Кабельные линии

В первой части статьи («Новости ЭлектроТехники» № 1(103) 2017) Леонид Григорьевич Сидельников описал методику, позволяющую с высокой точностью определять по экспериментальным данным длину кабельной линии и проблемные места с частичными разрядами.

Во второй части статьи автор приводит способ расчета снижения ресурса линий в процессе эксплуатации относительно исходного или предыдущего технического состояния.

Леонид Сидельников, к.т.н., ООО «ТестСервис», г. Пермь

СИЛОВЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ СО СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ
Локализация проблемных мест и прогнозирование остаточного ресурса

ДЕГРАДАЦИЯ СПЭ-ИЗОЛЯЦИИ И РЕСУРС КЛ

Сегодня большую часть КЛ, вводимых в эксплуатацию, составляют линии со СПЭ-изоляцией. Для электросетевых компаний возможность прогнозировать время выхода из строя изоляции объектов электроэнергетики, несомненно, имеет первостепенное значение. При этом относительно малый опыт применения СПЭ-изоляции, накопленный в России и за рубежом, не позволяет на основе статистических данных определить нормируемый или прогнозируемый ресурс таких линий.

В настоящее время есть информация лишь о заявленном производителями кабельной продукции ресурсе кабелей с этой изоляцией. В России заявленный ресурс кабеля со СПЭ-изоляцией – не менее 30 лет. Зарубежные производители говорят о ресурсе более 40 и даже 50 лет.

Ресурс эксплуатации КЛ непосредственно связан со старением изоляции, которое можно разделить на естественное и старение под воздействием внешних факторов и физических явлений.

Установлено, что основное разрушающее воздействие на СПЭ-изоляцию оказывают частичные разряды (ЧР). Кроме того, в отличие от бумажно-масляной изоляции, для которой характерно самозалечивание дефектов, процесс развития ЧР в СПЭ-изоляции однозначно ведет к ее деградации вплоть до пробоя.

Информация об уровне ЧР не дает ответа на вопрос о времени пробоя. При величине разрядов более 5000 пКл, что классифицируется как опасный уровень, выход из строя СПЭ-изоляции происходит примерно в течение пяти и более лет.

Кроме электромагнитного излучения разряда, на изоляцию разрушающе действуют и сопутствующие факторы: тепловое, механическое, химическое воздействие, энергия, освобождающаяся в результате разрушения атомарных структур среды и т. д. Задача заключается в определении зависимости развития дефектов в изоляции от воздействия ЧР.

Полная энергия от разряда, кроме электромагнитной составляющей, содержит энергию механического воздействия на среду, световое излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне, ультразвуковое излучение и т. д. Вместе с тем электромагнитная составляющая в силу подобия характера процессов, протекающих в месте разряда, с достаточной для практики точностью отражает изменение полной энергии в месте разряда.

Время жизни разрядов непостоянно и не зависит от их величины. Экспериментально установлено, что время жизни ЧР составляет в среднем от 0,2 до 0,24 мкс.

Известно, что энергия диссоциации молекул полиэтилена составляет 1,2 · 10^–14 Дж, что примерно в пять раз меньше энергии ЧР величиной 10000 пКл.

При этом на процесс диссоциации молекулы (распад на две или несколько частей, свободные радикалы, ионы или другие молекулы) влияет не сама интегральная величина энергии, а ее плотность.

Скорость разрушения изоляции пропорциональна квадрату плотности энергии разрядов. Если известна величина разрядов Q, а также их количество за единицу времени n, то энергия в месте разряда тождественна Q · n. В табл. 1 приведены нормируемые параметры разрядов [1].

Таблица 1. Нормируемые параметры ЧР для оценки состояния СПЭ-изоляции КЛ напряжением 6–35 кВ

Начальное нормированное значение Q · n = Q₀ · n₀ = 79,2 · 10^–12 А. На этапе сдачи КЛ в эксплуатацию эта величина может отличаться в большую или меньшую сторону, что характеризует исходное качество объекта.

При принятом условном общем ресурсе эксплуатации линии t = 30 лет, остаточный ресурс можно описать эмпирической зависимостью:

(11)

Коэффициент k = 1,1 – усредненное значение, учитывающее величину физического времени. На рис. 5 представлена расчетная нормируемая зависимость остаточного ресурса КЛ для малых значений Q · n.

Рис. 5. Нормированная зависимость остаточного ресурса КЛ в области малых значений Q · n

На начальном участке характеристики скорость процесса велика, что объясняется большими значениями напряженности и индукции электрического поля, а следовательно, и плотности энергии:

(12)

В дальнейшем скорость процесса падает, что объясняется снижением напряженности электрического поля из-за роста проводимости в месте дефекта. Вывод согласуется с результатами исследований зависимости напряжения пробоя от температуры.

Практически t₀ > 30 лет, но его точное значение определить на этапе сдачи линии в эксплуатацию невозможно. В процессе эксплуатации, учитывая периодичность диагностических испытаний, точность прогноза будет расти.

При максимальном нормируемом значении Q · n = 7350 × 10^–12 А (Q = 10500 пКл, n = 0,7 шт./сек) прогнозируемое время остаточного ресурса эксплуатации составит чуть более трех лет.

При аномальном режиме эксплуатации КЛ, например при длительной перегрузке, параметры изоляции под воздействием температуры будут падать, а общий ресурс линии будет уменьшаться. Следовательно, и остаточный ресурс эксплуатации будет снижаться (рис. 6).

Рис. 6. Кривые жизни (траектории деградации) КЛ в зависимости от начального качества линии

Если очередной рассчитанный остаточный ресурс меньше нормированного за период времени, истекший после предыдущей диагностики, то это означает снижение общего ресурса линии. В дальнейшем траектория старения изоляции от действия ЧР должна рассчитываться в соответствии с новым значением t^*₀ < t₀.

Если общий ресурс кабельной линии при последующих диагностических испытаниях снижается относительно предыдущего участка траектории, то необходима новая корректировка t₀.

Таким образом, на каждом этапе периодических диагностических испытаний линии возможна корректировка траектории старения изоляции, т. е. построение итерационного процесса на основе экспериментальных данных. Чем больше шагов итерации, тем точнее будет определен остаточный ресурс КЛ.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННОЙ СЕТИ

Для прогнозирования остаточного ресурса можно применить технологию нейронных сетей [2]. Для упрощения решения задачи и снижения ее размерности в  качестве параметров будем также рассматривать Q и n.

Рис. 7. Формальный нейрон

На схеме формального нейрона (рис. 7) x₁ соответствует величине разряда Q, а x₂ – интенсивности n. Нейрон состоит из взвешенного сумматора (Σ) и нелинейного элемента активатора (F). Функционирование нейрона описывается формулами:

NET = xiwi ; OUT = F(NET – θ) ,

(13)

где x_i – входные параметры или совокупность входных сигналов нейрона, образующих вектор;
w_i – весовые коэффициенты, образующие вектор;
NET – взвешенная сумма входных сигналов, являющаяся входным сигналом нелинейного элемента;
OUT – выходной нейронный сигнал;
F – нелинейная функция, или функция активации;
θ – пороговый уровень нейрона.

Пусть:

(14)

Весовые коэффициенты:

(15)

Таким образом:

При Q = 1200 пКл и n = 0,066 шт./сек, NET = 0,2085713124. Если функция активации OUT = 1,1 · t₀ · e^–NET, то остаточный ресурс t = 30 · k · OUT = 26,4 лет. Таким образом, даже минимальный уровень нормируемых разрядов не гарантирует, что общий ресурс эксплуатации линии будет равен 30 годам.

Строго говоря, минимальные значения нормируемых разрядов следует рассматривать как предельно допустимые. Вместе с тем реальная ситуация с качеством монтажа КЛ со СПЭ-изоляцией и отсутствие системы диагностики изоляции по ЧР даже в сетевых компаниях вынуждают пользоваться нормативами, приведенными в табл. 1. Для линий высокого напряжения (≥ 110 кВ) предельно допустимыми следует считать ЧР, приведенные в табл. 1, с параметрами, уменьшенными на порядок.

На рис. 8 представлены сравнительные результаты расчета остаточного ресурса КЛ со СПЭ-изоляцией. Значения t, лежащие выше кривой 1 или 2, представляют собой поле возможных значений в зависимости от состояния изоляции. Значения, лежащие ниже кривых, соответствуют линиям с изначально сниженным ресурсом эксплуатации.

Рис. 8. Сравнительные результаты расчета остаточного ресурса линий

Отметим, что полученные зависимости – теоретические, хотя и базируются на статистике экспериментально полученных нормируемых данных. Дело в том, что изначально величина общего ресурса конкретной КЛ неизвестна, а дальнейшая деградация изоляции не учитывает возможные дополнительные отрицательные воздействия на изоляцию. Предложенную методику можно успешно применять для описания старения больших групп силовых КЛ, например в филиалах «Россетей». Но в целом прогнозирование на длительный период (более 5 лет) нельзя рассматривать как достоверное.

Величина общего ресурса, неизвестная в абсолютных единицах, в относительных всегда будет равна единице. В этом случае при использовании нейронной технологии снижение ресурса:

Если диагностика технического состояния КЛ выполняется с периодичностью не более пяти лет, то информацию, полученную с помощью выражения (17) качественно можно считать достоверной. В этом случае скорость изменения технического состояния за время до очередной диагностики может быть критерием опасности состояния изоляции (рис. 9).

Рис. 9. Относительное снижение ресурса КЛ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диагностика технического состояния силовых КЛ и оценка снижения их ресурса – взаимосвязанные процессы. Вместе с тем прогноз остаточного ресурса отдельных линий на длительный период не может считаться достоверным, т. к. невозможно прогнозировать то, что ожидается лишь через десятки лет.

К недостаткам описанных методик прогнозирования ресурса относится отсутствие информации о направлении траектории деградации изоляции на момент прогноза. Если каждое значение остаточного ресурса или падения ресурса расценивать как частное значение из бесконечного множества возможных состояний, то эти величины можно рассматривать как поле в координатах n и Q. Любому полю соответствует распределение векторного потенциала. Тогда в координатах Q и n можно записать:

Установив векторный потенциал A, можно не только рассчитать остаточный ресурс, но и определить направление процесса по проекциям векторного потенциала по осям n и Q, то есть обоснованно построить кривую жизни объекта на следующем временном шаге до очередной диагностики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сидельников Л.Г., Санников А.Г. Методические основы и нормативы технического диагностирования изоляции силовых кабельных линий методом частичных разрядов // Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. 492 с.
2. Хайкин С. Нейронные сети: Полный курс. 2-е изд., испр. М.: Изд. дом «Вильямс», 2006. 1104 с.: ил.