Определение остаточного ресурса силовых кабелей неразрушающая диагностика

Владимир Канискин, д.т.н., профессор С.-Петербургского государственного политехнического университета
Алексей Таджибаев, к.т.н., ректор Петербургского энергетического института повышения квалификации

В условиях эксплуатации происходит старение кабелей, и в первую очередь их электрической изоляции.
Ресурс электрической изоляции определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию независимо от наработки и коэффициента нагрузки. У многих кабельных линий (КЛ) истек срок службы, но они продолжают работать, так как не выработали своего ресурса. Поэтому на практике необходимо знать наработку кабеля и, что особенно важно, его остаточный ресурс. Ресурс электрической изоляции существенно зависит от температуры и от напряженности электрического поля, но методика, основанная на этих параметрах, является разрушающей и подходит только для вновь разрабатываемых кабелей, проходящих ресурсные испытания в лабораториях или на полигонах. Кроме того, каждый действующий кабель работает в индивидуальных условиях, а параметры, необходимые для данных расчетов, изменяются в широких пределах.
Разрушающими являются и профилактические высоковольтные испытания, предназначенные для своевременного выявления состаренных кабелей. Если кабель выдержал эти испытания, то он может какое-то время работать без пробоя, однако точное время наработки и остаточный ресурс остаются неизвестными.
Поэтому все стремления специалистов направлены на поиски неразрушающих методов испытаний, во время которых кабели не подвергаются старению и не выходят из строя, а результаты диагностики дают информацию о наработке и остаточном ресурсе. Работы ведутся непрерывно, однако пока таких методов выявлено очень мало. Рассмотрим их.

Практический метод отклика напряжения По этому методу, разработанному венгерским ученым E. Nemeth, измеряются зависимости напряжения саморазряда Ud (t) – спадающего напряжения и восстанавливающегося напряжения Ur (t) (рис. 1, а и b). Напряжение Ud (t) измеряется после длительного «заряда» изоляции кабеля, т.е. после возбуждения поляризационных процессов полей постоянного напряжения Uo=1 кВ за период t = 60 мин. Восстанавливающееся напряжение Ur (t) измеряется после «заряда» постоянным напряжением Uo=1 кВ за период t = 60 мин. Затем следует отключение от источника напряжения (рис.1, с), закорачивание на tdc = 3–5 секунд (замыкание ключом К2 и его размыкание) и снятие напряжения Ur (t). Снимать зависимости Ud (t) и Ur (t) необходимо через 1, 10, 15 сек и 60 мин. Первоначальные участки зависимостей Ud (t) и Ur (t) и наклоны касательных Sd и Sr можно использовать как параметры, характеризующие состояние изоляции кабелей, т.к. имеем:

где g – удельная электропроводность изоляции кабеля; b – величина интенсивности поляризации:

т.е. b прямо пропорциональна интенсивностям a элементарных поляризационных процессов с постоянными времени Т1...Тn, которые определяются измеренными параметрами tс и временем разряда. Метод вольт-отклика не зависит от размеров и форм образцов, т.е. параметры являются «удельными» (в отличие от токовых откликов).

Лабораторные испытания, а затем испытания на КЛ в полевых условиях проводили на кабелях с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ) с вязкой пропиткой (с канифолью в качестве загустителя) напряжением до 35 кВ и с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката (ПВХП).
Количественной характеристикой являются первоначальные наклоны касательных Sd (прямо пропорционально проводимости) и Sr (прямо пропорционально интенсивности поляризации) и предельные (показаны пунктиром на рис. 1, а и b), когда ресурс кабеля исчерпан и он выходит из строя. По величинам параметров можно определить степени увлажнения (Sd) и старения (Sr).
Изоляция жил трехжильного кабеля практически всегда состарена одинаково, а влагосодержание может быть различным. Параметры изоляции сильно зависят от температуры. Для кабельных линий, проложенных в земле, точная температура неизвестна, поэтому результаты испытаний предназначены для сравнения разных фаз либо для разных линий.
Параметр Sd является более характерным для диагностики кабелей с изоляцией из ПВХП, т.к. при деградации молекул выделяется водород Н и хлор Cl, которые взаимодействуют между собой, образуя НCl. При увлажнении изоляции НCl растворяется в воде, существенно увеличивая электропроводность изоляции и ее старение.
Параметр Sr является более характерным для диагностики кабелей с БПИ, т.к. термическое старение изоляции увеличивает интенсивность поляризации.
Диагностика силовых кабельных линий методом отклика напряжений является неразрушающей. Параметры Sd и Sr характеризуют ресурс (наработку) изоляции, а не срок службы. При накоплении опыта проведения испытаний этим методом и правильной трактовке полученных результатов можно предсказать остаточный ресурс кабельных линий.

Данный метод основан на определении корреляционной зависимости между характеристиками изоляции кабеля и характеристиками, прямо связанными с ресурсом кабелей.
Основной причиной выхода из строя кабелей с полиэтиленовой (ПЭ) изоляцией, находящихся под длительным воздействием повышенных температур и механических нагрузок (термомеханическое старение) при рабочих напряжениях, является растрескивание оболочек и изоляции кабелей. Стойкость к растрескиванию количественно определяется температурой холодостойкости Тх. Разными исследователями было установлено, что уменьшение ресурса кабелей с ПЭ изоляцией в условиях эксплуатации обусловлено структурными изменениями в процессе термического старения, при этом температура Тх ПЭ изоляции повышается. Тепловое движение структурных элементов в полимерах и их подвижность обуславливает релаксационные переходы, которые изучаются методами релаксационной спектроскопии. В первую очередь структурная необходимость проявляется при изучении температурно-частотных спектров диэлектрических и механических потерь. Это подтверждено экспериментально. Спектры механических потерь отражают те же процессы молекулярного движения, что и диэлектрические.

Для диэлектрических спектров различимы три основных перехода: низкотемпературный g-максимум диэлектрических потерь определяется подвижностью отдельных групп макромолекулы; b-максимум связан с сегментальной подвижностью, он находится выше температуры стеклования полимера. Экспериментально доказано, что g- и b- максимумы находятся при отрицательных температурах по Цельсию и являются малоинформативными; a- максимум связан с сегментальной подвижностью полярных групп по поверхности кристаллитов, находится при повышенных температурах и является информативным.
По мере старения в области a- релаксации происходит увеличение тангенса угла диэлектрических потерь (tgdм) в максимуме температурной и частотной зависимости и, что самое главное, происходит смещение местоположения максимума tgdм на температурных зависимостях в область более высоких температур dТм примерно на 350С от исходного состояния до полного расходования ресурса, а на частотных зависимостях – в область низких частот dfм примерно на 750 Гц (рис. 2). Эта закономерность подтверждается на пластинах ПЭ, срезах с изоляции кабелей и на отрезках кабелей (в эксперименте исследовались образцы с изоляцией марок 153-01 К, 107-01 К, РК 75-24-17 и т.д.). Отклонение местоположения tgdм от исходного состояния dТм или dfм является количественной мерой оценки процесса старения.

Экспериментально установлено, что между выбранными параметрами – критериями DТм или Dfм и общепринятым критерием – температурой холодостойкости Тх – имеется прямая корреляционная зависимость (рис. 3). Эти зависимости можно представить линейными функциями: от температуры:

(3)

(4)

где Тх – температура холодостойкости по Кельвину. При этом для определения Тх необходимо от кабеля отрезать образец и экспериментально определить ее величину, т.е. этот метод неприемлем в эксплуатации.
При изучении температурно-частотных спектров диэлектрических потерь эксперименты проводятся на отрезках кабелей или КЛ без изъятия образцов, т.е. метод является неразрушающим (испытательное напряжение составляет 30–50 В, диапазон частот – до 15 кГц, что не может повлиять на изоляцию в момент испытаний).
Введем понятие коэффициента изменения параметра – работо-способности от времени старения:

(5)

где Ппр, Пн – соответственно значения параметра: предельное (выработанный ресурс) и наработанное в процессе эксперимента; пр – предельное значение наработки, соответствующее Ппр; н – наработанный ресурс в момент измерения параметра Пн. В соответствии с (5) можно определить наработанный ресурс:

(6)

При определении наработанного ресурса при температурах, отличных от температуры старения в форсированном режиме, при коором определен коэффициент Кп, полученная зависимость (6) преобразуется к виду:

(7)

где tпрф – предельное значение ресурса в форсированном режиме испытаний;
Тф – температура старения в форсированном режиме;
Тр – рабочая температура кабеля;
W = 54 кДж/моль – условная энергия активации процесса разрушения ПЭ.
Для использования формулы (7) необходимо предварительно определить параметры-критерии работоспособности – DТм и Dfм. Измерение параметра DТм необходимо проводить при равномерном нагреве кабеля, что практически невозможно. Более удобным параметром является Dfм. Был разработан экспресс-метод (подробнее о методе см. Литература, п. 2), позволяющий определить параметр Dfм, проводя измерения лишь на двух частотах. Получена формула для определения fм:

(8)

где l=0,4–0,8 – параметр распределения времен релаксации. После определения fм вычисляется параметр Dfм.
Разработанный метод неразрушающего определения ресурса можно применить и для других видов изоляции (эксперименты проводились с изоляцией из ПВХП, ПТФЭ, с резиновой и бумажно-масляной изоляцией), но для этого необходимы дополнительные исследования.

Литература
1. Канискин В.А., Костенко Э.М., Таджибаев А.И. Неразрушающий метод определения ресурса кабелей с полимерной изоляцией в условиях эксплуатации//Электричество, 1995, № 5. – С. 19-23.
2. Сажин Б.И., Канискин В.А., Костенко Э.М., Левандовская Е.В., Таджибаев А.И. Экспресс-метод определения ресурса кабелей с полимерной изоляцией// Электричество, 1997, № 7. – С. 27-30.
3. Таджибаев А.И., Канискин В.А., Сажин Б.И., Костенко Э.М. и др. Способ определения состояния и ресурса изоляции электрической установки// Роспатент, патент № 2044326 по заявке № 93-01 6114/10 от 29.03.93, опубликован 20.09.95.

Обратите внимание
патент на изобретенный метод получен почти 10 лет назад. Однако авторы пока не готовы предложить методику, которую можно применить на практике, так как у них нет экспериментальной базы для завершения исследований.
Возможно, как в случае с плавлением льда на ЛЭП по методике Петренко, работы будут завершены по заявкам, скажем, американских или канадских энергетических компаний, вернутся в Россию уже в виде импортных технологий и нам останется только сожалеть об упущенном шансе!
Связаться с авторами, передать им информацию или задать вопросы можно через редакцию.
Телефон: (812) 325-17-11, e-mail info@news.elteh.ru