Кабельные линии

В связи с переходом энергокомпаний на ТОиР оборудования по его техническому состоянию, интерес к методам и параметрам диагностики растет день ото дня. Многие специалисты обратили внимание на статью [1] в «Новостях ЭлектроТехники», посвященную локализации проблемных мест и прогнозированию остаточного ресурса силовых кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

В новой публикации Леонид Григорьевич Сидельников развивает изложенные идеи и более подробно рассказывает об основах технологии оценки техсостояния силовых кабельных линий со СПЭ-изоляцией с помощью установок типа OWTS (Oscillating Wave Test System).

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КЛ СО СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ
Детализация процесса

Основной метод контроля технического состояния силовых кабельных линий (КЛ) с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) – метод частичных разрядов (ЧР). На основе статистического анализа результатов диагностики кабельных линий 6–35 кВ были получены нормируемые параметры и критерии оценки технического состояния линий по величине частичных разрядов Q и их интенсивности n [2].

Было установлено, что наиболее высокая скорость деградации изоляции под действием ЧР наблюдается до состояния, характеризуемого как область малого риска. Это явление объясняется большой плотностью энергии разрядов, несмотря на относительно малые значения Q и n. В дальнейшем с ростом значений Q и n (Q · n > 1150 пКл/сек.) скорость деградации изоляции падает в разы по причине снижения плотности энергии разрядов из-за роста размеров и проводимости проблемного места. На рис. 1 приведена иллюстрация этого процесса.

Вместе с тем, на участке характеристики от области малого до области предельного риска включительно, несмотря на значительный рост Q · n, отсутствует детальная информация о состоянии изоляции (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость остаточного ресурса КЛ от величины Q × n

Если максимальную нормированную величину Q · n считать тождественной 100%, то точки на оси Q · n, соответствующие нормируемым значениям этих параметров, с достаточной для практики точностью совпадают с разбиением отрезка по правилу золотого сечения:

где a = 0,618; b = 0,382; a + b = 1, или 100%. Поэтому всю ось Q · n можно разбить на отрезки, соответствующие золотому сечению. Детализированные таким образом нормативные параметры разрядов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Детализированные нормативы технического состояния КЛ со СПЭ-изоляцией

* 79,2 пКл/сек. – предельно допустимое значение Q · n при вводе КЛ в эксплуатацию, ресурс линии при этом снижен на 10,7%.
** При значении Q · n ≥ 7350 пКл/сек. время пробоя изоляции непредсказуемо.

Следует отметить, что при статистическом анализе результатов диагностики КЛ со СПЭ-изоляцией не ставилась задача получить нормативы, соответствующие правилу золотого сечения. Однако в результате такое распределение появилось, что и позволяет считать полученные нормативы гармоничными и достоверными.

Используя методику нейронных сетей, можно рассчитать относительные значения остаточного ресурса или снижение ресурса линий в зависимости от значений Q и n. В относительных единицах остаточный ресурс линии:

t_ост. = 1,1e^–NET .

С учетом нормативных значений параметров разрядов:

NET = 9,5238 ? 10^–5Q + 1,4285714n .

Используя предельные значения нормируемых параметров разрядов (табл. 1), можно рассчитать значения NET. При параметрах разрядов Q = 1200 пКл и n = 0,66 шт./сек., величина Q ? n = 79,2 пКл/сек., а NET = 0,2085713124. Тогда t_ост. = 0,893, а снижение ресурса t_сн.рес. = 0,107 или 10,7% (табл. 1).

Если заряд Q = 5000 пКл, а интенсивность n = 0,23 шт./сек., тогда NET = 0,804761422 и t_ост. = 49,2%, снижение ресурса t_сн.рес = 50,8%. И наконец, при величине заряда 10500 пКл и интенсивности, равной 0,7 шт./сек., получим t_сн.рес = 85,1 (табл. 1).

С точки зрения ресурса эксплуатации, дополнительные диапазоны изменения параметров ЧР (пп. 3, 4, 5 в табл. 1) могут быть оценены, если принять их изменение подчиняющимся линейному закону между фиксированными значениями интенсивности разрядов (рис. 2).

Рис. 2. Изменение Q × n в функции интенсивности разрядов

Порядок расчета интенсивности частичных разрядов в указанных точках приведен в табл. 2. По полученным результатам можно определить снижение ресурса кабельных линий со СПЭ-изоляцией в этих точках (табл. 1). Ресурс рассчитывался по максимальным значениям параметров разрядов в каждом диапазоне нормативов.

Таблица 2. Расчет интенсивности частичных разрядов

ОЦЕНКА ПО ПОРОГОВОМУ НАПРЯЖЕНИЮ РАЗРЯДОВ

Техническое состояние линий дополнительно можно оценить по напряжению возникновения или пороговому напряжению разрядов. Это напряжение, при котором фиксируется появление ЧР в изоляции независимо от их величины и интенсивности (табл. 3).

Таблица 3. Оценка технического состояния КЛ со СПЭ-изоляцией по напряжению возникновения ЧР

Номинальное напряжение КЛ, кВ	Напряжение возникновения ЧР (амплитудное значение) Um, кВ / физическое время, о.е.	Начальное значение параметра	Характеристика технического состояния
			Предельное значение нормы, диагностика через 5 лет	Область малого риска, диагностика в течение года	Область риска, ремонт в течение года	Область предельного риска, ремонт
10	Um	14,142	14	8–14	5–8	<5
	физическое время	0,0	0,01	0,428	0,643	>0,643
20	Um	28,284	28	16–28	10–16	<10
	физическое время	0,0	0,01	0,428	0,643	>0,643
35	Um	49,497	49	28–49	20–28	<20
	физическое время	0,0	0,01	0,428	0,592	>0,592

Однако построить зависимости порогового напряжения от параметров разрядов затруднительно из-за множества причин, влияющих на этот процесс. Среди этих причин неизвестная геометрия проблемных мест, физические свойства включений, условия на границах раздела сред. Зависимости порогового напряжения можно построить в функции физического времени.

Физическое время изменяется вместе с ходом процесса, поэтому его значения в относительных единицах определяются как отношение амплитуды номинального напряжения к текущему значению порогового напряжения. На рис. 3 изображена зависимость изменения порогового напряжения от физического времени для линий 10–35 кВ.

Рис. 3. Изменение порогового напряжения ЧР в линиях 10, 20, 35 кВ

Начало отсчета физического времени является вполне конкретным и совпадает с моментом ввода линии в эксплуатацию. Поскольку выбор начала отсчета хронометрического времени является произвольным, то начало его отсчета можно выбрать совпадающим с физическим временем.

Сети среднего напряжения в России – это в основном сети с изолированной нейтралью. При этом диагностические испытания таких линий производятся до амплитуды линейного напряжения. Если пороговое напряжение разрядов больше амплитуды фазного напряжения, то это является основанием для заключения об удовлетворительном техническом состоянии линии. Приведенные результаты исследований справедливы для линий со СПЭ-изоляцией 6–35 кВ. Результаты испытаний были получены с помощью регистратора по технологии OWTS. Предложенные значения оценки параметров ЧР могут быть использованы для линий 110–500 кВ.

Так как напряженность электрического поля в линиях высокого напряжения в среднем на порядок больше, чем в линиях среднего напряжения, то нормативные значения параметров в табл. 1 нужно уменьшить на порядок. При этом необходимо контролировать величину и интенсивность ЧР, не допуская их опасных значений.

НЕОБХОДИМ ГОСТ ПО ДИАГНОСТИКЕ

Существует достаточно много способов регистрации ЧР в изоляции кабельных линий со СПЭ-изоляцией. Среди этих способов наиболее известны регистраторы СНЧ (0,1 Гц) и регистраторы, работающие по технологии OWTS. Регистраторы СНЧ применяются только для линий среднего напряжения. Регистраторы по технологии OWTS выпускаются в России и за рубежом для линий как среднего, так и высокого напряжения.

В сетевых компаниях России существует мнение, что технология OWTS не может использоваться для линий высокого напряжения, поскольку это может вывести КЛ из строя или существенно снизить ресурс их эксплуатации. Примеры такие в практике есть, но нет информации о ходе и анализе таких испытаний. И линии практически без оценки технического состояния вводятся в эксплуатацию по рекомендациям заводов-производителей кабельной продукции, часто с отрицательными последствиями. В то же время за рубежом испытания линий высокого напряжения по технологии OWTS широко распространены и проходят вполне успешно.

Следует отметить, что альтернативы диагностике по технологии OWTS линий высокого напряжения в настоящее время не существует. Наиболее вероятная причина отрицательного опыта ее применения в России на линиях высокого напряжения – нарушение технологии испытаний.

Для отработки технологии диагностических испытаний необходимо широкое обсуждение и анализ результатов. Кто сможет организовать и проконтролировать эту работу? На федеральном уровне такой организации в настоящее время нет. Ростехнадзор и Госстандарт занимают консервативные позиции, то есть не занимаются анализом эффективности существующих методик и рекомендаций заводов-изготовителей, а лишь отслеживают их выполнение.

В то же время организовать эту работу крайне необходимо. Отсутствие эффективных методик диагностики СПЭ, имеющих силу федерального закона (то есть обязательных для исполнения всеми, независимо от формы собственности), отрицательно влияет на качество КЛ, вводимых в работу, на контроль их технического состояния и ресурс эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сидельников Л.Г. Силовые кабельные линии со СПЭ-изоляцией. Локализация проблемных мест и прогнозирование остаточного ресурса // Новости ЭлектроТехники. 2017. № 2(104)–3(105). С. 66–68.
2. Сидельников Л.Г., Санников А.Г. Методические основы и нормативы технического диагностирования изоляции силовых кабелей методом частичных разрядов // Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. 492 с.

КОММЕНТАРИЙ

Критерии для КЛ 110–500 кВ нужно проверить

Александр Лубков,
Игорь Привалов, к.т.н.,
ОАО «НИИПТ»,
г. Санкт-Петербург

В статье Л.Г. Сидельникова даны критерии оценки состояния кабелей со СПЭ-изоляцией по результатам измерения ЧР. На основе статистического анализа результатов диагностики КЛ среднего напряжения детализированы нормативы состояния кабелей с оценкой остаточного ресурса изоляции. Надо понимать, что полученные численные данные относятся только к системам типа OWTS. Применять данный подход к другим системам можно, но численные значения критериев оценки будут совершенно другими.

Полученные значения параметров ЧР для оценки техсостояния кабелей среднего напряжения автор предлагает распространить и на КЛ 110–500 кВ. На наш взгляд, нельзя просто уменьшить на порядок нормативные значения параметров ЧРиз-за того, что напряженность электрического поля в КЛ 110–500 кВ примерно на порядок больше, чем в КЛ 6–35 кВ. Без достаточного числа натурных измерений на действующих КЛ 110–500 кВ и обобщения полученных результатов невозможно установить обоснованные критерии оценки состояния изоляции кабелей.

ОАО «НИИПТ» поддерживает автора в том, что необходимо более широко внедрять эффективные методы диагностики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, в том числе на напряжение 110 кВ и выше. Но какие методы при этом должны применяться – дискуссионный вопрос. Наряду с методом измерения частичных разрядов по технологии OWTS следует развивать и другие методы диагностики.