Испытание повышенным напряжением силового кабеля: Испытание кабелей повышенным напряжением

Испытание кабелей повышенным напряжением

Оглавление

В соответствии с ПУЭ, ПТЭЭП, СНиП и другими нормативно-техническими документами, все кабельные линии с номинальным рабочим напряжением более 1 кВ подвергают испытанию повышенным напряжением. Периодичность таких испытаний кабеля зависит от класса напряжения, типа изоляции, срока эксплуатации, способа монтажа, наличия видимых дефектов. Обязательно подвергают испытаниям вновь вводимые в эксплуатацию кабельные линии, которые прошли капитальный ремонт, а также периодически через определенные промежутки времени.

Испытание кабельных линий с номинальным напряжением до 1 кВ проводят при помощи мегомметра на напряжение 2500 В на протяжении 1 минуты. В этом случае осуществляют замеры величины сопротивления изоляции между токоведущими жилами и заземленной оболочкой, отдельно между каждой жилой. Методика испытания изоляции кабельной линии на более высокое напряжение предполагает использование мегомметра в качестве вспомогательного инструментария. С его помощью определяют явные дефекты в виде обрыва целостности токопроводящей жилы, пробой и другие виды повреждений электрической изоляции. Основным видом контроля таких изделий является испытание изоляции повышенным напряжением. Его выполняют с использованием выпрямленного напряжения или напряжения промышленной частоты.

Зачем проводить испытание кабеля повышенным напряжением

Во время монтажа и последующей эксплуатации на кабельную линию могут воздействовать различные негативные факторы внешней среды:

• резкие колебания температуры;
• изгиб кабеля более разрешенного радиуса;
• сдвиг почвы и механические удары;
• длительная работа в режиме токовой перегрузки.

Высоковольтные испытания кабеля позволяют создать в его изоляции повышенную напряженность электрического поля. Это дает возможность выявить дефекты, которые невозможно диагностировать другими методами контроля. Для определения электрической прочности изоляции еще не придумали более точного и простого метода, чем высоковольтные испытания. Характеристика электрической прочности изоляции зависит от длительности приложения повышенного напряжения, скорости его подъема, наличия тепловых, механических воздействий на кабель в процессе монтажа или эксплуатации. Благодаря проведению таких испытаний можно качественно контролировать состояние изделия и своевременно проводить его ремонт. Результатом будет длительная и безотказная работа на протяжении всего заявленного производителем срока эксплуатации.

Нормы испытаний кабельных линий

Нормативные значения величины испытательного напряжения и времени его приложения изложены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) и Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП).

Для силовых кабелей, проложенных по воздуху, которые имеют всего одну токоведущую жилу с пластмассовой изоляцией и кабелей с изоляцией из резины на напряжение до 1 кВ, испытания не проводят. Продолжительность испытаний для изделий с пластмассовой или бумажно-масляной изоляцией  с номинальным напряжением до 35 кВ включительно, составляет десять минут. Для кабелей с резиновой изоляцией с номинальным рабочим напряжением от 3 до 10 кВ длительность испытаний оставляет пять минут. Кабели с номинальным напряжением 110 – 500 кВ испытывают на протяжении пятнадцати минут.

Испытание кабельных линий повышенным напряжением сопровождается контролем над величиной тока утечки через изоляцию. На основании полученных данных для каждой токоведущей жилы рассчитывают коэффициент асимметрии, который равен отношению максимального значения тока утечки к его минимальному значению. Нормы испытаний подробно изложены в ПУЭ:

Силовые кабели должны иметь стабильное значение тока утечки, который во время проведения испытаний должен уменьшаться. Если этого не происходит, величина тока утечки нестабильна или увеличивается, тогда испытание проводят до обнаружения дефекта, но не более 15 минут.

Подготовка к испытанию и техника безопасности

Испытание силового кабеля повышенным напряжением сопровождается высокой потенциальной опасностью для персонала и испытываемого электрооборудования. По этой причине методика испытания кабеля повышенным напряжением четко регламентирует последовательность всех действий и мероприятий, связанных с охраной труда и техникой безопасности. Основными требованиями при проведении таких работ являются:

1. К работе допускаются только совершеннолетние лица, которые прошли медицинский осмотр и периодическую проверку знаний по электробезопасности.
2. Оформление работ нарядом-допуском. Весь персонал, который принимает участие в высоковольтных испытаниях, должен пройти соответствующий инструктаж.
3. Подготовка рабочего места. Кабель отключается от электрической сети, а все его металлические элементы, на которые не предусмотрена подача повышенного напряжения, подлежат заземлению.
4. Перед подключением испытательного оборудования, все металлические части кабеля ненадолго заземляют для удаления остаточного заряда.
5. Перед подачей повышенного напряжения кабельную линию осматривают на наличие визуально определимых дефектов.
6. Отрицательная температура окружающего воздуха является противопоказанием к проведению высоковольтных испытаний. Если температуры воздуха составляет 0 ⁰С или ниже, тогда испытания кабеля повышенным напряжением проводят исключительно в аварийных случаях.
7. Перед подачей высокого напряжения токоведущие жилы обязательно проверяют при помощи мегомметра целостность жил, сопротивление изоляции между фазами и металлической оболочкой.
8. Все используемые диэлектрические средства защиты должны иметь отметку с проверкой их пригодности и проходят предварительный визуальный осмотр перед применением.

Как проходит процесс испытаний

Испытание кабеля повышенным напряжением проводят с использованием постоянного тока. Это позволяет использовать негромоздкие мобильные установки с большой мощностью. Частичные разряды в этом случае развиваются очень слабо, потери активной мощности являются минимальными и тепловыделение практически отсутствует. Непосредственно перед проведением высоковольтных испытаний и после их проведения обязательно проверяют сопротивление электрической изоляции при помощи мегомметра с напряжением на 2,5 кВ.

Для увеличения эффективности работы персонала и сокращения трудоемкости проводимых операций, допускается проводить испытание кабелей без их отсоединения от системы сборных шин. Изделия, проложенные в грунте, проверяют в летний период года. В случае пробоя будет значительно проще раскопать место с дефектом и провести ремонтные работы. Для подачи повышенного напряжения применяют специальные высоковольтные выпрямительные установки стационарного, переносного или передвижного типа. Конструкция испытательных установок включает: трансформатор, выпрямитель, пульт управления. Ток утечки контролируют через миллиамперметр, который подключен к вторичной обмотке трансформатора.

Методика испытания кабеля повышенным напряжением

1. Поочередно проверить изоляцию всех токоведущих жил друг относительно друга и по отношению к металлической заземленной оболочке с помощью мегомметра на напряжение 2500 В.
2. Подключить токоведущую жилу к выводу испытательной установки, металлический экран и броню заземлить. Если кабель имеет другие токоведущие жилы, их также необходимо заземлить.
3. С противоположной стороны кабеля выполнить разводку оголенных концов на расстояние порядка 150 мм.
4. Методика измерений предполагает плавное постепенное увеличение испытательного напряжения со скоростью порядка 1 кВ в секунду.
5. После достижения необходимого значения величины напряжения начинают отсчет времени и фиксируют значение тока утечки.
6. После завершения замеров регулировочная ручка устанавливается в нулевое положение, отключается питание от испытательной установки, включается блокировка от случайной подачи напряжения на кабельную линию, высоковольтный вывод обязательно заземляется.
7. После выполнения всех профилактических и защитных мероприятий допускается приступить к разборке схемы испытаний.

Если изоляция кабельной линии выполнена из сшитого полиэтилена, тогда такое изделие не испытывают выпрямленным током по причине возможного скопления большого количества объемных зарядов в толще изоляции. Такие изделия проверяют с помощью переменного напряжения низкой частоты, что позволяет исключить образование объемного заряда.

Схемы испытаний

В указанной схеме приведен пример подключения испытательной установки АИД-70, которая обеспечивает приложение переменного напряжения величиной до 50 кВ или напряжения постоянного тока с величиной до 70 кВ. При использовании измерительного оборудования других типов схема подключения силового кабеля принципиально не изменится.

Испытание грозовыми импульсами

Испытание электрооборудования с помощью грозовых импульсов строго регламентируется ГОСТ 1516.3 – 96. Испытание силового кабеля проводят стандартным грозовым импульсом с фронтом 1,2 мкс и длительностью до полуспада 50 мкс. Такой вид контроля параметров изоляции значительно отличается от стандартного напряжения с промышленной частотой 50 Гц. Испытания грозовыми импульсами характеризуются более крутой вольт-амперной характеристикой.

Испытание оболочки СПЭ-кабеля

Кабель из сшитого полиэтилена на напряжение 110 – 500 кВ не испытывают постоянным напряжением в связи со значительным сокращением его срока службы при таких проверках. Для решения этой проблемы используют контроль с помощью повышенного напряжения синусоидальной формы с низкой частотой (0,01 – 0,1 Гц). В этом случае время испытаний может достигать одного часа. Такой метод испытаний широко используется в США, где получил название VLF (Very Low Frequency). Действующие нормативно-правовые акты РФ никоим образом не нормируют испытания повышенным напряжением для кабельных изделий на напряжение 110 – 500 кВ с изоляцией из СПЭ. Основными видами проверок в этом случае будут рекомендации завода-изготовителя.

Оболочка кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, вследствие различных механических воздействий, может повреждаться. Если своевременно и быстро не устранить этот дефект основная изоляция токоведущих жил быстро потеряет свои защитные свойства. Нормы испытания кабеля СПЭ, а именно его оболочки включают следующие требования:

Проверку оболочки кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена осуществляют в следующих случаях:

• Перед вводом кабеля в эксплуатацию.
• После ремонта кабеля.
• Периодически в процессе эксплуатации, первый раз через 2,5 года, а далее каждые 5 лет.
• После проведения раскопок в охранной зоне конкретного кабеля.

Для выполнения проверки кабелей СПЭ используют специализированное диагностическое оборудование, адаптированное для проверки таких кабельных линий.

Проведение испытаний промышленной частотой распределительных устройств

Испытание кабеля повышенным напряжением промышленной частоты проводят для кабельных линий на напряжение 110 кВ – 500 кВ. Этот вид проверки заменяет собой испытания с помощью выпрямленного тока. Величина испытательного напряжения в этом случае составляет 145 кВ для кабелей на напряжение 110 – 220 кВ, 288 кВ для кабельных линий на напряжение 220 – 500 кВ. Продолжительность таких испытаний составляет пять минут.

Испытание силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией

Испытание кабеля с пропитанной бумажной изоляцией повышенным напряжением характеризуется своими особенностями:

1. При наличии токопроводящего экрана проводят его гальваническое соединение с оболочкой.
2. Сначала подают испытательное напряжение величиной 40% от требуемого, после чего постепенно доводят его до требуемого значения.
3. Если повышение испытательного напряжения проводят плавно, тогда скорость его подъема должна составлять не более 1 кВ в секунду. Если регулирование осуществляют ступенчато, тогда скорость подъема за один раз должна составлять не более 5% от полного значения.

Высоковольтные испытания обязательно проводят перед вводом КЛ в эксплуатацию, что обеспечивает надежную и стабильную работу электрооборудования. Систематические проверки кабельных линий с пропитанной бумажной изоляцией высоким напряжением совмещают с визуальным осмотром, проверкой сопротивления изоляции.

Периодичность проведения проверки

Нормы испытания кабеля повышенным напряжением включают следующие требования периодичности для изделий на напряжение 6 – 35 кВ:

• Вновь уложенные перед включением, перед засыпкой, после перекладки.
• Эксплуатируемые кабели после ремонта, по графику планово-предупредительного ремонта, внепланово после аварийных ситуаций.

Кабельные линии с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение 6 – 35 кВ испытывают повышенным напряжением со следующей периодичностью:

• Один раз в год для КЛ, питающих особо ответственные объекты.
• Один раз в три года для КЛ, питающих всех остальных потребителей.
• Один раз в пять лет для распределительных КЛ.

Допускается не проводить испытания для кабельных линий, которые подлежат выводу из работы в ближайшие пять лет или являются выводами из ТП, РП на воздушные линии электропередач.

Изделия с изоляцией из сшитого полиэтилена проверяют повышенным напряжением после каждого ремонта и перед вводом в эксплуатацию. Защитные оболочки таких кабелей дополнительно проверяют после проведения раскопок в охранной зоне КЛ и периодически один раз в 5 лет (первый раз через 2,5 года).

Оформление результатов испытаний в виде протокола (пример)

Протокол испытания кабеля представляет собой технический отчет о проделанной работе. Он подтверждает работоспособность проверяемого электрооборудования и возможность его дальнейшей эксплуатации. Проверка действующих кабельных линий позволяет исключить их пробой во время эксплуатации, что может вызвать длительный перерыв в электроснабжении потребителей. Информация из протокола испытаний кабеля может использоваться для отслеживания состояния изоляции и прогнозирования его дальнейшего состояния.

В состав протокола включают следующие данные:

• Техническая информация: марка, сечение, номинальное напряжение.
• Описание кабельной линии: длина, место прокладки.
• Результаты измерений по каждой фазе.
• Сведения относительно испытаний муфт и оболочки.
• Данные об испытательном оборудовании с указанием заводского номера.
• Заключение специалиста, который выполнял измерения.
• Состояние погодных условий: температура и уровень влажности окружающего воздуха.
• Ссылки на официальные документы, на основании которых проводились испытания и измерения.
• Подпись лица, ответственного за проведение измерений, указание его должности и группы по электробезопасности.
• Номер лицензии компании, которая проводит высоковольтные испытания.

Полезная информация — Технадзор 77

Испытания разъединителей

Высоковольтное электрооборудование должно монтироваться и эксплуатироваться, согласно регламентным требованиям ПУЭ. Во избежание короткого замыкания или наступления других аварийных ситуаций, в электроустановочные изделия интегрируются защитные детали, обеспечивающие своевременное размыкание цепи. Для обеспечения безопасной работы кабельной линии и включённых в неё периферийных устройств, требуются периодические испытания разъединителей.    Когда неоходимо проводить испытание разъединителей Испытание разъединителей на высоковольтной…

Испытания высоковольтных выключателей

Высоковольтные выключатели являются одними из самых важных элементов электроустановочных изделий. От их корректной работы зависит своевременное обесточивание высокотехнологичных устройств, функционирующих под высоким напряжением, а также такие возможность оперативного переключения режимов их работы. Согласно требованиям ПУЭ, во время пуско-наладки электрооборудования проводятся регламентные испытания высоковольтных выключателей. Замеры сопротивления изоляции Для безопасной эксплуатации кабельной линии и периферийных устройств,…

Испытание воздушных выключателей

Эксплуатация высоковольтной кабельной линии сопровождается возникновением большого количества внештатных ситуаций. Во избежание выхода электрооборудования из строя, в цепь включаются автоматические защитные устройства, которые обеспечивают её своевременное размыкание, в случае наступления аварии или кроткого замыкания. Для обеспечения бесперебойной работы систем защиты, согласно требованиям нормативной документации, проводится испытание воздушных выключателей. Необходимость испытания воздушных выключателей Испытание воздушных выключателей…

Измерение сопротивления грунта

Каждая силовая кабельная линия и включённые в неё периферийные устройства должны быть заземлены для обеспечения безопасной эксплуатации инженерной сети. Измерение сопротивления грунта регламентируется действующими нормативами. Обследование позволяет определить глубину заложения заземлителей, расстояние между тоководами, а также выполнить обязательные требования безопасности, соблюдение которых необходимо для нормальной эксплуатации электрооборудования. Определение удельного электрического сопротивления грунта в полевых условиях…

Эксплуатационные испытания электроустановок

Эксплуатация высоковольтного электрооборудования и кабельных линий накладывает на балансодержателя и владельца инженерной сети большую ответственность. Каждый элемент безопасности должен быть исправен и срабатывать при наступлении внештатной ситуации в любое время. Со временем, часть оборудования может выйти из строя или работать некорректно. Чтобы этого не произошло, в соответствии с требованиями ПУЭ, назначаются периодические эксплуатационные испытания электроустановок….

Осмотр трасс кабельных линий

Эксплуатация высоковольтных кабельных линий, как правило, подразумевает риск механического повреждения, окисления контактов и других нарушений, что может привести к негативным последствиям. Согласно нормативным требованиям, во избежание возникновения аварийной ситуации, во время эксплуатации электрооборудования требуется профилактический осмотр трасс кабельных линий. Для чего нужно проводить осмотр трасс кабельных линий Периодическое плановое обследование кабельных линий проводится для достижения…

Испытание вакуумных выключателей повышенным напряжением

Защитные системы играют важнейшую роль в обеспечении безопасности при эксплуатации высоковольтного оборудования. Автоматические размыкатели цепи своевременно прекращают подачу напряжения на токопроводящих жилах, что позволяет избежать выхода высокотехнологичных приборов из строя и наступления аварийных ситуаций. Для обеспечения нормальной работоспособности электроустановочных изделий, согласно требованиям ПУЭ, назначается профилактическое испытание вакуумных выключателей повышенным напряжением. Цель проведения испытания Регламентное испытание…

Периодичность проверки УЗО

Устройства защитного отключения являются важнейшими элементами силовой кабельной сети. Приборы обеспечивают безопасность во время эксплуатации электрооборудования, своевременно размыкая цепь при возникновении короткого замыкания или наступления аварийной ситуации. Для предотвращения сбоев в работе автоматов, необходимо обеспечить регламентную периодичность проверки УЗО. Когда необходимо проводить проверку Периодичность проверки УЗО в электроустановках регламентируется требованиями нормативной документации. Контроль работоспособности дифференциальных…

Приёмка строительных работ

Возведение объекта капитального строительства сопровождается многочисленными инженерными решениями и монтажными операциями. Каждый вид работ разбивается на этапы, которые выполняются силами структур генподрядчика или привлечённых организаций. По завершении монтажа ответственных конструкций или прокладки инженерных сетей, назначается комиссия, которая осуществляет приёмку строительных работ. Приемка фактически выполненных работ Оформление приёмосдаточного акта производится после контроля качества работ в строительстве….

Что должен знать технадзор

В обязанности технадзора на площадке строительства входит инспекция качества работ, своевременное выявление или предотвращение нарушений, а также оформление исполнительной документации по факту приёмки каждого этапа монтажа. Технический надзор является штатным сотрудником службы заказчика и представляет интересы инвестора капстроительства. К данному исполнительному органу предъявляются требования по наличию диплома о высшем профильном образовании и удостоверения о прохождении…

Методика испытания повышенным напряжением

Электроустановочные изделия и силовое оборудование относятся к инженерным системам, эксплуатация которых неизменно сопряжена с повышенной опасностью. Перед вводом в эксплуатацию, кабельная проводка с включёнными в неё приборами и распределительными щитками должна подвергаться ряду тестов. Одними из наиболее уязвимых частей электроустановочных изделий являются кабели, которые могут подвергаться воздействию грозовых разрядов. Сечение токопроводящей жилы должно быть подобрано…

Нормативы и методические указания к проведению электротехнических испытаний АВР

Стабильность работы электрооборудования во многом зависит от бесперебойного электроснабжения. Когда основная сеть выходит из строя, в силовой кабельной цепи предусматривается АВР – автоматический ввод резерва. В соответствии с требованиями ПУЭ, любая электроустановка должна подвергаться тестированию перед вводом в эксплуатацию. Это гарантирует её безопасную и бесперебойную эксплуатацию. Испытание устройств АВР регламентируется требованиями нормативной документации и является…

Замер сопротивления заземления

Заземление – один из важнейших элементов безопасности в любой электроустановке. При наличии заземляющего кабеля с минимальным сопротивлением практически полностью исключается опасность поражения человека электрическим током. Чтобы оборудование работало исправно, перед вводом его в эксплуатацию, проводится измерение сопротивления заземления, численная характеристика которого не должна превышать максимально допустимые значения по ПУЭ. Как работает заземляющее устройство Принцип действия…

Образец оформления протоколов и технического отчета по электроизмерениям

Электроустановочные изделия относятся к оборудованию, эксплуатация которых сопряжена с повышенной опасностью для человека. В связи с этим, действующие нормативы регламентируют периодичность проведения проверок и испытаний любых элементов кабельной сети. Каждое обследование проводится, в соответствии с определённым алгоритмом и применением метрологических приборов. По результатам любого испытания составляется официальный документ – технический отчет электролаборатории, в котором полученные…

Проверка релейной защиты, автоматики и телемеханики

Современные силовые и слаботочные линии, смонтированные на жилом, общественном или производственном объекте, оснащаются системами релейной защиты, автоматизации и диспетчеризации для возможности удалённого контроля их работоспособности. Оборудование относится к высокотехнологичным установкам и может дать сбой, что нередко вызывает непредсказуемые последствия. Чтобы избежать чрезвычайных ситуаций, регламенты предписывают проведение периодической проверки релейной защиты и автоматики. Назначение и область…

Испытательное напряжение кабеля СНЧ Стандарт IEEE

5.1.1 Параметры испытаний на выдерживаемое напряжение переменного тока СНЧ

Целью испытаний на выдерживание является проверка целостности испытуемого кабеля. Если испытательный кабель имеет дефект, достаточно серьезный при выдерживаемом испытательном напряжении, в изоляции возникнет электрическое дерево, которое будет расти. Начало электрического дерева и время роста канала зависят от нескольких факторов, включая испытательное напряжение, частоту и амплитуду источника, а также геометрию дефекта. Чтобы электрическое дерево от кончика иглы в PE-изоляции в лабораторных условиях полностью проникло в изоляцию в течение продолжительности испытания, были установлены испытательные уровни переменного напряжения СНЧ и продолжительность испытаний для двух наиболее часто используемых источников испытательного напряжения, косинусоидального -прямоугольная и синусоидальная формы волны. Однако время до отказа будет варьироваться в зависимости от типа изоляции, такой как полиэтилен, бумага и резина. Таким образом, скорость роста электрического дерева не одинакова для всех материалов и дефектов.

Уровни напряжения (установка и приемка) основаны на наиболее часто используемых во всем мире практиках от менее 2 U0 до 3U0, где U0 — номинальное среднеквадратичное напряжение между фазой и землей, для кабелей с номинальным напряжением от 5 кВ до 69 кВ. Уровень эксплуатационных испытаний составляет около 75% от уровня приемочных испытаний. Можно уменьшить испытательное напряжение еще на 20 %, если напряжение прикладывается в течение более длительного времени (Бах [B2]; Баур, Могаупт и Шлик [B6]; Крефтер [B27]). Доказательства (Hernandez-Mejía, et al. [B21]) показывают, что повышение напряжения выше 3U0 для компенсации сокращения циклов испытаний (времени) не воспроизводит характеристики ни при испытаниях, ни в эксплуатации по сравнению с более низкими напряжениями и более длительными испытаниями.

В таблице 3 перечислены уровни напряжения для испытаний экранированных силовых кабельных систем на устойчивость к СНЧ с использованием косинусно-прямоугольных и синусоидальных сигналов (Бах [B2]; Игер и др. [B9]; Крефтер [B27]; Мох [B28]). Для синусоидального сигнала среднеквадратичное значение составляет 0,707 от пикового значения при условии, что гармонические искажения составляют менее 5%. Предполагается, что среднеквадратичное и пиковое значения косинусно-прямоугольного сигнала равны. Следует отметить, что может потребоваться добавление концевых заделок, чтобы избежать перекрытия при монтажных испытаниях кабелей с номинальным напряжением выше 35 кВ. Относительно времени тестирования:

Рекомендуемое минимальное время испытаний для простого испытания на выносливость старых кабельных цепей составляет 30 минут при частоте 0,1 Гц (Гудвин, Отьен и Пешель [B13]). Если цепь считается важной, например, фидерные цепи, то следует рассмотреть возможность увеличения времени тестирования до 60 мин при частоте 0,1 Гц (Hampton, et al. [B19].

Рекомендуемое минимальное время тестирования для установки и /или приемо-сдаточные испытания новых кабельных цепей составляют 60 мин при частоте 0,1 Гц

Время испытания в диапазоне 15–30 мин может рассматриваться, если контролируемая характеристика остается стабильной в течение не менее 15 мин и не происходит отказов.  Следует отметить, что рекомендуемое время испытания на выдерживаемость составляет 30 мин.

Приемочные и эксплуатационные испытания электрических силовых кабелей среднего напряжения

С течением времени и старением кабельной системы объемная диэлектрическая прочность системы ухудшается. Во время этого процесса старения артефакты, такие как водяные деревья, расслоение, пустоты и коррозия экрана, увеличивают местное напряжение, воздействующее на кабель во время нормальной работы. Точный способ снижения прочности устройства зависит от многих факторов, включая напряжение, термические нагрузки, методы обслуживания, возраст системы, технологию и материалы кабельной системы, а также окружающую среду.

По мере роста требований к надежности были разработаны методы тестирования, которые могут обеспечить лучшую индикацию целостности кабелей, сращиваний и концевых заделок. Чтобы эффективно использовать эти методы, оператор должен понимать механизмы старения и выхода из строя кабельных систем.

Варианты тестирования кабелей

За прошедшие годы появилось несколько методов и/или подходов к тестированию подземных силовых кабелей в полевых условиях. Комитет по изолированным проводникам IEEE Power & Energy Society разделил эти методы или принципы на две основные категории: полевые испытания типа 1 и полевые испытания типа 2.

Испытания типа 1 предназначены для обнаружения дефектов изоляции кабельной системы с целью повышения эксплуатационной надежности после удаления дефектной части и выполнения соответствующего ремонта. Эти испытания обычно осуществляются приложением умеренно повышенного напряжения к изоляции в течение заданного периода времени. Такие тесты классифицируются как пройдено/не пройдено. Испытания типа 1 включают:

• Устойчивость к постоянному току: IEEE 400.1, Руководство по полевым испытаниям многослойных диэлектриков, экранированных силовых кабельных систем с номинальным напряжением 5 кВ и выше и высоким напряжением постоянного тока
• Устойчивость к СНЧ: IEEE 400.2, Руководство по полевым испытаниям экранированных систем силовых кабелей, использующих очень низкие частоты (СНЧ)
• Высокопотенциальная частота питания: Обычно это считается заводским, а не полевым испытанием.

Испытания типа 2 предназначены для выявления признаков износа системы изоляции; следовательно, они называются диагностическими тестами. Тесты типа 2 включают:

• Коэффициент рассеяния (тангенс дельта) Тестирование: IEEE 400.2, Руководство по полевым испытаниям экранированных силовых кабельных систем, использующих очень низкие частоты (ОНЧ)
• Частичный разряд: IEEE 400. 3, Руководство по испытаниям экранированных систем силовых кабелей на частичный разряд в полевых условиях
• Затухающий переменный ток: IEEE 400.4, Руководство по полевым испытаниям экранированных силовых кабельных систем с номинальным напряжением 5 кВ и выше с затухающим напряжением переменного тока (DAC)

Испытание высоким напряжением постоянного тока (постоянным током)

В течение многих лет испытание высоким напряжением постоянного тока было традиционно общепринятым методом оценки работоспособности кабелей среднего напряжения. Испытания постоянным током хорошо зарекомендовали себя при проведении испытаний высокого потенциала и оценки состояния кабеля с бумажной изоляцией и свинцовым покрытием (PILC). Когда в 1960-х годах впервые были представлены кабели с пластиковой изоляцией, предпочтительным методом оставался постоянный ток.

Шло время, кабели с пластиковой изоляцией становились все более распространенными, и их срок службы начал проявляться. Постоянный ток продолжал оставаться доминирующим тестом, но начали расти опасения по поводу эффективности этого теста. В начале 19В 90-х годах начали появляться отчеты, указывающие на то, что испытания с высоким потенциалом постоянного тока могут быть причиной скрытых повреждений экструдированной изоляции кабелей среднего напряжения (сшитый полиэтилен и этиленпропиленовый каучук). Получив эти отчеты, Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) профинансировал исследование (отчет EPRI TR-101245), связанное с кабелями из сшитого полиэтилена (XLPE) и этилен-пропиленового каучука (EPR), в результате которого были сделаны три заключения относительно кабеля из XLPE:

1. Испытание кабеля с высоким потенциалом постоянного тока, подвергнутого старению в полевых условиях, сокращает срок его службы.
2. Испытание кабеля с высоким потенциалом постоянного тока, подвергнутого старению в полевых условиях, обычно увеличивает рост водяного дерева.
3. Испытание высоким потенциалом постоянного тока перед подачей питания на новый кабель среднего напряжения не приводит к сокращению срока службы кабеля.

Текущие версии большинства отраслевых рекомендаций больше не включают испытания экструдированных кабелей (сшитого полиэтилена и этиленпропиленового каучука) высоким потенциалом постоянного тока в качестве эксплуатационных испытаний. Из тех, кто все еще делает, все сократили рекомендуемую продолжительность теста с 15 минут до всего лишь 5 минут. Ни один из них не поддерживает испытания высоким потенциалом постоянного тока в качестве заводских испытаний для экструдированных кабелей, но большинство документов по-прежнему включают испытания высоким потенциалом постоянного тока в качестве приемочных испытаний вновь установленного экструдированного кабеля. Эти отраслевые рекомендации и руководства также больше не поддерживают испытания высоким потенциалом постоянного тока в качестве эксплуатационных испытаний для экструдированных кабелей, находящихся в эксплуатации более пяти лет.

Испытания с высоким потенциалом, проводимые на частоте сети

Как полевые испытания, испытания на частоте сети имеют серьезный недостаток: при повышенных уровнях напряжения для испытательных установок требуются тяжелые, громоздкие и дорогие трансформаторы. Портативные испытательные комплекты переменного тока с высоким потенциалом и частотой промышленной частоты используются во всем мире для полевых испытаний вакуумных баллонов, распределительных устройств, реклоузеров, автоматических выключателей и т. д. Эти устройства обычно имеют мощность от 3 до 7 кВА, они портативны и экономичны для этих приложений. .

Причина, по которой для тестирования кабелей требуются большие трансформаторы, связана с емкостью тестируемой нагрузки. Емкостное реактивное сопротивление (X _c ) изменяется в зависимости от частоты, как показано в следующей формуле:

Следовательно, если мы протестируем кабель с номинальным напряжением 15 кВ длиной примерно 10 000 футов, емкость будет около 1 мкФ. Исходя из формулы, емкостное сопротивление при 60 Гц будет равно 2654 Ом:

Для применения испытательного напряжения 22 кВ, рекомендованного IEEE, потребуется источник питания, рассчитанный на 8,3 А или 183 кВА:

Физические размеры и вес трансформатора, способного выдержать такой номинал, явно не подходят для использования в качестве переносного полевого устройства.

Испытания с высоким потенциалом, проводимые на очень низкой частоте (VLF)

Основное преимущество испытаний на очень низкой частоте заключается в том, что они значительно уменьшают размер, вес и стоимость требуемого источника питания и, таким образом, обеспечивают большую привлекательность для полевых испытаний кабелей среднего напряжения. Если испытательную частоту понизить до 0,1 Гц, емкостное сопротивление, рассчитанное ранее, становится равным 1,6 МОм. Те же 22 кВ теперь будут потреблять только 14 мА или 0,303 кВА. Таким образом, размер, вес и портативность источника питания становятся очень удобными для использования в полевых условиях. Источники питания СНЧ могут иметь выходной сигнал косинусно-импульсной (прямоугольной) или синусоидальной формы.

Косинусно-импульсный сигнал VLF

Косинусно-импульсный вариант построен с использованием испытательного комплекта постоянного тока, который действует как источник высокого напряжения. Затем преобразователь постоянного тока в переменный преобразует постоянное напряжение в тестовый сигнал переменного тока СНЧ. Преобразователь состоит из высоковольтного дросселя (дросселя) и вращающегося выпрямителя, меняющего полярность проверяемой кабельной системы каждые 5 секунд. Это генерирует биполярную волну с частотой 0,1 Гц. Резонансный контур, состоящий из высоковольтной катушки индуктивности и конденсатора, включенных параллельно емкости кабеля, обеспечивает синусоидальное изменение полярности в диапазоне частот сети. Использование резонансной схемы для изменения полярности напряжения в кабеле сохраняет энергию, запасенную в кабельной системе. В кабельную систему должны подаваться только потери утечки во время отрицательной половины цикла.

Цель теста формы косинусоидального импульса ОНЧ состоит в том, чтобы генерировать биполярную импульсную волну с частотой 0,1 Гц, которая синусоидально меняет полярность. Синусоидальные переходы в диапазоне частот промышленной мощности при этом инициируют частичный разряд на дефекте изоляции, который импульсной волной 0,1 Гц развивает в канал пробоя. Во время тестового периода, обычно в течение нескольких минут, дефект может быть обнаружен и принудительно устранен. После прорыва дефекта и повреждения его можно локализовать с помощью стандартного легкодоступного оборудования для поиска повреждений кабеля. Выявленные неисправности могут быть устранены во время планового простоя. Когда кабельная система проходит испытание СНЧ, ее можно вернуть в эксплуатацию.

Синусоидальный сигнал VLF

Тестовый набор VLF генерирует синусоидальные волны с частотой менее 1 Гц (0,1 Гц, 0,05 Гц или 0,02 Гц). Когда локальная напряженность поля в месте дефекта кабеля превышает диэлектрическую прочность изоляции, начинается частичный разряд. Локальная напряженность поля зависит от приложенного испытательного напряжения, геометрии дефекта и пространственного заряда. После инициирования частичного разряда каналы частичного разряда превращаются в каналы прорыва в течение установленного периода испытаний. Когда дефект вынужден прорваться, его можно обнаружить с помощью стандартного оборудования для обнаружения неисправностей во время запланированного простоя.

Коэффициент рассеяния (Tan δ ) Тестирование

Измерение коэффициента рассеяния, также называемое тангенсом δ или испытанием угла потерь, является диагностическим методом тестирования кабелей для определения качества изоляции кабеля. Это делается для того, чтобы попытаться спрогнозировать ожидаемый оставшийся срок службы и определить приоритетность замены и/или инжекции кабеля. Инъекционная технология, также известная как омоложение изоляции кабеля, является альтернативой замене кабеля. Технология инжекции кабеля включает в себя инжекцию диффузионного, вступающего в реакцию с водой материала в жилу проводника подземного силового кабеля, изолированного твердыми диэлектрическими материалами. Оказавшись внутри кабеля, жидкость диффундирует в изоляцию кабеля и химически соединяется с содержащейся внутри водой. Этот процесс замедляет рост водяных деревьев, что является причиной выхода из строя старого кабеля с твердым диэлектриком.

Tan δ также полезен для определения того, какие другие тесты, такие как устойчивость к ОНЧ или частичный разряд, могут оказаться полезными.

Если изоляция кабеля свободна от таких дефектов, как водяные деревья, электрические деревья, влага и воздушные карманы, кабель приближается по свойствам к идеальному конденсатору. Он очень похож на конденсатор с параллельными пластинами, в котором проводник и нейтраль представляют собой две пластины, разделенные изоляционным материалом. В идеальном конденсаторе напряжение и ток сдвинуты по фазе 90 градусов, а ток через изоляцию емкостной (рис. 1).

Рис. 1: Идеальная модель изоляции

Если в изоляции есть примеси, сопротивление изоляции уменьшается, что приводит к увеличению резистивного тока через изоляцию. Это уже не идеальный конденсатор. Ток и напряжение больше не будут смещены на 90 градусов, а будут сдвинуты на что-то меньшее, чем 90 градусов. Степень, в которой фазовый сдвиг составляет менее 90 градусов, свидетельствует об уровне загрязнения изоляции и, следовательно, о качестве/надежности. Этот угол потерь измеряется и анализируется (рис. 2).

Рис. 2: Типовая модель изоляции

Измеряется тангенс угла дельта. Это указывает на уровень сопротивления изоляции. Измеряя IRp/ICp, мы можем определить качество изоляции кабеля. В идеальной изоляции кабеля угол был бы почти нулевым. Увеличение угла обычно указывает на увеличение резистивного тока через изоляцию, что означает загрязнение. Однако имейте в виду, что различные изоляционные материалы имеют более высокие или более низкие диэлектрические потери; поэтому значение угла или тангенса δ может быть выше для некоторых изоляционных материалов из-за связанных с ними диэлектрических потерь.

Для питания тестируемого кабеля необходимо напряжение питания. Хотя можно использовать частоту сети, и она используется при заводских испытаниях, СНЧ обычно выбирают в качестве источника питания для полевых приложений. Как упоминалось ранее, для тестирования кабеля с частотой 60 Гц требуется очень мощный источник питания. При тестировании в полевых условиях нецелесообразно — или возможно во многих местах — тестировать несколько тысяч футов кабеля с питанием 60 Гц. Типичная частота СНЧ 0,1 Гц требует менее 0,2 процента мощности для тестирования того же кабеля по сравнению с 60 Гц и, следовательно, обеспечивает значительное преимущество в размерах, весе и стоимости при полевых испытаниях. Во-вторых, величина чисел тангенса дельта увеличивается с уменьшением частоты, что упрощает измерение. Как показано в следующем уравнении, чем ниже частота (f), тем выше число тангенса δ.

Испытание на частичный разряд

Очевидным преимуществом онлайн-тестирования частичных разрядов является то, что оно не требует отключения или отключения. Основным недостатком при испытании кабелей в эксплуатации является то, что испытание проводится только на уровне рабочего напряжения и не может быть отрегулировано. По сравнению с автономным тестированием, когда напряжение можно регулировать для имитации переходных процессов или других условий перенапряжения, онлайн-методы обнаруживают меньший процент дефектов в системе изоляции кабеля.

Напряжение возникновения и прекращения частичного разряда

Для возникновения частичного разряда к системе должно быть приложено достаточное напряжение, чтобы соответствовать минимальному напряжению, необходимому для начала частичного разряда. Это известно как начальное напряжение частичного разряда (PDIV). После достижения PDIV напряжение может быть снижено, и частичные разряды будут оставаться при более низких напряжениях до тех пор, пока они, наконец, не исчезнут при так называемом напряжении затухания частичных разрядов (PDEV). Таким образом, PDEV меньше, чем PDIV. Если уровень напряжения PDEV ниже рабочего напряжения системы (фаза-земля), это означает, что выброс перенапряжения в изолирующей системе может вызвать частичный разряд. Активность частичного разряда может продолжаться, даже когда напряжение в системе возвращается к норме. Поэтому частичные разряды, которые могут продолжаться при рабочем напряжении, с большей вероятностью приведут к повреждению изоляции, чем ЧР, которые прекращаются при превышении нормального рабочего напряжения.

Частота сети и альтернативные источники испытательного напряжения

Как указано, для возникновения частичного разряда к системе должно быть приложено достаточное напряжение, чтобы соответствовать минимальному напряжению, необходимому для начала частичного разряда. При тестировании кабелей метод онлайн-тестирования использует системное напряжение постоянной фиксированной величины. При автономном подходе потребуется временный источник напряжения.

Источники напряжения, которые используются для имеющихся в продаже систем измерения частичных разрядов в полевых условиях, относятся к общим категориям источников промышленной частоты и альтернативных источников напряжения, таких как сверхнизкочастотные (СНЧ).

Испытательное напряжение СНЧ

В зависимости от типа дефекта для источников синусоидального напряжения СНЧ (обычно 0,1 Гц) для экструдированных диэлектрических систем может потребоваться более высокое испытательное напряжение для создания того же уровня частичных разрядов по сравнению с испытаниями, проводимыми с напряжениями промышленной частоты. . Например, проводимость поверхности полости, подвергшейся воздействию частичного разряда, увеличивается, что позволяет любым зарядам, нанесенным на поверхность частичным разрядом, утекать; это снижает электрическое поле в резонаторе. Поскольку между переменами полярности на ОНЧ может утечь больше заряда, чем на промышленной частоте, PDIV на синусоидальном СНЧ будет больше, чем на промышленной частоте. Если ранее не было активности частичного разряда для увеличения проводимости поверхности резонатора, PDIV на синусоидальном СНЧ и частоте сети будет аналогичным (IEEE 400.3).

Форма волны косинусоидального импульса ОНЧ генерирует биполярную импульсную волну частотой 0,1 Гц, которая синусоидально меняет полярность. Поскольку синусоидальные переходы находятся в диапазоне частот сети, измерение PDIV будет сравнимо с частотой сети. Косинусно-импульсное напряжение СНЧ работает по принципу технологии наклона 50/60 Гц. Это особенно важно для диагностики ЧР, поскольку для надежной оценки результатов измерений требуется прямое сравнение с частотой сети. Характеристики частичного разряда изменяются в случае большой разности частот, что делает невозможным надежную оценку частоты сети. Технология наклона 50/60 Гц обеспечивает сопоставимость обеих форм волны напряжения.

На рис. 3 показан типичный пример того, как выполняется измерение частичных разрядов во время наклона приложенного напряжения. Хорошо видна крутизна наклона косинусоидального импульса ОНЧ по сравнению с синусоидой частотой 0,1 Гц. Именно этот рост напряжения так важен для напряжения возникновения частичных разрядов. Таким образом, испытательное синусоидальное напряжение 0,1 Гц нельзя напрямую сравнивать с частотой сети 50/60 Гц, и поэтому критические дефекты частичного разряда не всегда надежно обнаруживаются.

Рис. 3. Синусоидальная волна СНЧ и косинусоидальная волна СНЧ

Затухание переменного напряжения (ЦАП)

Метод переменного напряжения (DAC). В целях анализа частичных разрядов испытуемый кабель заряжается до предварительно выбранного пикового значения от источника высокого напряжения постоянного тока в течение нескольких секунд, а затем закорачивается с помощью электронного переключателя через резонансную катушку. Это создает синусоидальное колебательное переменное напряжение с малым затуханием (рис. 4). Частота фиксируется в диапазоне от 50 Гц до нескольких сотен Гц в зависимости от емкости объекта контроля. Поскольку частота испытательного напряжения близка к номинальным условиям эксплуатации, все измеренные действия частичных разрядов можно эффективно оценить и сравнить с частотой сети.

Рис. 4: Затухание напряжения переменного тока

Из-за затухающей амплитуды испытательного напряжения можно легко определить напряжение гашения частичных разрядов.

Заключение

Многочисленные испытания изоляции могут помочь в оценке качества и состояния изоляции кабеля. Тесты «годен/не годен» позволяют выявить грубые дефекты, а диагностические тесты дают нам представление о серьезности разрушения или степени загрязнения изоляции.

Технологии и подходы к тестированию продвинулись вперед и подтолкнули к решениям профилактического обслуживания. Ключевым элементом профилактического обслуживания является отслеживание динамики результатов диагностических тестов. Не все тесты подходят для всех обстоятельств, и ни один тест не может дать вам полный ответ. Каждый тип теста служит окном в состояние кабеля, и вы создаете более полную картину, объединяя несколько различных тестов.

Томас Д. Сандри — менеджер по развитию обучения в Shermco Industries. Он работает в области электроэнергетики и телекоммуникаций более 30 лет. За свою карьеру он разработал множество учебных пособий и учебных пособий, а также провел внутренние и международные семинары. Tom поддерживает широкий спектр приложений по техническому обслуживанию электрических и телекоммуникационных систем. Он принимал непосредственное участие в поддержке испытательного и измерительного оборудования более 20 лет и считается отраслевым экспертом в прикладных дисциплинах, включая тестирование и техническое обслуживание батарей и систем постоянного тока, кабели среднего и высокого напряжения, наземные испытания и анализ частичных разрядов. Том имеет степень BSEE Университета Томаса Эдисона в Трентоне, штат Нью-Джерси.