«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
58
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
П
рограммы профилактического техническо-
го обслуживания очень полезны для по-
вышения надёжности кабельных систем
среднего напряжения. Чтобы программа
работала успешно, необходимо определить состоя-
ние кабельных систем. Оценка их состояния, когда
они находятся под напряжением, и развёртывание
программы по ремонту или замене кабелей на осно-
вании этой оценки помогут менеджеру по управле-
нию ресурсами (asset manager) реализовать надёж-
ную систему для работы в энергетических и про-
мышленных компаниях. Технология обработки ка-
белей основана на хорошо зарекомендовавшем
себя процессе впрыскивания кремнийорганическо-
го соединения, который успешно используется для
продления срока службы старых кабельных систем
с экструдированной изоляцией. Технология оценки
состояния кабелей является эффективным и надёж-
ным инструментом, позволяющим упростить про-
грамму запланированного технического обслужи-
вания, так как она обеспечивает отличную индика-
цию состояния кабелей всех типов. Здесь представ-
лены подробные сведения о методике диагностики
состояния кабелей, которая анализирует радиоча-
стотные (RF) импульсы, излучаемые кабельной си-
стемой, когда она находится под напряжением и в
рабочем состоянии. В настоящей работе описаны
новейшие технологии, применяемые для оценки со-
стояния и продления срока службы кабелей сред-
него напряжения, используемых в системах распре-
деления электроэнергии, а также рассмотрено не-
сколько конкретных примеров.
ВВЕДЕНИЕ
Силовые кабели, являясь критически важным
компонентом распределительной электрической
сети, должны работать как можно дольше, при этом
соответствуя стандартам надёжности и безопасно-
сти. Для этого исключительно важна часть програм-
мы технического обслуживания — правильные диа-
гностические испытания. Главной целью диагности-
ческих испытаний является определение дефектов,
которые могут привести к отказу системы, и прогно-
зирование периода времени, который потребует-
ся для того, чтобы эти дефекты привели к повреж-
дению кабельной системы. Эти испытания должны
быть экономически обоснованными и не приводить
к дополнительному ухудшению работы проверяе-
мой системы. Таким образом, описанная в настоя-
щей работе технология позволяет избежать прове-
дения испытаний с использованием высоких напря-
жений.
Полевые испытания кабельных систем, нахо-
дящихся под рабочим напряжением для оценки их
дальнейшей работы, повышают надёжность кабе-
лей в распределительных системах. Это стало воз-
можным благодаря новой технологии CableWISE,
разработанной десять лет назад, которая исполь-
зует упреждение при обработке и интерпретации
сигналов. Эта технология является самой эффек-
тивной из существующих сегодня методов диагно-
стики. Она обеспечивает раннее определение сла-
бых компонентов кабельной системы, находящей-
ся под напряжением. Этот метод позволяет опреде-
лить местоположение изношенных компонентов си-
стемы и определить степень износа, что исключи-
тельно важно для обеспечения надёжности систе-
мы. Экономия получается за счёт определения при-
оритетов по замене слабых частей цепи и ремонта
старых кабельных систем с экструдированной изо-
ляцией.
Не все явления, связанные с деградацией кабе-
ля, ассоциируются с частичными разрядами (PD).
Например, в освинцованных кабелях с бумажной
Стратегии профилактического
технического обслуживания
силовых кабельных систем
Доклад Международной конференции и выставки по распределению
электроэнергии — CIRED
Nagu N. Srinivas, UtilX Corporation, USA
«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
59
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
изоляцией (PILC) повреждения всегда связаны с по-
паданием влаги, что обычно может привести к те-
пловому пробою. Влага в кабелях PILC увеличива-
ет потери в изоляции. Имеет место локальное выде-
ление тепла. Это, в свою очередь, ухудшает бумаж-
ную изоляцию и приводит к быстрому повреждению
кабеля. Частичный разряд может присутствовать
только на последних стадиях деградации кабеля.
Тем не менее кабельная система излучает сигналы
во время работы и может изменить характер старе-
ния кабеля независимо от возникновения частично-
го разряда, обнаруживаемого обычным способом.
Большинство повреждений кабельных систем
с экструдированной изоляцией связано с образо-
ванием древовидного пробоя в результате воздей-
ствия воды (водным триингом), что приводит к по-
вреждению с преобразованием [1] в электрический
триинг. Водный триинг — это незначительное ухуд-
шение состояния, которое происходит в результате
комплексного воздействия электрических полей пе-
ременного тока и водных растворов солей от запол-
ненных электролитом пустот, соединённых узкими
порами через аморфные области (области с ухуд-
шившимися свойствами) полимера. Давление, на-
ведённое полем, заталкивает гидратированные
ионы в полимер. В результате электрохимической
реакции (разрыв связей при окислении) и перегруп-
пировки полимерной цепи в областях с низкой плот-
ностью (аморфной областью) образуются микропо-
ры. Электрический триинг представляет собой де-
градацию высокого уровня, которая растёт от обла-
стей с повышенными электрическими напряжения-
ми переменного/постоянного тока (т.е. шероховато-
сти металлических поверхностей, нарушения струк-
туры и проводимости) в непосредственной близости
от водного триинга кабельной изоляции. Формиро-
вание электрического триинга может быть результа-
том частичных разрядов в больших пустотах в мате-
риале изоляции, кабельных муфтах и соединениях.
Момент преобразования водного триинга в электри-
ческий занимает очень короткий период времени до
повреждения, поскольку начавшийся электрический
триинг распространяется по ослабленной изоляции
с большой скоростью. Таким образом, стандарт-
ным выходом для локализации частичного разряда
является процесс преобразования. В нормальных
условиях такое преобразование вызвано продол-
жительной активностью, инициированной в вод-
ном триинге, в изоляционных полостях, и при помо-
щи технологий In situ («на месте») можно выявить
такую активность. На рис. 1 показаны участки де-
градации, которая возможна в стареющих кабель-
ных системах с экструдированной изоляцией. Тех-
нологии In situ (CableWISE) способны выявить, опре-
делить местоположение и произвести оценку таких
участков. Если не предпринять никаких мер проти-
водействия, на большинстве участков деградации
могут развиться в электрические триинги.
Рис. 1. Нарушения изоляции кабелей
с экструдированной изоляцией, которые можно
обнаружить
ТЕХНОЛОГИЯ IN SITU
ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЯ
Сбор данных начинается с момента установ-
ки 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 ча-
стотной и временной областях. Частотный спектр
используется для обнаружения участка деграда-
ции, который излучает радиочастотные сигналы.
Временной спектр используется для отслеживания
и определения значимости деградации. Оценка со-
стояния каждого кабеля 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-
«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
60
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
фикации сигналов также используется соотноше-
ние основной частоты и первой гармоники (рис. 2).
СТЕПЕНЬ ОЦЕНКИ
На основании анализа данных состояния кабель-
ной системы между каждым комплектом датчиков
определяются при помощи амплитуды сигнала, ча-
стоты повторения импульсов и фазового угла. Длина
кабельной сети помещается в одну из 5 категорий.
Уровень 1.
Система не повреждена. Никаких
мер не требуется.
Уровень 2.
Имеются небольшие нарушения —
соответствующие сигналы. Вероятность отказа не-
большая. Рекомендуется повторная проверка через
четыре года. Для кабелей с экструдированной изо-
ляцией рекомендуется 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 определе-
ния стойкости кабеля после принятия профилакти-
ческих мер.
Уровень 5.
Высокая вероятность выхода из строя
через два года. Требуется немедленная замена.
Одна из независимых организаций представи-
ла статистику результатов испытаний, проведённых
системой CableWISE. Значительная часть данных
была получена, когда кабели находились в рабочем
состоянии под напряжением на протяжении многих
лет после окончания испытаний. Проведённый ана-
лиз подтвердил правильность рекомендаций отно-
сительно будущих характеристик кабеля в части ве-
роятности отказа, чего нельзя сказать в отношении
абсолютных значений, полученных в результате ис-
пытаний отдельных сегментов кабеля. В результа-
те чего был сделан вывод, что анализ представля-
ет собой руководство по точности методики диагно-
стических испытаний. Таким образом, мы получили
новый подход для руководства энергетических ком-
паний при принятии решений относительно управ-
ления ресурсами.
ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Пример A
Вышеперечисленные уровни оценки были ис-
пользованы при анализе кабельных систем ком-
пании Western Utility, США, и служат примером
применения технологий прогнозных расчётов. В
основном анализ позволил этой компании оценить
потенциал использования этой технологии про-
гнозных расчётов состояния (CableWISE) как ча-
сти программы полной замены кабельной систе-
мы. Компания проводит мониторинг своей систе-
мы и ведёт учёт данных. Специальные меры по
оценке результатов применения технологии про-
гнозных расчётов обеспечили снижение себесто-
имости и позволили избежать рекламаций заказ-
чиков. Удаление обнаруженных дефектных участ-
ков кабелей согласно запланированной програм-
ме и мероприятия по предотвращению наложения
преднамеренных внешних напряжений после полу-
чения прогнозов дали положительный экономиче-
ский эффект [5].
Пример Б
Был проведён детальный анализ
результатов диагностических испы-
таний 2000 года на распределитель-
ных фидерных кабелях длиной 22 км.
Были проверены эксплуатационные
характеристики за 7 лет. После окон-
чания диагностических испытаний ка-
бели находились в непрерывной экс-
плуатации ещё длительное время.
Кабели, которые по оценке уже «дав-
но должны выйти из строя», показа-
ли фактически очень низкий уровень
отказов; точность прогнозов для ка-
белей, которые не должны выйти из
строя, была очень высока. Общая
точность прогнозирования для ка-
бельных сегментов и арматуры (ана-
лиз проводился отдельно) составила
98% [8].
Рис. 2. Типовые дефекты,
выявленные испытательной системой СableWISE
«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
61
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОСЛЕ
ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ
Проведение оценки состояния по технологии In
situ (CableWISE) кабельных систем включает в себя
установку датчиков обнаружения сигналов на выб-
ранные участки, причём кабель остаётся под напря-
жением и в эксплуатации. 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 мини-
мум вести чёткий учёт и проводить соответствующий
мониторинг испытуемых кабельных систем. Кроме
того, необходимо, чтобы пользователь не осущест-
влял никаких самостоятельных действий, которые
бы повлияли на результаты прогнозирования, про-
водимого при помощи технологии CableWISE. Таким
образом, определённые действия, которые следует
предпринять пользователю для обеспечения надёж-
ной работы кабельной системы после испытаний с
использованием технологии CableWISE, включают
следующее: проведение мониторинга поведения ка-
бельной системы после испытаний, при котором не
следует подвергать воздействию повышенного на-
пряжения и проводить дальнейшие непосредствен-
ные испытания ослабленных кабельных систем со-
гласно 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 потен-
циально скрытым проблемам). Тогда как целью по-
дачи перенапряжения во время испытаний является
создание повреждения. Электроны, которые захва-
тываются и высвобождаются после диагностических
испытаний, могут привести к преждевременному от-
казу системы в дальнейшем. Отказ в более позднее
время может оказаться просто результатом продол-
жительного старения в нормальных условиях нагруз-
ки кабельной системы, после того как процесс «ста-
рения» был ускорен преднамеренной подачей повы-
шенного напряжения. (Это явление не должно учиты-
ваться в процессе прогнозирования, поскольку оно
сфокусировано на процессе старения при нормаль-
ных условиях цикла нагрузки без приложения внеш-
него перенапряжения.) Таким образом, преднамерен-
ная подача перенапряжения может вызвать медленно
развивающееся повреждение, готовое перерасти в
более серьёзный дефект — предварительный отказ.
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 прогнози-
рования. Ниже будет обсуждаться несколько приме-
ров использования перенапряжения в условиях экс-
плуатации.
Импульсный удар представляет собой процеду-
ру обнаружения повреждения, которая заключается
в посылке импульса тока с целью снижения высоко-
го полного сопротивления в месте повреждения пу-
тём создания световой дуги. Для такого испытатель-
ного метода не существует каких-либо определённых
требований или стандартов, следовательно, не суще-
ствует общепринятой методологии частоты подачи
импульсов. Импульсный удар вызывает деформацию
стержня и обмоток трансформаторов, а также контак-
тов коммутирующей аппаратуры, подключённой к ка-
бельной цепи. Именно технология CableWISE должна
отвечать за то, чтобы чрезмерная величина импульс-
ного удара вызывала захват электронов и импуль-
сы такой величины не подавались в кабельные сети
большой длины. Чтобы не подвергать воздействию
импульсов неповреждённые и неотключённые участ-
ки кабелей, повреждения должны обнаруживаться
радарами или при помощи методов кратковременной
световой дуги.
При помощи установки dc HiPot на кабель пода-
ётся повышенное напряжение, что приводит к захва-
ту электронов или перекрытию изоляции. Простран-
ственный заряд, развивающийся вокруг поврежде-
ния, может фактически экранировать (защитить)
участок с повреждением. Испытание постоянным
током фактически представляет собой инструмент
преднамеренного введения умышленного повреж-
дения в кабельную систему, испытываемую по тех-
нологии CableWISE, и такой вид испытаний, к сожа-
лению, оказывает негативное влияние на кабельную
систему, даже если введения умышленного повреж-
дения не произошло. Вредное воздействие постоян-
ного тока связано с уже присутствующей степенью
деградации изоляции, что в случае с изоляцией из
сшитого полиэтилена может быть отнесено к умень-
шению ресурса кабельной системы. Испытания по-
стоянным током проводить не рекомендуется [2].
Испытательные установки сверхнизкой частоты
(VLF) рассматриваются как замена испытательным
установкам постоянного тока и также применяют по-
вышенное напряжение; при этом прогнозирование
не осуществляется, и поэтому такой тип испытаний
имеет другие цели, нежели испытания In situ при по-
мощи системы CableWISE. Что касается испытаний
постоянным током, то они не проводятся после он-
лайновых испытаний по той же причине. Более того,
испытания VLF считаются очень эффективными для
«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
62
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
кабелей, подлежащих удалению, с несколькими, но
очень обширными повреждениями и неэффективны
для кабелей с небольшими дефектами, которые мо-
гут быть обнаружены системой CableWISE. Таким
образом, испытания VLF с использованием перена-
пряжений, которые потенциально позволяют избе-
жать проблем, возникающих при действии постоян-
ного тока, могут и не выявить зарождающихся де-
фектов. В любом случае, поскольку испытания VLF
проводятся с применением перенапряжения, причи-
ны, чтобы не применять их после испытаний систе-
мой CableWISE, остаются те же, что и при действии
постоянным током.
В заключение можно сказать, что преднамерен-
ное использование испытательных перенапряже-
ний на кабельных системах, прошедших испытания
по технологии In situ при помощи CableWISE с целью
прогнозирования будущих характеристик, не реко-
мендуется.
ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ КАБЕЛЕЙ
С ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Технологии, используемые для продления сро-
ка службы кабелей с экструдированной изоляцией,
применяются с середины 80-х годов прошлого века.
Сначала между жилами кабелей для осушения сер-
дечника и устранения воды закачивали азот, но этот
метод оказался очень затратным и требовал вы-
соких эксплуатационных расходов для постоянной
подачи азота. Как показывают результаты иссле-
дований [1], затем с целью продления срока служ-
бы вместо азота в кабели начали вводить ацетофе-
нон — побочный продукт образования поперечных
межмолекулярных связей, который усилил задерж-
ку образования водного триинга в изоляции из сши-
того полиэтилена. Однако и в этом подходе имеет-
ся несколько недостатков. Ацетофенон при комнат-
ной температуре затвердевает, и для ввода его в ка-
бель последний требуется подогреть. Он с течением
времени диффундирует сквозь кабель, и, следова-
тельно, все усовершенствования свойств изоляции
пропадают. Это способствовало отказу от ацетофе-
нона как средства, продлевающего срок службы ка-
беля в условиях эксплуатации. В конце 80-х годов на
основе кремния была разработана новая жидкость,
которая с тех пор успешно применяется в процессе
эксплуатации. Этот «эликсир молодости» имеет вы-
сокую скорость обработки, обладает способностью
продлить срок службы кабелей в тяжёлых условиях
эксплуатации при повышенных температурах, а так-
же другими преимуществами [7]. Дополнительные
исследования, проведённые за последние несколько
лет, привели к разработке новой жидкости, специ-
ально предназначенной для продления срока служ-
бы крупных работающих в условиях перегрева ка-
бельных систем, таких, как питающие кабели.
Жидкость CableCURE вводится непосредствен-
но в пустотные участки электрических кабелей. Вна-
чале кабель отключается от напряжения, и к нему
присоединяются специальные фитинги, которые за-
тем соединяются с трансформатором. Потом жид-
кость через форсуночные отверстия фитингов зака-
чивается в кабель, находящийся под напряжением.
По пустотам жидкость диффундирует в полимерную
изоляцию кабеля, находя участки с ухудшенными ха-
рактеристиками, 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 ка-
белей. Во время контакта с водой жидкость олиго-
меризуется (происходит увеличение молекулярного
веса), заполняя полости с водным триингом более
вязким водоотталкивающим раствором, препятству-
ющим дальнейшему разрастанию водного триинга.
Поскольку эта жидкость вступает в реакцию с водой
в пустоте, она подвергается непрерывной олигоме-
ризации. Этот исходный мономер слабо полимеризу-
ется в участках с водным триингом. Таким образом,
в процессе задействован мономерный исходный ма-
териал, который вступает в реакцию с водой, сам по-
лимеризуется, заполняет пустоты и при выталкива-
нии воды замедляет процесс диффузии материала.
Молекулы полученного олигомера в несколько раз
больше молекул воды, поэтому они запираются и
замедляют дальнейший рост водного триинга. Весь
процесс способствует сушке кабеля, восстановле-
нию электрической прочности, вследствие чего уве-
личивается срок службы кабеля. Диффузия матери-
ала гораздо быстрее, чем скорость процесса старе-
ния и скорость диффузии воды.
Основным преимуществом процесса омоложения
кабелей с использованием CableCURE является то,
что он значительно увеличивает экономически по-
лезный срок эксплуатации подземных силовых рас-
пределительных кабелей, позволяя отсрочить затра-
ты на замену кабелей на десятки лет. Достигается
значительный рост надёжности кабельной системы,
что почти полностью устраняет возникновение от-
ключений вследствие пробоя изоляции.
Эта технология уже используется на более чем
70 миллионах футов подземных распределитель-
ных кабелей. Более 500 энергетических компаний
по всему миру используют технологию CableCURE
для увеличения надёжности кабельных систем. Бо-
лее 99% этих кабелей обеспечивают бесперебойную
работу систем энергоснабжения.
«КАБЕЛЬ-news», № 6, 2011, www.kabel-news.ru
63
Актуально
ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Менеджеры по управлению ресурсами энергети-
ческих компаний и промышленных предприятий мо-
гут использовать новые технологии для увеличения
надёжности своих распределительных систем. Со-
кращение издержек может быть реализовано путём
правильной инженерной оценки на основе использо-
вания системы In situ (CableWISE) и за счёт увеличе-
ния срока службы стареющих кабелей с экструдиро-
ванной изоляцией при помощи технологии введения
жидкости CableCURE. Обе эти технологии подтвер-
дили свою жизнеспособность на протяжении многих
лет успешной эксплуатации.
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. Доклад EPRI report EL 3154 — Оценка срока служ-
бы кабелей с полиэтиленовой изоляцией, Нагу
Сринивас, главный исследователь.
2. Н. Сринивас и Б. Бернштайн. Влияние испыта-
ний постоянным током на кабели с изоляцией
из сшитого полиэтилена. Материалы конферен-
ции JICABLE 95, Версаль, Франция, июнь 1995 г.,
с. 139—144; доклады EPRI TR-101245 V1 и V2.
«Влияние испытаний постоянным током на кабели
с изоляцией из сшитого полиэтилена», этап 1 —
январь 1993 г., этап 2 — октябрь 1995 г.
3. Н. Ахмед и Н. Сринивас. Измерение частичных
разрядов в распределительных кабелях с экстру-
дированной изоляцией. Документы конференции
IIED 1999 T&D, с. 46—51, Нью-Орлеан, 1999 г.
4. С. Боггс. Анализ испытаний частичных разрядов
в частотной области в контексте распределитель-
ных кабелей. IEEE Electrical Insulation Magazine, т.
19, № 4, 2003 г.
5. Н. Сринивас, T. Нишиока, K. Санфорд и Б. Берн-
штайн. Неразрушающая оценка кабельных си-
стем под напряжением. Работа представлена на
конференции 2005/2006 г., посвящённой переда-
че и распределению электроэнергии, Даллас, Те-
хас.
6. Н. Сринивас и Н. Ахмед. Оценка опасности ча-
стичного разряда в кабельных системах. Конфе-
ренция по передаче и распределению электро-
энергии, 2001 г., IEEE.
7. У. Стэйджи и У. Чаттертон. Восстановление кабе-
лей. Прошлое — настоящее — будущее. Матери-
алы конференции JICABLE 2007, Версаль, Фран-
ция, 2007 г., с. 858—861.
8. Внутренний доклад компании CableWISE.
Оригинал статьи: Стратегии профилактического технического обслуживания силовых кабельных систем.
Доклад Международной конференции и выставки по распределению электроэнергии — CIRED