66
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
С
егодня мало кто поспорит с тем, что кабель-
ные линии столь же важны для нормальной
жизни любого города, сколь важны нервы и
артерии для человека. Работоспособность
кабельной линии — это свет в домах, возможность
приготовить еду, комфортное проведение досуга,
работа и всё то, без чего нельзя представить себе
сегодняшнюю жизнь человека. Каждая сетевая
компания уделяет много внимания поддержанию
работоспособности кабельных сетей. Немного про-
ще обстоят дела с обслуживанием сопутствующего
оборудования, но лишь из-за его локализации в гра-
ницах подстанции.
Применение систем диагностики в кабельной
сети уже привычное дело для крупных энергетиче-
ских компаний. Одним из перспективных направ-
лений в этой области является диагностика мето-
дом локализации и измерения частичных разрядов
(ИЧР). Метод хорошо знают постоянные читатели
журнала «КАБЕЛЬ-news» и специалисты отрасли.
Помимо применения диагностики методом ИЧР
для оценки состояния и локализации слабых мест
в изоляции кабеля, эти методы широко применя-
ются для диагностики электрооборудования.
Попытка предсказать основную тенденцию
развития диагностических систем подвела нас к
мысли о необходимости применения универсаль-
ного прибора, который мог бы объединить в себе
систему диагностики кабельных линий и электро-
оборудования широких классов напряжения. Про-
ведя совместную работу с ОАО «Ленэнерго» по
выработке критериев к подобным устройствам и
проанализировав линейку оборудования ряда ми-
ровых производителей, было отдано предпочте-
ние диагностическим системам компании HVPD
(Англия).
Диагностика оборудования
и кабельных линий без
вывода в ремонт
Однажды, это было уже году в сорок седьмом, произошла авария в начале
Лиговского проспекта. Пробило кабель, и целый квартал остался без света,
без энергии. Искали место повреждения до вечера — не нашли. Стояла зима,
мёрзлый грунт били ломами, успели проверить одну муфту, она была в по-
рядке. Стемнело. Работы продолжались, потому что без света сидели детская
больница и фабрика…
Дело в том, что бомбы и снаряды, падая даже в стороне от кабеля, могли
взрывной волной нарушить изоляцию, могли сдвинуть грунты так, что посте-
пенно начинало кабель тянуть, рвало его из муфт. Несколько лет после бло-
кады продолжались такого рода аварии. Убраны были развалины, заделаны
все пробоины, отремонтированы фасады домов, а под землёй как бы про-
должался обстрел, падали снаряды и бомбы, и в огромные воронки, давно
засыпанные, залитые асфальтом, вдруг рушился электрический ток. Давний
взрыв снаряда пробивал кабель. И термин был — пробой, как пробоины на
корабле.
Даниил Гранин. «Блокадная книга», 1977—1981 гг.
Дмитрий КОПЧЕНКОВ, руководитель
Испытательно-диагностического центра ООО ПКБ «РЭМ», Санкт-Петербург,
Наталья СИНИЦКАЯ, начальник отдела комплексной диагностики
Департамента эксплуатации ОАО «Ленэнерго», Санкт-Петербург,
Антон ПЕТРОВ, ведущий специалист ГК ИМАГ, Москва
67
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
Этот выбор был обусловлен успешным опытом
внедрения подобных систем в английских электри-
ческих сетях. Так, к примеру, благодаря совместной
работе HVPD и Лондонских распределительных се-
тей, которые провели диагностику 629 кабельных
линий напряжением 11 кВ, было отобрано 30 кабель-
ных линий, подлежащих немедленному ремонту (5%
всех продиагностированных). В течение 3 месяцев
11 линий из отобранных вышли из строя в предска-
занных местах, в то время как из оставшихся ка-
бельных линий, в которых дефекты не были столь
критичными (95% продиагностированных), вышло
из строя 5 линий. Однако в данном случае дефекты,
приведшие к аварии, не были связаны с развитием
дефектов в изоляции кабельных линий.
Концепция приборов HVPD основана на диагно-
стике кабельных линий и электрооборудования под
рабочим напряжением, при этом отключение напря-
жения или нагрузки не требуется. В данном случае
на кабель или оборудование не подаётся повышен-
ное напряжение от внешних источников, кабель диа-
гностируется в реальных рабочих условиях, что по
праву можно считать по-настоящему щадящим, не-
разрушающим методом.
Компания HVPD предлагает широкий спектр
диагностических систем. Это и компактный прибор
предварительной квалификации оборудования на
наличие частичных разрядов — PDSurveyor, и систе-
мы постоянного мониторинга ЧР — Mini Monitor, Multi
Portable Monitor (уже представленный в России как
LPD-Monitor от SebaKMT), Longshot, Multi Permanent
Monitor. Данные приборы предназначены для перио-
дического мониторинга уровней ЧР и их активности,
отличаются количеством каналов, а следователь-
но, и количеством оборудования, с которым можно
работать одновременно (4 канала, 16 каналов, 96
каналов и более). Отдельное место в этом списке
занимает прибор Longshot, объединяющий в себе
систему мониторинга, рефлектометр и систему ло-
кализации мест возникновения ЧР. Благодаря воз-
можностям расширения системы Multi Permanent
Monitor возможна реализация полноценной системы
диагностики всей сети (кабелей и электрооборудо-
вания) в режиме реального времени (рис. 1).
По заявлению производителя данные системы
универсальны и позволяют проводить диагностику
кабельных линий, трансформаторов, КРУЭ, двига-
телей, генераторов, разрядников и конденсаторов
вплоть до 700 кВ. В России всё больший интерес
приобретают системы диагностики методом ИЧР
силовых кабельных линий. Это обусловлено тем,
что в большинстве своём распределительные сети
переходят на кабель с изоляцией из сшитого поли-
этилена. Как показывает огромное количество пе-
чальных примеров, проведение монтажных работ с
кабельными линиями без последующего обязатель-
ного диагностирования методом ИЧР, при их вводе в
эксплуатацию может обернуться развитием дефек-
тов изоляции, которые практически не выявляются
приёмо-сдаточными испытаниями повышенным на-
пряжением.
Диагностика методом ИЧР на протяжении не-
скольких десятилетий оправдывает себя во многих
странах мира. Как показывает опыт зарубежных
производителей диагностического оборудования, в
85% случаев выходу энергетического оборудования
Рис. 1. Широкий спектр диагностических систем компании HVPD
1 — PDSurveyor, 2 — Mini Monitor, 3 — Multi Portable Monitor, 4 — Longshot, 5 — Multi Permanent Monitor,
6 — система мониторинга в реальном времени.
1
2
4
5
6
3
68
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
за PD Reader, в которой для анализа и описания ха-
рактеристик импульсов, полученных для частичного
разряда в кабеле, распределительном устройстве и
для шума, используется программная модель рас-
познавания событий.
Датчики универсальны для всех приборов HVPD
и отличаются только своей конструкцией и принци-
пом действия. Это связано с их использованием с
различным типом оборудования.
Для измерения ЧР в кабелях среднего и высоко-
го класса напряжения применяются датчики HFCT
(трансформаторы тока высокой частоты). Это ин-
дукционные датчики различных размеров, устанав-
ливаемые вокруг вывода экрана или каждой жилы
кабельной линии. Установка данных датчиков име-
ет некоторые особенности. Когда во внутренней
структуре изоляции (между проводником и зазем-
лённым экраном) возникает частичный разряд, в
обоих проводниках генерируется импульс ЧР (ток
ЧР для проводника равен i+, ток ЧР в заземлённом
экране — i-). Эти импульсные сигналы имеют одина-
ковую величину, но противоположную полярность.
В результате, если вокруг всего кабеля (включаю-
щего проводник и заземлённый экран) установлен
датчик HFCT, полный ток от импульсов ЧР будет
нулевым. Таким образом, для измерения сигнала
частичного разряда необходимо использовать лю-
бой из этих проводников по отдельности и измерять
либо ток ЧР в проводнике (i+), либо ток ЧР в зазем-
лённом экране (i-). Благодаря этому имеются раз-
личные варианты подключения датчиков (рис. 3, 4).
Рис. 3. Варианты подключения датчиков
к кабельной линии
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
из строя предшествовало значительное повышение
уровня ЧР в месте аварии. Для кабельных линий
практически все частичные разряды будут приво-
дить к повреждению изоляции кабелей до той или
иной степени. Эффект действия частичных разря-
дов на изоляцию можно рассматривать как эффект
воздействия ионизирующего излучения на живые
ткани организма человека. Возникает вопрос: какой
уровень излучения опасен? Точно так же спрашива-
ют о критичных уровнях частичных разрядов в вы-
соковольтных системах. Правильный ответ: это от-
сутствие безопасного уровня. В любом случае при
низком уровне воздействия ЧР на изоляцию просто
пройдёт больше времени, прежде чем повреждение
заявит о себе (рис. 2).
Для диагностики под напряжением используются
специальные датчики, которые регистрируют им-
пульсы ЧР за 1 период промышленной частоты 50 Гц
(длительность 20 мс), а для обработки полученных
результатов — специальное ПО PD Gold. Оно пред-
назначено для измерения и записи активности ЧР за
период времени от 2 до 5 минут, со сбором подроб-
ных данных за 10 циклов питания 50 Гц с 30 оциф-
рованными «сегментами формы сигнала», собран-
ными за каждый цикл, для каждого подключённого
датчика (240—750 сегментов для каждого датчика).
Далее с информацией работает программа анали-
Рис. 2. Воздействие ЧР на кабель
1 — следы ЧР в кабеле БМ 11 кВ; 2 — следы ЧР
во второй фазе трансформатора 110 кВ; 3 — следы
ЧР в оборудовании. Данные примеры выявлены спе-
циалистами HVPD при помощи установки Longshot.
Принцип подключения датчиков HFCT для пра-
вильного измерения ЧР в кабельной линии накла-
дывает определённые требования к её конструк-
ции. Так, подключение датчика HFCT невозможно в
случае отсутствия изолирующей прокладки между
выводом экрана кабеля и оборудованием, если нет
доступа к экрану и жиле кабеля или если на пере-
мычке между заземлителем и выводом экрана ка-
1
3
2
69
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
беля отсутствует место для подключения датчика
(рис. 5).
Частичные разряды по месту своего возникно-
вения следующие — ЧР между жилой и экраном и
ЧР между жилой и жилой в случаях трёхфазного ис-
полнения кабеля. ЧР, возникающие между жилой
и экраном, — это наиболее критичные ЧР, так как
именно они в 75% случаев приводят к пробою изо-
ляции кабельной линии. Данный вид ЧР легко лока-
лизуется при реализации любого вида подключения
датчика, описанного ранее. ЧР, возникающие между
жилами кабельной линии, менее критичны для её
выхода из строя. Это обусловлено самой конструк-
цией кабельной линии, так как жилы почти не под-
вергаются механическим повреждениям при про-
кладке кабельных линий, в отличие от слоя внешней
изоляции, и разность потенциалов, и напряжённость
электрического поля незначительны для провокации
дефекта. ЧР между жилами можно регистрировать
только при непосредственном подключении датчи-
ков на каждую жилу кабельной линии. Это связано с
тем, что значения ЧР на каждой жиле будут равны по
своему абсолютному значению, но противоположны
по величине, и в итоге суммарное значение импуль-
са на общем экране кабеля равно нулю. Поэтому при
тестировании трёхжильных кабелей с общей изоля-
цией, в случае невозможности установки датчиков
на каждую жилу кабельной линии и при размещении
датчика на общем экране, ЧР между жилами реги-
стрироваться не будут (рис. 6).
HFCT измеряет величину ЧР в пКл. Датчик об-
ладает своим постоянным переходным сопротив-
лением Z
пер
. Импульс ЧР, возникающий в изоляции
кабеля, регистрируется, при этом происходит изме-
рение его напряжения. Зная Z
пер
, можно вычислить
ток ЧР. Благодаря характеристикам среды высоко-
вольтных кабелей протекающие по нему высоко-
частотные импульсы тока объединяются в единое
целое, а это значит, что степень частичного разря-
да можно рассчитать без какой-либо калибровки по
формуле 1:
Конец импульса
Q
чп
= 1/Z
пер
U
вых
dt,
(1)
Начало импульса
где Z
пер
— постоянное переходное сопротивление
датчика HFCT, U
вых
— напряжение на выходе датчи-
ка HFCT в милливольтах.
Импульсы ЧР попадают в линию электропереда-
чи с известными характеристиками. Это означает,
что однополюсная природа частичного разряда со-
храняется по мере перемещения импульса ЧР по ка-
белю. Такие типы импульсов имеют типовую частоту
от сотен кГц (для дальних точек частичного разряда)
до 4 МГц (для ближних точек частичного разряда).
В данном случае отдельного обсуждения заслужи-
вают импульсы ЧР в концевых заделках.
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
Рис. 4. Подключение двух датчиков HFCT:
на жилы кабеля и на вывод экрана кабеля
при тестировании кабельной линии при помощи
установки Longshot
Рис. 5. Примеры конструкций кабельных линий, на которых невозможна установка датчиков HFCT
В данном случае продемонстрированы два варианта
подключения на одном кабеле. При этом прибор ото-
бражает показания по двум независимым каналам с
возможностью отдельного просмотра каждого кана-
ла или в формате наложения показаний.
1
3
2
70
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
Импульсы ЧР в конце-
вых заделках идентифи-
цируются и локализуются
при помощи датчиков TEV
(переходное напряжение на
землю). Это устройство с
ёмкостной связью, которое
регистрирует импульсы ЧР
в кабеле и оборудовании,
протекающие на заземле-
ние металлической поверх-
ности. Датчики TEV крепят-
ся на поверхности любого
электротехнического объ-
екта при помощи магнит-
ного корпуса или двусто-
роннего скотча (рис. 7).
Импульсы ЧР, локализуе-
мые датчиком TEV, имену-
ются локальными или мест-
ными. Эти импульсы имеют
более высокую частоту, нежели импульсы в кабель-
ной линии — до 100 МГц — TEV, до 4 МГц — HFCT
(рис. 8). Значение величины ЧР, рассчитанное при
помощи показаний датчика TEV, указывается в Дб
(формула 2).
Q = 20Log • U
вых
, (2)
где Q — в Дб, U
вых
— в мВ.
При локализации ЧР в оборудовании (трансфор-
маторы, генераторы, КРУЭ) датчики ЧР размещают-
ся на поверхностях объектов, и локализация места
возникновения осуществляется путём перестановки
датчиков и сравнения показаний. Также, в зависи-
мости от формы импульса ЧР, его частоты, того, как
он возникает в периоде 50 Гц, можно судить о его
природе и месте возникновения.
Приведённое описание измерения импульсов
справедливо для всех приборов HVPD, большая
часть которых предназначена для измерения уров-
ней ЧР и плотности их возникновения в течение
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
Рис. 6. Разница между измерениями различных типов ЧР была
продемонстрирована на примере измерения ЧР на кабеле
ОАО «Ленэнерго» 1343Б-1369Б
Как видно из снятых показаний, суммарное значение ЧР фаз «B» и «C» = 8
мВ, а ЧР на фазу «А» = -8 мВ. В результате в случае установки датчиков на
экран кабеля и на заземления ЧР не видны.
1 — вид импульса ЧР в кабельной линии; 2 — импульс ЧР в концевой заделке. Зелёный — показания датчи-
ка TEV, красный — показания датчика HFCT. ЧР регистрируется и на кабеле, и в ячейки, что указывает на
его возникновение именно в концевой заделке.
Рис. 8. Измерение ЧР по двум каналам в режиме наложения
Рис. 7. Установка датчиков HFCT
и TEV в ячейке
1
2
71
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
периода времени мониторинга. Мони-
торинг ЧР позволяет заблаговремен-
но получать информацию об авариях,
связанных со снижением прочности
изоляции кабелей и электротехниче-
ских объектов. Мониторинг важен ещё
и тем, что зачастую о степени критич-
ности дефекта следует не только су-
дить по абсолютной величине ЧР, но и
учитывать частоту, с которой ЧР воз-
никают. Это напрямую связано с раз-
витием дефекта и приближением вре-
мени аварийной ситуации (рис. 9).
Данные примеры выявлены специа-
листами HVPD при помощи установок
Longshot и Mini Monitor.
Дополнительного обсуждения тре-
бует установка Longshot, которая,
помимо мониторинга 4 электротех-
нических объектов одновременно, в
сочетании с программой PD Map, пор-
тативным транспондером и датчиками HFCT может
использоваться для точного обнаружения местона-
хождения ЧР по длине кабельной линии (рис. 10).
Данная технология использует принцип измерения
времени прохождения сигнала. Поступающий из изо-
ляции кабеля импульс частичного разряда проходит
как по заземлённому экрану, так и по жиле кабеля.
Измерение разницы во времени между приёмом пря-
мого импульса и импульса, отражённого от дальнего
конца кабеля, позволяет определить место частично-
го разряда в кабеле с точностью менее 1% от его дли-
ны. Оборудование HVPD с помощью данного метода
успешно обнаруживает места частичного разряда в
кабеле с точностью менее 0,5% от длины (рис. 11).
При возникновении частичного разряда импуль-
сы перемещаются по экрану кабеля и его жиле в
обоих направлениях от места разряда. Первый им-
пульс (прямой) поступает прямо на тот конец кабеля,
где проводится измерение. Вторым импульсом, по-
зволяющим определить место частичного разряда,
является импульс, отражённый от противоположно-
го конца кабеля и достигший того конца, на котором
производится измерение. Такая технология называ-
ется «одностороннее обнаружение места частичного
разряда» и является наиболее простым и быстрым
методом обнаружения места разряда в кабеле, на-
ходящемся под напряжением. Разница по времени
между первыми двумя импульсами (прямым и отра-
жённым)
T указывает на место частичного разряда.
Оба импульса продолжают перемещаться по кабе-
лю, пока их уровень не сравняется с уровнем шу-
мов. В течение этого времени импульсы отражаются
точно на расстоянии L (время возврата импульса по
кабелю) от предыдущего появления на той стороне
Рис. 9. Уровень и частота возникновения ЧР за период времени мониторинга
1 — кабель СП, активность ЧР до и после замены дефектной муфты; 2 — кабель БМ, активность ЧР, развитие
дефекта до пробоя.
Рис. 10. Обнаружение местонахождения ЧР по длине кабельной
линии с помощью установка Longshot
Рис. 11. Локализация ЧР в кабеле. Односторонние измерения
1
2
72
«КАБЕЛЬ-news», № 1, 2012, www.kabel-news.ru
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ
кабеля, где проводится измерение. Это приводит к
появлению серии импульсов уменьшающейся ам-
плитуды, располагающихся друг от друга на рассто-
янии L. Если L — это время возврата по кабелю (что
можно легко измерить с помощью устройства HVPD
Longshot с программой PD Map), то местоположение
частичного разряда будет следующим (формула 3):
расстояние от стороны измерения
(в % от длины кабеля) = 100 (1 —
T/L).
(3)
В то время как метод одностороннего поиска ме-
ста частичного разряда можно использовать в иде-
альных условиях, практика поиска местоположения
частичного разряда в высоковольтных кабелях (как
в рабочем, так и в нерабочем режиме) показала,
что методы одностороннего измерения сложно ис-
пользовать на длинных кабелях и в некоторых дру-
гих случаях. Длинные кабели с высоким затуханием
снижают амплитуду отражённого импульса до такой
степени, что он теряется в фоновом шуме.
Формы сигналов, полученные при измерении ча-
стичного разряда, сложно интерпретировать из-за
помех, например, импульсных шумов электродви-
гателей, к которым подключён силовой кабель. Ре-
шением данной проблемы является использование
портативного транспондера PTT 2000-CT (состоит
из датчика HFCT, транспондера и импульсного гене-
ратора), специально разработанного для поиска ме-
ста частичного разряда в описанных выше случаях.
Общий принцип работы заключается в следующем
(рис. 12). Если датчик HFCT, подключённый к транс-
пондеру, принимает импульс, который превышает
регулируемый уровень его запуска, то устройство за-
пуска передаёт сигнал на импульсный генератор, а он
подаст мощный импульс 100 В (на 50 Ом) на устрой-
ство HFCT, которое, в свою очередь, передаст этот
мощный импульс в кабель. Этот процесс позволяет
превратить одностороннюю систему поиска местопо-
ложения частичного разряда в двустороннюю.
О результатах применения систем HVPD в
электрических сетях России, критериях оценки
ЧР, рекомендуемых HVPD для кабелей и обору-
дования под рабочим напряжением, и сравнении
результатов измерений офлайн- и онлайн- си-
стем читайте в следующем номере журнала.
Рис. 12. Принципиальная схема двусторонних измерений и сравнение амплитуды отражённого
импульса с использованием транспондера и без него
Оригинал статьи: Диагностика оборудования и кабельных линий без вывода в ремонт
Применение систем диагностики в кабельной сети уже привычное дело для крупных энергетических компаний. Одним из перспективных направлений в этой области является диагностика методом локализации и измерения частичных разрядов (ИЧР).
