Кабельные линии

Сегодня измерение и мониторинг частичных разрядов (ЧР) – общепринятый в мировой практике метод оценки технического состояния изоляции кабелей высокого напряжения (ВН), обязательная составляющая приемосдаточных испытаний объектов.
В данной статье приводятся примеры измерения ЧР в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) и в газонаполненных кабелях внутреннего давления при помощи высокочастотных трансформаторов тока (ВЧТТ) и датчиков сверхвысокой частоты (СВЧ).

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Методы многоканального измерения и мониторинга ЧР

Войцех Колтунович (Wojciech Koltunowicz),
Лауренциу-Виорел Бадику (Laurentiu-Viorel Badicu),
Рене Хуммель (Rene Hummel),
Ульрике Бронецки (Ulrike Broniecki),
Даниэль Гебхардт (Daniel Gebhardt)
OMICRON Energy Solutions GmbH, Берлин, Германия

Для оценки состояния кабелей, находящихся в эксплуатации, обычно требуется выполнять измерения без отключения кабельных линий. Обнаруженные сигналы ЧР необходимо затем отслеживать на протяжении более длительного периода времени. Как правило, подобный длительный мониторинг проводится для отдельных компонентов кабельной линии, таких как концевые или соединительные муфты. При этом доступ к кабельным муфтам подземных кабелей может быть затруднен, а для работы системы мониторинга ЧР нередко требуется индуктивный источник питания.

Для анализа данных ЧР рекомендуется проводить синхронные измерения на последовательных элементах кабельной системы. Этот подход позволяет обнаружить и с высокой точностью локализовать дефекты изоляции. Для проведения таких измерений требуется оптоволоконное подключение между устройствами сбора данных, которое нетрудно установить на коротких кабелях или кабелях, проложенных в подземных туннелях.

Точность измерения ЧР на объекте существенно снижается из-за высокого уровня шумов. Системы мониторинга должны обладать аппаратными и программными средствами, снижающими влияние шума на результаты измерений. Точность измерений ЧР повышается благодаря применению методов синхронного многоканального измерения ЧР (например, метода 3PARD – диаграммы соотношения амплитуд трех фаз).

ИЗМЕРЕНИЕ ЧР В ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЯХ 110 кВ

Испытательным объектом стал трехфазный газонаполненный кабель внутреннего давления на 110 кВ, находящийся в эксплуатации 42 года. Длина кабеля, подключенного к КРУЭ на открытой подстанции (ПС), составила 1914 м. Главной целью проведения измерений была проверка состояния изоляции кабеля, а также сравнение характеристик работы датчиков ВЧТТ и СВЧ.

Измерения ЧР проводились последовательно на обоих концах кабеля, на КРУЭ, а затем на концевых муфтах воздушной линии (ВЛ). Датчики ВЧТТ были установлены на КРУЭ.

В месте размещения ВЛ использовалась шестиканальная синхронная система измерений ЧР: по три датчика ВЧТТ и СВЧ были подключены к заземленному экрану кабеля. Измерения проводились на различных частотах.

Измерение при помощи ВЧТТ – наиболее распространенный способ обнаружения ЧР в кабелях и в их компонентах в оперативном режиме. В данном случае был использован ВЧТТ, работающий в диапазоне частот от 50 кГц до 14 МГц. Для сравнения показаний и более точного анализа данных параллельно были проведены измерения на концевых муфтах ВЛ при помощи датчиков СВЧ, работающих в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц.

При установке ВЧТТ на кабеле со стороны КРУЭ отключать питание не потребовалось, но из соображений безопасности было временно отключено питание для установки датчика СВЧ на концевую муфту ВЛ.

На конце кабеля со стороны КРУЭ не было обнаружено критических внутренних ЧР.

Для проверки точности системы измерений ЧР на ВЛ было проведено испытание проводов с моделированием внешнего источника шума. К проводнику фазы А кабеля был подключен короткий провод. Известно, что под высоким напряжением на оголенном конце провода возникает коронный разряд. Как и ожидалось, на фазе А в месте расположения провода был обнаружен разряд наибольшей амплитуды. Кроме того, наблюдалась перекрестная наводка с другими фазами. Шестиканальные диаграммы ЧР с пофазной разбивкой (ЧРПР) сигнала представлены на рис. 1.

Рис. 1. Шестиканальные синхронные диаграммы ЧР с пофазной разбивкой, полученные при помощи датчиков ВЧТТ и СВЧ

Можно заметить, что импульсы, генерируемые моделируемым коронным разрядом, обнаруживались только с помощью датчиков ВЧТТ. Они не наблюдались в диапазоне CВЧ, по-скольку частотный спектр коронного разряда не пересекается с частотным спектром датчика CВЧ.

Датчики обоих типов обнаружили внутренний ЧР на концевой муфте ВЛ. Наибольшая амплитуда была измерена в фазе В кабеля. Чтобы получить информацию о CВЧ-спектре сигнала, на запитанной кабельной линии была произведена развертка по частоте (рис. 2). На схеме развертки показаны два спектра сигнала. Верхний спектр соответствует максимальной амплитуде сигнала во временной области, полученной для каждого значения развертки по частоте. Нижний спектр соответствует минимальной амплитуде. ЧР всегда виден на верхнем спектре, а шумовой сигнал, например, коронный разряд, радиоволны или GSM, виден на обоих спектрах. При развертке по частоте для фильтра была установлена полоса пропускания 1,5 МГц.

Рис. 2. Диаграмма развертки по частоте

Обнаружение ЧР в диапазоне CВЧ служит важным показателем того, что источники ЧР находятся внутри концевой муфты кабеля. На рис. 1 диаграммы сигнала выделены красными прямоугольниками. Можно заметить, что их форма напоминает форму диаграмм, полученных с помощью датчиков ВЧТТ. Тем не менее амплитуды импульсов невозможно сравнить из-за применения различных датчиков.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧР В КОРОТКОМ КАБЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЕМ 220 кВ СО СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ

Проведено измерение ЧР в кабеле напряжением 220 кВ длиной 100 м со СПЭ-изоляцией. Испытания проводились для точного измерения ЧР в зашумленной среде, обычной для открытых подстанций. Измерения были выполнены с помощью датчиков ВЧТТ, подключенных к заземленному экрану кабеля на КРУЭ и к концевым муфтам ВЛ. При подключении датчиков и настройке измерительной системы отключать питание не потребовалось. Так как кабельная линия находилась под напряжением, выполнить калибровку системы обнаружения ЧР было невозможно. Вместо этого работа системы была проверена путем подачи калибровочных импульсов на датчики. Ток утечки на экране кабеля был достаточно высоким для синхронизации сигнала ЧР с рабочим напряжением.

Для точного измерения ЧР использовался метод 3PARD. На рис. 3а показаны трехфазные синхронные диаграммы ЧРПР, полученные с концевых муфт КРУЭ. На рис. 3б показана диаграмма 3PARD, построенная на основе полученных импульсов ЧР из этих трех фаз.

Рис. 3. Трехфазные диаграммы ЧРПР (а) и эквивалентная диаграмма 3PARD (б)

На диаграмме 3PARD наглядно представлена связь между амплитудами единичного импульса ЧР в одной фазе и создаваемыми перекрестными помехами в двух других фазах. При повторении этой процедуры с большим количеством импульсов ЧР, источники ЧР и шумы отображаются на диаграмме 3PARD в виде четко различимого скопления точек. Изучение отдельных кластеров на диаграмме 3PARD позволяет разделить шум и ЧР. Разделение единичного сигнала ЧР и шума возможно при синхронном выполнении измерений.

Для анализа отдельных сигналов были выбраны наиболее значимые кластеры (рис. 4а) и проведено их обратное преобразование в диаграммы ЧРПР. Успешно выделен шум, источником которого были преимущественно ВЛ ПС (находится в центре диаграммы 3PARD). Обнаружен внутренний сигнал ЧР в средней фазе кабельной линии (фаза В). Разделенные и преобразованные диаграммы ЧРПР сигнала представлены на рис. 4б. Соответствующий кластер отмечен на диаграмме 3PARD синим прямоугольником.

Рис. 4. Выделение сигнала ЧР (а) и его обратное преобразование в диаграмму ЧРПР (б)

Так как калибровка установки без отключения напряжения невозможна, отображаемые на диаграммах ЧРПР значения ЧР не несут никакой существенной информации. Чтобы получить дополнительную информацию о типе источника ЧР, измерения ЧР проводились на различных центральных частотах: 5, 7, 9 и 11 МГц (рис. 5). Для цифрового фильтра устройства сбора данных установлено значение частоты 3 МГц. Это значение не изменялось в процессе измерений. Следует отметить, что выбранная частота измерения не влияла на амплитуду сигнала и частоту повторения импульсов ЧР (около 130 импульсов в секунду). Поскольку затухание сигнала ЧР в диапазоне 5–11 МГц очень слабое, появилось предположение, что ЧР находятся в непосредственной близости к датчику измерений, а именно в концевой муфте КРУЭ на фазе В.

Рис. 5. Диаграммы ЧРПР сигнала ЧР на разных частотах после разделения

Из-за неустойчивого поведения сигнала ЧР, обнаруженного во время измерения, было активировано предварительно установленное программное обеспечение для временного мониторинга и данные измерений сохранялись каждые 10 минут. На основе собранных данных мониторинга была сформирована диаграмма тенденции ЧР (рис. 6). На рисунке можно заметить произвольные пиковые значения. Помимо значений ЧР, в базе данных сохранены диаграммы ЧРПР и диаграммы 3PARD как иллюстрации для каждой точки измерения.

Рис. 6. Тенденция ЧР в КРУЭ на фазе В

Было решено прекратить временной мониторинг через 18 часов, несмотря на рекомендацию вести его непрерывно. Через пять недель работы произошел пробой в средней фазе кабеля, где ранее была обнаружена активность ЧР. След пробоя (фото 1) был найден в 40 см от проходной муфты вблизи соединительного зажима на шине КРУЭ.

Фото 1. Результаты осмотра концевой муфты КРУЭ после отказа

МОНИТОРИНГ ЧР В СИСТЕМЕ КАБЕЛЕЙ СО СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ 230 кВ В ПОДЗЕМНОМ ТУННЕЛЕ

Объектом исследования стала кабельная линия 230 кВ со СПЭ-изоляцией длиной 6 км. Первая часть кабеля находится в подземном туннеле, вторая часть – в земле. На кабельной линии есть шесть муфт, каждая третья из которых заземлена. Другие муфты транспозиционные. Необходимо было выполнить непрерывный мониторинг состояния изоляции двух последовательных транспозиционных муфт внутри туннеля.

Схема системы мониторинга представлена на рис. 7. Шесть датчиков ВЧТТ, установленных на транспозиционных соединениях, использовались для обнаружения ЧР непосредственно в этих муфтах. Система распознания ЧР состояла из двух трехканальных высокоточных модульных устройств сбора данных (по одному на каждую муфту).

Рис. 7. Архитектура системы для непрерывного мониторинга ЧР в кабельных муфтах в подземном туннеле

Измерения осуществлялись синхронно во всех шести точках измерения. Синхронизация устройств сбора данных выполнялась по оптоволоконному кабелю в течение 2–5 нс. Индуктивный источник питания для устройств сбора данных имелся в туннеле, так что не было необходимости в дополнительных устройствах. Данные мониторинга от двух устройств сбора данных направлялись через оптоволоконные линии на сервер в диспетчерской на подстанции, расположенной у ближнего конца кабеля.

Калибровка работы системы была выполнена путем подачи калибровочных импульсов 10 пКл на датчики ВЧТТ. Для цифрового фильтра устройства сбора данных была установлена центральная частота 900 кГц и полоса пропускания 300 кГц. Калибровочные импульсы были отделены от шумов системы.

Система мониторинга представляла данные от каждого устройства сбора данных в двух режимах: постоянном и периодическом. В постоянном режиме данные собираются ежесекундно, сравниваются с пороговыми значениями и в реальном времени отображаются в графическом интерфейсе пользователя. Если полученные значения ниже предварительно заданных пороговых значений, они окрашиваются в зеленый цвет. Если измеренные значения превышают пороговые значения, они окрашиваются в желтый (предупреждение) или красный (превышение порогового значения) цвет. Периодические измерения выполняются каждые 60 минут. Продолжительность измерения обычно составляет 1 мин.

Пороговые значения для ЧР – 30 пКл (сигнал о предупреждении) и 50 пКл (сигнал о превышении порогового значения). Чтобы поступил сигнал о предупреждении или о превышении граничного значения, значения ЧР должны оставаться выше пороговых в течение заранее определенного промежутка времени (например, 15 с). Эта процедура позволяет избежать ложных срабатываний, которые могут произойти в процессе эксплуатации из-за изменения нагрузки или условий окружающей среды, операций переключения и т. п.

Обработка данных мониторинга осуществляется в модульной системе программного обеспечения, что позволяет в течение длительного времени надежно хранить данные мониторинга и обеспечивает удаленный доступ к ним через веб-интерфейс.

Во время мониторинга на фазе В муфты № 2 наблюдался ЧР-подобный сигнал. Данные о ЧРПР, собранные на этой муфте в синхронном режиме, представлены на рис. 8.

Рис. 8. Синхронно собранные данные о ЧРПР в муфте № 2

Наблюдались также наведенные ЧР на фазах А и С. Такой же ЧР-подобный сигнал с меньшей амплитудой был зарегистрирован в другой отслеживаемой муфте. Источник сигнала был обнаружен путем дополнительного измерения. Источник частичных разрядов находился внутри трансформатора, подключенного к кабельной линии на расстоянии около 1,8 км от муфты № 2.

ВЫВОДЫ

• Для измерения ЧР в кабельной системе со СПЭ-изоляцией и в газонаполненных кабелях внутреннего давления можно успешно использовать универсальное устройство сбора данных.
• Синхронное измерение с помощью датчиков ВЧТТ и СВЧ, работающих на различных уровнях частот, позволяет выявлять различия между внутренним ЧР и шумом; точность локализации улучшается с помощью синхронного измерения.
• Разделение источников ЧР и подавление внешнего шума осуществляется с использованием методов синхронной многоканальной оценки.
• Непрерывный мониторинг позволяет предотвратить аварийный отказ кабельных линий.