Экспериментальная оценка влияния режима работы и условий эксплуатации на состояние изоляции силовых кабелей городских электрических сетей по характеристикам частичных разрядов

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.311

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ*

A.B. Коржов г. Челябинск, ЮУрГУ

EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE OPERATING REGIME AND OPERATION CONDITIONS INFLUENCE ON THE URBAN POWER GRID CABLE INSULATION IN POINT OF PARTIAL DISCHARGES

A.V. Korzhov Chelyabinsk, South Ural State University

Приведены результаты экспериментальных исследований по изменению интенсивности частичных разрядов в изоляции действующих кабельных линий 6 кВ городских электрических сетей в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации.

Ключевые слова: силовой кабель, городские электрические сети, условия эксплуатации, частичные разряды.

The results of experimental researches about variation of partial discharges intensity in cable insulation according to operation conditions are represented in the article. The researches were held for urban power grid cables (the voltage is 6 kV) in operation.

Keywords: power cable, urban grid, operation conditions, partial discharges.

Диагностика силовых кабельных линий (КЛ) на сегодняшний день может осуществляться двумя способами: разрушающим и неразрушающим. По результатам ряда исследований отмечается, что при испытаниях повышенным выпрямленным напряжением дополнительно к выявленным проблемным местам происходит общее и локальное ослабление изоляции кабелей. Опыт эксплуатации КЛ 6 кВ в коммунальных городских сетях г. Нефтекамска и замеры интенсивности ЧР в изоляции КЛ подтверждает данный факт. По опыту эксплуатации известно, что в ряде случаев при проведении профилактических испытаний выявляются не ослабленные места, а только грубые дефекты, при этом пробой в слабых местах происходит через небольшой промежуток времени после испытаний.

Большое количество кабелей (муфт), находящихся на сегодняшний день в работе, выработавших нормативный срок эксплуатации, гарантиро-

ванный заводом изготовителем, вызывает необходимость отказываться в условиях эксплуатации на данных линиях от разрушающей диагностики в виде испытаний повышенным выпрямленным напряжением и объясняет необходимость перехода на неразрушающие виды диагностики, например, по интенсивности частичных разрядов. Однако, необходимо накапливать статистические массивы данных по характеристикам ЧР на кабелях находящихся длительное время в эксплуатации, устанавливая взаимосвязи с условиями эксплуатации кабелей, чтобы корректно оценивать диагностические данные. В идеале указанные зависимости необходимо иметь в паспорте на каждую КЛ.

Влияние режима работы кабеля (отключён; в горячем резерве под напряжением, но без нагрузки; под нагрузкой) и условий эксплуатации (температура, влажность, условия прокладки) на процессы, происходящие в изоляции проводится нами по характеристикам и интенсивности частичных

* Исследования проведены при государственной поддержке Совета по грантам Президента РФ для молодых российских учёных - кандидатов наук (шифр заявки: МК-1402.2009.8).

ции, является движение влаги вблизи кабеля. Исходя из этого обстоятельства, можно выдвинуть предположение, что параметры изоляции изменяются в течение годового цикла, корреляционно повторяют изменения увлажнения и температурного режима грунтовых массивов, что необходимо учитывать при оценке характеристик частичных разрядов. В табл. 1, 2 и на рис. 2, 3 приведены отдельные результаты исследований.

На рис. 2 сплошной линией представлен тренд зависимости интенсивности ЧР от влажности воздуха. Данный тренд можно описать зависимостью, с достоверностью аппроксимации экспериментальных данных Я2 = 0,95 :

ту л ^0,08Ж /і \

Рчр = 0,032-е ,

где Рчр - интенсивность импульсов ЧР, мВт;

¡V - влажность воздуха в %.

Для установления динамики изменения параметров изоляции в течение годового цикла нами проводятся регулярные плановые замеры сопротивлений изоляции и величин токов утечки при испытаниях постоянным напряжением 6, 10, 12, 15 кВ с мая 2006 года по настоящее время на действующих силовых кабелях. Типы обследуемых кабелей: ААБл 3x120 мм2, 640 м; ААШвУ

3x185 мм2, 2770 м; ААШв 3x120 мм2, 330 м; ААШв 3x120 мм2, 2130 м; ААШв 3x185 мм2, 775 м.

Текущий анализ результатов замеров позволяет констатировать, что в процессе эксплуатации

Таблица 1

Результаты замеров на кабельной линии марки ААШВу сечением жил 3x120 мм2, длиной 2130 м, 1984 г.

Дата Нагрузка КЛ, А Влажность, %; температура, °С Максимальная амплитуда импульсов ЧР, мВ Интенсивность ЧР, мВт Суммарное кол-во импульсов за 250 периодов Сопротивление изоляции, МОм; ток утечки, мкА

20.08.2010 58 49,8; 21,7 8 1,2 4742 350; 50

17.03.2010 2 57,5; -3,2 4 3,9 24578 600; 50

19.04.2010 2 84,2; 8,4 8 21 92382 260; 60

Таблица 2

Результаты замеров на кабельной линии марки ААШВу сечением жил 3x185 мм2, длиной 2770 м, 1993 г.

Дата Нагрузка КЛ, А Влажность, %; температура, °С Максимальная амплитуда импульсов ЧР, мВ Интенсивность ЧР, мВт Суммарное кол-во импульсов за 250 периодов Сопротивление изоляции, МОм; ток утечки, мкА

20.07.2010 50 43,3; 20,75 80 0,5 405 300; 60

14.09.2010 54 50,7; 13,2 205 1,3 1106 290; 60

15.07.2010 45 53,6; 23,8 86 1,5 4500 350; 50

17.03.2010 66 57,5; -3,2 103 0,8 2400 600; 50

16.03.2010 65 60; -2,4 114 16 68408 780; 40

19.04.2010 63 84,2; 8,4 50 14 68273 270; 60

разрядов (ЧР), с применением диагностирующего устройства 11-400 (Вибро-Центр, г. Пермь) рис. 1. Так же используется испытательная высоковольтная лаборатория типа АИП-70, мегаомметр типа Ф 4102-2-1 М. В качестве объекта выбраны КЛ городских электрических сетей г. Нефтекамска.

*

Рис. 1. Схема экспериментальных исследований по определению интенсивности ЧР в изоляции КЛ

На наш взгляд, одним из значимых факторов, негативно воздействующих на состояние изоля-

Электроэнергетика

происходят циклические изменения сопротивлений изоляции и токов утечки, что коррелирует с данными замеров интенсивности ЧР (рис. 4, 5). Установлено, что ток утечки от каждой фазы кабеля через изоляцию меняется пропорционально из-

менению уровня прикладываемого постоянного выпрямленного напряжения, поэтому нет необходимости для контроля тока утечки прикладывать напряжение, превышающее рабочее.

Токи утечки от каждой фазы не равны меж-

н

м

—

V

л

с-

¡Г

о

И

Влажность воздуха, %

Рис. 2. Интенсивность импульсов ЧР в кабеле марки ААШВу сечением жил 3x120 мм2, длиной 2130 м, 1984 г. в зависимости от влажности воздуха

Влажность воздуха, %

Рис. 3. Зависимость от влажности количества импульсов ЧР на кабельной линии марки ААШВу сечением жил 3x185 мм2, длиной 2770 м, 1993 г.

-6кВ

-6кВ

-6кВ

40 40 40 О О О ^ О О О о N N Г1 О

О о

Дата,температура, влажность

Рис. 4. Результаты замеров на силовом кабеле типа ААШв, сечение 3x120 мм2, длина 330 м, в эксплуатации с1991 г.

10000

-Ка

-Ш>

-11с

"Т • ос ~ ос ^ 'З" •'З- о ^ Сч чо

о о4' 5 л

о о ^ 2 о о <4 °

гО -

о о о “Ч

Дата,температура, влажность

Рис. 5. Результаты замеров на силовом кабеле типа ААШв, сечение 3x120 мм2, длина 330 м, в эксплуатации с 1991 г.

ду собой, что говорит о неравномерном старении жильной и поясной изоляции, что необходимо учитывать при проведении теплового расчёта КЛ. Причём, если существуют периоды ухудшения состояния изоляции, сменяющиеся восстановлением первоначальных характеристик, данный факт свидетельствует о хорошем состоянии изоляции. Постоянное увеличение тока утечки и интенсивности ЧР свидетельствует о предпробойном состоянии. Так замер от 27.06.2007 г. показал рост тока утечки, при испытании выпрямленным напряжением 6 кВ, в фазе А кабеля типа ААШв, сечение 3x120 мм2 (рис. 4). При дальнейшей эксплуатации кабеля была установлена причина: пробой в соединительной муфте в фазе А кабеля.

В табл. 3 представлены результаты замеров для одного и того же кабеля при различных условиях окружающей среды.

В ходе исследований установлено, что колебания температуры и влажности воздуха (почвы) сказываются на изменениях тока утечки и интенсивности ЧР. Если данные приращения незначительны, то это связано с временными изменениями структуры диэлектрика, например, увлажнением изоляции во влажной почве. При значительном увеличении тока утечки, сохраняющемся при разных климатических условиях, можно говорить о безвозвратном ухудшении состояния изоляции КЛ (табл. 4).

Установлено, что такие дефекты, как прокол изоляции между бронёй и жилой, не обнаруживаются мегаомметром, хотя на практике из-за боязни испортить кабель повышенным напряжением часто производят контроль изоляции только мегаомметром. Проведённые эксперименты показали, что данный вид повреждения выявляется по возрастанию тока утечки и интенсивности ЧР.

Таблица 3

Испытания кабеля при разных напряжениях

Кабель 6 кВ, марка ААШБ, сечение 3x120 мм2, длина 2130 м

Наружная температура воздуха: +2 СС

Сопротивление изоляции, измеренное мегаомметром

Яа, МОм 160 ЯаЬ, МОм 400

ЯЬ, МОм 170 ЯЬс, МОм 400

Яс, МОм 180 Леа, МОм 600

Выпрямленное напряжение, кВ 6 10 12 15

1а, мкА 100 200 180 220

1Ь, мкА 100 100 140 180

1с, мкА 40 140 140 120

Наружная температура воздуха: +8 °С, повышенная влажность почвы

Сопротивление изоляции, измеренное мегаомметром

Яа, МОм 250 ЯаЬ, МОм 600

ЯЬ, МОм 290 КЬс, МОм 650

Яс, МОм 210 Яса, МОм 600

Выпрямленное напряжение, кВ 6 10 12 15

1а. мкА 200 220 260 300

1Ъ, мкА 200 180 280 320

1с, мкА 180 200 220 250

Таблица 4

Результаты испытания в реальной кабельной сети

Кабель 6 кВ, марка ААБЛ, сечение 3x120 мм2, длина 640 м

Наружная температура воздуха, °С +2 +1 +2 +8

Сопротивление изоляции, измеренное мегаомметром

Яа, МОм 40 200 350 180

ЯЬ, МОм 60 280 350 160

Яс, МОм 60 280 400 190

ЯаЪ, МОм 65 600 800 230

ЯЬс, МОм 120 700 800 240

Яса, МОм 100 670 1000 300

Ток утечки при испытаниях 6 кВ выпрямленным напряжением

1а, мкА 220 40 20 80

1Ь, мкА 200 45 28 80

1с, мкА 180 40 30 160

Причина Коронирование концевой эпоксидной заделки Кабель после восстановления концевой разделки Сухая погода Повышенная влажность почвы

Электроэнергетика

Обычно, полагая, что силовой кабель под нагрузкой представляет собой практически линейную систему, действия электрического и магнитного полей рассматривают отдельно, используя принцип наложения. Учитывают воздействие электрического поля на свободные заряды в диэлектрике, приводящее к возникновению токов утечки, и поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе, влияющие на появление токов смещения. Анализируют явления, обусловленные магнитным полем: увеличение электрического сопротивления токопроводящих жил кабеля за счёт поверхностного эффекта; появление электродинамических усилий; магнитные потери в металлических оболочках кабеля.

Однако, на наш взгляд, процессы, происходящие в изоляции силового кабеля, необходимо рассматривать как результат воздействия единого электромагнитного поля, не разделяя его на электрическую и магнитную составляющие [1]. Данные процессы влияют на степень старения изоляции в условиях эксплуатации силовых кабелей [2].

Отдельные результаты исследований по изменению характеристик ЧР в изоляции КЛ в зависимости от режима работы приведены в табл. 5 и на рис. 6, 7.

Проведённые исследования показывают:

1. Сопротивление изоляции в течение эксплуатации силового кабеля изменяется в широких пределах. Для рассмотренных кабелей сопротивления изменяются циклически в течение годового цикла на один порядок.

2. Анализ графических зависимостей, характерных и для других обследованных кабельных линий, свидетельствует о существенном влиянии температуры и влажности на процесс сорбции влаги внешней изоляцией кабеля. Так, повышение интенсивности ЧР наблюдалось в период с апреля по июнь и с сентября по ноябрь, что соответствует периодам повышенной влажности; последнее необходимо учитывать при выборе режима работы кабеля и оценке данных неразрушающей диагностики.

3. Наблюдается снижение сопротивления изоляции одной из фаз по сравнению с другими и

наоборот, что свидетельствует о неравномерном старении жил в различные моменты времени, хотя при проведении теплового расчёта кабельной линии, на наш взгляд, некорректно полагают условия окружающей среды одинаковыми и неизменными для трёх жил.

4. Анализ полученных результатов исследования изменения интенсивности ЧР в изоляции КЛ показывает, что режим работы кабеля, качество напряжения в питающей сети влияют на составляющие спектрального состава тока утечки и их величины, характеристики и интенсивности частичных разрядов, а значит и на физические процессы, происходящие в изоляции силовых кабелей. Данный факт доказывает выдвинутую нами гипотезу о необходимости совместного учёта электрической и магнитной составляющей собственного электромагнитного поля кабеля на физикохимические процессы, происходящие в изоляции кабеля.

5. Предприятия, обслуживающие КЛ 6(10) кВ, в большинстве случаев оснащены испытательными высоковольтными лабораториями, например, типа АИП-70. Данные лаборатории имеют возможность измерять ток утечки на отключенном кабеле при различных уровнях испытуемого постоянного напряжения. По нашему мнению, постоянное измерение тока утечки через изоляцию и сопротивления изоляции является одним из наиболее доступных методов диагностики на практике, хотя персонал, эксплуатирующий КЛ, не пользуется данной возможностью, не ведёт статистики измерений по каждому отдельному кабелю. Необходимо классифицировать измерения данных параметров как возможный неразрушающий способ диагностики и продолжить разработку методов контроля указанных величин. Техническим руководителям предприятий, эксплуатирующих силовые кабели, важно понимать, что при желании отказаться от испытаний повышенным выпрямленным напряжением, ввиду их неэффективности, нельзя отказываться от диагностики. В данном случае должны вводиться неразрушающие способы диагностики (например контроль интенсивности ЧР), аппаратура для которых требует определённых материальных затрат.

Таблица 5

Характеристики ЧР в изоляции КЛ марки ААШв 3x185 мм2, 775 м в различных режимах работы

Характеристики ЧР в положительный I г ,. ( , и отрицательный полупериод | 1 J 1 J [+] Н

КЛ под напряжением, без нагрузки

Амплитуда ((302), мВ 74 69 53

Интенсивность (РВ1), мВт 0,7 0,2 0,5

Кол-во импульсов 2405 395 2010

КЛ под нагрузкой 50 А

Амплитуда (<302), мВ 108 87 94

Интенсивность (РБІ), мВт 2,5 1,1 1,3

Кол-во импульсов 5144 1663 3481

шл * / V у/

* t/'\ / \ /\

""У'щ 'к\ .. 'Р1>1=0.7 мВт

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Фаза, град

Рис. 6. Диаграмма распределения ЧР по фазе и амплитуде

150 180 210

Фаза, град

360

Рис. 7. Диаграмма распределения ЧР по фазе и амплитуде

Литература

1. Коржов, A.B. Действие магнитного поля кабеля 6—10 кВ на собственную изоляцию / A.B. Коржов, А.И. Сидоров, Е.В. Томашева // Электричество. — М., 2009. —№ 1.

2. Математическая модель повреждаемости изоляции силовых кабельных линий городских электрических сетей / A.B. Коржов, А.И. Сидоров, Е.Ю. Юрченко, А. Б. Николаевский. - Электрические станции. — 2008. - № 8.

Поступила в редакцию 25.06.2010 г.

Коржов Антон Вениаминович. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические станции, сети и системы», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - электромагнитные процессы в кабельных сетях, оценка состояния изоляции силовых кабелей в условиях эксплуатации городских электрических сетей. Контактный телефон: 8 (351) 267-92-46.

Korzhov Anton Veniaminovich. Candidate of technical sciences, reader of the electrical engineering department of South Ural State University, Chelyabinsk. The field of scientific interests is electromagnetic processes in cable set, estimation of the remaining resource of insulation of power cables. Contact telephone: 8 (351) 267-92-46.