Диагностика и мониторинг кабельных линий

Методические указания к практическим занятиям

по дисциплине «Диагностика электрооборудования систем
электроснабжения» для студентов направления подготовки 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника»,

магистерская программа «Электроэнергетика»,

очной формы обучения

 

Рекомендованы учебно-методической комиссией направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника » в качестве
электронного издания для использования в учебном процессе

 

 

Кемерово 2014

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

 

С. А. Захаров – заведующий кафедрой «Электроснабжение горных и промышленных предприятий»

 

И. Ю. Семыкина – председатель учебно-методической комиссии направления подготовки 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника»

 

 

Лебедев, Геннадий Михайлович, Алтунин, Сергей Викторович. «Диагностика и мониторинг кабельных линий»: методические указания к практическим занятиям [Электронный ресурс]: для студентов направления подготовки 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника», магистерская программа «Электроэнергетика», очной формы обучения / сост.: Г.М. Лебедев, С.В. Алтунин. – Кемерово: КузГТУ 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 8 Мб; Windows XP; (CD-ROM-дисковод); мышь. – Загл. с экрана.

 

Приведено содержание практических занятий, индивидуальные задания и примерные оценочные средства для текущего контроля (коллоквиума, контрольной работы и т. п.).

 

 

© КузГТУ

© Лебедев Е.Г.

Алтунин С.В.

составление, 2014

1. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ

 

Изучение видов повреждений, методов диагностики и мониторинга кабельных линий.

 

2. ДИАГНОСТИКА СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

 

Диагностика кабелей – это определение состояния изоляции
и гарнитур кабельных линий. На основании этого принимается решение по продолжению эксплуатации, ремонта или замены кабелей. По сравнению с испытаниями кабели почти не подвергаются нагрузке, и поэтому не возникает пробоя возможных слабых мест кабеля.

 

2.1. Польза от диагностики кабелей

 

– Можно избежать затрат при выходе из строя кабелей, если имеется информация о состоянии кабеля, основанная на диагностике.

– Определение остаточного срока службы более старых участков кабелей. Благодаря этому можно избежать новой прокладки кабеля, в которой нет необходимости.

– Экономия затрат благодаря частичной замене участков кабелей на протяженных кабельных линиях. Как показывает опыт, сильное или критическое старение часто имеет место на более протяженных кабельных линиях.

– Надежность эксплуатации и энергоснабжения могут определяться методами диагностики и испытаний при соответствующей комбинации.

– Качественное выполнение нового монтажа или ремонта муфт и концевых заделок можно проконтролировать при вводе
в эксплуатацию.

 

2.2. Проблемы, возникающие с кабелями и концевыми
муфтами

 

Ссылка на рис. 1.?

 

 

Рис. 1. Проблемы, возникающие с кабелями и концевыми муфтами

 

Для определения состояния и эксплуатационной надежности кабелей и кабельного оборудования необходимы различные методы диагностики. И лишь сочетание диэлектрической диагностики
и диагностики ЧР дает полную картину о состоянии кабельной линии.

2.3. Проблемы кабелей с изоляцией из полиэтилена (PE)
и сшитого полиэтилена (VPE)

 

Значительный эффект старения кабелей с изоляцией из РЕ/VPE вызывается возникновением и ростом водяного триинга (watertrees). Они возникают со временем под воздействием воды, тепла и напряженности электромагнитного поля. Разрастаются они постепенно и в конечном результате вследствие образования электрическихтриингов ведут к короткому замыканию и к выходу кабеля из строя. Другие эффекты старения появляются при термической перегрузке изоляции из РЕ/VPE. Влага в кабелях с дефектами оболочки особенно благоприятствует разрастанию водяных триингов. Так как водяные триинги, обусловленные физическими законами, не показывают частичных разрядов, то описанные процессы старения можно обнаружить и оценить лишь при помощи диэлектрической диагностики.

Ссылки на рисунки?

 

 

Рис. 2. Разросшийся водяной триинг в изоляции кабеля

Рис. 3. Электрический тринг ведет к пробою кабеля

2.4. Проблемы кабелей с пропитанной бумажной изоляцией

2.4.1. Вода в кабеле

 

Вследствие повреждения оболочки (отверстие из-за коррозии; трещины из-за перемещения кабеля) и обусловленный старением распад целлюлозы повышается содержание влаги в изоляции. При этом постепенно продолжает уменьшаться электрическая прочность изоляции, пока она не достигнет величины рабочего напряжения, и кабель станет уже ненадежным при эксплуатации. Срок службы таких кабелей сильно зависит от качества изготовления
и условий прокладки, так что лишь на основании технического ресурса кабеля нельзя дать какую-либо информацию о качестве изоляции. Для определения влажности необходима диэлектрическая диагностика. Частичные разряды, как показывает опыт, не появляются во влажной пропитанной бумажной изоляции.

Ссылка на рис.?

	Рис. 4. Электрическая прочность кабелей с пропитанной бумажной изоляцией как показатель срока службы: 1 – низкое; 2 – среднее; 3 – высокое качество изготовления
	Рис. 5. Коррозия внешней оболочки и точечная сквозная коррозия свинца

 

2.4.2. Высыхание

 

Вытекание пропиточной массы и недостаточная подпитка приводят к высыханию этих мест и образованию полых, наполненных газом, пространств в изоляции кабеля. Из-за уменьшенной электрической прочности в таких местах появляются частичные разряды (ЧР), которые могут привести к карбонизации бумаги
и разрушить изоляцию. Такие ЧР можно обнаружить и локализовать при помощи диагностики ЧР установкой OWTS. Часто локализация таких ЧР не показывает локальных концентраций, и вместе
с тем нет непосредственной угрозы повреждения, а имеется распределение по более протяженным участкам кабеля.

Ссылка на рис.?

 

Рис. 6. Следы ЧР в промежуточных слоях бумаги

2.5. Проблемы в муфтах и концевых заделках

2.5.1. Повреждения частичными разрядами

 

Вследствие неправильного монтажа в муфтах и концевых заделках возникают ионизируемые, наполненные газом полости и зазоры, а также участки с повышенной напряженностью электромагнитного поля, которые частично уже при номинальном напряжении приводят к частичным разрядам. Затем термические процессы деградации в муфтах с ненадлежащим образом выполненными соединениями жил могут также воздействовать на участки, где могут образоваться ЧР. Такие, поврежденные частичными разрядами места, можно обнаружить и локализовать при помощи диагностики ЧР установкой OWTS.

Ссылка на рис.?

 

Рис. 7. Повреждения частичными разрядами неправильно смонтированной муфты

2.5.2. Вода в муфтах

 

Обнаружение влажных муфт не является первостепенной задачей диагностики. Однако при диагностике эта информация является часто «вспомогательной». Влажные муфты не вызывают ЧР, но обращают на себя внимание из-за повышенного и нестабильного зарядного тока при диэлектрической диагностике участков кабеля. Как правило, в таком случае рекомендуется провести испытания напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц с последующей локализацией рефлектометром.

3. МЕТОДЫДИАГНОСТИКИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

 

3.1. Условия и подготовительная работа

 

До начала диагностики представить технику, проводящему данную диагностику, по возможности полную информацию о кабельной линии, например, длина отдельных участков, типы кабелей, срок службы кабеля, расположение муфт и их дата монтажа,
а также возможные повреждения.

 

3.2. Диэлектрическая диагностика

 

Кабели должны быть отключены и полностью разряжены. Перед началом диагностики необходимо обеспечить заземление при помощи кабеля заземления или измерительного кабеля со стороны измерения. Минимальное время заземления и короткого замыкания должно составлять 30 мин. При неблагоприятных обстоятельствах могут быть необходимы более продолжительное время короткого замыкания. Необходимо отсоединить преобразователи напряжения, почистить загрязненные концевые заделки.

При наличии элегазовых установок переключения до проведения диагностики по телефону необходимо согласовать с центром диагностики условия или необходимые подготовительные работы.

3.2.1. PE/VPE-кабели

 

Смешанные линии из участков PE- и VPE- кабелей можно диагностировать вместе. Для проведения диагностики основная жила и экран кабеля должны быть полностью отключены с обоих концов от распределительного устройства, чтобы гарантировано исключить помехи и эффекты поляризации распределительной установки.

3.2.2. Кабели с пропитанной бумажной изоляцией

 

Для проведения диагностики жилы должны быть полностью отключены с обоих концов от распределительного устройства.
В месте измерения остается подключенным металлическая оболочки/заземление подстанции. На другом конце кабеля это подключение, если можно, надо отключить от распределительной установки, чтобы исключить влияние помех на результаты измерения.

3.2.3. Смешанные линии из участков с пропитанной бумажной изоляцией и PE/VPE-кабелями

 

Согласно физическим законам на смешанных кабелях в результате диагностики возможна информация лишь о кабеле с пропитанной бумажной изоляцией. Разумеется, кабельная линия большей частью должна состоять из кабеля с пропитанной бумажной изоляцией, доля PE/VPE-кабелей должна составлять max 20 % от всей длины кабелей. Часто это имеет место при ремонте отдельных участков и вводов на подстанциях. Подготовительные работы такие же как для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.

3.3. Диагностика частичных разрядов (ЧР) при помощи OWTS

 

Для такой диагностики кабели должны быть отключены и разряжены. При наличии элегазовых установок переключения надо заранее подготовить измерительные адаптеры. Для точной локализации мест повреждения ЧР особенно важны точные схемы кабельных линий и муфт.

OWTS (OszillatingWaveTeilentladungsSystem) по каждому участку дает информацию об уровне ЧР, напряжении зажигания и гашения ЧР, а также о локализации мест повреждения с ЧР. На основании этой информации производится оценка состояния кабеля
и даются рекомендации по его дальнейшему использованию.

Краткое описание метода

Испытательный объект за несколько секунд заряжается линейно изменяющемся напряжением [пилообразным] (тип. макс.
1,7 Uo) и затем закорачивается резонансной катушкой. Возникающее таким образом осциллирующее напряжение на испытуемом образце находится лишь в течение 100 мс и не вызывает старения или повреждения кабеля.

Колеблющееся почти рабочей частоты напряжение побуждает актуальные повреждения в кабеле к частичным разрядам, которые измеряются, обрабатываются и локализуются. Обычная продолжительность трехфазного измерения составляет около одного часа, без учета времени на подготовку к измерению кабеля. За недостатком времени отчет обычно оформляется в бюро, но может быть сначала оформлен и непосредственно на месте проведения измерений.

Ссылка на рис.?

 

Рис. 8. Характеристика напряжения на кабеле (150мс) и ЧР

 

3.4. Диагностика измерения тока релаксации (IRC-анализ)

 

Результат такой диэлектрической диагностики PE/VPE-кабелей – это классификация степени старения кабеля, разделенная по группам: «новый», «состарившийся», «старый» или «критический». Дополнительно выдается прогноз о типичной остаточной электрической прочности актуального объекта измерения на основании сравнения результатов измерения с банком данных, полученным опытным путем.

 

Краткое описание метода

Кабель заряжается напряжением 1 кВ в течение 30 мин. Через 5 сек разрядки в течение 30 мин измеряется возникающий в кабеле ток релаксации. Характеристики этого тока несут информацию
о степени старения и повреждениях кабеля. Этот ток раскладывается на характерные компоненты и обрабатывается при помощи нейронного программного обеспечения.

Полная IRC-диагностика трехфазного кабеля продолжается
1 час 15 мин.

3.5. Диагностика путем измерения возвратного напряжения (RVM)

 

В результате этой диэлектрической диагностики получаем интегральную оценку влажности кабелей с пропитанной бумажной изоляцией – классификацию, которая делится на: классы: «сухая», «слегка влажная», «влажная» и «сырая». Оценивается эксплуатационная надежность и даются рекомендации по продолжению эксплуатации или по принятию каких-либо мер в отношении кабеля. Благодаря анализу измерения зарядного тока можно распознать указания на влажные муфты.

 

Краткое описание метода

Кабель заряжается зарядным напряжением приблизительно
15 мин и затем через сопротивление за несколько секунд разряжается. После этого измеряются характеристики образующегося возвратного напряжения. Эти три шага (зарядка, разрядка, измерение) для зарядных напряжений 1 кВ и 2 кВ каждый раз осуществляются автоматически один за другим. Отношение возвратных напряжений 2 кВ и 1 кВ характеризует состояние кабеля. Дополнительную информацию об общем состоянии изоляции кабеля можно получить путем измерения тока зарядки.

Обычная продолжительность автоматической диагностики составляет 2 часа 15 мин, без учета времени на подготовку к измерению кабеля.

В настоящее время немецкий холдинг SebaKMT производит целый ряд установок для измерения и локализации ЧР на напряжения от 28 до 250 кВ и установки для интегральной диагностики как универсальные, так и для конкретных типов кабельных линий.

Подобные установки все активнее используются на российских предприятиях в отраслях энергетики, нефтегазовой промышленности и металлургии.

 

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

В ходе практический занятий студент должен ознакомиться
с основными видами повреждений силовых кабельных линий
и причинами вызывающими их, а также методами диагностики
и мониторинга этих линий. Защитой данной работы является ответы на контрольные вопросы.

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое диагностика кабелей?

2. Польза от диагностики кабелей?

3. Проблемы, возникающие с кабелями и оборудованием?

4. Проблемы кабелей с пропитанной бумажной изоляцией?

5. Проблемы в муфтах и концевых заделках?

6. Методы диагностики?

7. Диагностика частичных разрядов (ЧР) при помощи OWTS?

8. Диагностика измерения тока релаксации (IRC-анализ)?

9. Диагностика путем измерения возвратного напряжения (RVM)?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Боев, М. А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 2. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса в условиях эксплуатации: Учебное пособие. / М. А. Боев
и [др.]. – СПб.: Изд-во Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов Министерства энергетики РФ, 2001. – с.?

2. Канискин, В. А. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 7. Методы испытаний и диагностики силовых кабелей: Учебное пособие. / В. А. Канискин и [др.]. – СПб.: Изд-во Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов Министерства энергетики РФ, 2003. – с.?

3. Шкляр, А. С. Будущее кабельных линий – комплексная диагностика // Кабель-News, № 5, 2009. – 21-23 с.