Эволюция метода испытания напряжением сверхнизкой частоты за последние два десятилетия

Page 1

Page 2

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

настоящей статье рассматриваются вопро-
сы эволюции метода испытания напряжени-
ем сверхнизкой частоты (СНЧ) за послед-
ние два десятилетия. С момента внедрения

в практику метода СНЧ изменилась не только его
технология. Применение на практике данной мето-
дики получает всё большее внимание со стороны
компаний, управляющих снабжающими электро-
сетями, т.к. широкое использование получили раз-
нообразные системы, реализующие данный метод,
а также собрано большое количество данных по их
практическому применению и по данной тематике
проведены серьёзные исследовательские работы.

ПОЧЕМУ СЛЕДУЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬ

ИСПЫТАНИЯ СНЧ

Метод испытания напряжением СНЧ был вве-

дён в практику с 1986 г.; основной причиной этого
явилась необходимость разработки новых методов
испытаний для кабелей с полимерной изоляцией и
огромное количество проблем, связанных с эффек-

тами водных триингов (водный триинг или дендрит —
образование разветвлённой микроструктуры в виде
объёмной сетки или микрокустов в теле диэлектрика)
в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена пер-
вого поколения (рис. 1). Целый ряд исследователей
[1, 2] продемонстрировали, что традиционно ис-
пользовавшийся метод испытания постоянным на-
пряжением применительно к кабелям с полимерной
изоляцией приводит к образованию в полимерном
материале объёмных зарядов. Подобные объёмные
заряды могут сохраняться внутри аморфных обла-
стей полимерного материала до 24 часов. Если на
кабель будет возобновлена подача энергии до того,
как все объёмные заряды исчезнут, то возникнет ло-
кальное перенапряжение, которое может привести к
электрическому триингу, и в результате вскоре по-
сле ввода кабеля в эксплуатацию произойдёт его
пробой.

Именно по этой причине в большинстве стран ме-

тод испытания постоянным напряжением запрещён
к применению для кабелей с полиэтиленовой/сши-

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

Эволюция метода
испытания напряжением
сверхнизкой частоты за
последние два десятилетия

В связи с нормативными актами, регулирующими рынок электроснаб-

жения, вопросы обеспечения надёжности работы распределительных элек-
трических сетей становятся всё более важными. Операторы сетей должны
обеспечивать тщательное обслуживание кабельных линий. Испытания на
прочность, проводимые сразу после установки или после ремонтных работ
по устранению отказов, позволяют существенно снизить их уровень в про-
цессе нормальной эксплуатации сетей.

Хайн ПУТТЕР (H. Putter), Даниэль ГЁТЦ (D. G

tz),

Франк ПЕТЦОЛЬД (F. Petzold), компания SebaKMT,

Хеннинг ОЭТДЖЕН (H. Oetjen), компания HDW Electronics,

Михаил ЗАХАРОВ, ООО «Себа Спектрум»

Page 3

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

той полиэтиленовой изоляцией, а также из-за ряда
других недостатков, присущих данному методу, та-
ким, как описано в источнике [2]:
• нечувствительности к целому ряду дефектов, на-

пример, к чистым полостям или надрезам;

• невозможности воспроизвести существующее

распределение нагрузки при переменном сете-
вом напряжении. Распределение нагрузки чув-
ствительно к температуре и температурному рас-
пределению.

Рис. 1. Водный триинг критической длины

может эффективно выявляться с помощью

метода испытания СНЧ [3]

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

Кроме того, использование метода СНЧ имеет

ряд дополнительных преимуществ по сравнению с
методами испытания переменным напряжением с
частотой 50 Гц или резонансной:
• меньший вес испытательного оборудования;
• большая допустимая ёмкость испытываемого ка-

беля;

• меньше повреждений исправной изоляции.

На рис. 2 [11] показан график зависимости на-

пряжения пробоя от частоты испытательного на-
пряжения для кабелей с изоляцией из сшитого по-
лиэтилена при наличии и отсутствии механических
повреждений. Из графика чётко видно, что вели-
чина напряжения пробоя для кабеля без механиче-
ских повреждений имеет максимальное значение на
частоте 0,1 Гц, т.е. проведение испытания методом
СНЧ на кабеле с целостной изоляцией не приводит
к повреждениям/старению изоляции, в то время как
испытания на рабочей частоте или более высокой
имеют существенно меньшее напряжение пробоя.
Это означает, что напряжение с частотой 50 Гц су-
щественно сильнее воздействует на изоляцию, чем
напряжение СНЧ на частоте 0,1 Гц.

С другой стороны, эффективность поиска по-

вреждений или водных триингов выше всего на ча-
стоте 0,1 Гц (рис. 3) [12]. Третий и четвёртый столбцы
соответствуют механическому повреждению внутри
кабеля и водному триингу. Как следует из рис. 3, на-
пряжение пробоя для этих дефектов имеет наимень-
шую величину на частоте 0,1 Гц и, таким образом,
метод СНЧ лучше всего подходит для идентифика-
ции дефектов в изоляции кабеля.

• без повреждений
° с повреждением

♦

отношение

Рис. 3. Относительное напряжение пробоя на

объектах формы от прутка до пластины и для

кабеля с дефектами и без них для нескольких

напряжений различной формы [12]

Рис. 2. Напряжение пробоя как функция частоты

напряжения для модели кабеля с изоляцией из

сшитого полиэтилена без и с механическими

дефектами [11]

СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДИКИ

ИСПЫТАНИЯ СНЧ

Первые испытательные установки СНЧ работали

на до сих пор существующей и хорошо зарекомен-
довавшей себя косинусно-прямоугольной форме
напряжения. В начале 90-х годов была внедрена
синусоидальная форма напряжения СНЧ. Эти две
формы испытательного напряжения по-прежнему
широко применяются при пусконаладочных испыта-
ниях вновь проложенных кабелей, а также при кон-

0,1

250

импульсное

напряжение

300

250

200

150

100

0,01

0,1

100

1000

10000

Частота напряжения, Гц

Напряж

ение пробоя, кВ

300

250

200

150

100

♦

Page 4

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

троле «состарившихся» кабелей, проходящих техни-
ческое обслуживание. Это делается для того, чтобы
выявить слабые места, имеющие критическое зна-
чение, например, намокшие соединения или водные
триинги критической длины.

Данные технологии отличаются только формой

используемого напряжения (рис. 4). Кроме приме-
нения косинусно-прямоугольной и синусоидальной
форм также имеются системы, в которых форма ис-
пытательного напряжения похожа на синусоидаль-
ную.

Первые две модификации наиболее часто ис-

пользуются при проведении испытаний, при этом
каждая из них обладает своими преимуществами и
недостатками.

МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ

СНЧ КОСИНУСНО-ПРЯМОУГОЛЬНОЙ

ФОРМЫ

Именно эта методика, основанная на примене-

нии косинусно-прямоугольной формы напряжения,
появилась первой. Установка, реализующая эту ме-
тодику, включала в себя источник постоянного на-
пряжения, катушку индуктивности, управляемую от
роторного переключателя и вспомогательной ёмко-
сти. В связи с развитием электроники в настоящее
время роторный переключатель заменён на тири-
сторный, что позволило снизить весогабаритные па-
раметры и создать более мощную установку.

Одно из существенных преимуществ исполь-

зования косинусно-прямоугольной формы — воз-
можность рециркуляции мощности в процессе из-
менения полярности, основанной на резонансном
принципе. Именно поэтому удалось добиться доста-
точно низкого потребления мощности при высокой
ёмкостной нагрузке. В настоящее время имеются
установки с максимальной ёмкостной нагрузкой
25 мкФ при напряжении 60 кВ (СКЗ).

Изменение полярности напряжения в такой уста-

новке осуществляется в виде кривой косинусообраз-
ной формы с частотой, близкой к 50 Гц (рис. 5). Таким
образом, распределение поля напряжения сравнимо
с тем, что наблюдается на рабочих частотах кабеля.

Ограничением применения косинусно-прямо-

угольной формы СНЧ является тот факт, что при
использовании данной методики приходится пред-
принимать большие усилия для обеспечения воз-
можности диагностики частичных разрядов (ЧР)
или измерения тангенса дельта. Последнее может
быть выполнено с помощью аппроксимации Хамона
(Hamon) [4, 5].

Поскольку напряжение имеет прямоугольную

форму, появляется возможность измерения тока
утечки во время проведения испытаний. Величина
тока утечки является индикатором качества изоля-
ции кабеля.

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

а — напряжение синусоидальной формы

Рис. 5. Изменение полярности косинусно-

прямоугольного напряжения (CR)

Рис. 4. Форма напряжения СНЧ

б — напряжение косинусно-прямоугольной формы
(изменение полярности происходит в виде кривой ко-
синусообразной формы с частотой, близкой к 50 Гц)

Напряж

ение, кВ

Испытательное напряж

ение, кВ

0,1 Гц

синусоидаль-

ная форма

СНЧ CR 0,1 Гц
Изменение полярности

10 мс

50 Гц
рабочая
частота

5 сек

Время,

сек

исп.эфф

= 3U

исп.

Page 5

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

МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ СНЧ

СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ

В начале 90-х годов была предложена методика

испытания напряжением СНЧ синусоидальной фор-
мы. Данные установки уже использовали последние
достижения в развитии электроники, имевшиеся к
тому моменту. Развитие базы комплектующих по-
зволило создать систему с большей производитель-
ностью, меньшим весом и габаритами. Принцип
работы установки основан на применении преоб-
разователя «переменный ток — постоянный ток —
переменный ток». Синусоидальные установки СНЧ
не могут повторно использовать мощность, нако-
пленную в кабеле, т.к. накопленная в кабеле энергия
должна быть разряжена и преобразована в тепло на
разрядном сопротивлении. Именно поэтому в об-
щем случае ёмкостная нагрузка в синусоидальной
установке ниже, чем в косинусно-прямоугольной.

Преимущество использования чисто синусои-

дальной формы напряжения заключается в возмож-
ности комбинации такой системы с диагностиче-
скими средствами, которые позволяют, например,
провести диагностику частичных разрядов (ЧР) или
измерение тангенса дельта. Тем не менее, посколь-
ку испытательная частота в 500–600 раз отличается
от рабочей частоты кабеля, характеристики ЧР не
являются теми же самыми. При таком подходе уже
не удаётся получить прямой корреляции между при-
ложенным испытательным напряжением и важными
параметрами ЧР, соответствующими рабочей часто-
те сети в 50/60 Гц. Более того, недавно проведённые
исследования показали, что ЧР вообще затухают на
более низких частотах [6].

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 6 представлены графики развития элек-

трического триинга для нескольких видов формы ис-
пытательного напряжения и частот в зависимости от
амплитуды испытательного напряжения [7].

Выполненные исследования ясно показали, что

проведение испытаний на более низких частотах, на-
пример, на частоте 0,01 Гц вместо 0,1 Гц приводит к
значительно меньшей скорости развития электриче-
ских триингов. Разница в скорости роста для частот в
0,1 Гц и 0,01 Гц оказывается примерно в 10 раз. Если
перевести данный факт применительно к времени
проведения испытаний, то это будет означать, что при
проведении испытаний на частоте 0,01 Гц время испы-
таний должно быть увеличено в 10 раз по сравнению
с испытанием на частоте 0,1 Гц. Таким образом, при
проведении приёмо-сдаточных испытаний это будет
означать увеличение времени испытаний с 1 до 10 ч
при одном и том же испытательном напряжении 3U

В своей исследовательской работе [8] Мох (Moh)

подтвердил вывод об эффективности применения

метода испытания СНЧ для выявления скрытых де-
фектов. Испытания, вынужденно проводившиеся
на более низких частотах из-за ограниченных воз-
можностей испытательного оборудования, после
проведения сравнения результатов показали, что
степень отказов после проведения испытаний была
в три раза выше по сравнению с испытаниями, про-
ведёнными на частоте 0,1 Гц. Более того, данная
работа продемонстрировала, что эффективность
СНЧ-испытаний на частоте 0,1 Гц при напряжении
3U

более высокая, чем для испытаний, проведён-

ных на частоте 50 Гц при напряжении 2U

ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ

Пример города Дортмунда

Далее приведён пример опыта использования

СНЧ-испытаний в Дортмунде за 10-летний период
(1987—1998 гг.). За указанный период было про-
контролировано и испытано более 3000 км кабеля
(табл.). Если посмотреть на количество отказов, то
видно, что большинство произошло на старых кабе-
лях с полимерной изоляцией, в среднем 4,2 отказа
на 100 км кабеля.

Табл. Количество отказов, произошедших

в процессе испытаний [9]

Тип кабельной изо-

ляции

Полимерная

изоляция

Пропитанная бу-

мажная изоляция

Длина испытанной
системы

2149

999

Отказы

Количество отказов
на 100 км

4,2

2,9

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

Рис. 6. Степень развития электрических

триингов как функция напряжения для

нескольких частот и форм напряжения [7]

0,1 Гц sin

0,1 Гц cos

50 Гц sin

0,01 Гц sin

Кабель с номинальным напряжением 10 кВ с

изоляцией из сшитого полиэтилена

Испытательное напряжение U/U

емп рос

та э

лек

трических триингов

1000

100

0,1

Page 6

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

• контроль оболочки;
• проверка прочности кабеля с использовани-
ем СНЧ-испытаний на частоте 0,1 Гц при на-
пряжении 3U

;

• диагностика ЧР с применением затухающе-
го переменного напряжения (DAC).

Преимущество комбинации методов кон-

троля, а именно диагностики ЧР, проводимой
сразу после СНЧ-испытаний, заключается в
том, что можно обнаружить существенные
дефекты проведённых монтажных работ, ко-
торые не были выявлены с помощью СНЧ-
испытаний, и своевременно устранить их. Это
позволяет дополнительно повысить надёж-

ность сетей электроснабжения и снизить затраты
на внеплановые отключения электроснабжения, на
недопоставленную энергию (например, когда от-
ключают ветроустановки) или оплату штрафов.

К существенным дефектам проведённых работ

могут быть отнесены, например, неполная усад-
ка термоусаживаемых соединений, неправильное
удаление внешнего полупроводящего слоя или на-
личие грязи внутри соединений. Подобные недо-
делки пройдут незамеченными в процессе испыта-
ний СНЧ, но будут выявлены при диагностике ЧР
(рис. 9). Если подобные недоделки в работе не будут
своевременно устранены, то в ближайшие годы экс-
плуатации можно ожидать непредвиденных пробоев
таких муфт (в зависимости от типа дефекта).

Обычно после успешного проведения испыта-

ния и прокладки кабеля следующие испытания и
диагностика проводятся через 10—15 лет. Другими

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

Если более тщательно проанализировать по-

лученные результаты и изучить распределение по-
вреждений во времени, то можно понять, что 66% от
их общего количества произошло в первые 10 мин
испытаний, а 75% — в первые 30 мин (рис. 7). При
этом 25% повреждений произошло в последние пол-
часа, что подтверждает необходимость проведения
испытаний на протяжении всего часа, рекомендуе-
мого всеми стандартами. Аналогичный опыт был по-
лучен и при испытаниях других энергетических объ-
ектов.

Тем не менее, если постараться проанализиро-

вать проблему глубоко и попытаться понять, в каких
местах произошли повреждения, то можно увидеть,
что все повреждения соединений произошли в пер-
вые 20 мин испытаний (рис. 8). Данное утверждение
распространяется на вновь смонтированные кабели,
для которых считается, что изоляция — новая, при
этом достаточно проводить СНЧ-
испытание в течение 20 мин.

Большее количество повреж-

дений сшитой полиэтиленовой
изоляции вызвано недостаточно
хорошей технологией производ-
ства первого поколения кабелей
с изоляцией из СПЭ с графи-
товым полупроводящим слоем.
Современные кабели со сшитой
полиэтиленовой изоляцией уже
не имеют таких проблем, как ана-
логичные кабели первого поколе-
ния.

ПЕРСПЕКТИВЫ

В настоящее время испытания

напряжением СНЧ очень часто
комбинируются с диагностикой
ЧР. Так, например, в Нидерлан-
дах в энергосистемах общего
назначения после прокладки ка-
белей используются следующие
процедуры [10]:

Рис. 8. Количество отказов как функция времени испытания и

места расположения повреждения [9]

Кабель с изо

ляцией

из сшитого по

лиэтилена

Кабель с пропитанной

бумажной изо

ляцией

Кабель с пропитанной

бумажной изо

ляцией

Соединительная му

фта

кабеля с пропитанной

бумажной изо

ляцией

Соединительная му

фта

кабеля с изо

ляцией из

сшитого по

лиэтилена

Пере

ходная му

фта

0–10

10–20 20–30 30–40 40–50 50–60

Время, минуты

Рис. 7. Количество отказов как функция времени

испытания [9]

0–10

103

Время, минуты

150

100

10–20

20–30

30–40

40–50

50–60

Page 7

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

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ

словами, в указанный период времени не ожидает-
ся возникновение каких-либо проблем, если толь-
ко последние не будут вызваны внешними воздей-
ствиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние два десятилетия метод испытания

напряжением СНЧ доказал свою эффективность
при проведении приёмо-сдаточных испытаний
вновь проложенных кабелей, а также при выпол-
нении технического обслуживания состарившихся
кабелей с целью устранения мест, имеющих крити-
чески опасное состояние.

Эволюция базы электронных комплектующих,

используемых в энергетике, позволила создать
установки, не требующие технического обслужива-
ния, а также обеспечивающие более высокую про-
изводительность.

По сравнению с испытаниями на частоте 50 Гц

или резонансной метод испытания напряжением
СНЧ показывает лучшие результаты как для вы-
явления повреждений, так и для снижения негатив-
ных воздействий на неповреждённую часть испы-
тываемого кабеля.

Эффективность данной методики проявляется

только при проведении испытаний на частоте 0,1
Гц. При использовании более низких частот время
испытаний возрастает, что и c практической, и с
экономической точек зрения неудобно и слишком
затратно.

Практический опыт показал, что большинство

повреждений в местах соединений происходит в
первые 20 минут испытаний. Если данный практи-
ческий опыт применить к вновь проложенным кабе-
лям, то время испытания последних можно сокра-
тить до 20 мин вместо рекомендованных 60.

Сегодня при проведении приёмо-сдаточных ис-

пытаний метод СЧН рекомендуется применять в

комплексе с диагностикой ЧР. Ком-
плексный подход помогает выявить
даже незначительные нарушения в
технологии и качестве выполнен-
ных работ, что, в свою очередь, по-
вышает надёжность сетей электро-
снабжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. F.H. Kreuger, "Industrial High DC
Voltage , Delft University Press, 1995.
2. 400–2001 "IEEE Guide for Field
Testing and Evaluation of the Insu-
lation of Shielded Power Cable Sys-
tems" IEEE guide.
3. H.T. Putter, 2007, "Investigation

of Water Treeing — Electrical Treeing Transition in
Polymeric Insulation of Service Aged Power Cables"
TU-Delft, Thesis.

4. D. G

, F. Petzold, H. Schlapp, H. Putter, “Dielectric

loss measurement of power cables using Hamon
Approximation” CMD2010, Tokio, Japan.

5. B.V. Hamon, “An approximate method for deducing

dielectric loss factor from direct-current measure-
ments”, Proc. IEEE, vol.99, 151–155.

6. N. J

verberg, H. Edin, "Applied Voltage Frequen-

cy Dependence of Partial Discharges in Electri-
cal Trees" Proc. IR-EE-ETK, Stockholm, Sweden,
2009.

7. E. Neudert, M. Sturm, "Characterization of tree pro-

cesses in XLPE by PD Measurement at 50 Hz and
very low frequencies’, ICDI Budapest, 1997.

8. S.H. Moh, “Very low frequency testing-its effective-

ness in detecting hidden defects in cables,17th in-
ternational conference on electricity distribution,
Cired, Barcelona, 2003.

9. DEW, "Experience report — About 10 years "Volt-

age on-site Test on Medium Voltage Cable Networks
by means of 0.1 Hz Cosine Square Wave Volt-
age" in the 1OkV network in the City of Dortmund,
Germany, 1998.

10. FR. De Vries, 2009 “Experiencies with PD mea-

surements on MV cables in wind farms in the
Netherlands” F05D IEEE/ICC meeting, Scottsdale,
USA.

11. E. Gockenbach, "The selection of the frequency

range for high-voltage on-site testing of extruded
cable systems" IEE Electrical Insulation Magazine
Vol. 16 № 6, pp. 11–16.

12.

E. Gockenbach, 2002, "Grundsatzliche Unter-
suchungen zum Durchschlagverhalten kunstst-
offisoiiertet Kabel bei Spannungen unterschiedli-
cher Frequenz" BEWAG Symposium Berlin,
Germany.

Рис. 9. Повреждения изоляции из-за нарушения технологии

монтажа муфт

а) неправильная зачистка изоляции, выявленная с помощью диагно-
стики ЧР, позволившая предотвратить пробой;
б) следы ЧР на оболочке кабеля.

а)

б)

Оригинал статьи: Эволюция метода испытания напряжением сверхнизкой частоты за последние два десятилетия

Читать онлайн

В связи с нормативными актами, регулирующими рынок электроснабжения, вопросы обеспечения надёжности работы распределительных электрических сетей становятся всё более важными. Операторы сетей должны обеспечивать тщательное обслуживание кабельных линий. Испытания на прочность, проводимые сразу после установки или после ремонтных работ по устранению отказов, позволяют существенно снизить их уровень в процессе нормальной эксплуатации сетей.