«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
20
С
тандартные «пусковые» высоковольтные
испытания кабельных линий (КЛ) с изоля-
цией из СПЭ являются комплексными и как
минимум должны включать в себя три обя-
зательных теста:
• высоковольтные испытания основной изоля-
ции кабеля и муфт (на изоляционном интервале
жила — экран) при номинальном или повышен-
ном напряжении в течение определённого интер-
вала времени — тест на пробой;
• высоковольтные испытания основной изоляции
кабельной линии на номинальном или повышен-
ном напряжении с целью поиска скрытых и раз-
вивающихся дефектов в изоляции, проводимые
с использованием метода регистрации и анализа
частичных разрядов;
• проверка технического состояния внешней обо-
лочки КЛ на наличие повреждений, возникающих
при неправильной прокладке.
Высоковольтные испытания кабельной линии на
пробой и поиск дефектов в изоляции стараются со-
вместить в общем тесте, так как в обоих случаях
измерительная схема предусматривает подачу ис-
пытательного напряжения на жилу КЛ относительно
экрана. Эффективность таких испытаний, как и воз-
можность одновременного проведения двух тестов,
определяется типом приложенного испытательного
напряжения. Ниже приведено сравнение особен-
ностей проведения испытаний кабельных линий с
изоляцией из СПЭ с использованием различных
типов (форм) напряжений. Все остальные, не ме-
нее важные методические и технические вопросы,
например, необходимые и допустимые уровни при-
меняемых напряжений, длительность проводимых
испытаний и т.д., в статье не рассматриваются.
В настоящее время для тестирования состояния
кабельных линий с изоляцией из СПЭ на практике
применяются специализированные высоковольтные
испытательные установки с основными пятью типа-
ми (формами) выходных напряжений. При помощи
этих установок выполняются практическая опера-
тивная оценка технического состояния изоляции КЛ
перед их вводом в эксплуатацию и испытание:
• напряжением промышленной частоты;
• напряжением СНЧ (сверхнизкая частота) синусо-
идальной формы;
• СНЧ-напряжением прямоугольной формы;
• затухающим переменным напряжением синусо-
идальной формы (DAC);
• постоянным
напряжением.
Не вызывает никаких сомнений, что оптимальны-
ми и наиболее эффективными являются испытания
с использованием установок, на выходе которых
генерируется напряжение промышленной частоты.
В этом случае все физические процессы в кабель-
ной линии будут аналогичны процессам, происходя-
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
Сравнение эффективности
испытаний КЛ с изоляцией
из СПЭ
Перед вводом в эксплуатацию все высоковольтные кабельные линии с
изоляцией из СПЭ (международное обозначение XLPE — Cross Linked Poly-
ethylene) должны в обязательном порядке проходить специализированные
высоковольтные испытания, имеющие целью определить техническое состо-
яние самого кабеля, концевых и соединительных муфт. Только после успеш-
ного проведения таких испытаний можно в будущем ожидать длительной и
безаварийной работы кабельной линии.
Даниил ГЕРМАНЕНКО, Валерий РУСОВ,
ООО «ДИМРУС», г. Пермь
«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
21
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
щим в работающей линии. И если КЛ выдерживает
такие испытания, особенно повышенным напряже-
нием, то, вероятнее всего, она будет долго и безава-
рийно работать.
Недостатком таких установок является то, что
они очень громоздки и дороги. По этой причине на
практике они применяются достаточно редко.
Для уменьшения мощности повышающего транс-
форматора в испытательных установках с выход-
ным напряжением промышленной частоты в их со-
ставе используются последовательно включённые
дополнительные индуктивности, компенсирующие
ёмкостную составляющую потребляемого тока. Как
показано на рис. 1, такой дроссель (индуктивность)
включается в высоковольтную цепь последователь-
но с кабельной линией. В зависимости от ёмкости
контролируемого кабеля (его длины) для повышения
компенсирующего влияния величину индуктивности
дросселя желательно менять, используя специаль-
ные отводы от катушки. Для полной реализации эф-
фекта компенсации ёмкостного тока КЛ величина
индуктивности дополнительного дросселя должна
быть управляемой.
Использование в испытательной установке ком-
пенсирующей индуктивности снижает мощность
повышающего трансформатора, но не позволя-
ет существенно снизить габариты и стоимость
всей установки, так как сам регулируемый дрос-
сель, работающий под высоким потенциалом ис-
точника, является достаточно сложным и дорогим
устройством.
Практически однозначно отрицательно можно
охарактеризовать потребительские свойства испы-
тательных установок с выходным напряжением по-
стоянного тока. В литературе неоднократно было
показано, что при проведении испытаний кабельных
линий с изоляцией из СПЭ повышенным напряжени-
ем применение источников постоянного тока может
приводить к необоснованным пробоям изоляции и
снижению технического ресурса эксплуатации КЛ.
Сравнительная простота и дешевизна этих устано-
вок не является основным признаком при определе-
нии сферы их применения, поэтому не будем даже
рассматривать особенности использования испыта-
тельных источников постоянного тока.
Наиболее широко на практике сейчас применя-
ются высоковольтные испытательные установки
переменного тока, работающие на сверхнизкой ча-
стоте — СНЧ (VLF — Very Low Frequency). В боль-
шинстве выпускаемых установок эта пониженная
частота стандартно равняется 0,1 Гц, т.е. в 500 раз
ниже, чем частота промышленной сети; очень часто
в установках имеется техническая возможность ещё
большего её понижения — до 0,01 Гц.
Причиной использования испытательного напря-
жения пониженной частоты является то, что кабель-
ная линия представляет собой практически идеаль-
ную ёмкостную нагрузку, для поднятия напряжения
на которой необходим источник, обладающий боль-
шой реактивной мощностью, генерирующий реак-
тивный ток значительной величины. Для сравнения:
при испытании КЛ среднего класса рабочих напря-
жений (при длине линии около километра) на про-
мышленной частоте потребуется источник напряже-
ния мощностью в сотни кВА.
Переход на использование напряжения пони-
женной частоты позволяет на несколько порядков
увеличить ёмкостное сопротивление испытываемой
кабельной линии, следовательно, значительно сни-
зить необходимую мощность испытательного источ-
ника. В результате в тех же условиях можно будет
применять источники испытательного напряжения
с меньшими габаритами и стоимостью. Например,
выходной мощности источника испытательного на-
пряжения СНЧ, потребляющего из питающей сети
всего 1—2 кВт мощности, оказывается достаточно
для испытаний большинства КЛ среднего класса на-
пряжения.
Основной вопрос, который обсуждается произ-
водителями установок СНЧ, заключается в выборе
формы выходного напряжения. Одни фирмы, кото-
рые производят источники с синусоидальной фор-
мой выходного сигнала, утверждают, что это наи-
лучшее техническое решение; другие производят
источники с выходным напряжением прямоугольной
формы и также говорят о высокой эффективности
такого оборудования.
Попробуем рассмотреть этот вопрос немного под-
робнее. Исторически первыми на рынке появились
источники СНЧ-напряжения с выходным сигналом
прямоугольной формы. При этом авторы почему-то
иногда называли (и называют сейчас) этот сигнал
косинусоидальным, но это неправильное утвержде-
ние. Напряжения с формой сигнала синус и косинус
абсолютно идентичны по форме, но сдвинуты от-
носительно друг друга на угол в 90 электрических
градусов, а в данном случае это не соответствует
истине.
Рис. 1. Схема испытательной установки
промышленной частоты с компенсационным
дросселем
«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
22
В основе установок СНЧ с прямоугольным выход-
ным напряжением лежит оригинальное техническое
решение, использующее резонансные особенности
контура, состоящего из ёмкости испытуемой кабель-
ной линии и встроенной в установку резонансной
катушки. За счёт использования в установке после-
довательно коммутируемых однополярных переклю-
чателей источник СНЧ прямоугольной формы имеет
два важных преимущества (рис. 2):
• происходит периодическое резонансное перерас-
пределение реактивной энергии в испытательной
схеме между ёмкостью кабеля и индуктивностью
встроенной катушки с частотой, определяемой
управляемыми однополярными переключателя-
ми. Энергия сетевого источника установки расхо-
дуется только на компенсацию потерь в кабеле,
индуктивности и коммутаторах. В результате при
помощи установок СНЧ с прямоугольной формой
выходного сигнала можно испытывать КЛ с ёмко-
стью до десяти микрофарад;
• изменение полярности напряжения, приложенно-
го к кабельной линии, происходит не мгновенно,
а по кривой, по форме, которая пропорциональ-
на половине синусоидального сигнала, располо-
женного между двумя амплитудными значения-
ми противоположной полярности. Длительность
такого интервала времени, в течение которого
происходит изменение полярности напряжения,
зависит от резонансной частоты колебательного
контура, определяется ёмкостью КЛ и индуктив-
ностью испытательной установки.
Производители СНЧ-установок стараются выби-
рать параметры встроенной индуктивности так, что-
бы скоростные параметры изменения полярности
испытательного напряжения были близки к параме-
трам, имеющим место при промышленной частоте.
В результате скорости изменения напряжённости
поля в изоляции испытуемой КЛ оказываются очень
близкими к имеющим место в рабочих режимах. Это
приводит к тому, что при использовании таких уста-
новок можно эффективно проводить и регистрацию
частичных разрядов (ЧР) с целью выявления скры-
тых дефектов в изоляции кабельных линий. Полу-
ченные диагностические заключения будут практи-
чески полностью соответствовать измерениям ЧР в
процессе эксплуатации.
Испытательные установки СНЧ с синусоидальной
формой выходного напряжения первоначально осно-
вывались на электромеханических элементах, были
громоздки и дороги. Развитие полупроводниковых
силовых элементов позволило оптимизировать их
конструкцию, сделать их компактнее и удобнее. В
таких установках сначала производится заряд ка-
бельной линии напряжением одной полярности, за-
тем осуществляется её постепенный разряд до нуля,
и далее — заряд напряжением другой полярности.
Закон изменения напряжения на контролируемом
кабеле управляется микропроцессорным модулем,
что позволяет получить на выходе установки прак-
тически идеальный синусоидальный сигнал с задан-
ной частотой, обычно 0,1 Гц.
Основной недостаток такой установки заложен в
принципе её действия — вся энергия, накапливае-
мая в кабельной линии во время её заряда, долж-
на быть рассеяна в виде тепла во время спадания
напряжения на кабельной линии до нуля или каким-
либо способом сохранена в специальном накопи-
теле для повторного использования на следующем
периоде испытательного напряжения. Это приводит
к тому, что при помощи таких установок (приемле-
мого компактного размера) не удаётся испытать КЛ
с ёмкостью более одной микрофарады. Производи-
тели таких СНЧ-установок заявляют о возможности
испытания линий и с большей ёмкостью, но при этом
указывают, что частоту выходного напряжения в та-
ком случае нужно снижать уже до 0,01 Гц. Испытание
КЛ напряжениями такой частоты, на наш взгляд, уже
является опасным для изоляции, так как напряжение
одной полярности оказы-
вается приложенным к ка-
белю в течение уже почти
одной минуты (50 секунд).
Имеет место опасное при-
ближение СНЧ-установок
к испытательным установ-
кам постоянного тока, по-
следствия которого пред-
сказуемы — вероятность
необоснованного пробоя и
неизбежное снижение ре-
сурса КЛ после проведения
испытаний.
Другим недостатком
установки СНЧ с синусо-
идальным выходным на-
Рис. 2. Особенности фронтов прямоугольных импульсов СНЧ-установок
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
23
пряжением является то, что скорости на-
растания поля в изоляции при частоте
0,1 Гц в 500 раз отличаются от тех ско-
ростей, которые имеют место при работе
кабельной линии. Это приводит к тому,
что меняется физическая природа про-
цессов, происходящих в изоляции КЛ. На
поляризационные процессы в диэлектрике
накладываются абсорбционные, что изме-
няет распределение потенциалов внутри
изоляции кабельной линии. При часто-
те испытательного напряжения в 0,01 Гц
скорость процессов вообще уменьшается
в 5000 раз, что ещё больше снижает до-
стоверность диагностики дефектов на ос-
новании измерения и анализа частичных
разрядов.
В результате возникновение и разви-
тие ЧР в изоляции кабеля происходят по
другим законам, поэтому часть дефектов
в изоляции не может быть диагностиро-
вана на основании использования метода
регистрации частичных разрядов. По име-
ющейся в литературе информации, при си-
нусоидальном напряжении 0,1 Гц надёжно
определяется от 60 до 80% всех дефектов,
выявляемых при использовании напряже-
ния промышленной частоты. Много это или
мало? Всё зависит от конкретной ситуации
и от типа дефектов, имеющихся в изоляции испыту-
емой КЛ. В любом случае это является отрицатель-
ным фактором при проведении диагностики.
В чём же основной плюс установок СНЧ с сину-
соидальным выходным сигналом? Многие думают,
что в том, что форма их выходного сигнала близка к
форме напряжения, которое имеет место при работе
кабельных линий. На самом деле это только лишь
кажущееся подобие внешних форм, но оно получе-
но с большим коэффициентом временного приведе-
ния. На самом же деле скорости изменения электро-
магнитных и полевых процессов в изоляции КЛ при
таких испытаниях безгранично далеки от реальных
процессов, имеющих место в процессе их работы.
Из положительных аспектов можно отметить, что
стоимость СНЧ-установок с синусоидальным вы-
ходным напряжением в последнее время настолько
уменьшилась, что часто она уже меньше, чем сто-
имость установок с прямоугольным выходным на-
пряжением. Однако надо понимать, что установки
с прямоугольным выходным напряжением всегда
имеют большую выходную мощность и позволяют
испытывать более длинные кабельные линии. Если
сравнивать испытательные установки с равными
возможностями, то при прямоугольном выходном
сигнале цена поставки диагностического оборудо-
вания всегда будет ниже.
В заключение по вопросу выбора оптимальной
формы выходного сигнала установок СНЧ следует
сказать, что, возможно, существуют другие и, может
быть, даже более значимые положительные аспек-
ты применения этих установок с синусоидальным
выходным напряжением. В очевидном виде обнару-
жить их в доступной литературе или отзывах эксплу-
атационных организаций авторам данной статьи не
удалось.
Особую нишу при проведении испытаний кабель-
ных линий на наличие частичных разрядов занимают
установки, выходное напряжение которых является
переменным затухающим, имеющим обозначение
DAC (Damping Alternative Current). Второе наимено-
вание установок этого типа связано с общепринятым
названием метода, на основании которого произво-
дится диагностика состояния КЛ, — OWTS (Oscillat-
ing Wave Test System). Принцип действия таких уста-
новок базируется на использовании резонансных
процессов в колебательном контуре, состоящем из
ёмкости кабельной линии и дополнительной индук-
тивности, расположенной внутри установки (рис. 3).
Перед проведением испытаний КЛ заряжается
постоянным током небольшой величины, порядка
10 мА, до заданного напряжения, после чего за-
мыкается ключ, который создаёт замкнутый
коле-
бательный контур, в котором возникает перемен-
Рис. 3. Принцип работы испытательной установки DAC
(OWTS)
L
K
+
-
I
DAC
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
24
ное затухающее напряжение. Частота колебаний в
контуре определяется ёмкостью кабельной линии
(зависит от длины линии) и величиной индуктивно-
сти встроенной катушки, а скорость затухания за-
висит от активных потерь в установке и в КЛ, т.е.
от добротности колебательного контура. Реальное
значение частоты резонансных колебаний контура
обычно находится в диапазоне от 50 до 1000 Гц, а
полное время затухания колебаний составляет деся-
тые доли секунды.
В процессе затухания амплитуды напряжения
производится измерение частичных разрядов в изо-
ляции кабельной линии, выявляются дефекты, про-
изводится локация мест их возникновения, опре-
деляется напряжение возникновения частичных
разрядов. В отличие от других испытательных уста-
новок DAC используются практически только для
диагностики, проверка на пробой осуществляется
лишь в момент заряда КЛ постоянным током. Про-
водить длительные испытания кабельных линий на
пробой с их помощью невозможно, они максимально
приспособлены только для регистрации частичных
разрядов в изоляции.
В литературе появилась информация о том, что
установки DAC (OWTS) опасны для кабельных линий
с изоляцией из СПЭ, так как они воздействуют на
линию постоянным током во время первичного заря-
да, что отрицательно сказывается на ресурсе СПЭ-
изоляции. Такие заявления не имеют под собой серь-
ёзного основания. Для примера: OWTS-установки
большинства производителей могут зарядить длин-
ную кабельную линию ёмкостью до 10 микрофарад
за время, не превышающее 10—15 секунд, а для ка-
белей меньшей длины (порядка одного километра)
время заряда составляет единицы секунд, после
чего замыкается ключ и начинается воздействие на
кабель переменным затухающим напряжением.
Время заряда короткой КЛ, т.е. время нахожде-
ния под напряжением положительной полярности,
соизмеримо с аналогичным параметром установок
СНЧ 0,1 Гц, где оно составляет 5 секунд, и оно на-
много меньше, чем при использовании СНЧ 0,01 Гц
(для линий большой длины), где оно составляет уже
50 (!) секунд. Кроме того, также надо учесть, что при
испытании СНЧ-установками приложенное к кабель-
ной линии напряжение равняется 3U
0
, а при исполь-
зовании DAC-установок оно обычно ограничивается
уровнем амплитуды рабочего напряжения. В резуль-
тате становится очевидным, что испытание кабель-
ных линий DAC-установками даже менее вредно для
КЛ с изоляцией из СПЭ, чем испытания широко ис-
пользуемыми установками СНЧ.
Измерение частичных разрядов является обяза-
тельным при вводе в эксплуатацию кабельных ли-
ний с изоляцией из СПЭ, потому что оно позволяет
выявить те небольшие дефекты, которые имеются в
кабельной линии. Особенно это важно для тех дефек-
тов начального уровня, которые не были выявлены
при испытании повышенным напряжением, но могут
привести к выходу из строя линии в течение первого
этапа промышленной эксплуатации, на интервале в
ближайшие несколько месяцев. Поскольку для про-
ведения такого теста необходимо, чтобы на кабель-
ную линию было подано напряжение не меньшее, чем
рабочее значение, желательно регистрировать ЧР во
время проведения испытаний на пробой, совмещать
их. В зависимости от формы выходного напряжения
испытательных установок условия и возможности
для регистрации частичных разрядов различны.
Наиболее эффективно регистрация ЧР может
быть произведена при использовании источников
напряжения промышленной частоты. Удобно при-
менение для регистрации частичных разрядов уста-
новок типа DAC (OWTS) — они максимально пред-
назначены для этой цели. Более сложно проводить
измерение частичных разрядов при использовании
СНЧ-установок. Причина здесь достаточно проста —
управляющие сигналы для полупроводниковых
транзисторов и тиристоров, составляющие осно-
ву высоковольтной части испытательной установки
СНЧ, являются сигналами помех при регистрации
частичных разрядов, поэтому приходится применять
дополнительные меры по снижению уровня помех
при регистрации ЧР.
Более просто и эффективно измерить частичные
разряды можно при использовании установок с пря-
моугольным выходным СНЧ-напряжением; техниче-
ски сложнее измерить ЧР при использовании сину-
соидальных СНЧ-установок, причём достоверность
диагностических заключений в этом случае, как уже
указывалось выше, будет существенно ниже.
Все приведённые выше рассуждения об эффек-
тивности применения для кабельных линий с изо-
ляцией из СПЭ испытательных установок, различа-
ющихся типом выходного напряжения, приведены в
таблице. Поскольку данная статья не носит реклам-
ной направленности, все сравнения в таблице приве-
дены на уровне «больше — меньше» или «лучше —
хуже».
На основании информации, приведённой в таб-
лице, пользователи могут более обоснованно про-
водить выбор диагностических установок, которые
в максимальной степени будут соответствовать тре-
бованиям эксплуатации.
Совмещение функций СНЧ-установок для испы-
таний с функциями измерения частичных разрядов
в изоляции кабельных линий является важным на-
правлением развития испытательных установок для
большинства фирм, специализирующихся на выпу-
ске такого оборудования. Наиболее интересными
сочетаниями функциональных возможностей ком-
пактных испытательных установок являются:
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
«КАБЕЛЬ-news», № 2, 2014, www.kabel-news.ru
25
• СНЧ-установка с прямоугольным (синусоидаль-
ным) выходным сигналом + система регистра-
ции ЧР;
• СНЧ-установка с прямоугольным выходным сиг-
налом + установка OWTS.
Испытательные установки таких типов уже появ-
ляются на рынке, причём лучшие из них могут до-
полнительно к испытаниям на пробой и измерениям
частичных разрядов осуществлять контроль состоя-
ния оболочки кабельной линии.
Таблица. Сравнение эффективности испытаний КЛ с изоляцией из СПЭ установками с разными
типами выходного напряжения
Тип выходного
напряжения установки
Эффективность
Влияние
на ресурс
изоляции
Удобство применения
Испытание
на пробой
Измерение ЧР в
изоляции
Габариты
Цена
Синусоидальное, 50 Гц
+++
+++
Минимум
+++
+++
Прямоугольное СНЧ
++
++
Среднее
++
++
Синусоидальное СНЧ
++
+
Среднее
++
++
DAC затухающее
+
+++
Среднее
++
++
Постоянный ток
++
—
Максимум
++
+
►
Приборы для тестирования изоляции кабельных линий методом
OWTS
Переносная система
«CPDA-15»
состоит из высоковольтного блока
в транспортном чемодане и ноутбука. Это наиболее компактная и
дешёвая установка, предназначенная для регистрации частичных
разрядов в высоковольтных кабелях по методу OWTS.
Высоковольтный блок включает в себя источник с электронным
переключателем и индуктивной катушкой для создания переменного
испытательного напряжения и сетевой блок зарядки с контроллером
управления, стационарно смонтированные в общем чемодане.
Управление процессом проведения измерений производится
дистанционно с ноутбука при использовании беспроводного
интерфейса WI-FI. Хранение, анализ и обработка сигналов ЧР
осуществляются в ноутбуке и могут проводиться как на месте испытаний, так и в офисе.
Системы мониторинга состояния изоляции кабельных линий под
рабочим напряжением
►
«CDM-30»
— эффективное средство для непрерывного контроля
состояния изоляции до 30 кабельных линий напряжением 6-35 кВ на
основе метода регистрации и анализа уровня и распределения частичных
разрядов. Дополнительно позволяет определить тип дефекта в изоляции,
место возникновения дефектов, выявленных системой по частичным
разрядам, как в муфтах, так и в самом кабеле.
►
Система мониторинга
«CDR»
предназначена для непрерывного контроля состояния изоляции
кабельных линий напряжением 110 кВ и выше на основе регистрации и анализа
частичных разрядов. При помощи встроенной экспертной системы определяется
тип дефекта в изоляции и степень его развития, производится автоматическая
локализация мест возникновения дефектов в изоляции, измеряется рабочая
температура кабельной линии (концевых муфт).
СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
614000, Россия, г. Пермь, ул. Пермская, д. 70, офис 403
Тел./факс: +7 (342) 212-23-18, 212-84-74
www.dimrus.ru
Актуально
ÈÑÏÛÒÀÍÈß ÊÀÁÅËÜÍÛÕ ËÈÍÈÉ
Оригинал статьи: Сравнение эффективности испытаний КЛ с изоляцией из СПЭ
Перед вводом в эксплуатацию все высоковольтные кабельные линии с изоляцией из СПЭ (международное обозначение XLPE — Cross Linked Polyethylene) должны в обязательном порядке проходить специализированные высоковольтные испытания, имеющие целью определить техническое состояние самого кабеля, концевых и соединительных муфт. Только после успешного проведения таких испытаний можно в будущем ожидать длительной и безаварийной работы кабельной линии.