Настоящий раздел обобщает результаты диагностики и измерений на КЛ, проведенных в энергосистемах России и за рубежом. Описываемый метод диагностики изоляции КЛ позволяет контролировать состояния кабелей при неразрушающем воздействии и является универсальным для широкой номенклатуры электрических кабелей. Эксплуатация КЛ требует непрерывной информации о состоянии изоляции кабелей, в т.ч. об их электрической прочности и остаточном ресурсе. Это необходимо для:
- выработки стратегии по замене кабелей с выработанным ресурсом;
- планирования очередного ремонта;
- устранения участков КЛ с опасными дефектами, которые могут привести к пробою изоляции в эксплуатации.
Особенности дефектов в изоляции кабеля и способы их определения.
Для оценки состояния кабельной изоляции можно использовать диагностику изоляции с помощью различных методов, таких как измерения ЧР, токов утечки, абсорбционных токов и др.
Для БМИ хорошо зарекомендовал себя метод, основанный на измерении ЧР, применение которого позволяет обнаружить локальные дефекты и находить их местоположение. Однако, как показывает опыт применения в полевых условиях диагностических методов для изоляции из полиэтилена, примерно 70 % из всех опасных дефектов нельзя обнаружить этим методом. Многие дефекты изоляции не создают ЧР, например, водные триинги, полости с науглероженными стенками, участки кабеля с повышенной проводимостью и т. п. В кабелях с БМИ увлажненные участки, а также места с науглероженными слоями образуют дефекты, которые не фиксируются по методу ЧР. С образованием и развитием водных триингов связывают в настоящее время большое влияние влажности на снижение электрической прочности полиэтиленовой изоляции кабелей в условиях их эксплуатации.
Метод рефлектометрии
Метод рефлектометрии (РМ) заключается в том, что выявляется неоднородность кабеля (дефект) с помощью зондирования КЛ коротким (десятки наносекунд) низковольтным импульсом. Повышенная точность измерительной аппаратуры, компьютерная обработка информации позволяют определить факт локального изменения емкости участка изоляции и связать его с наличием дефекта. Фиксируемые на РГ пики, связанные с отражением импульсов от участков изоляции с дефектом, в работе названы аномалиями. Этот термин используется и в данной работе.
Возможные механизмы образования аномалий изоляции, дефекты в БМИ. Основным дефектом является зауглероживание слоев бумаги, приводящее к местному (в данном отрезке КЛ) увеличению диэлектрических потерь tg*, т.е. возрастанию проводимости *G и изменению емкости *C.
Измерение аномалий в силовых кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена в полевых условиях показывает, что они связаны с дефектами, снижающими электрическую прочность изоляции. В кабелях, которые долго (годы) находились в грунте, но не были в эксплуатации, аномалии не обнаружены; они выявляются только в кабелях, длительное время находившихся под нагрузкой. Сейчас установлено, что снижение электрической прочности кабелей с пластмассовой изоляцией связано главным образом с развитием водных триингов. Этот процесс длительный и развивается при рабочих напряженностях поля. Вода диффундирует в изоляцию кабеля и под действием градиента напряженности электрического поля собирается в местах с локальной неоднородностью, где могут развиваться триинги. Такими местами в кабеле могут быть неоднородности на проводящих слоях, либо неоднородности в самой толще диэлектрика (газовые или проводящие включения). Типичный вид триингов показан на рис.1.
Рис.1 Типичный вид триингов.
Процессы, приводящие к развитию триингов, пока не совсем ясны; это могут быть электрохимические процессы, приводящие к разрушению диэлектрика под действием электрических сил, воздействие повышенного давления и др. Несомненно, что присутствие воды в каналах триингов значительно сокращает срок службы кабеля. Заполненные водой каналы триингов влияют на собственное электрическое поле кабеля, как если бы они представляли чисто проводящие включения. Это связано не только с проводимостью воды, но и с ее большой диэлектрической проницаемостью.
Величина емкости триинга, проросшего всего на несколько миллиметров, дает приращение удельной емкости на величину порядка десятых долей пикофарады. Один такой триинг обнаружить существующими методами невозможно. Однако в кабеле, длительное время находившемся в эксплуатации, присутствует большое количество триингов. Исследования в лаборатории участков таких кабелей показали, что на длине порядка 1 м могут присутствовать сотни каналов различной длины. Отражения от многих триингов могут дать суммарный отраженный импульс, регистрируемый на РГ. Каков в этом случае механизм воздействия высокого напряжения?
Таких механизмов несколько:
- силовое воздействие электрического поля на воду;
- нагрев газа в каналах под действием ЧР;
- локальный разогрев диэлектрика от токов утечки;
- электролитические эффекты;
- диссипационные явления в науглероженных слоях.
- Характеристики аномалий
Таким образом, в зависимости от условий под действием электрического поля емкости триингов могут увеличиваться или уменьшаться, что приводит к изменению отражений и картины на участках РГ.
В твердой изоляции (в основном это сшитый полиэтилен), в зарубежной литературе называемой ХLPE, дефекты связаны с образованием водных триингов и каналов с различной степенью зауглероживания и заполнения водой.
Указанные дефекты также связаны с изменениями проводимости и емкости. В общем случае локальная емкость диэлектрика в кабеле может измениться, если в ней возникли следующие образования:
- газовые полости с науглероженными стенками;
- полости, заполненные водой или грунтовым электролитом;
- расслоения комбинированной изоляции (в особенности применительно к КЛ с БМИ);
- нарушения адгезии между основной твердой изоляцией и полупроводящим слоем, которые окружают как токоведущую жилу, так и экран.
Изменение индуктивности *L в современных полиэтиленовых кабелях возможно за счет обрыва одного или нескольких проводов, образующих наружную токоведущую оболочку. При всех других нарушениях конструкции КЛ вариации индуктивности будут малыми. Появление в теле КЛ микротрещин и связанных с ними дендритов и полостей (каналов с изменяющейся электропроводностью) приводит к изменению удельной проводимости G. Необходимо помнить, что из-за специфики длинных КЛ возможные изменения L, C и G могут быть:
- точечными, т.е. с дополнительным подключением сосредоточенных *С, *L или *G в определенной точке линии;
- многоточечными, когда подключение *С, *L и *G происходит во многих точках на определенном участке *l КЛ.
