Инструментарий стратегии профилактического технического обслуживания силовых кабельных систем

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

рограммы профилактического техническо-
го обслуживания очень полезны для по-
вышения надёжности кабельных систем
среднего напряжения. Чтобы они работали

успешно, необходимо определить состояние элек-
трических кабельных систем среднего напряжения.
Оценка состояния кабельных систем, когда они на-
ходятся под напряжением, и развертывание про-
граммы по ремонту или замене кабелей на основа-
нии этой оценки помогут менеджеру по управлению
ресурсами (asset manager) реализовать надёжную
систему для работы в энергетических и промышлен-
ных компаниях. Технология обработки кабелей осно-
вана на хорошо зарекомендовавшем себя процессе
впрыскивания кремнийорганического соединения,
который успешно используется для продления сро-
ка службы старых кабельных систем с экструдиро-
ванной изоляцией. Технология оценки состояния
кабелей является эффективным и надёжным ин-
струментом, позволяющим упростить программу
запланированного технического обслуживания, так
как она обеспечивает отличную индикацию состоя-
ния кабелей всех типов. Здесь представлены под-
робные сведения о полностью пассивной методике
диагностики состояния кабелей, которая анализиру-
ет радиочастотные (RF) импульсы, излучаемые ка-
бельной системой, когда она находится под напря-
жением и в рабочем состоянии. В настоящей работе
описаны новейшие технологии, используемые для
оценки состояния и продления срока службы кабе-
лей среднего напряжения, применяемых в системах
распределения электроэнергии, а также рассмотре-
но несколько конкретных примеров.

ВВЕДЕНИЕ

Силовые кабели, являясь критически важным

компонентом распределительной электрической
сети, должны работать как можно дольше, при этом
соответствуя стандартам надёжности и безопас-
ности. Для достижения этой цели исключительно
важна такая часть программы технического обслу-

живания, как правильные диагностические испыта-
ния, главной целью которых является определение
дефектов, которые могут привести к отказу систе-
мы, и прогнозирование периода времени, который
потребуется для того, чтобы эти дефекты привели
к повреждению кабельной системы. Эти испытания
должны быть экономически обоснованными и не
должны привести к дополнительному ухудшению
работы проверяемой системы. Таким образом, опи-
санная в настоящей работе технология позволяет
избежать проведения испытаний с использованием
подачи высоких напряжений.

Полевые испытания кабельных систем, находя-

щихся под рабочим напряжением, для оценки их
будущей работы позволяют повысить надёжность
кабелей в распределительных системах. Это стало
возможным благодаря новой технологии CableWISE,
разработанной десять лет назад. Эта технология яв-
ляется самой эффективной по сравнению с рядом
существующих сегодня методов диагностики. Она
обеспечивает раннее определение слабых компо-
нентов кабельной системы, работающей под на-
пряжением. Данный метод даёт возможность опре-
делить местоположение изношенных компонентов
системы и определить степень их износа. Это ис-
ключительно важно для поддержания надёжности
системы. Экономия получается за счёт расстановки
приоритетов по замене слабых частей цепи и ре-
монту старых кабельных систем с экструдированной
изоляцией.

Не все явления, связанные с деградацией кабе-

ля, ассоциируются с частичными разрядами (ЧР).
Например, в освинцованных кабелях с бумажной
изоляцией (PILC) повреждения всегда связаны с по-
паданием влаги, что обычно может привести к по-
вреждению из-за теплового пробоя. Влага в кабелях
PILC увеличивает потери в изоляции, что приводит к
локальному выделению тепла, ухудшению бумажной
изоляции и в результате к быстрому повреждению
кабеля. Частичный разряд может присутствовать
только на последних стадиях деградации кабеля.

Инструментарий стратегии

профилактического

технического обслуживания

силовых кабельных систем

Нагу Н. СРИНИВАС, UtilX Corporation, США

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

Тем не менее кабельная система излучает сигналы
во время работы и может изменить характер старе-
ния кабеля независимо от возникновения ЧР, обна-
руживаемого обычным способом [4. 6].

Большинство повреждений кабельных систем с

экструдированной изоляцией связано с образовани-
ем древовидного пробоя в результате воздействия
воды (водным триингом), что приводит к преоб-
разованию его в электрический триинг [1]. Водный
триинг — это незначительное ухудшение состояния,
которое происходит в результате комплексного воз-
действия электрических полей переменного тока и
водных растворов солей от заполненных электро-
литом пустот, соединенных узкими порами через
аморфные области (области с ухудшившимися
свойствами) полимера. Давление, наведённое по-
лем, заталкивает гидратированные ионы в полимер.
В результате электрохимической реакции (разрыв
связей при окислении) и перегруппировки полимер-
ной цепи в областях с низкой плотностью (аморфной
областью) образуются микропоры. Электрический
триинг представляет собой деградацию высокого
уровня, которая растёт от областей с повышенными
электрическими напряжениями переменного/посто-
янного тока (т.е. шероховатости металлических по-
верхностей, нарушения структуры и проводимости)
в непосредственной близости от водного триинга
кабельной изоляции. Формирование электрическо-
го триинга может быть результатом частичных раз-
рядов в больших пустотах в материале изоляции,
кабельных муфтах и соединениях. Момент преобра-
зования водного триинга в электрический занимает
очень короткий период времени до повреждения,
поскольку начавшийся электрический триинг рас-
пространяется по ослабленной изоляции с большой
скоростью. Таким образом, стандартным выходом
для локализации частичного разряда является про-
цесс преобразования. В нормальных условиях такое
преобразование вызвано продолжительной актив-
ностью, инициированной в водном триинге и кото-
рую можно выявить в изоляционных полостях и при
помощи технологий «In situ» («на месте»). На рис. 1
показаны участки деградации, которая возможна в
стареющих кабельных системах с экструдирован-
ной изоляцией. Технологии «In situ» (CableWISE)
способны выявить, определить местоположение и
произвести оценку таких участков. Если не предпри-
нять никаких мер противодействия, на большинстве
участков деградации могут развиться электриче-
ские триинги.

ТЕХНОЛОГИИ «IN SITU» ОЦЕНКИ

СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЯ

Сбор данных начинается с момента установки

радиочастотного датчика на внешнюю оболочку
экранированного кабеля под напряжением. Радио-

частотные сигналы, излучаемые кабельной систе-
мой под напряжением, отслеживаются, усиливают-
ся и регистрируются переносным компьютером для
дальнейшего анализа специалистами [3]. Процесс
анализа включает в себя считывание сигналов в
частотной и временной областях. Частотный спектр
используется для обнаружения участка деградации,
который излучает радиочастотные сигналы, времен-
ной спектр используется для отслеживания и опре-
деления значимости деградации. Оценка состояния
каждого кабеля также зависит от типа изоляции,
воздействия условий установки кабеля, а также от
оценки предыдущего состояния кабеля (если тако-
вые имеются). Усовершенствованное ПО анализа
данных позволяет фиксировать даже слабые сигна-
лы с помощью корреляционной программы быстро-
го преобразования Фурье. Для дальнейшей иденти-
фикации сигналов также используется соотношение
основной частоты и первой гармоники (рис. 2).

СТЕПЕНЬ ОЦЕНКИ

На основании анализа данных состояние кабель-

ной системы между каждым комплектом датчиков
определяется при помощи амплитуды сигнала, ча-
стоты повторения импульсов и фазовым углом.

Уровень 1.

Система не повреждена. Никаких мер

не требуется.

Рис. 1. Нарушения изоляции кабелей с

экструдированной изоляцией, которые можно

обнаружить

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

Уровень 2.

Обнаружены небольшие нарушения

— соответствующие сигналы. Вероятность отказа
небольшая. Рекомендуется повторная проверка че-
рез четыре года. Для кабелей с экструдированной
изоляцией необходимо профилактическое обслужи-
вание.

Уровень 3.

Кабельная сеть подвержена старе-

нию, низкая вероятность выхода из строя через
два года. Провести повторные испытания через два
года. Для кабелей с экструдированной изоляцией
рекомендуется профилактическое обслуживание.

Уровень 4.

Небольшая вероятность выхода из

строя. Рекомендуется замена кабеля через 2 года.
Требуется совместное обсуждение для определения
стойкости кабеля после принятия профилактических
мер.

Уровень 5.

Высокая вероятность выхода из строя

через два года. Требуется немедленная замена.

Одна из независимых организаций представила

статистику результатов испытаний, проведённых си-
стемой CableWISE. Значительная часть данных была
получена, когда кабели находились в рабочем состо-
янии под напряжением на протяжении многих лет по-
сле окончания испытаний. Проведённый анализ под-
твердил правильность рекомендаций относительно
будущих характеристик кабеля в части вероятности
отказа, чего нельзя сказать в отношении абсолют-
ных значений, полученных в результате испытаний
отдельных сегментов кабеля. Был сделан вывод, что
анализ представляет собой руководство по точности
методики диагностических испытаний. Таким об-
разом, мы получили новый подход для руководства
энергетических компаний при принятии решений от-
носительно управления ресурсами.

ПРИМЕРЫ ИЗ ПРАКТИКИ

Пример A.

Вышеперечисленные уровни оценки

были использованы при анализе кабельных си-
стем компании Western Utility, США, и служат при-
мером применения технологий прогнозных расчё-
тов. В основном анализ позволил этой компании
оценить потенциал использования этой техноло-
гии прогнозных расчётов состояния (CableWISE),
как части программы полной замены кабельной
системы. Эта компания проводит мониторинг сво-
ей системы и ведёт учёт данных; специальные
меры по оценке результатов применения техно-
логии прогнозных расчётов обеспечили снижение
себестоимости и позволили избежать рекламаций
заказчиков. Удаление обнаруженных дефектных
участков кабелей согласно запланированной про-
грамме и мероприятия по предотвращению на-
ложения преднамеренных внешних напряжений
после получения прогнозов принесли свои резуль-
таты [5].

Пример B.

Был проведён детальный анализ ре-

зультатов диагностических испытаний 2000 года на
распределительных фидерных кабелях длиной 22
км. Были проверены эксплуатационные характери-
стики за 7 лет. После окончания диагностических
испытаний кабели находились в непрерывной экс-
плуатации ещё длительное время. Кабели, которые
по оценке уже «давно должны выйти из строя», по-
казали фактически очень низкий уровень отказов;
точность прогнозов для кабелей, которые не долж-
ны выйти из строя, была очень высока. Общая точ-
ность прогнозирования для кабельных сегментов и
арматуры (анализ проводился отдельно) составила
98% [8].

Рис. 2. Типовые дефекты, выявленные испытательной системой СableWISE

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

ПОСЛЕ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ

Проведение испытаний оценки состояния по тех-

нологии «In situ» (CableWISE) установленных кабель-
ных систем включает в себя установку датчиков об-
наружения сигналов на выбранные участки, причём
кабель остаётся в эксплуатации под напряжением.
Сигналы записываются, а затем обрабатываются
для выдачи информации о состоянии компонентов
кабельных систем (спайки, муфты, трансформаторы
и т.д.).

Накопленный опыт применения этой технологии

показывает, что пользователю достаточно как ми-
нимум вести чёткий учёт и проводить соответству-
ющий мониторинг испытуемых кабельных систем.
Кроме того, необходимо, чтобы пользователь не
проводил никаких самостоятельных действий, кото-
рые бы повлияли на результаты прогнозирования,
проводимого при помощи технологии CableWISE.
Таким образом, определённые действия, которые
следует предпринять пользователю для обеспече-
ния надёжной работы кабельной системы после ис-
пытаний с использованием технологии CableWISE,
включают следующее: проведение мониторинга
последующего поведения, не воздействовать повы-
шенным напряжением и проводить дальнейшие ис-
пытания ослабленных систем согласно полученным
рекомендациям.

В случае подачи максимального напряжения на

кабельную систему с экструдированной изоляцией
электроны могут индуцировать разряды (это приво-
дит к немедленному визуальному эффекту) или же
они захватываются изоляцией (что приводит к по-
тенциально скрытым проблемам). Тогда как целью
подачи перенапряжения во время испытаний явля-
ется создание повреждения, электроны, которые
захватываются и высвобождаются после диагности-
ческих испытаний, могут привести к преждевремен-
ному отказу в дальнейшем. Отказ в более позднее
время может оказаться просто результатом продол-
жительного старения в нормальных условиях на-
грузки кабельной системы, после того как процесс
«старения» был ускорен преднамеренной подачей
повышенного напряжения. (Это явление не должно
учитываться при прогнозировании, поскольку оно
сфокусировано на процессе старения при нормаль-
ных условиях нагрузки без приложения внешнего
перенапряжения.) Таким образом, преднамеренная
подача перенапряжения может вызвать медленно
развивающееся повреждение, готовое перерасти в
более серьёзный дефект, приводящий к предвари-
тельному отказу.

Пользователь должен быть уверен, что кабель-

ная система не будет подвергаться воздействию пе-
ренапряжений после проведения испытаний по тех-
нологии CableWISE, иначе такие напряжения будут

способствовать процессу ускоренного старения и/
или росту водного триинга и искажению прогнозиро-
вания. Ниже рассматривается несколько примеров
использования перенапряжения в условиях эксплуа-
тации.

Импульсный удар

представляет собой процедуру

обнаружения повреждения, которая заключается в
посылке импульса тока с целью снижения высокого
полного сопротивления в месте повреждения путём
создания световой дуги. Для такого испытательно-
го метода не существует каких-либо определённых
требований или стандартов, следовательно, не су-
ществует общепринятой методологии частоты пода-
чи импульсов. Импульсный удар вызывает деформа-
цию стержня и обмоток трансформаторов, а также
контактов коммутирующей аппаратуры, подключён-
ной к кабельной цепи. Именно система CableWISE
должна отвечать за то, чтобы чрезмерная величина
импульсного удара вызывала захват электронов
и импульсы такой величины не подавались в ка-
бельные сети большой длины. Чтобы не подвергать
воздействию импульсов неповреждённые неотклю-
чённые участки кабелей, повреждения должны об-
наруживаться радарами или при помощи методов
кратковременной световой дуги.

При помощи установки dc HiPot на кабель по-

даётся повышенное напряжение, что приводит к
захвату электронов или перекрытию изоляции.
Пространственный заряд, развивающийся вокруг
повреждения, может фактически экранировать (за-
щитить) участок с повреждением. Испытание посто-
янным током фактически представляет собой ин-
струмент преднамеренного введения умышленного
повреждения в кабельную систему, испытываемую
технологией CableWISE, и такой вид испытаний, к
сожалению, оказывает негативное влияние на ка-
бельную систему, даже если введения умышленного
повреждения не произошло. Вредное воздействие
постоянного тока связано с уже присутствующей
степенью деградации изоляции, что в случае с изо-
ляцией из сшитого полиэтилена может быть отнесе-
но к уменьшению ресурса кабельной системы. Упо-
минания об этом имеются в технической литературе.
Испытания постоянным током проводить не реко-
мендуется [2].

Испытательные установки сверхнизкой частоты

(VLF) рассматриваются в качестве замены испыта-
тельным установкам постоянного тока и также при-
меняются с повышенным напряжением; при этом
прогнозирование не осуществляется, и поэтому та-
кой тип испытаний имеет другие цели, нежели ис-
пытания «In situ» при помощи системы CableWISE.
Что касается испытаний постоянным током, такие
испытания не проводятся после онлайновых испыта-
ний по той же причине. Более того, испытания VLF
считаются очень эффективными для кабелей, под-

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

лежащих замене с несколькими, но очень обширны-
ми повреждениями, и неэффективны для кабелей с
небольшими дефектами, которые могут быть обна-
ружены испытательной системой CableWISE. Таким
образом, испытания VLF с использованием перена-
пряжений, которые потенциально позволяют избе-
жать проблем, возникающих при испытаниях посто-
янным током, могут и не выявить зарождающегося
дефекта. В любом случае, поскольку испытания VLF
проводятся с применением перенапряжения, причи-
ны, чтобы не применять таких испытаний после ис-
пытаний системой CableWISE, остаются те же, что и
для испытаний постоянным током.

В заключение можно сказать, что преднамерен-

ное использование испытательных перенапряжений
на кабельных системах, прошедших испытания по
технологии «In situ» при помощи системы CableWISE
с целью прогнозирования будущих характеристик,
не рекомендуется.

ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ КАБЕЛЕЙ

С ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Технологии, используемые для продления сро-

ка службы кабелей с экструдированной изоляцией,
применяются с середины 80-х годов. Сначала между
жилами кабелей для осушения сердечника и устра-
нения воды закачивали азот, но этот метод оказался
очень затратным и требовал высоких эксплуатаци-
онных расходов для постоянной подачи азота. Как
показывают результаты исследований [1], затем с
целью продления срока службы вместо азота в кабе-
ли начали вводить ацетофенон — побочный продукт
образования поперечных межмолекулярных связей,
который усилил задержку образования водного три-
инга в изоляции из сшитого полиэтилена. Однако и
в этом методе имеется несколько недостатков. Аце-
тофенон при комнатной температуре затвердевает,
и для ввода его в кабель требуется подогрев. Он с
течением времени диффундирует сквозь кабель, и,
следовательно, все усовершенствования свойств
изоляции пропадают. Поэтому пришлось отказаться
от ацетофенона как средства, продлевающего срок
службы кабеля в условиях эксплуатации. В конце
80-х годов на основе кремния была разработана но-
вая жидкость, которая с тех пор успешно применяет-
ся в процессе эксплуатации кабелей. Этот «эликсир
молодости» имеет высокую скорость обработки, об-
ладает способностью продлить срок службы кабелей
в тяжелых условиях эксплуатации при повышенных
температурах, а также другими преимуществами [7].
Дополнительные исследования, проведённые за по-
следние несколько лет, привели к разработке новой
жидкости, специально предназначенной для продле-
ния срока службы крупных работающих в условиях
перегрева кабельных систем, таких, как питающие
кабели.

Жидкость CableCURE вводится непосредственно

в пустотные участки электрических кабелей. Внача-
ле кабель отключается от напряжения, и к нему при-
соединяются специальные фитинги, которые затем
подводятся к трансформатору. Потом жидкость че-
рез форсуночные отверстия фитингов закачивается
в кабель, находящийся под напряжением. По пусто-
там жидкость диффундирует в полимерную изоля-
цию кабеля, находя участки с ухудшенными харак-
теристиками, в которых может находиться вода.
CableCURE на 100% состоит из жидкостей, вступаю-
щих в реакцию с водой и предназначенных для об-
работки кабелей, которые устраняют воду посред-
ством межмолекулярного воздействия из кабельных
пустот, а также способствуют диффузии воды из
кабелей. Во время контакта с водой жидкость олиго-
меризуется (происходит увеличение молекулярного
веса), заполняя полости с водным триингом более
вязким водоотталкивающим раствором, препятству-
ющим дальнейшему его разрастанию. Поскольку эта
жидкость вступает в реакцию с водой в пустоте, она
подвергается непрерывной олигомеризации. Этот
исходный мономер слабо полимеризуется в участ-
ках с водным триингом. Таким образом, в процессе
задействован мономерный исходный материал, ко-
торый вступает в реакцию с водой, сам полимери-
зуется, заполняет пустоты и при выталкивании воды
замедляет процесс диффузии материала. Посколь-
ку молекулы полученного олигомера в несколько
раз больше молекул воды, они запираются и замед-
ляют дальнейший рост водного триинга. Весь про-
цесс способствует сушке кабеля, восстановлению
электрической прочности, вследствие чего увеличи-
вается срок службы кабеля. Диффузия материала
гораздо быстрее, чем скорость процесса старения и
скорость диффузии воды.

Основным преимуществом процесса омоложе-

ния кабелей с использованием CableCURE является
то, что он значительно увеличивает экономически
полезный срок эксплуатации подземных силовых
распределительных кабелей, позволяя отсрочить
затраты на замену кабелей на десятки лет. Достига-
ется значительное усиление надёжности кабельной
системы, что почти полностью устраняет возникно-
вение отключений вследствие пробоя изоляции.

Эта технология уже используется более чем на

70 миллионах футов подземных распределительных
кабелей. Более 500 энергетических компаний по
всему миру применяют технологию CableCURE для
усиления надёжности кабельных систем. Более 99%
этих систем обеспечивают бесперебойную работу
систем энергоснабжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Менеджеры по управлению ресурсами энерге-

тических компаний и промышленных предприятий

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

Page 7

«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2012, www.kabel-news.ru

могут использовать новые технологии для усиле-
ния надёжности своих распределительных систем.
Сокращение издержек может быть реализовано
путём правильной инженерной оценки на основе ис-
пользования системы «In situ» (CableWISE) и за счёт
увеличения срока службы стареющих кабелей с экс-
трудированной изоляцией при помощи технологии
введения жидкости CableCURE. Обе эти технологии
подтвердили свою жизнеспособность на протяжении
многих лет успешной эксплуатации.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Автор выражает благодарность персоналу ком-

пании UtilX, д-ру Оскару Морелю, специалисту ком-
пании CableWISE Technology и техническому дирек-
тору д-ру Уэйну Чаттертону зa вклад в написание
данной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нагу Н. Сринивас, главный исследователь. Оцен-

ка срока службы кабелей с полиэтиленовой изо-
ляцией.

2. Нагу Н. Сринивас и Б.С. Бернштайн. Влияние ис-

пытаний постоянным током на кабели с изоляци-
ей из сшитого полиэтилена, материалы конфе-
ренции Jicable 95, Версаль, Франция (июнь 1995),

с. 139—144; доклады EPRI TR-101245 V 1 и V2.
«Влияние испытаний постоянным током на кабе-
ли с изоляцией из сшитого полиэтилена», этап 1
(январь 1993), этап 2 (октябрь 1995).

3. Н. Ахмед и Н.Н. Сринивас. Измерение частичных

разрядов в распределительных кабелях с экстру-
дированной изоляцией, документы конференции
IIED 1999 T&D, с. 46—51, Нью-Орлеан, 1999.

4. С. Боггс. Анализ испытаний частичных разрядов

в частотной области в контексте распределитель-
ных кабелей, IEEE Electrical Insulation Magazine, т.
19, № 4, 2003.

5. Н.Н. Сринивас, T. Нишиока, K. Санфорд и Б. Берн-

штайн. Неразрушающая оценка кабельных систем
под напряжением, работа представлена на конфе-
ренции 2005/2006, посвящённой передаче и рас-
пределению электроэнергии, Даллас, Техас.

6. Н.Н. Сринивас и Н. Ахмед. Оценка опасности ча-

стичного разряда в кабельных системах. Конфе-
ренция по передаче и распределению электроэ-
нергии, 2001, IEEE.

7. У. Стэйджи и У. Чаттертон. Восстановление кабе-

лей, прошлое — настоящее — будущее, материа-
лы конференции Jicable 2007, с. 7, 2, 14, Версаль,
Франция, 2007, с. 858—861.

8. Внутренний доклад компании CableWISE.

Актуально

ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃ ÊË

Оригинал статьи: Инструментарий стратегии профилактического технического обслуживания силовых кабельных систем

Читать онлайн

Программы профилактического технического обслуживания очень полезны для повышения надёжности кабельных систем среднего напряжения. Чтобы они работали успешно, необходимо определить состояние электрических кабельных систем среднего напряжения.