивления изоляции, измерение емкости и диэлектрических потерь кабельной линии, измерение частичных разрядов, тепловизионный метод, измерение и анализ возвратного напряжения кабельной линии, измерения методом рефлектометрии. В статье обоснованы принципы выбора метода для выявления дефектов в кабельной линии, а также сделаны выводы о том какие методы максимально эффективно применять на практике.

Ключевые слова: неразрушающий метод диагностики кабельных линий, метод измерения сопротивления изоляции, метод измерения емкости кабельной линии, метод измерения диэлектрических потерь кабельной линии, метод тепловизионного контроля, метод измерения и анализа возвратного напряжения кабельной линии, измерения методом рефлектометрии.

In this article the analysis of the main methods of nondestructive control of a condition of isolation of power cables which are most often applied as in the territory of the Russian Federation, and abroad is made. The basic principles of methods and also advantages and shortcomings of methods of diagnostics, such as will be considered: measurement of insulation resistance, measurement of capacity and dielectric losses of the cable line, measurement of partial categories, thermovision method, measurement and analysis of returnable tension of the cable line, measurement by a scatterometry method. In article the principles of the choice of a method for identification of defects in the cable line are proved and also conclusions about volume what methods to put most effectively into practice are drawn.

Keywords: nondestructive method of diagnostics of cable lines, method of measurement of insulation resistance, method of measurement of capacity of the cable line, method of measurement of dielectric losses of the cable line, method of thermovision control, method of measurement and analysis of returnable tension of the cable line, measurement by a scatterometry method.

Для всех энергетических компаний, которые занимаются транспортировкой электрической энергии от «производителя» к «покупателю» (от генерирующих компаний к непосредственному потребителю) важной задачей является не только обеспечение сохранения энергетических ресурсов и сохранение экологии, но и гарантированное качество электроэнергии в совокупности с надежностью электроснабжения потребителя. Если транспортировка электроэнергии от генерирующих компаний к центрам нагрузок (крупным городам или производствам) возможно осуществлять, используя воздушные линии электропередач высоких напряжений, то распределение электрической энергии в городах и на крупных производствах осуществляется через кабельные линии различных напряжений (от 0,4кВ и выше, в зависимости от местных условий). Следовательно, кабельные линии являются максимально большим сегментом распределительных электрических сетей и требуют к себе более пристального внимания.

Следует отметить, что в изоляции кабельных линий могут происходить разные формы пробоя — тепловой, электрический или ионизационный. При электрическом пробое пробивная напряженность от температуры и времени воздействия напряжения на изоляцию не зависит, тогда как при тепловом пробое напряженность зависит и от длительности воздействия напряжения и от температуры. Если во время эксплуатации происходит либо ионизационный, либо электрический пробой, то при проведении испытаний кабеля высоким напряжением может происходить ионизационный или электрический пробой. Стоит отметить, что испытание повышенным напряжением приводит к усилению процесса ионизации в несколько раз, что приводит к усиленному старению изоляции, а также не дает гарантии выявления дефекта. Этот фактор дает существенное преимущество методам неразрушающего контроля (испытаний) кабельных линий, поскольку в процессе испытаний кабель не подвержен усиленному старению [1]. К основным требованиям, которые можно сформулировать для «идеальных» методов диагностики кабельных линий следует отнести:

− метод должен быть достаточно простым для использования в условиях повседневной эксплуатации, а также при проведении анализа полученных результатов проведенных испытаний;

− проводимые диагностические испытания и измерения не должны разрушать и приводить к ухудшению характеристик кабельной линии;

− метод измерений должен определять вид дефекта и местонахождение дефекта в изоляции;

− метод диагностики и измерений должен охватывать различные типы конструкций и типы изоляций кабелей.

Универсального метода, который охватывал бы все вышеперечисленные требования в купе с приемлемой стоимостью использования, на сегодняшний день отсутствуют [4], хотя работы по поиску и развитию новых методов проведения диагностики и измерений для выявления соответствующих критериев для принятия решения ведутся очень многими разработчиками.

Именно по этой причине для выявления дефектов в кабельных линиях распределительных сетей применяются специальные передвижные лаборатории, которые оборудованы приборами, позволяющими выполнять наиболее распространенные неразрушающие методы контроля состояния изоляции кабельных линий, а именно:

− измерение сопротивления изоляции;

− измерение емкости и диэлектрических потерь кабельной линии;

− измерение частичных разрядов;

− тепловизионный метод;

− измерение и анализ возвратного напряжения кабельной линии;

− измерение методом рефлектометрии (высокочастотным, импульсным).

Сравнительно не дорогой, но и весьма ощутимый для кабелей с бумажно-масляной изоляцией метод контроля однородности изоляции кабельной линии, которым, несмотря на простоту и эффективность, часто пренебрегают на многих предприятиях. При проведении замеров следует обратить внимание на явления абсорбции и поляризации, сопротивление кабеля с бумажно-масляной изоляцией при замерах должно показать низкое, а затем возрасти — это показатель нормального кабеля. При проведении испытаний методом измерения сопротивления изоляции обращать внимание стоит не только на значение полученных в результате измерений показаний сопротивления, но и на полученный в результате расчетов коэффициент абсорбции, а также следует учитывать отличия в замерах по фазам [6].

Стоит отметить тот факт, что по результатам измерений сопротивления изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь и емкости изоляции кабельной линии, выводы о наличии дефекта в кабеле можно сделать только в период, когда дефект практически полностью развился и имеет «ярко выраженные» характеристики [2]. На длительный период построить прогноз относительно ожидаемых сроков гарантированной безаварийной эксплуатации кабельной линии говорить не приходится.

Метод измерения частичных разрядов (или микроразрядов, которые возникают в местах неоднородности изоляции при рабочем напряжении) позволяет на основании проведения измерений с определением величины, интенсивности, напряжения возникновения и гашения частичных разрядов определить с достаточно высокой точностью место возникновения дефектов в кабельной линии [3]. Применение метода измерения частичных разрядов позволяет не только выявить уже развившиеся дефекты, но и места, которые потенциально опасны, при проведении регулярных измерений и анализе ранее полученных данных по конкретной кабельной линии существенно возрастает возможность своевременного выявления дефекта и устранение потенциально опасных участков при плановом ремонте (замена участка кабельной линии или ремонт соединительной муфты) [5].

Не взирая на достаточно высокую стоимость измерительных приборов и применение специализированных программ для анализа полученных данных при измерениях, данный метод очень эффективен для измерений на кабельных линиях с изоляцией из полиэтилена, однако на кабельных линиях с бумажно-масляной изоляцией практически не позволяет выявить и зафиксировать дефекты, что не позволяет считать данный метод универсальным и применимым для всех типов кабелей.

Тепловизионный метод измерения при всех своих значительных плюсах (отсутствие влияния паразитных токов, нет нужды проводить измерения и замеры многократно, компактность измерительного прибора) имеет и два существенных недостатка — анализ кабельной линии можно провести только на видимом участке и полученные результаты дают только интегральную оценку состояния кабеля и состояния изоляции в целом. Кроме того, следует указать на то, что прибор для проведения тепловизионного контроля является достаточно дорогим оборудованием, а для детального анализа данных требует еще и специализированного программного обеспечения.

Измерение возвратного напряжения в кабельной линии — это метод, при котором измеряются зависимости напряжения саморазряда и восстанавливающегося напряжения от времени [6]. Данный метод позволяет прикладывать испытательное выпрямленное напряжение, которое не превышает величины рабочего, поэтому не происходит ускоренного старения изоляции кабельной линии, метод дает возможность на основании измерений сделать вывод о степени старения кабельной изоляции и прогнозировать сроки безаварийной эксплуатации. Однако данный метод имеет существенный недостаток по длительности времени проведения измерений, поскольку в условиях разветвленных распределительных сетей энергопоставляющих компаний тратить большое количество времени на диагностику только одной кабельной линии — непозволительная роскошь.

Метод рефлектометрии имеет ряд особенностей, которые могут способствовать либо препятствовать основным требованиям проведения измерений. Метод рефлектометрии следует разделить на два основных — это высокочастотная рефлектометрия, основанная на анализе зависимости входного сопротивления кабельной линии от частоты приложенного напряжения и импульсная рефлектометрия, которая делится на три метода: простой импульс, сложный импульс и вейвлет импульс. Однако следует обратить внимание на тот факт, что полученные в результате измерения рефлектограммы очень трудно анализировать, а сложность анализа и даже малые неточности при определении коэффициента укорочения могут приводить к значительным погрешностям при определении расстояний до неоднородности изоляции в кабельной линии. Если на кабельных линиях небольшой протяженности данный метод позволяет достаточно точно определять место образования дефекта, то на кабельных линиях большой протяженности может происходить сливание отражений от неоднородностей волнового сопротивления изоляции кабельной линии. Это может привести не только к затруднению в поисках места повреждения, но и сделать вообще не возможным отыскание распределенных или высокоомных дефектов в кабельной линии.

Стоимость оборудования для проведения измерений методом рефлектометрии довольно велика, поскольку не исключена ошибка с точным определения коэффициента укорочения, а для самой реализации метода необходимо наличие помехозащищенности, т. е. использование фильтров высоких и низких частот. Применение измерительной аппаратуры повышенной точности и возможность компьютерной обработки полученных данных измерений, позволяют более точно локализовать участок изоляции кабельной линии с дефектом, но неизбежно ведет к удорожанию приборов измерения и выполнения измерений в целом.

Выводы, которые можно сделать на основании статьи по анализу существующих методов диагностики состояния силовых кабельных линий высокого напряжения следующие: на сегодняшний день нет универсального метода, который бы эффективно позволял выявлять дефекты в кабелях с различными типами изоляции. Поэтому для большинства энергопередающих компаний, которые имеют кабельные линии с различными видами изоляции, следует применять несколько методов диагностики состояния кабельных линий для сравнения полученных данных и более точного определения мест дефектов в кабельных линиях. Модернизация существующих систем контроля за состоянием кабельных линий до автоматических систем, осуществляющих контроль основных параметров состояния изоляции кабельных линий от температуры, сопротивления изоляции, перенапряжений и т. д., позволит в обозримом будущем более эффективно планировать профилактические ремонты кабельных линий и существенно повысить надежность системы электроснабжения потребителей в целом.

Литература:

1. Боев М. А. Эксплуатация силовых кабелей: Учебное пособие / М. А. Боев и др. — Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса в условиях эксплуатации. — СПб.: ФГАОУ ДПО «ПЭИПК», 2001. — 76с.
2. Канискин В. А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 7. Методы испытаний и диагностики силовых кабелей: Учебное пособие / В. А. Канискин, А. И. Таджибаев. — СПб. — ФГАОУ ДПО «ПЭИПК», 2001. — 39с.
3. Привалов И. Н. Современные методы и технические средства для испытаний и диагностики силовых кабельных линий номинальным напряжением до 35кВ включительно: Учебное пособие. — СПб.: ФГАОУ ДПО «ПЭИПК», 2008. — 82с.
4. Лебедев Г. М. Математическое моделирование локальных дефектов изоляции силовых кабелей 6–10кВ / Г. М. Лебедев, Н. А. Бахтин, В. И. Брагинский // ДонТТУ [Электронный ресурс]. — 1998. — с.23–27 — Режим доступа: http://masters.donntu.org/2009/eltf/khudchenko/library/article2.htm
5. Промышленная группа компаний МЕГА. Неразрушающий контроль и диагностика кабелей: Elec.ru [Электронный ресурс]. — 2013. — 10 апр. — Режим доступа: https://www.elec.ru/articles/nerazrushayushij-kontrol-i-diagnostika-kabelej/
6. Журнал «КАБЕЛЬ-news». Диагностика кабельных линий классов напряжения 35–110 кВ: RusCable.Ru [Электронный ресурс]. — 2011. — 29 дек. — Режим доступа: https://www.ruscable.ru/article/Diagnostika_kabelnyx_linij_klassov_napryazheniya/