Напряжение возникновения и гашения частичных разрядов в кабелях на среднее напряжение

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

Технологии расчетов

ÊÀÁÅËÈ ÍÀ ÑÐÅÄÍÅÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ

Напряжение возникновения
и гашения частичных разрядов
в кабелях на среднее напряжение

Л.А. Ковригин,

д-р техн. наук, Пермский государственный технический университет;

Л.Г. Сидельников

, канд. техн. наук;

Д.В. Мелехин

, ООО «ТестСервис», г. Пермь

При исследовании частичных раз-

рядов (ЧР) в изоляции считалось до-
статочным определения напряжения
порога ионизации, так как некоторые
изоляционные материалы настоль-
ко чувствительны к внутренним раз-
рядам, что в них вообще нельзя до-
пустить разрядов [1]. Срок службы
изоляции, в которой допускаются ча-
стичные разряды, зависит от отноше-
ния рабочего напряжения к напряже-
нию порога ионизации. Обычно порог
ионизации определяли по возраста-
нию тангенса угла диэлектрических
потерь [2].

В настоящее время система OWTS

(Oscillating Wave Test System) позволя-
ет определять напряжение зажигания
и гашения частичных разрядов в ка-
бельных линиях с использованием за-
тухающей колебательной волны. Такая
волна создается путем разряда кабеля
на катушку индуктивности (рис. 1).

Вначале испытуемый кабель от-

ключается с двух сторон. Затем с
одной стороны к токопроводящей
жиле кабеля подключается катушка
индуктивности

и ЭВМ. От высоко-

вольтного источника постоянного
напряжения через ограничительное

сопротивление

заряжается емкость

кабеля

до некоторого напряжения.

После замыкания высоковольтного
электронного ключа

образуется

контур

, колебания в котором зату-

хают из-за диэлектрических потерь в
изоляции, активного сопротивления
катушки и высоковольтного электрон-
ного ключа. Зарядное напряжение
повышают на определенную ступень
и повторяют измерение. При таком
пошаговом повышении напряжения
будет определено напряжение зажи-
гания частичных разрядов, чем мень-
ше шаг, тем точнее определяется на-
пряжение.

Напряжение гашения частичных

разрядов определяется по другой ме-
тодике. На рис. 2 показана затухающая
синусоида и частичные разряды. В не-
который момент времени, которое со-
ответствует напряжению

, частичные

разряды прекращаются. Это напряже-
ние есть напряжению гашения частич-
ных разрядов.

Многочисленные измерения систе-

мой OWTS кабельных линий в г. Перми
и Пермской области, позволили по-
строить кривые вероятности возникно-
вения и гашения частичных разрядов.
Статистическая обработка эксперимен-

0 - 37 кВ

ЭВМ

Рис. 1. Схема создания затухающей колебательной волны в кабельной линии:

— ограничительное сопротивление;

— высоковольтный электронный ключ;

— катушка индуктивности;

— емкость кабельной линии.

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

Технологии расчетов

ÊÀÁÅËÈ ÍÀ ÑÐÅÄÍÅÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ

тальных результатов производилась по
следующим формулам [3].

Среднее арифметическое значе-

ние , дисперсия

и среднее квадра-

тичное отклонение

(1)

= √

где

— число измерений,

— значения

измеряемых величин.

Асимметрия

и эксцесс

(2)

Собственная дисперсия асимме-

трии

и эксцесса

(3)

Было исследовано 106 трехфазных

линий (318 измерений) с кабелями с

пропитанной бумажной изоляцией
на напряжение 6 кВ (ААШв), 70 линий
с кабелями с пропитанной бумаж-
ной изоляцией на напряжение 10 кВ
(ААШв, АСБ), 11 линий с кабелями с
поливинилхлоридной изоляцией 6 кВ
(ВВГ) и 10 линий с кабелями со сши-
той полиэтиленовой изоляцией на
напряжение 35 кВ (АПвВнг). На рис.
3 представлены гистограмма и плот-
ность распределения напряжения
(амплитудные значения) возникнове-
ния и гашения частичных разрядов
в линиях с кабелями с пропитанной
бумажной изоляцией на напряжение

6 кВ. В табл. 1 представлены результа-
ты статистической обработки измере-
ний напряжения возникновения и га-
шения частичных, из которой видно,
что среднее значение напряжения
возникновения частичных разрядов
(5,8 кВ) больше, чем среднее значение
напряжения гашения частичных раз-
рядов (4,99 кВ). Это обусловлено тем,
что в пропиточном составе в месте ЧР
возникает полость, которая затекает
после разряда.

Согласно критерию Чебышева

можно принять гипотезу о нормально-
сти распределения при выполнении
соотношений:

(4)

Учитывая, что

= 0,41 и

= 1,34, получим:

1) возникновение

разряда

= 0,42 > 0,41 =

(по асимметрии

закон отличается от нормального) и

= 0,11 < 1,34 =

(по эксцессу за-

кон нормальный);

2) гашение

разряда

A =0,20 < 0,41 =

(по асимметрии

закон нормальный) и E = 0,80 < 1,34 =
=

(по эксцессу закон нормаль-

ный).

0,2

0,1

а)

0 2 4 6 8 10

, кВ

0,2

0,1

б)

0 2 4 6 8 10

, кВ

ЧР

Рис. 3. Гистограмма и плотность распределения напряжения (амплитудное значение)
возникновения а) и гашения б) частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 6 кВ

Рис. 2. Определение напряжения гашения частичных разрядов:

ЧР

— частичные разряды;

— напряжения гашения

ЧР.

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

Технологии расчетов

ÊÀÁÅËÈ ÍÀ ÑÐÅÄÍÅÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ

Отклонение закона распределе-

ния напряжения возникновения ча-
стичных разрядов от нормального
обусловлено тем, что подъем напря-
жения осуществляется не плавно, а
ступенями через 0,5 кВ, так как при
меньших ступенях резко возрастает

трудоемкость измерения. На затухаю-
щей синусоиде напряжение гашения
ЧР регистрируется более четко за
одно измерение.

Для практических целей удобнее

пользоваться эффективным напряже-
нием. На рис. 4 представлена кривая

распределения напряжения возник-
новения и гашения частичных разря-
дов в кабельных линиях на напряже-
ние 10 кВ с бумажной пропитанной
изоляцией и 35 кВ с полиэтиленовой
изоляцией.

Как отмечалось выше, у кабелей

с бумажной пропитанной изоляци-
ей напряжения гашения частичных
разрядов ниже, чем напряжения воз-
никновения частичных разрядов; у
кабелей с полиэтиленовой изоляцией
наблюдается обратная зависимость:
напряжения гашения частичных раз-
рядов выше, чем напряжение воз-
никновения частичных разрядов. Это
обусловлено тем, что в полиэтилене,
как материале имеющем, высокое
удельное объемное сопротивление,
накапливаются объемные заряды,
особенно вблизи неоднородностей,
что снижает напряжение на неодно-
родностях и, следовательно, повыша-
ет порог гашение ЧР.

Класс напряжения (

) это номи-

нальное линейное действующее на-
пряжение на приемнике электроэнер-
гии, на генераторе напряжение в 1,15
выше (

раб.max

= 1,15



— наибольшее

рабочее напряжение), за счет паде-
ния напряжения в линии.

0,2

0,1

0 2 4 6 8 10 12 16 18 20 22 24 26

эф

, кВ

1б

1а

2а

2б

Рис. 4. Плотность распределения напряжения (действующее значение) возникновения
1

, 2

и гашения 1

, 2

частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение:

1 — 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией;
2 — 35 кВ с полиэтиленовой изоляцией.

Табл. 1. Результаты статистической обработки измерений напряжения

(амплитудное значение) возникновения и гашения частичных разрядов

в кабельных линиях на напряжение 6 кВ

(кабели с пропитанной бумажной изоляцией)

№

п/п

Параметр

Обозначение

Возникновение

ЧР

Гашение ЧР

Число измерений

318

Среднее арифметическое

x , кВ

5,80

4,99

Дисперсия

2,01

3,10

Среднее квадратичное
отклонение

S , кВ

1,42

1,76

Асимметрия

0,42

-0,20

Эксцесс

-0,11

-0,80

Собственная дисперсия
асимметрия

0,0185

Собственная дисперсия
эксцесса

0,0720

3√DA

0,41

5√DE

1,34

Нормальный закон
распределения

0,42 > 0,41; нет

0,2 < 0,41; да

Нормальный закон
распределения

0,11 <1,34; да

0,8 < 1,34; да

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», февраль 2010

Технологии расчетов

ÊÀÁÅËÈ ÍÀ ÑÐÅÄÍÅÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ

Например, со стороны прием-

ника электроэнергии на изоляцию
кабеля на линейное напряжение

= 10 кВ в нормальном режиме рабо-
ты, т.е. без смещения нейтрали, воз-
действует фазное напряжение

10/√3 = 5,8 кВ; со стороны генератора
1,15·10/√3 = 6,6 кВ. В России сети от 3
до 35 кВ работают с изолированной
нейтралью. В таких сетях при одно-
фазном замыкании на землю не про-
исходит отключение линии, так как
не возникает короткого замыкания,
однако на неповрежденных фазах
напряжение возрастает до линей-
ного или, более точно, до 10



1,15 =

= 11,5 кВ.

На рис. 4 заштрихованной обла-

стью показана доля кабельных линий
с пропитанной бумажной изоляцией
на напряжение 10 кВ, в которых не
возникают ЧР при фазном наиболь-
шем рабочем напряжении 6,6 кВ. При
однофазном замыкании на землю, ког-
да напряжение на неповрежденных
фазах возрастает до 11,5 кВ, во всех
кабелях в изоляции идут процессы
ионизации.

Для кабелей с полиэтиленовой

изоляцией на напряжение 35 кВ наи-
большее рабочее действующее на-
пряжение равно 1,15·35/√3 = 23 кВ.
На рис. 4 видно, что кривая 2

ле-

жит ниже этого предела, т.е. во всех
кабелях при нормальной работе
есть ЧР.

На рис. 5 представлена плотность

распределения напряжения (дей-
ствующее значение) возникновения

и гашения частичных разрядов в ка-
бельных линиях на напряжение 6 кВ
с поливинилхлоридной изоляцией.
Так же как и у кабелей с пропитанной
бумажной изоляцией, напряжение
гашения частичных разрядов ниже,
чем напряжения возникновения ча-
стичных разрядов. Это обусловлено

низким удельным объемным сопро-
тивлением изоляции.

Разница между напряжением воз-

никновения и гашения частичных
разрядов у кабелей с поливинилхло-
ридной изоляцией меньше, чем у ка-
белей с пропитанной бумажной изо-
ляцией, так как изоляция твердая и
пустоты не изменяют геометрической
формы.

На рис. 5 заштрихованной обла-

стью показана доля кабельных линий
с поливинилхлоридной изоляцией на
напряжение 6 кВ (фазное наибольшее
рабочее действующее напряжение
1,15·6/√3 = 4,0 кВ), где нет частичных
разрядов. Сравнивая рис. 4 и 5, мож-
но сделать вывод, что вероятность
возникновения частичных разрядов
у кабелей с поливинилхлоридной
изоляцией меньше, чем у других.
Однако кабели с поливинилхлорид-
ной изоляцией можно эксплуати-
ровать только на напряжение до
6 кВ из-за больших диэлектрических
потерь.

Выводы

1. В кабелях с пропитанной

бумажной изоляцией напряжение
возникновения частичных разрядов
больше, чем напряжение их гашения
из-за образования полостей в про-
питочном составе в месте действия
частичного разряда. После прекра-
щения ЧР полость заполняется про-
питочным составом.

В кабелях с полиэтиленовой

изоляцией напряжение возникнове-
ния частичных разрядов меньше, чем
напряжение их гашения за счет поля-
ризации диэлектрика, особенно око-
ло неоднородностей. Полиэтилен по
отношению к бумажной пропитанной
изоляции имеет намного большее
удельное объемное электрическое
сопротивление, поэтому объемный

электрический заряд дольше сохра-
няется в изоляции.

3. Среди кабелей: с бумажной

пропитанной, поливинилхлоридной
и полиэтиленовой изоляцией, наи-
больший порог возникновения ча-
стичных разрядов имеют кабели с
поливинил-хлоридной изоляцией,
но такие кабели можно применять
на напряжение не более 6 кВ из-за
больших диэлектрических потерь в
изоляции.

Литература

1. Д. Вайда. Исследование повреж-

дений изоляции. М.: Энергия, 1968. —
400 с.

2. С.Н. Койков, А.Н. Цикин. Элек-

трическое старение твердых диэлек-
триков и надежность диэлектрических
деталей. Л.: Энергия, 1968. — 185 с.

3. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по

математике. М.: Наука, 1978. — 832 с.

0,2

0,1

0 2 4 6

эф

, кВ