КАБЕЛИ 10 В С БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ

У многих кабельных линий в стране истек срок службы, но они продолжают работать, так как не выработали своего ресурса. Отметим, что 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. Поэтому на практике необходимо знать наработку кабеля и, что особенно важно, его остаточный ресурс. Помочь в этой работе могут испытания кабельных линий в процессе эксплуатации.
В последние годы ведутся интенсивные исследования с целью разработки и внедрения эффективных щадящих и неразрушающих методов испытаний и диагностики силовых кабелей в условиях эксплуатации, 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. Об одном из них в нашем журнале рассказывали Владимир Александрович Канискин и Алексей Ибрагимович Таджибаев («Новости Электротехники» № 2(32), 2003). Сегодня петербургские специалисты рассматривают еще один способ неразрушающей диагностики кабелей среднего напряжения.

Традиционно применяемые в России планово-профилактические испытания кабельных линий (КЛ) повышенным выпрямленным напряжением, в процессе которых происходит пробой изоляции на слабых участках, имеют ряд существенных недостатков.
Эти испытания сами по себе могут привести к ухудшению состояния изоляции и появлению новых слабых мест в изоляции кабеля, т.к. испытательное напряжение многократно (в 4–6 раз) превышает номинальное напряжение КЛ. Кроме того, этими испытаниями эффективно выявляются только повреждения КЛ, связанные с насыщением изоляции влагой (механические повреждения, коррозия металлических оболочек, увлажнение изоляции муфт). Дефекты, обусловленные старением изоляции в результате длительного воздействия на КЛ эксплуатационных факторов, выявляются малоэффективно.
Для своевременной диагностики и повышения эксплуатационной надежности КЛ наиболее предпочтительным является применение щадящих и неразрушающих методов испытаний и диагностики КЛ. Такие методы, основанные на периодическом измерении наиболее информативных характеристик изоляции, не толькопозволяют получать информацию о состоянии изоляции кабелей, но и могут быть использованы для прогнозирования остаточного срока службы длительно эксплуатирующихся кабелей. На основе этой информации может быть скорректирован план профилактических испытаний КЛ в условиях эксплуатации и выработана стратегия замены кабелей с опасными дефектами или выработанным ресурсом изоляции.Одним из таких методов является измерение и анализ возвратного напряжения в изоляции кабелей.

Наиболее широкие исследования в этом направлении были выполнены венгерским профессором Неметом на образцах кабелей 10 кВ с бумажно-пропитанной и поливинилхлоридной изоляцией с измерением абсорбционных характеристик изоляции после возбуждения поляризационных процессов приложением постоянного напряжения 1 кВ. Было установлено, что измерения аб-сорбционных характеристик выявляют процессы старения изоляции кабелей намного чувствительнее, чем традиционное измерение tg на промышленной частоте.
Метод анализа возвратного напряжения основан на измерении и анализе зависимостей от времени тока зарядки в процессе зарядки емкости диагностируемого кабеля постоянным напряжением небольшой величины, не оказывающей влияния на изоляцию кабеля, и восстанавливающегося (возвратного) напряжения в изоляции кабеля после его кратковременной разрядки.
Процедуру диагностики кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией напряжением до 35 кВ необходимо проводить по следующей схеме:
1 фаза. Зарядка емкости кабеля постоянным напряжением 1 кВ от источника постоянного напряжения в течение достаточно длительного времени (не менее 30 мин) для равномерной зарядки всех элементов емкости кабеля c измерением величины тока зарядки, характеризующей степень увлажненности изоляции.
2 фаза. Кратковременная разрядка емкости кабеля (в течение нескольких секунд) через разрядное сопротивление. В этой фазе происходит разряд основной емкости кабеля, а заряд, содержащийся в «поляризационной емкости», характеризующей состояние изоляции кабеля, сохраняется из-за очень большой постоянной времени разряда.
3 фаза. Измерение временных характеристик восстанавливающегося (возвратного) напряжения в процессе перезаряда емкости кабеля после окончания кратковременной разрядки кабеля.
По окончании процесса измерения возвратного напряжения кабель разряжается через разрядное сопротивление до полного стекания остаточного заряда. После этого процедура диагностики повторяется по описанной схеме при зарядке кабеля постоянным напряжением 2 кВ.
В дальнейшем анализируются полученные кривые возвратного напряжения, характеризующие состояние и степень старения изоляции диагностируемого кабеля, и определяются следующие характеристики:

• максимальная величина возвратного напряжения;
• время достижения максимальной величины возвратного напряжения;
• скорость нарастания возвратного напряжения.

При использовании этого метода необходимо получить результаты измерений и анализа возвратного напряжения для каждой фазы КЛ и для каждого цикла двукратного измерения при зарядном напряжении 1 и 2 кВ, которые при проведении диагностики отображаются на мониторе компьютера в цифровом, графическом и табличном виде:

• время зарядки и величина тока зарядки (в фазе зарядки);
• диаграмма изменения тока зарядки в зависимости от времени зарядки;
• время измерения возвратного напряжения и величина возвратного напряжения (в фазе измерения возвратного напряжения);
• диаграмма изменения возвратного напряжения в зависимости от времени измерения (кривая возвратного напряжения);
• максимальная величина возвратного напряжения и время достижения максимальной величины возвратного напряжения;
• скорость нарастания (начальная крутизна кривой) возвратного напряжения;
• коэффициенты линейности по соотношению максимальных величин возвратного напряжения и по соотношению скоростей нарастания возвратного напряжения при двух величинах зарядного напряжения (2 и 1 кВ).

По результатам диагностирования КЛ с использованием такого метода можно оценить:

• состояние и степень увлажненности изоляции кабелей и муфт по результатам измерения величины тока зарядки, характеризующей интенсивность процессов проводимости в изоляции, и сопоставления результатов измерения с ранее полученными значениями для диагностируемой КЛ и особенно с результатами, характерными для новой (несостаренной) изоляции кабелей соответствующего типоисполнения;
• интенсивность процессов старения (увлажнение, термическое старение изоляции) по результатам определения максимальной величины, скорости нарастания возвратного напряжения и коэффициента линейности;
• состояние и степень старения изоляции по итогам сравнения результатов измерения возвратного напряжения с ранее полученными данными диагностируемой КЛ и с результатами, полученными на новых кабелях соответствующего типоисполнения, а также получить дополнительную информацию о природе обнаруженных дефектов в изоляции кабелей и причинах возможного пробоя кабеля при последующей эксплуатации.

Первой в Европе установку для проведения диагностики КЛ низкого и среднего классов напряжения методом анализа возвратного напряжения в условиях эксплуатации разработала фирма Наgenuk КМТ (Германия), входящая в состав холдинга Seba KMT. Разработка и испытание данной системы диагностики проводились в тесном сотрудничестве с университетами в Вуппертале и в Зигене (Германия), а также с предприятиями по эксплуатации кабельных сетей. Накопленный опыт (в мире уже используется более 150 таких установок) подтверждает экономический эффект применения данной системы диагностики с целью плановой проверки состояния, а также реинвестиции кабельных сетей среднего напряжения.
Специалистами петербургских институтов СПбГПУ и НИИПТ были проведены испытания трех кабельных линий: новой кабельной линии А, введенной в эксплуатацию в 2005 году, и двух кабельных линий (В и С), проложенных в восьмидесятых годах прошлого столетия и находящихся примерно под одинаковой нагрузкой в течении всего срока службы.
Результаты диагностики КЛ с разными сроками эксплуатации (рис. 1, 2, 3) показали, что скорость нарастания (начальная крутизна кривых) возвратного напряжения (GR1 и GR2 на рисунках) является наиболее информативной характеристикой, гораздо более чувствительной к старению изоляции, чем максимальная величина возвратного напряжения или другие характеристики изоляции.
Для кабелей с длительным сроком эксплуатации (более 30 лет) величина скорости нарастания возвратного напряжения в сильно состаренной изоляции выросла в 5–10 раз и более по сравнению с величиной скорости нарастания возвратного напряжения в новой (не состаренной) бумажно-пропитанной изоляции. При этом, как показали испытания, кабельная линия С (рис. 3) находится в значительно лучшем состоянии, чем кабельная линия В (рис. 2), которая имеет дефектные участки изоляции, что вытекает из скорости нарастания возвратного напряжения и коэффициента нелинейности, который представляет собой отношение параметров кривой, снятой при зарядном напряжении 2 кВ, к параметрам кривой при зарядном напряжении 1 кВ.

Достоверность и эффективность оценок состояния и степени старения бумажно-пропитанной изоляции по результатам диагностики кабельных линий в условиях эксплуатации может быть повышена по мере накопления банка данных результатов измерений на кабельных линиях с кабелями разных марок и разных годов прокладки.
Дальнейшее совершенствование метода анализа возвратного напряжения с целью установления корреляционной связи между степенью старения (остаточным ресурсом) и измеряемыми характеристиками бумажно-пропитанной изоляции позволит перейти к получению количественных оценок остаточного ресурса изоляции кабелей по результатам измерения в условиях эксплуатации тока заряда и возвратного напряжения. Такая корреляционная связь может быть установлена при проведении стендовых испытаний промышленных образцов кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с периодическим измерением кривых возвратного напряжения в изоляции кабелей в процессе их ускоренного старения (от исходного состояния до состояния полного износа изоляции).

Рис. 1
Кривая возвратного напряжения, снятая при зарядке изоляции кабеля напряжением 1 и 2 кВ, и кривая коэффициента нелинейности для КЛ А

Рис. 2
Кривая возвратного напряжения, снятая при зарядке изоляции кабеля напряжением 1 и 2 кВ, и кривая коэффициента нелинейности для КЛ В

Рис. 3
Кривая возвратного напряжения,снятая при зарядке изоляции кабеля напряжением 1 и 2 кВ, и кривая коэффициента нелинейности для КЛ С