Изменение состояния изоляции кабелей из сшитого полиэтилена за 6 лет эксплуатации

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2011, www.kabel-news.ru

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

егодня накоплен значительный опыт экс-
плуатации кабелей с изоляцией из сшито-
го полиэтилена (сшивание в сухой среде),
причём интенсивность отказов у таких ка-

белей намного ниже, чем у кабелей старшего поко-
ления со сшиванием изоляции в паровой среде. Од-
нако из-за развития водного триинга изоляция, сши-
тая в сухой среде, также подвержена старению, если
не защищать её от проникновения влаги при помо-
щи водных барьеров.

С 2001 г. был проведён ряд экспериментов на 58

кабельных участках с изоляцией из сшитого поли-
этилена, на которых не применялся водный барьер.
Кабели были проложены в сетях от 10 до 20 кВ в пе-
риод между 1979 и 1996 гг. Целью экспериментов
была оценка состояния изоляции и скорость его из-
менения. В этой статье представлены результаты
данных экспериментов.

ВВЕДЕНИЕ

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

(сшивка в паровой среде) были проложены в пери-
од между 1960 и 1970 гг., и сообщения о первых от-
казах начали поступать после 10—15 лет эксплуата-
ции. Сегодня большинство этих кабелей заменено.

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

(сшивка в сухой среде) начали внедряться в энерго-
сетях Дании с 1978 года, и с тех пор не было заре-
гистрировано роста отказов. Однако между 1998 и

1999 годами диагностическими измерениями в ка-
белях с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ)
были выявлены признаки старения, что привело к
разработке программы 6-летних измерений [1].

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ

Измерения проводились при помощи метода, на-

зываемого «спектроскопия диэлектрических по-
терь» [2]. Подавалось напряжение очень низкой ча-
стоты в диапазоне 0,5—1,5 U

, 03—0,3 Гц, и реги-

стрировались потери в изоляции.

На основании изменения диэлектрических потерь

(по напряжению и частоте) кабели можно классифи-
цировать по четырём категориям в соответствии с
ускорением уровня старения:
• хорошая изоляция с низкими потерями;
• кабели со стареющей изоляцией в зависимости

от напряжения;

• кабели с сильно устаревшей изоляцией, способ-

ной привести к утечкам тока при приложении вы-
сокого напряжения;

• кабели с сильно изношенной изоляцией, способ-

ной привести к утечкам тока даже при приложе-
нии номинального напряжения.
Программа измерений также включала испы-

тание целостности оболочки. Напряжение 2 кВ по-
стоянного тока (для поливинилхлоридных оболочек)
или 5 кВ (для полиэтиленовых оболочек) приклады-
валось между экраном и землей, и измерялся ток,

В этом номере журнала мы начинаем публикацию некоторых актуальных для
кабельной отрасли докладов 20-й Международной конференции и выставки
по распределению электроэнергии — CIRED 2009, которая подвела итоги оче-
редного двухлетнего цикла исследований и разработок по проблемам рас-
пределения электроэнергии.

Изменение состояния
изоляции кабелей
из сшитого полиэтилена
за 6 лет эксплуатации

Ханс ЙОРГЕНСЕН,

Ассоциация датских производителей электроэнергии

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2011, www.kabel-news.ru

проходящий через оболочку. Полученные значения
сравнивались с предельными значениями для токов,
проходящих через неповреждённые оболочки, зна-
чения которых были получены при осуществлении
совместного проекта Nordic [3]. Эти предельные зна-
чения следующие:
• I

=500 мкA/км при 2 кВ для кабелей с поливинил-

хлоридными оболочками;

• I

=10 мкA/км при 5 кВ для кабелей с полиэтилено-

выми оболочками.

ТИПЫ ИССЛЕДОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ

В программу испытаний были включены кабели

от пяти компаний, но большинство было от одного
производителя.

Больше всего кабелей было проложено в 80-х го-

дах, как показано на рис. 1.

К сожалению, оценить состояние изоляции всех

этих кабелей не удалось. Арматура примерно 25%
кабельных участков имела большие потери, что пре-
пятствовало измерению потерь в их изоляции.

В том случае, если владельцу распределитель-

ной сети требуется провести диагностические испы-
тания кабелей с изоляцией из СПЭ, следует устанав-
ливать кабельную арматуру, имеющую высокое со-
противление по постоянному току на напряжениях от
1,5 до 2 U

. До настоящего времени измерения этого

сопротивления по постоянному току не включались
в типовые испытания арматуры, но заказчики долж-
ны запрашивать у производителей такую информа-
цию и выбирать изделия с высоким сопротивлением
по постоянному току.

СОСТОЯНИЕ ОБОЛОЧКИ

При испытаниях целостности оболочки было вы-

явлено, что токи в оболочке некоторых кабелей
близки к приведенным выше предельным значени-
ям I

=500 мкА/км (PVC) и I

=10 мкА/км (PE). Поэтому

кабели были разделены на три категории:
• оболочка не повреждена, так как токи в оболоч-

ках 44% кабелей были ниже значения I

;

• возможное повреждение оболочки, токи в обо-

лочках 21% кабелей находились в пределах I

10 I

• явное повреждение оболочки, токи в оболочках

35% кабелей были выше значения 10 I

На рис. 2 показано состояние трёх групп кабелей

с различным временем эксплуатации. Видно, что
между состоянием трёх групп оболочек, несмотря
на разницу времени эксплуатации, существует не-
большое различие. Простейшим объяснением этому
может служить тот факт, что повреждение оболоч-
ки происходит во время прокладки или же сразу по-
сле неё. Возможны также изменения в практике про-
кладки, при перемещении грунта, причём не исклю-
чается влияние экскавационных работ.

СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

В период между 2002 и 2007 гг. на некоторых ка-

бельных линиях проводились повторные измерения.
Выбор кабелей основывался на результатах первых
диагностических измерений таким образом, чтобы
испытания кабелей с явными признаками старения,
выявленными во время первых диагностических из-
мерений к 2001 году, проводились чаще, чем кабе-
лей с хорошей изоляцией.

В 2001 г. некоторые кабели после измерения тока

утечки были занесены в категорию с изношенной
изоляцией. Позднее при помощи диагностических
испытаний было обнаружено, что утечка тока была
вызвана состоянием арматуры, а не изоляции. Сле-
довательно, фактическое состояние изоляции этих
кабелей определить не удалось.

Замеры на некоторых кабелях были произведе-

ны только один раз, но отдельно от кабелей с утеч-
кой тока. Испытания 37 кабелей с изоляцией из сши-
того полиэтилена (в сухой среде) проводились по
крайней мере дважды. На рис. 3 показаны резуль-
таты первой и последней оценок состояния изоля-
ции. Видно серьёзное ухудшение состояния изоля-
ции. Состояние изоляции 16 из 37 кабелей при по-

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

Рис. 2. Процент кабелей с повреждёнными

или возможно повреждёнными оболочками

за три разных периода прокладки

Процент кабелей

Неповреждённый

Повреж-
дённый

Возможно
неповреж-
дённый

Год установки

1979–1985 1986–1990 1991–1996

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

личес

тво кабелей

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

Рис. 1. Года прокладки кабелей,

включённых в проект

Год установки

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2011, www.kabel-news.ru

следнем измерении оказалось несколько хуже, чем
при первом испытании 6 лет назад.

Наиболее серьёзные изменения состояния изо-

ляции кабеля были выявлены начиная с 1983 года.
В 2001 г. состояние изоляции кабеля было признано
хорошим с низкими диэлектрическими потерями, а
в 2007 г. было зарегистрировано заметное увеличе-
ние тока утечки при напряжении 1,5 U

(9 кВ), а зна-

чение частотной характеристики тока утечки оста-
валось таким же после снижения напряжения до U

(6 кВ), как показано на рис. 4.

До настоящего времени только один раз была

зарегистрирована частотная характеристика тока
утечки для кабеля с изоляцией из СПЭ. Для кабе-
лей с изоляцией из СПЭ, сшитой в паровой среде,
что означает наличие длинных водных триингов, та-

кая характеристика в случае перенапряжения систе-
мы может привести к повреждению, например, од-
нофазному КЗ в другом месте кабельной системы.
Возможно, что такое условие верно и для кабелей с
изоляцией из СПЭ со сшивкой в сухой среде. Одна-
ко количество водных триингов в кабелях с изоляци-
ей из СПЭ со сшивкой в сухой среде намного мень-
ше, чем в кабелях с изоляцией из СПЭ, сшитой в па-
ровой среде, и до сих пор неизвестно, насколько этот
факт уменьшает риск повреждения. Рассматривае-
мый кабель находился в эксплуатации более года по-
сле проведения измерений и до сих пор работает.

Наихудшее состояние изоляции было обнару-

жено на одном из старых кабелей. Результаты на
рис. 5 подтверждают тот факт, что у более старых
кабелей явно выражены признаки старения. Но

Рис. 3. Изменения состояния

37 кабелей с изоляцией из СПЭ в течение

6-летнего проекта

Рис. 4. Диэлектрические потери

(тангенс угла потерь), измеренные в 2007 г.

на кабеле 10 кВ, который находится

в эксплуатации с 1983 года

Рис. 5. Оценка состояния изоляции кабелей,

проложенных в три разных периода

Процент кабелей

Хорошее состояние

Плохое

состо-

яние

Сущест-
венно
изношен

Изношен-
ный

Год установки

1979–1985 1986–1990 1991–1996

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

Рис. 6. Оценка изоляции кабелей с различными

состояниями оболочки

Процент кабелей

Хорошее состояние

Плохое

состо-

яние

Сущест-
венно
изношен

Изношен-
ный

Год установки

1979–1985 1986–1990 1991–1996

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10



зелёный — 3 кВ, голубой — 6 кВ,
красный — 9 кВ, чёрный — 6 кВ

частота (Гц)

0,01

0,001

0,0001

0,01

личес

тво кабелей

Состояние изоляции

хорошее

изно-

шенная

сильно

изно-

шенная

плохое

первая оценка

окончательная

оценка

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2011, www.kabel-news.ru

даже кабель, прослуживший 15 лет, может быть су-
щественно изношен.

Предполагалось, что состояние оболочки влияет

на состояние изоляции, и первоначальные измере-
ния, представленные в литературе [1], казалось бы,
подтверждают данные предположения. Однако, осно-
вываясь на окончательной оценке кабелей, общее со-
стояние изоляции неожиданно оказалось лучше у ка-
белей с повреждёнными оболочками, как показано
на рис. 6. Нелогично предполагать, что повреждённая
оболочка должна препятствовать старению, вероят-
но, это просто случайное стечение обстоятельств.

Можно привести некоторые объяснения тому, что

повреждённая оболочка не обязательно приводит
к ухудшению состояния изоляции. Поскольку кабе-
ли не имеют радиального противовлажного барье-
ра, вода с течением времени диффундирует в изоля-
цию даже при неповреждённой оболочке, и локаль-
ные изменения влажности почвы оказывают боль-
шее влияние на процесс старения, нежели отвер-
стие в оболочке.

Более того, факт повреждения оболочки может

быть локальным явлением и оказать незначитель-
ное влияние на величину средних потерь всего ка-
бельного участка.

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Из лабораторных измерений известно, что, если

изоляция высыхает, частотные характеристики ка-
беля с изоляцией из СПЭ с водными триингами при
проведении диагностических испытаний не будут ти-
пичными, так как триинги становятся менее электро-
проводными.

В 2006 г. это явление наблюдалось с подземными

кабелями, находящимися в эксплуатации. Лето в Да-
нии в этом году было чрезвычайно сухое и жаркое,
и на некоторых из наблюдаемых кабелей было за-
регистрировано значительное снижение потерь, как
показано на рис. 7.

Годом позже потери в этих кабелях вернулись к

уровню, близкому к показателям 2005 г. или ещё
раньше. Однако на некоторых из кабелей был заре-
гистрирован тот же уровень потерь, что и во время
окончательных измерений 2007 г.

Поскольку рост водного триинга также приоста-

новился, когда кабели высохли, сухое лето 2006 г.
добавило год или более к прогнозируемому сроку
службы некоторых кабелей.

ВЫВОДЫ

Измерения показали, что 50% кабелей находят-

ся в хорошем состоянии. У 25% выявлены призна-
ки незначительного старения, а 23% значительно из-
ношены. Состояние изоляции одного кабеля (около
2%) было признано плохим с высоким риском отка-
за в случае перенапряжения системы.

Рис. 7. Диагностические измерения

кабеля 10 кВ, проведённые

в 2005 г.

2007 г.

2006 г.



зелёный — 3 кВ, голубой — 6 кВ,
красный — 9 кВ, чёрный — 6 кВ

частота (Гц)

0,01

0,001

0,0001

0,01

частота (Гц)

0,01

0,001

0,0001

0,01

частота (Гц)

0,01

0,001

0,0001

0,01

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», № 4, 2011, www.kabel-news.ru

За 6-летний период реализации проекта состоя-

ние изоляции было признано ухудшившимся на 40%
кабелей. Самые значительные изменения наблюда-
лись на кабеле, проложенном в 1983 г. В 2001 г. со-
стояние этого кабеля было признано хорошим, но в
2007-м в нём были обнаружены признаки роста об-
ширного водяного триинга.

Оболочки 35% тестируемых кабелей имели по-

вреждения. Поскольку взаимосвязи между сроком
службы и возникновением повреждений оболочек
не было обнаружено, появление повреждений было
отнесено главным образом к процессу прокладки
кабелей. На основании проведённых измерений со-
стояние изоляции кабелей с неповреждённой обо-
лочкой было признано менее удовлетворительным,
чем кабелей с повреждённой оболочкой. Однако это
скорее случайное совпадение, и существует некое
локальное ухудшение изоляции, которое не оказало
достаточно негативного влияния на общие диэлек-
трические потери в изоляции.

Лето 2006 г. в Дании было очень теплым и сухим,

что вызвало высыхание изоляции участков кабеля.
Диэлектрические потери в изоляции нескольких ис-
пытуемых кабелей снизились, и состояние их изоля-
ции нельзя было определить правильно. Измерения
Measurements 2007 г., проведённые на этих же ка-
белях, показали, что диэлектрические потери в них

пришли в «норму», но изоляция некоторых казалась
всё ещё сухой.

До сих пор ни один из протестированных участ-

ков кабелей не вышел из строя, и поэтому неизвест-
но, как поведёт себя последняя часть изоляции с
ухудшившимися характеристиками.

Перевод Татьяна ШУШКОВА

ЛИТЕРАТУРА

1. H.J. Jorgensen and J.S. Christensen, 2003,

"Experience from diagnostic testing of MV XLPE
cables" («Опыт диагностических испытаний ка-
белей с изоляцией из сшитого полиэтилена»),
Материалы конференции CIRED 2003, Сессия 1,
Работа No. 75

2. S. Hvidsten, P. Werelius and J. Christensen, 2001,

"Evaluation of on-site dielectric response methods
for non-destructive testing of water treed MV XLPE
cables" («Эксплуатационная оценка диэлектриче-
ского отклика при неразрушающих испытаниях
изоляции кабелей среднего напряжения из сши-
того полиэтилена с водным триингом»), Материа-
лы конференции CIRED 2001, том 1, работа 1.48.

3. J.T. Benjaminsen, 2001, ''Sheath Testing of MV

Polymer Cables. Background and Handbook'' («Ис-
пытание оболочки кабелей среднего напряжения
с полимерной изоляцией»), TR A5484, SINTEF
Energy Research, Trondheim, Norway.

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

Оригинал статьи: Изменение состояния изоляции кабелей из сшитого полиэтилена за 6 лет эксплуатации

Читать онлайн

Доклад датских производителей электроэнергии на 20-й Международной конференции и выставке по распределению электроэнергии — CIRED 2009.