Вопрос 1 Физические процессы в изоляции кабельных линий
В твердой изоляции силового электрооборудования до 80% дефектов (проблемныхмест) можно определить по результатам анализа частичных разрядов. Непосредственноеизмерение частичных разрядов в изоляции осуществить практически невозможно,поэтому анализ выполняется по так называемому кажущемуся частичному разряду, т.е. пореакции системы на воздействие высоким напряжением. В соответствие с теориейизоляции, астичные разряды не возможны в вакууме.
Таким образом, для возникновенияразряда в месте с высокой плотностью потока электрического поля необходима средаспособная к ионизации. Если рассматривать энергию разряда, относящуюся только кэлектрическому импульсу на зажимах измерительного устройства, то это явлениенепосредственно связано с изменением проводимости в месте разряда. В процессеразвития частичного разряда среда в месте его возникновения изменяет свое агрегатноесостояние от начального до плазменного остояния вещества.Следовательно, разряд этовторичное явление, сопровождающееся локальным свечением среды. Первичным являетсяпоток электрического поля.
По аналогии с ферромагнитными средами, среды с диэлектрическими свойствамиможно рассматривать как биполярные. Допустим, что в диэлектрике отсутствуют объемы,обладающие электрическим потенциалом одного знака, а среда диэлектрика представляет
собой хаотично расположенные электрические диполи, сколь угодно малыеполяризованные области пространства. При отсутствии внешнего электрического полясуммарное поле диэлектрика равно нулю, а энергия внутреннего электрического поляминимальна. При наличии внешнего электрического поля диполи диэлектрикавыстраиваются в направлении внешнего поля (электронизация), а среда дополнительнополяризуется. Процесс идет до тех пор, пока суммарное поле диполей, направленноенавстречу к внешнему полю, не станет равным по напряженности внешнему полю, рис.1.
Таким образом, заряд электрической емкости изоляции это процесс накопленияэнергии электрического поля в диэлектрике. Пробой диэлектрика возможен при условии,когда напряженность внешнего поля на участке цепи становится большей суммарнойнапряженности поля диполей. Частичный разряд при номинальном напряжениивозникает в местах изоляции с большой плотностью электрического поля, т.е. в местахнеоднородностей изоляции.
Результаты исследований, изложенные в данной работе, базируются на физическихпредставлениях в диэлектриках с соответствие с теорией электромагнитного поля. Вклассической теории диэлектриков используется понятие зарядов как частиц обладающихпотенциалом одного знака. Часто теория зарядов не позволяет делать правильные выводыо состоянии диэлектриков, но отличается от теории поля относительной простотой инаглядностью. Теория электромагнитного поля не предполагает изучение диэлектрика наатомарном уровне, а рассматривает его как дискретную структуру, поляризованную вэлектрическом поле. Характеристики диэлектриков, применяемые в решениях уравненийполя, в данном случае являются результатами экспериментальных исследований.
В отличие от характеристик ферромагнетиков широко представленных в справочнойлитературе, характеристикидиэлектриков в основном отсутствуют или представлены виделинейных зависимостей. Экспериментальное получение таких зависимостей являетсяотдельной научной задачей. Характеристики диэлектриков в функции параметровэлектромагнитного поля необходимы также для проектирования изоляции и расчетапотерь в изоляции.
Рис. 1. Модельные представления физических процессов в изоляции кабеля
На рис.1, Е0 - напряженность электрического поля диполей (областей) диэлектрика,Ест – напряженность стороннего источника. При отсутствии неоднородностей в изоляции,электрическое поле однородно и условий для возникновения частичных разрядов визоляции нет. При Ест >> Е0 возможен пробой изоляции. Наличие неоднородностей визоляции, таких как: образование полостей из-за утечки масла, в концевых исоединительных муфтах; наличие воды в изоляции; расслоение и старение изоляции и т.п.,
можно обнаружить с помощью метода возвратного напряжения в кабелях с бумажно-масляной изоляцией (метод вольтметра). Для кабелей с изоляцией из сшитогополиэтилена методом тока абсорбции (метод амперметра). Метод возвратного напряжениядля такой изоляции также применим, но по причине низкого уровня возвратногонапряжения слабо помехозащищен. На рис.2 показан принцип реализации методавозвратного напряжения.
Схема замещения линии соответствует широко применяемой в расчетах изоляциисхеме предложенной Дж. Максвеллом. Теория электромагнитного поля Дж. Максвеллапозволила обобщить все ранее сделанные учеными открытия в электромагнетизме исегодня является наиболее совершенным аппаратом изучения электромагнитных полей.
Однако для общего представления об электромагнитных процессах по-прежнемуудобным, с точки зрения наглядности, является представление сред с помощью схемзамещения.
При применении метода возвратного напряжения к кабельной линии, в течение 15минут выполняется заряд емкости линии от источника постоянного напряжения. Затем, навремя равное две секунды линия закорачивается, в течение, которого происходит разрядгеометрической емкости, а емкости абсорбции, из-за больших значений сопротивленийабсорбции, разрядится, не успевают.
В дальнейшем измеряются процессы обмена энергией между емкостями абсорбциии геометрической емкости до их окончательного разряда. Понятия геометрическаяемкость и емкость абсорбции являются условными, позволяющими анализироватьпроцессы в изоляции с помощью схемы замещения.
Процессы, измеряемые методом возвратного напряжения, можно описать иначе. Прикоротком замыкании заряженной линии на малый промежуток времени напряженностьвнешнего электрического поля становится равной нулю. При этом большая часть диполейпод действием электрических сил успевает занять новое устойчивое положение в пространстве, а разность потенциалов между жилой и экраном линии уменьшается довеличины называемой возвратным напряжением или остаточной поляризацией, рис.3.
Рис. 2. Принцип реализации метода возвратного напряжения
На схеме Rи - сопротивление изоляции; Г R - геометрическая емкость; k C , k R - емкости исопротивления абсорбции.
Дальнейший процесс разряда идет медленно и зависит от ширины петлигистерезиса, площадь которой пропорциональна запасенной энергии электрического поля,а также угла ее наклона к оси абсцисс. Причина этого в большом сопротивлении путиразряда, так как диполи изоляции вновь разориентированы по объему, кроме его частисоответствующей возвратному напряжению. Каждый диполь может рассматриваться какисточник электродвижущей силы, ЭДС. В идеальном источнике ЭДС внутреннеесопротивление равно нулю. Реально внутреннее сопротивление диполя, как источникаЭДС, отлично от нуля, сколь малым оно бы не было.
Рис.3. К методу возвратного напряжения
Аналогично ферромагнетикам диэлектрики можно разделить на электрическимягкие и электрически-жесткие. Так, например, кабельные линии с бумажно-маслянойизоляцией имеют широкую петлю гистерезиса и большое возвратное напряжение, а линиииз сшитого полиэтилена имеют узкую петлю и возвратное напряжение на порядокменьшее.
Для выполнения расчетов изоляции необходимо иметь экспериментальныехарактеристики используемых в конструкциях материалов, аналогично характеристикамферромагнетиков, а в методиках использовать численные методы анализа полей. Этот жеподход следует использовать при анализе результатов диагностики изоляции, например,методом частичных разрядов.
Для полной и наиболее достоверной диагностики силовых кабельных линийиспользуются метод частичных разрядов, метод возвратного напряжения или токаабсорбции. Дополнительно возможны измерения сопротивлений фаз, петли фаза-нуль,тепловизионные обследования кабельных муфт.
Заключение по техническому состоянию силовой кабельной линии делается наосновании анализа результатов диагностики методом частичных разрядов и методомвозвратного напряжения. Первый метод позволяет определить степень опасностиобнаруженных дефектов или проблемных мест, выполнить их локализацию. Подлокализацией понимается определение участка линии, на котором имеется дефект. Приремонте этот участок подлежит замене. При локации места дефекта его наихудшее иточное место положение практического смысла не имеет, так как при ремонте, все равнонужно определиться, какой длины отрезок линии должен быть заменен. При определенииточного места положения дефекта с наихудшими свойствами, например в кабельнойлинии, в существующей практике используются нормативы по длине кабельной вставки,которые не всегда соответствуют реальному состоянию изоляции в месте дефекта.
Второй метод позволяет уточнить время выхода линии из строя, т.е. остаточныйресурс с имеющимся дефектом. Кроме того, возможно определение степени старенияизоляции и наличие в ней влаги. Наличие влаги в изоляции характерно не только длястарых линий, но и для вновь вводимых в эксплуатацию при ненадлежащем хранениикабеля.
В ООО «ТестСервис» разработана методика, которая позволяет на основанииполученных результатов определять остаточный ресурс линий с точностью до года, а пополученным осциллограммам оценивать техническое состояние линии, включая контрольпредпробивного состояния. Недостаток метода заключается в интегральной оценкетехнического состояния изоляции.
В протоколе диагностических испытаний приводятся напряжения возникновенияразрядов по фазам, а также максимальный уровень и количество разрядов в секунду. Здесьже указываются диапазоны допустимых значений факторов по четырем степенямтехнического состояния. Дополнительно определяются не нормированные факторы. Кним относятся:
_ уровень разрядов для напряжения возникновения разрядов;
_ напряжение гашения;
_ тангенс угла диэлектрических потерь;
_ скорость распространения электромагнитной волны;
_ количество циклов измерения;
_ электрическая емкость каждой фазы относительно земли.
Осциллограммы в технических отчетах по диагностике приводятся как интегральныедля всех фаз, так и по каждой фазе в отдельности. Осциллограммы с картой частичныхразрядов и гистограммами их количества в проблемных местах уже на первом этапепозволяют делать выводы о техническом состоянии линии и степени опасностиобнаруженных дефектов. По результатам диагностических испытаний методом частичных
разрядов пока не удалось научиться определять остаточный ресурс кабельных линий, чтоявляется необходимым для снижения затрат на производство работ.
В методе частичных разрядов для решения задачи по определению остаточногоресурса, казалось бы достаточно иметь статистику состояния изоляции во времени.
Однако, как показывает практика, заметное изменение технического состоянияпроисходит за время не менее полугода, а для построения кривой изменения, всоответствие с теорией аппроксимации, необходимо иметь не менее пяти результатовдиагностик. За это время есть риск неконтролируемого выхода линии из строя. Крометого, уже в течение нескольких месяцев локализованный дефект может переместиться вдругое место линии, что характерно для кабелей с бумажно-масляной изоляцией, а в рядеслучаев вообще исчезнуть, чтобы вновь возникнуть через определенное время.
Перемещение проблемных мест, а также их исчезновение в линиях с бумажно-масляной изоляцией возможно по ряду причин. При нарушении герметичности муфт иликабеля происходит утечка масла, которое находится под давлением большиматмосферного давления. Давление масла в месте утечки падает, что приводит кперемещению масла к точке утечки по межслойным капиллярным каналам изоляции.
По длине капиллярных межслойных каналов действует большая силаповерхностного натяжения, поэтому возможен разрыв потока масла. В месте разрывапотока образуется газовый пузырь, за задним фронтом которого создается разряжениедавления. Аналогично маслу в силовых трансформаторах, в линиях с бумажно-маслянойизоляцией при работе всегда имеются растворенные газы. Газовый пузырь поляризуетсяпод действием сил электрического поля и в дальнейшем ведет себя как диполь, т.е. можетперемещаться в направлении поля.
Таким образом, перемещение проблемного места в таких линиях происходит поддействием сил перепада давления и сил электрического поля. Газовый пузырь можетвыйти наружу в месте утечки масла и проблемное место (частичные разряды) исчезает.
Новый разрыв потока масла возможен в любом другом месте линии, но вблизи местаутечки. Проблема в большинстве случаев находится в арматуре линий, хотя порой и непроявляет себя по наличию частичных разрядов.
Немного об испытаниях линий с изоляцией из сшитого полиэтилена повышеннымнапряжением пониженной частоты. Метод широко рекламируется в литературе, ноэффективно может быть использован только после достаточно длительной эксплуатации
линий. Это время, как правило, больше десяти лет. В ряде случаев, при грубыхнарушениях технологии монтажа, этот метод также может быть эффективным. Но вбольшинстве случаев при проверке вновь вводимых в эксплуатацию линий выявитьимеющиеся дефекты этим методом не удается.
В процессе длительной эксплуатации кабельных линий с изоляцией из сшитогополиэтилена в его толще, с выходом на поверхность основной изоляции, образуютсямикротрещины, так называемые триинги. Причин образования триингов много, этопроцессы полимеризации, остаточные механические напряжения, механические итепловые нагрузки и т.п. По каналам триингов из окружающей среды поступает влага,поэтому с их ростом сопротивление изоляции в этом месте падает.
На рис. 4 условно показано образование триинга в изоляции из сшитого полиэтилена.Так как ширина каналов триинга не велика, то напряженность электрического поля вточках на стенках каналов в любом сечении примерно одинаковая (например, участок 1-2-3). Следовательно, и разность электрических потенциалов в этих точках также невелика.Поэтому возникновение разрядов между стенками каналов маловероятно.
Электрическая прочность изоляции из сшитого полиэтилена существенно большебумажно-масляной изоляции. Кроме того, сшитый полиэтилен относится к классу неполярных диэлектриков. При производстве испытаний этой изоляции повышеннымнапряжением пониженной частоты разряды возникают в местах с малой толщиной,например, участок (4-5), рис.4. В этом случае велика вероятность пробоя изоляции. Прималой глубине проникновения триингов испытания проходят успешно, в то время какдефекты в изоляции уже имеются. В случаях грубых нарушениях технологииизготовления муфт, либо при механических повреждениях кабеля в процессе монтажа,этот метод может быть эффективным для обнаружения дефектов.
При монтаже кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена частопроисходит нарушение оболочки кабеля. В дальнейшем, при эксплуатации таких линий,под воздействием проникающей влаги и наведенной ЭДС происходит окисление иразрушение экрана кабеля. Поэтому при производстве испытаний основной изоляциинеобходимо также испытание оболочки (экран-земля).
Рис.4. Пример образования триинга в кабельной линии с изоляцией из сшитогополиэтилена
Триинги в сшитом полиэтилене могут быть определены также по току утечки, токурелаксации или тангенсу угла диэлектрических потерь.
Пример диагностики силовой кабельной линии с изоляцией
Из сшитого полиэтилена
Силовые кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена являются новымтипом линий в России. Силовой кабель выпускается для питания одной фазы. То естьлиния должна содержать три кабеля такого типа. На сегодняшний день, несмотря наинтенсивное внедрение этого кабеля на предприятиях и в энергосистемах, утвержденныхна государственном уровне технологий их испытаний и диагностики нет.
Предприятие ООО «ТестСервис» является пионером в России по опыту диагностикитаких линий, разработке технологий диагностики и нормативов оценки техническогосостояния. Предприятием впервые в стране приобретено необходимое для этих целейоборудование и успешно выполняются работы уже около шести лет.
Установлено, что наиболее эффективным и достоверным методом диагностикилиний с изоляцией из сшитого полиэтилена является метод частичных разрядов.Методэффективен как для вновь вводимых в эксплуатацию линий, так и уже эксплуатируемых.
Опыт предприятий и энергосистем, имеющих и эксплуатирующих такие линии,показывает, что отсутствие должных испытаний при вводе в эксплуатацию линий частоприводит к их преждевременному и не предсказуемому выходу из строя. В то время какрасчетный ресурс безпроблемной эксплуатации линий с этой изоляцией должен быть неменее сорока лет.
Имеющаяся в ООО «Тест» аппаратура позволяет выполнять диагностику линий нанапряжение до 35кВ. Практический опыт и имеющиеся теоретические разработкипозволяют заявить о возможности выполнения диагностики линий на напряжения 110 ивыше киловольт. Анализ диагностики линий с изоляцией из сшитого полиэтиленааналогично линиям с бумажно-масляной изоляцией оформляются в виде техническогоотчета. Отчет начинается с заключения о техническом состоянии линии.
Заключение