В чем смысл неразрушающего контроля
Какие методы измерения могут решить проблему преждевременного выхода кабелей из строя
Метод СНЧ с частотой 0,01 – 0,1 Гц
Метод измерения тангенса дельта (тангенса угла диэлектрических потерь)
Метод измерения частичных разрядов в кабельной линии в офлайн-режиме с выведенным в ремонт оборудованием
Тепловизионный метод тестирования состояния кабельной изоляции
Высоковольтные кабели всегда испытывают.
Их проверяют на соответствие требованиям техусловий при входном контроле материалов, испытывают барабан с кабелем после транспортировки, диагностируют перед прокладкой в траншею или на эстакаде, и после прокладки, при наложении в технологической линии тоже испытывают.
Обычные маслонаполненные кабели проверяются на герметичность оболочки и целостности изоляции по результатам испытаний высоким напряжением на проход в соответствие с ГОСТ 2990. Наружная оболочка проверяется обычно одним из традиционных испытаний:
- переменного напряжения промышленной частоты амплитудой 6 кВ на 1 мм толщины оболочки;
- импульсного напряжения с частотой следования не менее 50 Гц и пиковым напряжением 6 кВ на 1 мм толщины оболочки;
- постоянного напряжения 9 кВ на 1 мм номинальной толщины оболочки.
Обычно напряжение прикладывается между испытательным электродом и медным экраном или броней. Оболочка должна выдержать испытание – на ней не должно быть пробоев.
Однако это все традиционные методы, а они подходят для маслонаполненных кабелей БПИ (бумажно-пропитанной изоляцией).
Кабели с экструдированной изоляцией, ставшие популярными «очень нежные», особенно при прокладке. Приложенное высокое постоянное напряжение может вызвать развитие дендрита (водных триингов), появление которых весьма вероятно даже в небольших задирах и даже царапинах, на которые имеются минимально допустимые нормы производства. Накапливание в изоляции емкостного зарядка приводит к последующему пробою кабеля.
Испытания повышенным постоянным напряжением уменьшают срок эксплуатации кабеля и увеличивают рост водных триингов – это доказанный факт.
Рис. Формирование пробоя «дендрита» (водного триинга)
Для того чтобы сохранить кабель в целости и сохранности, быть уверенным в его пригодности к длительной эксплуатации и приняли решение в развитии неразрушающих методов контроля кабельных линий.
В чем смысл неразрушающего контроля
Неразрушающий метод основан на регулярном контроле свойств изоляции, измерении характеристик, которые несут сведения о настоящем состоянии кабеля, не нанося ей вред.
С помощью неразрушающей диагностики можно прогнозировать остаточный срок службы старых кабелей. На основе полученных данных можно планировать профилактические испытания КЛ. методы помогают определиться со стратегией по замене кабелей с опасными дефектами или отработанным ресурсом.
Традиционная система плановых профилактических испытаний |
Современные методы неразрушающего контроля |
Недостатки |
Преимущества |
Не могут локализовать проблемные места без повреждения изоляции пробоем |
Неразрушающие методы контроля позволяют не только получить полную информацию о состоянии изоляции, без повреждений, но и рационально, технически и экономически обосновано спланировать время проведения ремонтов Кл или замену кабелей с выработанным ресурсом. |
Снижают эксплуатационный ресурс кабельной изоляции | |
Не могут спрогнозировать работоспособность КЛ |
Важность неразрушающего тестирования высоковольтных КЛ в том, чтобы обеспечить надежные производственные процессы и предотвратить простои и поломки оборудования.
Какие методы измерения могут решить проблему преждевременного выхода кабелей из строя
Мы предлагаем пять наиболее доступных методов решения проблемы:
- Метод СНЧ с частотой 0,01 – 0,1 Гц
- Метод измерения тангенса дельта
- Метод измерения ЧР в кабельной линии в режиме мониторинга
- Тепловизионный контроль.
- Исследование состояния изоляции методом диэлектрической абсорбции
Все 5 методов делятся на испытания и диагностику.
Испытания – это метод СНЧ и метод локации ЧР в кабеле
Диагностика – это измерение тангенса дельта и измерение ЧР.
Метод СНЧ с частотой 0,01 – 0,1 Гц
Метод СНЧ одновременно и щадящее, и вместе с тем эффективное испытание силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Существуют несколько форм испытательного напряжения СНЧ
Стандарты DIN-VDE 0276-620, 0276-1001 (Германия) рекомендуют испытание 3-кратным напряжением линия-экран в течение 60 минут. Форма испытательного напряжения прямоугольная с фронтами, аналогичными синусоидальному напряжению 50 Гц (косинусные прямоугольники. Частота – 0,1 Гц. Времени 60 минут достаточно для определения любых дефектов независимо от значимости.
Рис. Косинусно-прямоугольная форма напряжения
Американские стандарты IEEE400 и IEEE400.3, международный стандарт 60502-2 рекомендуют синусоидальную форму волны, потому что и под нагрузкой, и без нагрузки форма сигнала не меняется.
Напряжение 2-х или 3-х кратное, линия-экран (2Vo-2Vo), время испытания: 30 – 60 мин.
Меньшее время объясняется большой эффективностью синусоидальной формы перед косинусно-прямоугольной. Скорость роста каналов пробоя в поврежденной изоляции примерно в 2 раза больше.
При синусоидальной форме волны выходная форма сигнала не зависит от нагрузки. За счёт одинаковой формы полупериодами заряд изоляции не происходит.
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Класс напряжения |
Макс. Линейное напряж. с учетом перенапряжений |
Величина фазного напряжения |
Испытание попеременным воздействием напряжения частоты 50 Гц и грозового импульса |
Измерение уровня ЧР |
Испытание величины тангенса угла |
Испытание на совместное воздействие изгиба температуры и повышенного напряжения |
Испытание грозовым импульсом |
Испытание повышенным напряжением после прокладки |
U |
Um |
U0 |
2.5U0 |
1.5U0 |
U0 |
2U0 |
|
|
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
кВ |
45 – 47 |
52 |
26 |
65 |
39 |
26 |
52 |
250 |
52 |
60 - 69 |
72,5 |
36 |
90 |
54 |
36 |
72 |
325 |
72 |
110 – 115 |
123 |
64 |
160 |
96 |
64 |
128 |
550 |
128 |
132 – 138 |
145 |
76 |
190 |
114 |
76 |
152 |
650 |
132 |
150 – 161 |
170 |
87 |
218 |
131 |
87 |
174 |
750 |
150 |
Испытательное переменное напряжение синусоидальной формы промышленной частоты (IEC 60840 Standart)
Испытания кабелей СПЭ напряжением 6 – 35 кВ проводят трехкратным повышенным фазным напряжением сверхнизкой частоты – 3хUо, частотой 0,1 Гц. Например, для испытания кабеля напряжением 10 кВ, прикладывают испытательное напряжение, которое вычисляется по формуле Uном/1,73х3=17,3 кВ.
Таким образом, испытания при частоте 0,1 Гц, по величине не превышает номинальное напряжение кабеля более чем в 3 раза.
Испытания при сверхнизких частотах со сменой полярности выявляют дефекты без формирования объемных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции, которые обычно приводят к понижению ресурса кабеля после испытания постоянным напряжением.
Кабельное линейное напряжение номинальное |
Кратность |
3хU0 (кВ) |
35 кВ |
1,73 |
60,62 кВ |
10 кВ |
1,73 |
17,32 кВ |
6 кВ |
1,73 |
10,39 кВ |
Таблица - вычисление испытательного трехкратного фазного напряжения СНЧ – 3хUo (кВ
Наименование |
U (кВ) |
Амплитудное значение |
U (кВ) эффективное |
HVA-90 |
90 |
1.41 |
63.64 |
HVA-90 |
60 |
1.41 |
42.43 |
HVA-90 |
30 |
1.41 |
21.21 |
Таблица. Пересчет амплитудного и действующего значения
При воздействии повышенного напряжения, обуславливающего пробой кабеля с изоляцией СПЭ существует большая вероятность роста водных триингов.
Кратность испытательного напряжения UtU0 |
Скорость роста водных триингов (мм/ч) | ||
Испытания напряжением промышленной частоты |
Испытание переменным напряжением синусоидальной формы частотой 0,1 Гц |
Испытание переменным напряжением косинусно-прямоугольной формы частотой 0,1Гц | |
2 |
1,7 – 2,4 |
2,3 |
1,4 |
3 |
2,2 – 5,9 |
10,9 – 12,6 |
3,4 – 7,8 |
4 |
175 – 611 |
58,3 – 64,2 |
22,2 – 30,3 |
5 |
|
336 |
125 |
Скорость роста водных триингов для различных типов испытаний выписка из стандарта IEEE400
Недостатки испытательного напряжения косинусно-прямоугольной формы сверхнизкой частоты:
- Меньшая эффективность определения дефектов по сравнению с синусоидальной формой.
- Большее время проведения испытаний.
- Действие переключающего механизма между формами сигнала вызывает блуждающие волны и переходные процессы в кабеле.
- Зависимость формы напряжения от протяженности кабельной линии.
- Невозможность применения для определения тангенса tgδ и частичных разрядов.
Достоинство формы сигнала – небольшой расход энергии во время испытаний.
Преимущества синусоидальной формы сигнала испытательного напряжения, частотой 0,1 Гц при испытании силового кабеля:
- Быстрое формирование канала пробоя неисправного места при заданном нормами испытательном напряжении U/U = 2…3.
- Отсутствие образования объемных зарядов в изоляции.
- Независимость формы напряжения от протяженности кабеля.
- Отсутствие блуждающих волн.
- Применимо для кабелей с любой изоляцией.
- Использование для измерения тангенса tgδ и поиска частичных разрядов.
Недостаток метода с использованием синусоидальной формы сигнала
- Большее потребление электроэнергии по сравнению с установками косинусно-прямоугольной формой напряжения.
Класс кабеля |
Приемочные испытания |
Испытания после прокладки |
Профилактические испытания |
кВ (фаза – фаза) |
Амплитудное знач. испытательного напряжения Um (кВ) (фаза – экран) |
Амплитудное знач. испытательного напряжения Um (кВ) (фаза – экран) |
Амплитудное знач. Испытательного напряжения Um (кВ) (фаза – экран) |
5 |
14 |
12 |
10 |
6 |
16 |
13 |
11 |
8 |
18 |
16 |
14 |
10 |
21 |
18 |
16 |
15 |
28 |
25 |
22 |
20 |
36 |
31 |
27 |
25 |
44 |
38 |
33 |
35 |
62 |
55 |
47 |
69 |
117 |
104 |
91 |
110 |
176 |
154 |
138 |
115 |
184 |
160 |
144 |
138 |
204 |
187 |
162 |
Испытательное напряжение переменного тока синусоидальной формы частотой 0,1…..0,01 Гц
Для испытания СНЧ используется установка BAUR FRIDA и прибор VIOLA для испытаний и диагностики кабельных линий напряжением СНЧ.
Установки BAUR для испытания напряжением сверхнизкой частоты имеют несколько выходных частот. Иногда для экономии времени все три фазы одного кабеля соединяются параллельно для одновременного испытания, используя самую низкую частоту.
Для вычисления максимальной нагрузки используют характеристики погонной емкости в мкФ/км и максимальную протяженность кабеля. Чем ниже частота испытания, тем длиннее кабель, который можно испытать.
µF/км | ||||||||||||
S мм2 |
50 |
70 |
95 |
120 |
150 |
185 |
240 |
300 |
400 |
500 |
630 |
800 |
10 кВ |
0,23 |
0,26 |
0,29 |
0,31 |
0,34 |
0,37 |
0,41 |
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,61 |
0,68 |
20 кВ |
0,17 |
0,19 |
0,21 |
0,23 |
0,26 |
0,27 |
0,29 |
0,32 |
0,35 |
0,39 |
0,43 |
0,49 |
35 кВ |
0,14 |
0,16 |
0,18 |
0,19 |
0,20 |
0,22 |
0,24 |
0,26 |
0,29 |
0,32 |
0,35 |
0,40 |
110 кВ |
|
|
|
|
|
0,131 |
0,141 |
0,151 |
0,172 |
0,186 |
0,202 |
0,221 |
Рис. Ёмкость кабеля с изоляцией из СПЭ, где S- это сечение жилы.
Метод измерения тангенса дельта (тангенса угла диэлектрических потерь)
Измерение коэффициента мощности (tgδ) – это интегральный метод оценки изоляции кабеля. Он представляет собой отношение мнимой и вещественной части диэлектрической проницаемости. Любой длинный кабель по сути – конденсатор. Потери энергии в нем определяются потерями в диэлектрике и обкладках.
Для сведения.
При прохождении тока нагрузки через кабель (конденсатор) векторы напряжения и тока сдвигаются на угол δ диэлектрических потерь. Тангенс угла потерь - находят отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина обратная углу потерь называется добротностью изоляции.
Наши приборы позволяют проводить диагностику высоковольтных кабелей с любым типом изоляции:
- из сшитого полиэтилена (XLPE);
- бумажно-масляной (PILC);
- этилен-пропилен (EPR);
- поливинилхлоридной (PVC).
Благодаря измерению тангенса угла можно выявить дефекты в изоляции до того, произойдет проблема и ее придется устранять затратными по времени и деньгам способами.
Наши приборы легкие и практичные. Их можно подключить напрямую к высоковольтной СНЧ. Тангенс угла измеряется с сохранением результатов в памяти устройств измерения вместе с параметрами тестируемой кабельной линии.
Метод измерения частичных разрядов в кабельной линии в офлайн-режиме с выведенным в ремонт оборудованием
Частичные разряды возникают как в кабелях с вязкой пропиткой, так и кабелях с пластмассовой изоляцией и в кабелях СПЭ.ЧР появляются в воздушных включениях, так называемых дендритах. Наличие дендритов допустимо на производстве кабеля СПЭ по существующей технологии изготовления кабелей.
Поэтому при проверке качеств изготовленного кабеля на производстве предъявляются жесткие требования к регистрации уровня частичных разрядов (ЧР), причем требования. Показатели ЧР не должны превышать уровня 10 пКл даже для кабелей высокого (до 110 кВ) и сверхвысокого (до 500 кВ) напряжений.
Наибольшая кратность напряжений составляет 4 для кабелей СН и 2 для кабелей ВН и СВН при испытании на ЧР, уровень которых не должен превышать 5 пКл. Кратность при контроле строительных длин электрическим напряжением для кабелей СН может доходить до 4,3, а для кабелей ВН и СВН – до 3 при времени испытаний, соответственно 5…15 и 15…60 мин.
Вид испытания |
Россия |
Европа |
США | |
ТУ 16 К71 – 335 -2004 |
МЭК/IEC 60502 |
CENELEC HD 62051:1996 |
ANSIICE A S-94-649-2004 | |
Сплошной контроль ЧР на строительных длинах |
2.5 U0 Q≤10пКл |
1,73 U0 Q<10пКл |
2.5 U0 Q≤10пКл |
4 U0 Q≤10пКл |
Сплошной контроль строительных длин электрическим напряжением |
4,3 U0 10 мин |
3,5 U0 5 мин |
3,5 U0 5 - 15 мин |
4 U0 5 мин |
Таб. Действующие требования к поточным электрическим испытаниям кабелей среднего напряжения (6-35 кВ)
Вид испытания |
Россия |
Европа |
США | |
ТУ 16 К71 – 705 -2006 |
МЭК/IEC 60840 |
МЭК/IEC 62067 |
ANSIICE A S-108-720-2004 | |
Сплошной контроль ЧР на строительных длинах |
1.5 U0 Q≤10пКл |
1,5 U0 Q<10пКл |
1,5 U0 Q≤10пКл |
4 U0 Q≤5пКл |
Сплошной контроль строительных длин электрическим напряжением |
2,5 U0 30 мин |
2,5 U0 30 мин |
(2,0 – 2,5) U0 30 - 60 мин |
(2,0 – 2,5) U0 15-60 мин |
Действующие требования к поточным электрическим испытаниям кабелей высокого и сверхвысокого напряжения
Тепловизионный метод тестирования состояния кабельной изоляции
Инфракрасный контроль кабельной изоляции и арматуры производят для оценки состояния перед максимальной нагрузкой, возможной перед или после зимнего периода, когда нагрев был невиден из-за больших морозов. Весенняя и осенняя проверка позволяют оценить состояние кабеля и спланировать возможные ремонты.
При проведении тепловизионного контроля учитывают следующие условия, которые могут дать ряд случайных погрешностей, к этим факторам относятся:
- коэффициент излучения материала изоляции;
- солнечную радиацию;
- скорость ветра;
- расстояние до измеряемого объекта;
- токовую нагрузку;
- тепловое отражение.
Погрешности бывают случайные и систематические, они могут влиять на результаты измерения.
На систематические погрешности влияют особенности конструкции прибора, поэтому в соответствии с требованиями измерений особое внимание оказывают выбору тепловизора. Основные показатели при выборе: разрешающая способность, поле зрения и прочие технические характеристики.
Рис. Тепловизионный контроль высоковольтной кабельной линии
Рис. Термографическое обследование кабельной линии
Термографическое обследование высоковольтных кабелей по их протяженности определяет участки с повышенным тангенсом, что особенно актуально для кабелей, проложенных с большим перепадом высот и значительным эксплуатационным периодом.
Для кабелей БПИ тепловизор позволяет определить способность циркуляции масла от маслоподпитки.
Для сухих разделок инфракрасная диагностика выявляет на начальной стадии появление разрушений.
В случае проверки кабельных линий могут быть выявлены кабели с повышенным нагревом и высокой токовой нагрузкой.