Испытание и диагностика средневольтных кабелей с помощью источника синусоидального напряжения СНЧ

 

Автор: Мартин Йенни (Martin Jenny), менеджер по продукции компании BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, Зульц (Австрия) 

 

Оценка состояния кабельных систем помогает операторам средневольтных сетей более эффективно планировать их структуру и графики технического обслуживания. Технологии с использованием источника синусоидального напряжения СНЧ (сверхнизкой частоты) призваны обеспечить экономическую целесообразность и простоту интеграции диагностики кабелей в каждодневные рабочие процессы. Такой источник позволяет осуществлять испытание и диагностику кабеля, имея небольшой вес и предоставляя надежные результаты.

 

Для того, чтобы оценка состояния кабельных систем позволяла более рационально планировать инвестиции и техобслуживание, необходимо проводить диагностические измерения. Такие измерения позволяют, например, получить информацию об изменениях, вызванных старением, или о скрытых повреждениях. Поэтому перед операторами кабельных сетей, которые наряду с испытанием перед включением (испытанием кабеля) также хотят выполнять диагностические измерения, встает вопрос: как получить достоверные результаты, сведя к минимуму временные и финансовые затраты. Кроме прочего, надежность результатов измерений зависит от источника напряжения испытательного и измерительного прибора. На рынке предлагаются различные источники напряжения, например, резонансные испытательные установки частотой 50 Гц, синусоидальным напряжением СНЧ 0,1 Гц (СНЧ = сверхнизкая частота), Damped AC / установки затухающего переменного напряжения (DAC) и СНЧ Cos-Rect (косинус-прямоугольного напряжения СНЧ, также называемого «50 Hz Slope»). В данной статье объясняется, почему испытание синусоидальным напряжением СНЧ 0,1 Гц является наилучшим решением для каждодневной работы.

 
Одним из решающий аспектов является возможность использовать источник синусоидального напряжения СНЧ 0,1 Гц не только для испытания кабеля, но и для диагностических измерений. Для этого используются измерение тангенса дельта (также называемое измерением коэффициента диэлектрических потерь) и измерение на частичные разряды (далее кратко «измерение на ЧР»), см. текст в рамке. Обзор характеристик различных источников напряжения наглядно демонстрирует это.

 
Характеристики различных источников напряжения

 
Ниже приведены главные требования, предъявляемые к источнику напряжения:

• Пригодность для испытания кабелей/испытания с установленным напряжением
• Высокая точность при измерении коэффициента диэлектрических потерь
• Надежные результаты измерения на ЧР (напряжение возникновения и гашения ЧР, уровень ЧР и характеристики ЧР с разрешением по фазам) и их точная локализация
• Высокий уровень воспроизводимости для обеспечения сопоставимости результатов измерений, выполненных в разное время, и результатов измерений различных кабельных участков сети
• Возможность параллельного использования различных методов, т. е. комбинирование измерений в целях экономии времени
• Легкий вес, простота в обращении, простое подключение, легкое управление и небольшая длительность измерения

 

В таблице 1 приведено сравнение источников напряжения с учетом различных требований. В отношении испытания с установленным напряжением все предлагаемые на рынке источники напряжения как в теории, так и на практике продемонстрировали свою пригодность. Однако синусоидальное напряжение СНЧ 0,1 Гц является единственным, которое пригодно для измерения частичных разрядов и коэффициента диэлектрических потерь (тангенса дельта). Следует также учитывать зависимость от формы напряжения: для получения результатов, не зависящих от специфики кабельного участка, идеальная синусоидальная кривая (с постоянной частотой) дает преимущество. После проведения измерений с идеальной синусоидальной кривой пользователь может достоверно сравнить результаты измерения различных кабельных участков или типов муфт.

 

Таблица 1: Сравнение различных форм напряжения по различным параметрам практической пригодности

Требования	СНЧ синус	СНЧ кос.–прямоуг.	Резонансные установки с частотой 50 Гц	Установки затухающего переменного напряжения (DAC)
Испытание установленным напряжением по МЭК, VDE (CENELEC), IEEE	да	да	да	да, стандарт IEEE на стадии подготовки
Не зависящий от нагрузки испытательный сигнал	да	фаза кривой варьируется в диапазоне от 30 до 250 Гц согласно IEEE400.2 [7], фаза дозарядки варьируется в зависимости от нагрузки	испытательная частота зависит от длины кабеля	испытательная частота зависит от длины кабеля
точность измерения тангенса дельта	высокая (1*10E-4)	не предназначен для измерения тангенса дельта	высокая	средняя
чувствительность/сопоставимость результатов измерения тангенса дельта	высокая	не предназначен для измерения тангенса дельта	средняя, чувствительность ниже, чем при СНЧ	средняя, в зависимости от нагрузки
возможность локализации ЧР	да	да	да	да
уровень и структура ЧР сравнимы с измерением при 50 Гц	да	недостаточно изучен	да	да
начальное напряжение ЧР сравнимо с измерением при 50 Гц	да	недостаточно изучен	да	да
компактность источника напряжения	да	да	нет	да

 

В отношении измерения коэффициента диэлектрических потерь синусоидальное напряжение продемонстрировало показатели точности и чувствительности, превышающие даже измерение при 50 Гц. Для кабелей с полиэтиленовой изоляцией при низкой частоте (0,1 Гц) повышаются значения тангенса дельта, что позволяет лучше идентифицировать небольшое повышение тангенса дельта. С учетом таких положительных качеств частота синусоидальных колебаний 0,1 Гц уже включена в стандарты (IEEE 400.2-2013), в которых указан как уровень испытаний, так и предельные значения для различных регионов.

 

Степень пригодности различных источников напряжения для измерения на частичные разряды уже обсуждалась во множестве научных публикаций. Темой большинства таких публикаций была сопоставимость результатов измерения с результатами, полученными при измерении с рабочей частотой (50 или 60 Гц). На основании публикаций [1] – [6] можно сделать следующие выводы:

При сравнении результатов измерений шести муфт источником Cos-Rect (косинус-прямоугольного) напряжения СНЧ при напряжении 2 x U0 уровень ЧР в 5,5 раза (прибл. 5 500 пКл) превысил результаты, полученные при использовании синусоидального напряжения СНЧ при 50 Гц [6]. Результаты, полученные с использованием синусоидального напряжения СНЧ при частоте 0,1 Гц, практически идентичны результатам, полученным при 50 Гц. Высокие значения при испытании косинус-прямоугольным напряжением СНЧ означают, что в ходе измерения выработавшие большую часть эксплуатационного ресурса кабельные муфты подвергаются высокой нагрузке. Кроме того, при сравнении источников синусоидального и косинус-прямоугольного напряжения было установлено [6], что форма кривой испытательного напряжения оказывает большее значение, чем повышение уровня с 2 x U0 до 3 x U0.

 

Согласно указанным публикациям при измерении на ЧР синусоидальным напряжением СНЧ величина начального напряжения ЧР, сравнимая с измерениями частотой 50 Гц, регистрировалась в ходе испытания полевых объектов (т. е. не на искусственно подготовленных объектах/лабораторных стендах). При использовании искусственно созданных повреждений значения начального напряжения (возникновения ЧР) при измерении СНЧ иногда отличаются от значений измерений частотой 50 Гц. Отсюда следует вывод, что искусственно созданные дефекты и лабораторные испытательные объекты не предназначены для определения оптимального источника напряжения для работы в полевых условиях [4].

 

Что касается уровня и структуры ЧР (распределения значений измерения), приведенные в означенных публикациях результаты измерения синусоидальной СНЧ также сравнимы с результатами, полученными при измерении с частотой 50 Гц. Это распространяется на выработавшие большую часть эксплуатационного ресурса натяжные и термоусаживаемые муфты. Что касается локализации частичных разрядов, каких-либо существенных различий не наблюдается.

 

Сравнительное испытание, проведенное на четырех кабельных участках, имеющих в общей сложности 42 различных повреждения, с использованием источников синусоидальной СНЧ 0,1 Гц, резонансных установок с частотой 50 Гц, резонансных установок с частотой 20–400 Гц и установок затухающего переменного напряжения (DAC) показало, что ни одна из технологий не демонстрирует существенных преимуществ по сравнению с другими [2]. Согласно данным приведенных исследований однозначная зависимость между силой ЧР или начальным напряжением (возникновения ЧР) и источником напряжения не прослеживается. При выборе рассматриваемых в рамках описываемых исследований источников напряжения пользователи должны скорее руководствоваться практическими критериями, такими как выполнение поставленных задач, вес, удобство в использовании и универсальность.

 

Выводы по практическому использованию

 

Для практического использования, наряду с точностью и надежностью, следует принимать во внимание и другие аспекты. Кроме прочего, для использования в полевых условиях важны следующие критерии:

 

• Простота транспортировки и подключения измерительного оборудования
• Низкие трудозатраты и быстрое обучение
• Быстрое выполнение подключения
• Быстрое выполнение измерения
• Соотношение цена/качество
• Пригодность результатов измерений для долгосрочного планирование работ по техническому обслуживанию

 

Если принять во внимание вышеуказанные аспекты, то в источниках напряжения СНЧ можно отметить такие преимущества, как низкий вес и компактность, по сравнению с источниками напряжения с частотой 50 Гц. Поскольку источник синусоидального напряжения СНЧ можно использовать не только для испытания кабелей, но и для диагностических измерений тангенса дельта и на ЧР, перед инженерами по обслуживанию сетей открывается возможность выполнения всех необходимых измерений старых и новых кабелей с помощью лишь одного источника напряжения. По сравнению с использованием различных источников напряжения для различных испытаний/измерений использование только одного источника синусоидального напряжения СНЧ дает существенные преимущества во времени, поскольку требуется меньше подключений. Кроме того, универсальный источник напряжения позволяет параллельно использовать несколько методов испытания и измерения, например, в ходе контролируемого испытания на электрическую прочность (Monitored Withstand Test, сокращенно MWT). В ходе испытания MWT одновременно выполняется испытание и диагностика кабеля с использованием метода тангенса дельта. Поскольку для испытания MWT специалисту-метрологу необходимо лишь подключить один прибор и запустить единый комплексный рабочий процесс, он может затратив немного дополнительного времени, выполнить стандартное испытание для нового или отремонтированного кабельного участка, также получив информацию о его состоянии.

 

Сочетание испытания и диагностического измерения — метод MWT — дает следующие преимущества:

 

• Простотая подготовка и простой процесс испытания (отсутствие необходимости дополнительных подключений и овладения навыками работы по методу MWT)  Сокращение длительности испытания (например, с 60 до 15 минут), если кабель в хорошем состоянии
• Отсутствие избыточной нагрузки на кабель
• Оценка результатов в реальном времени
• Наглядное отображение состояния кабеля в виде символа «смайлик» на дисплее
• Точность результатов оценки состояния кабеля

 

Сбор дополнительной информации

 

Информация, получаемая в результате комплексного измерения коэффициента диэлектрических потерь и локального измерения на ЧР, дополняет и/или подтверждает полученные данные и таким образом дает технологам и специалистам по техническому обслуживанию электросетей больше информации и лучшие критерии для оценки состояния систем.

 

Почему важно иметь возможность выполнить как измерение коэффициента диэлектрических потерь, так и измерение на ЧР, демонстрирует следующий пример: Как правило, неисправные муфты, например, неправильно смонтированная кабельная арматура или арматура с токопроводящими кавернами, легко определяются с помощью измерения на ЧР (см. таблицу 2). Однако этот метод не работает с влажными муфтами. Согласно данному примеру (см. рис. 1 и 2, а также таблицу 3), демонстрирующему измерения, выполненные в сети Гонконга, соответствующие данные были получены благодаря методу тангенса дельта. Стандартное отклонение тангенса дельта на фазе 2, прослеживаемое на рис. 1, позволяет предположить наличие влажной муфты, однако измерение на ЧР не зарегистрировало какой-либо активности частичных разрядов (слишком высокая влажность). Испытание MWT, т. е. сочетание испытания кабеля и измерения тангенса дельта, длившееся более 15 минут, привело к тому, что муфта высохла и значения тангенса дельта заметно упали (рис. 2). Это подтвердило подозрение на влажную муфту.

Стандартное отклонение	Результат анализа	Требуемые измерения	Требуемые меры	Комментарий
< 0,010	Кабель в хорошем состоянии Водные триинги Лишь несколько ЧР	• Тангенс дельта • ЧР	Отсутствуют, поскольку состояние хорошее	Стандартное отклонение тангенса дельта невелико Нет ЧР, нет сильных ЧР
0,010–0,080	Водные триинги и ЧР Только ЧР	• Тангенс дельта • ЧР	Умеренное старение, обуславливающее водные триинги Проанализировать концентрацию ЧР	Умеренные водные триинги – срочные меры не требуются При регистрации концентрации ЧР заменить муфты
0,080–0,500	Попадание воды в муфты	Тангенс дельта Возможно, что значения ЧР не будут высоки	Данный эффект регистрируется только измерением тангенса дельта Значения ЧР занижены вследствие попадания влаги, ЧР не могут выступать в качестве критерия	Местоположение влажной муфты может быть обнаружено с помощью локализации повреждения кабельной оболочки, поскольку в зоне муфты присутствуют токи утечки Муфты, демонстрирующие низкую активность ЧР, все равно должны быть обследованы (несмотря на низкие значения ЧР)
> 0,500	высокая	не предназначен для измерения тангенса дельта	средняя, чувствительность ниже, чем при СНЧ	средняя, в зависимости от нагрузки
Entf	Entf	Entf	Entf	Entf
Entf	Entf	Entf	Entf	Entf
Entf	Entf	Entf	Entf	Entf
Entf	Entf	Entf	Entf	Entf

Таблица 2: Пример ориентировочной интерпретации стандартного отклонения тангенса дельта

STDTD	0,5*U0 (кВ)//3,5	U0 (кВ)//6,5	1,5*U0 (кВ)//10
L1	0,068	0,036	0,060
L2	4,453	2,313	9,343
L3	0,063	0,004	0,050

Таблица 3: Значения измерений к рис. 1

 

Источник напряжения для ежедневной работы

 
Около десяти лет назад специалисты электростанции Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH (сокращенно: электростанция Миттельбаден) провели сравнительное испытание метода испытания напряжением СНЧ 0,1 Гц синусоидальной формы и метода с частотой 50 Гц для измерения на ЧР на базе более 40 кабельных участков. Поскольку тогда оценки состояния на базе метода 50 Гц слишком сильно отличались друг от друга и, прежде всего, на их базе составлялись преимущественно негативные прогнозы, которые однако по сегодняшний день не привели к выходу какого-либо участка из строя, предприятие решило перейти на метод испытания напряжением СНЧ 0,1 Гц синусоидальной формы. За это время метод СНЧ-испытания хорошо зарекомендовал себя по результатам многих сотен измерений. Это было продемонстрировано диагностическими измерениями, выполненными на 240 километрах 20-киловольтной сети электростанции Миттельбаден, подразделенной на 500 участков с пропитанной бумажной изоляцией и со смешанной комплектацией.

 

Специалисты электростанции Миттельбаден выполняют диагностику таких участков напряжением СНЧ 0,1 Гц синусоидальной формы посредством измерения на ЧР, а также в течение уже 7 лет с помощью измерения тангенса дельта. По словам Вернера Брукера, руководителя эксплуатационного отдела электросети, использование обоих диагностических методов позволяет получить целостную картину старения и состояния сети. Участки, классифицируемые как опасные, в скором времени подвергаются замене. Возможность определения неисправных участков кабеля позволяет достигнуть значительной экономии, поскольку отсутствует необходимость замены всей кабельной трассы.

 

На практике измерение напряжением СНЧ показало себя в качестве пригодного для пусконаладочных испытаний новых и модернизированных кабельных систем. Оно дает возможность точно определить местоположение повреждений, а в будущем, благодаря одновременному измерению на ЧР, также регистрировать повреждения кабельной арматуры, что позволяет свести к минимуму объем работ по устранению повреждений (или ошибок при монтаже) и по техническому обслуживанию (земляные работы).

 
По мнению г-на Брукера значительным преимуществом источника синусоидального напряжения СНЧ является его малый вес и практичность в повседневной работе. Оборудование, работающее на частоте 0,1 Гц, может транспортироваться и эксплуатироваться всего одним сотрудником, что абсолютно невозможно в случает использования 50-герцовых установок.

 
Использование мобильной электротехнической лаборатории с двумя сотрудниками требуется лишь в редких случаях, поскольку для большинства кабельных участков достаточно одного портативного измерительно-испытательного прибора. Таким образом, мобильная электротехническая лаборатория требуется в среднем лишь для каждого седьмого измерения.

 
Для электростанции Миттельбаден использование 0,1-герцовой СНЧ-технологии позволяет значительно сэкономить расходы: измерения легко и быстро выполняются одним сотрудником. Благодаря сокращению времени подключения и измерения, а также количества требуемого персонала в год удается проверить относительно много кабельных участков. Если состояние линии или участка было оценено как критическое, на ближайшее будущее планируется его ремонт или замена. Таким образом обеспечивается целевое использование предусмотренного на техническое обслуживание бюджета. Благодаря информации о слабых местах сети и ориентированному на реальное состояние техобслуживанию удалось, несмотря на рост общей протяженности средневольтной сети, добиться снижения количества аварий с одновременной оптимизацией расходов.

 
Плановые расходы на техническое обслуживание на электростанции Миттельбаден составляют около 4 млн евро, при этом 2,5 млн приходятся на распределительную сеть. Расходы на диагностику кабелей на данный момент составляют 90 000 евро в год.

 
На основании сравнительных испытаний, проведенных до приобретения СНЧ-оборудования, г-н Брукер теперь может понять, насколько велика разница в результатах, получаемых с помощью источников синусоидального напряжения СНЧ 0,1 Гц и напряжения 50 Гц.

 
На практике же вопрос перехода на 50-герцовые технологии давно уже не стоит, поскольку сотрудники электростанции Миттельбаден очень хорошо освоили измерение синусоидальным напряжением СНЧ 0,1 Гц и его интерпретацию, благодаря чему способны с большой долей вероятности классифицировать кабельные участки. Благодаря накопленному опыту прогнозы насчет того, подвержен ли участок в ближайшем будущем или в среднесрочной перспективе угрозе выхода из строя, также удаются с относительно высокой степенью точности, что позволяет правильно расставлять приоритеты в работах по техническому обслуживанию.

 

Вывод

 
Источник синусоидального напряжения СНЧ дает возможность выполнять испытание и диагностику кабельного участка в присутствии только одного сотрудника и с использованием портативного оборудования. Идеальная, независимая от нагрузки синусоидальная форма показала свои преимущества в тех случаях, когда важен высокий уровень воспроизводимости и сопоставимости результатов измерений. Таким образом, быстро выполняемая диагностика дает следующие преимущества:


• Целевое использование денежных средств на работы по техобслуживанию
• Экономия затрат благодаря идентификации неисправных кабельных участков
• Низкое количество случаев выхода из строя
• Положительное влияние на соотношение затрат к количеству случаев выхода из строя
• Качество новых кабельных участков (обнаружение ошибок монтажа до возможного выхода из строя)

 

Источники

 
[1] The Use of the 0,1 Hz Cable Testing Method as Substitution to 50 Hz Measurement and the Application for PD Measuring and Cable Fault Location; M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

 
[2] Jicable 11 – Investigation of the Technologies for Defect Localization and Characterization on Medium Voltage Underground Lines; G. Maiz (Iberdrola Distribución, Spain)

 
[3] New Studies on PD Measurements on MV Cable System at 50 Hz and Sinusoidal 0,1 Hz (VLF) Test Voltage; K. Rethmeier, P. Mohaupt, V. Bergmann, W. Kalkner, G. Voigt

 
[4] Partial Discharge Measurements on Service Aged Medium Voltage Cables at Different Frequencies; G. Voigt, P. Mohaupt

 

[5] VLF-TE Messungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel (Abschlussbericht); G. Voigt

 

[6] Grundlagenuntersuchung zum Teilentladungsverhalten in kunststoffisolierten Mittelspannungskabeln bei Prüfspannungen mit variabler Frequenz und Kurvenform, D. Pepper

 

[7] IEEE 400.2-2013 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)