Общая характеристика кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Содержание 

1. Общая характеристика кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
2. Общие сведения о диагностике кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

     4.1. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

     4.2. Измерение частичных разрядов

     4.2.1. Понятие частичных разрядов

     4.2.2.  Причины возникновения частичных разрядов в изоляции

     4.2.3. Основные параметры единичного частичного разряда

     4.2.4. Амплитудно-фазовое представление распределения частичных разрядов

      4.2.5 Дефекты в изоляции их моделирование при помощи имитатора частичных разрядов PD Simulator 

       5. Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общая характеристика кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

          Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена используется для передачи и распределения электроэнергии, трехфазного тока от трансформаторных подстанций к коммунальным и транспортным объектам, промышленным предприятиям, а также в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 6, 10, 20 и 35 кВ номинальной частотой 50 Гц для сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Предназначен для передачи и распределения электрической энергии в трехфазных сетях на номинальное переменное напряжение 64/110 кВ частотой 50 Гц.

             Основными элементами являются: токопроводящая жила, изоляция по жиле и оболочка. Кроме этого дополнительно может использоваться экран по жиле, экран по изоляции, комбинированный экран, разделительный слой, межфазное заполнение. Изоляция кабеля из сшитого полиэтилена может быть выполнена из пероксидносшитого полиэтилена. В настоящее время в качестве материала токопроводящих жил используется медь и алюминий.

            Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обладают рядом преимуществ перед кабелями с бумажной пропитанной изоляцией:

• повышенная рабочая температура, что позволяет увеличить пропускную способность;
• повышенная стойкость при работе в условиях перегрузок и коротких замыканий;
• возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;
• не содержат масла, битума, свинца, что упрощает монтаж, эксплуатацию и устраняет экологически неблагоприятные факторы;
• более надежны в эксплуатации и требуют меньших расходов на реконструкцию и содержание кабельных линий;
• меньший вес и допустимый радиус изгиба;
• возможность изготовления кабелей большой строительной длины;
• Повышенная термическая и механическая стойкость сшитого полиэтилена обусловлена созданием новых молекулярных связей в процессе вулканизации ("сшивки") изоляции.

 

2. Общие сведения о диагностике кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

 
          В настоящее время в России отмечен всплеск интереса к системам, позволяющим проводить диагностику электрооборудования неразрушающими методами контроля.

Наиболее распространенными и  эффективными методами неразрушающего контроля высоковольтных кабельных  линий являются: 
• измерение тангенса угла диэлектрических потерь; 
• измерение частичных разрядов (ЧР) с локализацией их источника. 
 
Интерес к методикам обусловлен следующими причинами: 
• диагностика тангенса диэлектрических потерь и частичных разрядов — в первую очередь метод неразрушающего контроля; 
• наглядность полученных результатов; 
• возможность оценки остаточного ресурса и выявления наиболее слабых участков изоляции кабеля; 
• выявление частичных разрядов на ранних стадиях их формирования; 
• локализация точного местоположения скопления частичных разрядов; 
• универсальность систем — применимость для всех типов изоляции кабельных линий. 
 
Особенностью неразрушающих методов испытаний является то, что: 
• диагностика — превентивная мера, позволяющая предупредить возникновение аварийных ситуаций, не связанных с механическими повреждениями кабельных линий; 
• цель таких испытаний не добиться пробоя изоляции в слабом месте, а его прогнозирование; 
• приложение меньших напряжений снижает уровень старения изоляции кабельных линий; 
• видимый результат — информация о текущем состоянии изоляции и ее остаточном ресурсе. Возможность сохранения данных позволяет отслеживать динамику изменения состояния изоляции.

4.1. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

 
Одним из серьезных преимуществ  испытательного напряжения частотой 0,1 Гц с синусоидальной формой волны  является возможность применения диагностики методом измерения тангенса угла диэлектрических потерь. 
Диагностика с использованием измерения тангенса угла потерь предоставляет информацию относительно характеристик старения кабелей как с СПЭ, так и с бумажно-пропитанной изоляцией. Можно различать новые, слегка и сильно поврежденные кабели.

Измерение тангенса угла диэлектрических  потерь позволяет: 
• выявить наиболее проблемные кабели, требующие повышенного внимания; 
• разработать оптимальную стратегию модернизации кабельного хозяйства сетевых предприятий. 
 
Значение тангенса угла потерь измеряется при различных уровнях напряжения в диапазоне от 1xU_o до 2xU_o, а затем производится их анализ. Проведенные измерения дают возможность получить график с установленными критериями, позволяющий наглядно увидеть отношение измеренного тангенса диэлектрических потерь к величине напряжения, по которым можно определить состояние изоляции кабеля в целом.

 

2. Измерение частичных разрядов

4.2.1 Понятие частичного разряда

Частичный разряд (ЧР) – это искровой разряд очень маленькой мощности, который образуется внутри изоляции, или на ее поверхности, в оборудовании среднего и высокого классов напряжения. С течением времени, периодически повторяющиеся частичные разряды, разрушает изоляцию, приводя в конечном итоге к ее пробою. Обычно разрушение изоляции под действием частичных разрядов происходит в течение многих месяцев, и даже лет. Таким образом, регистрация частичных разрядов, оценка их мощности и повторяемости, а также локализация места их возникновения, позволяет своевременно выявить развивающиеся повреждения изоляции и принять необходимые меры для их устранения.

Импульс ЧР считается периодически повторяющимся, если частота его следования составит 0,2 импульса на один период питающей сети.

Чтобы  посчитать потери вызванные  ЧР, из источника испытательного напряжения в контролируемый объект впрыскивается "кажущийся" заряд.. формула для нахождения потерь энергии на частичные разряды. где:

P – мощность разрядов, W,

T – время наблюдения, сек,

m –число наблюденных импульсов за время T, и

Qi*Vi – энергия i-го импульса

 

 

 4.2.2 Причины возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования

Появление частичных разрядов –  начальная стадия развития большинства  дефектов в высоковольтной изоляции. Возникшие частичные разряды  со временем перерастают в искровые, и дуговые разряды, приводящие к  авариям.

Обычно частичные разряды возникают  в полостях и зонах изоляции, имеющих  дефекты – посторонние вкрапления, газовые пузырьки, зоны увлажнения.

На участке роста приложенного к зоне дефекта напряжения возникает  один или несколько частичных  разрядов, приводящих к перераспределению  потенциалов внутри объема изоляции.

Если дефект располагается ближе  к внешней поверхности изоляции, к более высокому потенциалу, то частичных разрядов будет больше на положительной полуволне питающего  напряжения, и меньше на отрицательной.

Если дефект располагается ближе  к «земляному» потенциалу, то наоборот, разрядов будет больше на отрицательной полуволне питающего напряжения.

 

4.2.3. Основные параметры единичного частичного разряда

 Для измерения ЧР Американский стандарт по ЧР предлагает использовать диагностический параметр, который чаще всего называют PDI - "Partial Discharge Intensity". В этой величине вместо мгновенного напряжения в момент прохождения импульса ЧР, берется его действующее значение, т.е. одинаковое напряжение для всех импульсов, а не персональное для каждого. Проводя сравнительные расчеты можно убедиться, что итоговое различие параметров, рассчитанных в первом и во втором случаях, лежит в пределах 20 %. Этого вполне достаточно, что бы корректно оценить уровень и строить тренд. Параметр PDI является одним из основных, используемых для оценки интенсивности ЧР в контролируемом объекте.

Очень важными являются еще два  параметра единичного частичного разряда, которыми оперируют практически  все разработчики диагностического оборудования, и практические пользователи этого оборудования. Это частота и длительность импульса частичного разряда.

Во-первых, частота импульса частичного разряда. На рисунке хорошо видно, что первый фронт импульса зарегистрированного импульса достаточно крутой, но уже после первого максимума сигнал «спадает» по более пологой кривой, которая постоянно меняет свою форму. В самом же конце импульса мы имеем затухающие колебания с более высокой частотой.

Но непосредственно к частоте импульса частичного разряда в зоне дефекта имеет отношение только его передний фронт, который в наибольшей мере соответствует частотным свойствам разряда. Все остальное в сигнале относится к электромагнитным свойствам среды вокруг зоны дефекта, и чем больше времени прошло с момента возникновения импульса, тем больший объем вокруг дефекта вовлечен в процесс колебаний, тем больше частот может быть «замешено» в сигнале.

Во-вторых, общая «длительность импульса частичного разряда». Для расчета этого параметра необходимо только принять решение о моменте времени, который следует считать окончанием импульса частичного разряда.

Импульс частичного разряда можно считать оконченным, завершившимся, в тот момент времени, когда его амплитуда станет меньше значения в 10% от максимальной амплитуды данного сигнала. При меньших значениях этого параметра окончание процесса труднее определить, в большей степени сказывается шум.

Таким образом, можно сказать, что  каждый импульс частичного разряда  характеризуется тремя параметрами. Это:

- «Q» - величина кажущегося заряда, количественно пропорциональная  максимальной амплитуде импульса.

- «F» - частота импульса частичного  разряда, количественно обратно  пропорциональная длительности  первого фронта импульса, умноженной  на четыре.

- «T» - длительность импульса  частичного разряда, определенная  по уровню 10% от максимального  значения импульса.

4.2.4. Амплитудно-фазовое представление распределения импульсов частичных разрядов.

Амплитудно–фазовое представление распределения импульсов частичных разрядов является наиболее информативным. На графике показывается распределение импульсов по амплитуде, фазовому углу напряжения питающей сети и количеству импульсов. Такое распределение полностью описывается матрицей, в которой есть строки, различающиеся по амплитуде, столбцы, соответствующие определенным фазовым зонам питающего напряжения (от 0 до360 «электрических» градусов). В каждой ячейке матрицы стоит число, количественно показывающее, сколько импульсов частичных разрядов с такими параметрами было зарегистрировано.

 Частичные разряды возникают в зоне нарастания напряжения питающей сети, и практически полностью отсутствуют в зоне, где напряжение, относительно амплитудного значения, уменьшается.

На рисунке, справа вверху условно  показан слой высоковольтной изоляции с дефектом типа «газовое включение» в середине. Рядом с дефектом показана условная схема замещения слоя изоляции, состоящая из трех зон, каждая из которых  представлена на схеме замещения в виде отдельного конденсатора. Конденсаторы C1 и C2 показывают участки нормальной изоляции, а конденсатор Cd моделирует дефект в изоляции. На графике слева внизу показана синусоида питающего напряжения. На этом же графике показано изменение напряжения на зоне дефекта, в функции времени, и частичные разряды, которые возникают в этой зоне.

 При росте приложенного к изоляции напряжения по схеме замещения изоляции начинает протекать ток, пропорциональный мгновенному значению и скорости изменения питающего напряжения. На каждом конденсаторе схемы замещения начинает возрастать напряжение, сумма напряжений на трех конденсаторах всегда равняется приложенному напряжению.

При возрастании напряжения на газовом (воздушном) включении до пробойного значения (более 3 кВ / мм для воздуха), возникают частичные разряды. В результате воздействия каждого частичного разряда падение напряжения на зоне дефекта уменьшится, а напряжение на конденсаторах C1 и C2 возрастает. Поскольку напряжение питающей сети еще растет, то напряжение на дефекте опять подрастает до пробойного напряжения, происходит новый разряд, и опять это приводит к росту напряжения на участках бездефектной изоляции. Наступает такой момент времени, когда питающее напряжение еще растет, но поскольку оно практически полностью сосредотачивается на участках исправной изоляции, напряжение на зоне дефекта не может вырасти до пробойного значения. Интенсивность разрядов падает и вблизи 90 градусов разряды прекращаются полностью.

На участке снижения питающего  напряжения, от амплитудного значения до нуля, частичных разрядов в зоне дефекта не происходит, т. к. имеет  место снижение напряжения на всех трех конденсаторах схемы замещения. Напряжение на зоне дефекта так же уменьшается, предпосылок для возникновения частичных разрядов от дефектов внутри изоляции нет.

В момент перехода питающего напряжения через нулевую линию напряжение на зоне дефекта не равняется нулю. Оно имеет какое – то остаточное значение с полярностью, которая соответствует распределению напряженности электрического поля в предшествующую полуволну питающего напряжения. Необходимо, чтобы напряжение питающей сети, которое уже имеет в данный момент противоположную полярность, смогло скомпенсировать остаточный заряд на зоне дефекта. В итоге это приведет к некоторому фазовому запаздыванию импульсов относительно точки .