Испытания кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена

В настоящее время нормальная работа систем электроснабжения невозможна без надежной работы силовых кабельных линий (КЛ) низкого и среднего классов напряжения.

С начала 70-х годов прошлого века кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена активно заменяют кабели с бумажно-масляной изоляцией. Низкие величины относительной диэлектрической проницаемости, большой запас термической стойкости стали главной причиной, заставившей выбрать сшитый полиэтилен, как изоляционный материал для кабелей среднего и высокого напряжения.

1. Общая информация об испытаниях кабельных линий.

Для обеспечения надежной работы силовых КЛ в настоящее время в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой кабели периодически подвергаются испытаниям постоянным напряжением достаточно высокого уровня (в 4-6 раз превышающим номинальное напряжение КЛ) с измерением токов утечки. Однако практика показывает, что планово-профилактические испытания повышенным постоянным напряжением даже в случае их успешности не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ. Особенно опасны такие испытания для КЛ с длительными сроками эксплуатации или с сильно состаренной изоляцией. Кроме того, испытания повышенным постоянным напряжением силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели), которые находят все более широкое применение в России, не только практически бесполезны, так как сшитый полиэтилен обладает высокой электрической прочностью и малыми токами утечки, но и оказывают негативное воздействие на полиэтиленовую изоляцию.

В таблице 1 приведены показатели электрической прочности СПЭ кабелей в сравнении с ПБИ кабелями по данным исследований ОАО “ВНИИКП” выполненных в 2003 – 2006 гг. (СПЭ кабели) и 1980 – 1983 гг. (ПБИ кабели)

№ п/п	Показатели электрической прочности кабелей: на номинальное напряжение 10 кВ	Кабели с изоляцией из сшитого ПЭ	Кабели с пропитанной бумажной изоляцией
1.	Пробивное напряжение кабелей в исходном состоянии, кВ (и0) Uo-фазное напряжение, частота 50 Гц	180-240 (30-40)U0	80-90 (13,3-15) U0
2.	Пробивное напряжение кабелей после ускоренного старения, кВ (Uo): – в воде при напряжении 3Uo в течение 17500 ч (2 года);	108-129 (18-21,5)U0	–
2.	– циклами нагрева в течение 10000ч при напряжении 3Uo при температурах: 70°С 80°С* 90°С	108-129 (18-21,5)U0	~55 (9,2 Uo) ~30(5U0) ~25(4,2U0)
* эквивалентно 40 годам эксплуатации при номинальном напряжении и температуре жилы 70 °С

таблицa 1

Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена гораздо более эффективным и экономичным является щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое по величине не превышает более чем в 3 раза номинальное напряжение КЛ. Испытания при очень низких частотах со сменой полярности позволяют выявлять дефекты в изоляции без формирования объемных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции, что приводит к резкому уменьшению ресурса такого кабеля, в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного напряжения. Поэтому за рубежом кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена испытываются исключительно напряжением сверхнизкой частоты. При испытаниях силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией применение этого метода позволяет в значительной степени уменьшить испытательное напряжение по сравнению с испытаниями постоянным напряжением.
Возникает вопрос: возможно ли испытание кабельных линий, выполненных СПЭ кабелями постоянным напряжением по нормам, принятым для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией?

Отвечает заведующий отделом силовых кабелей ОАО “ВНИИКП”, к.т.н. Образцов Ю.В.: «Распределение постоянного напряжения по толщине электрической изоляции кабелей из сшитого полиэтилена и пропитанной бумаги принципиально разное. За счет образования объемных зарядов у электродов на внутренней и наружной поверхностях изоляции из сшитого полиэтилена образуется локальная концентрация электрического поля, которая может привести к разрушениям в виде скользящих разрядов и пробою в первую очередь кабельных муфт, являющихся более слабыми в электрическом отношении элементами КЛ. Такие случаи пробоя муфт неоднократно наблюдались при испытаниях КЛ на номинальное напряжение 10 – 35 кВ постоянным (выпрямленным) напряжением по нормам, предусмотренным в ПУЭ для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, где величина испытательного напряжения составляет 10,3 U0.
В международных стандартах МЭК 60502-2, HD 620 для кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена рекомендуется испытание КЛ проводить переменным напряжением, в т.ч. пониженной частотой 0,1 Гц. В качестве альтернативы допускается проводить испытания КЛ постоянным напряжением величиной 4 Uo в течении 15 минут (п. 20.2.2 МЭК 60502-2) с характерным примечанием: “испытание напряжением постоянного тока может повредить испытуемую систему изоляции“.
Таким образом, неправомерно переносить нормы испытаний КЛ постоянным напряжением для кабелей с пропитанной бумажкой изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Для последних воздействие испытательного постоянного напряжения величиной до 10 Uo является разрушающим.»

2. Общие сведения о высоковольтных испытаниях СНЧ (Сверхнизкой частоты).

Для испытания СПЭ-кабелей можно применять установки сверхнизкой частоты (СНЧ; или VLF – Very Low Frequency). Такие испытания не влияют на состояние материала изоляции и кабель не теряет своих свойств.
Установка VLF подает в кабель постоянное напряжение частотой 0,1 Гц. Испытание производится напряжением, равным 3 Uо , согласно утвержденным отраслевым стандартам (HD 620S1, VDE 0276-620,–621, -1001 и т.д.) или 6 Uн согласно российским требованиям. С помощью применения напряжения косинусно-прямоугольной формы дефектные места в кабелях с ПЭ, ПВХ а также с бумажно-масляной изоляцией быстро приводятся в состояние пробоя, без ненужной дополнительной нагрузки на кабельную изоляцию. Основной причиной увеличения уровня частичных разрядов при эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ является рост водных триингов в изоляции.
Технология создания кабельной изоляции из сшитого полиэтилена появилась в 70-х годах 20 века. Сшивка – создание пространственной решетки за счет образования продольно-поперечных связей между макромолекулами полимера – увеличивает жесткость изоляции при повышенных температурах.
В процессе старения (деструкции) сшитого полиэтилена его эксплуатационные характеристики снижаются. Основная причина этого – водные триинги – повреждения полимера, развивающиеся на технологических дефектах изоляции при совместном действии электрического поля и влаги, диффундирующей из окружающей среды.
Вместе с влагой в изоляцию проникают агрессивные вещества. Они разрушают полимерные цепи, приводя к образованию микрополостей, которые в свою очередь служат резервуарами для накопления влаги. Под воздействием электрического поля полярные молекулы воды образуют древовидные структуры, направленные вдоль силовых линий электрического поля,- водные триинги.

Различают два вида триингов: «бант» (зарождаются в объеме изоляции, заполненном водой, или на включениях инородных материалов) и «веер» (развиваются с поверхности электропроводящих экранов).

Электрическая прочность изоляции в области триингов существенно снижается, что повышает напряженность на неповрежденной части изоляции и ускоряет процесс роста триинга. С этим явлением в 70-е годы были связаны многократные отказы кабелей с изоляцией из высокомолекулярного термопластичного полиэтилена и СПЭ. Лабораторные испытания прояснили механизм его образования и развития в изоляционных материалах , что позволило подобрать новые добавки, обеспечивающие высокую устойчивость сшитых полиэтиленов к образованию водных триингов.

В настоящее время существуют две концепции снижения негативного влияния водных триингов на свойства изоляции:

• согласно первой в полиэтилен вводятся специальные химические добавки, в итоге получается триингостойкий сшитый полиэтилен – ТСПЭ;
• в соответствии со второй создаются макромолекулы, в состав которых, помимо этилена, входит более 5% других химических соединений, в итоге получается сополимерный сшитый полиэтилен – ССПЭ (механическая смесь полиэтилена низкой плотности, сополимера – этилена и этилакрилата или бутилакрилата и антиоксиданта, снижающего скорость окислительных процессов).

Типичная картина триингов в изоляции кабеля, находившегося в эксплуатации представлена на рисунке.

Кабельные линии

Может ли испытание повышенным постоянным напряжением, приложенным между жилой и экраном, выявить этот дефект? НЕТ, так как указанный дефект не нарушает целостности изоляции. Более того, за рубежом проведены обширные исследования, доказывающие, что испытания повышенным постоянным напряжением не только не позволяют сделать адекватное заключение о состоянии кабеля, но и значительно ослабляют изоляцию. Доказано, что испытания высоким постоянным напряжением уменьшают срок эксплуатации кабелей и значительно увеличивают рост водных триингов. В качестве альтернативных методов диагностики состояния кабелей с СПЭ изоляцией предлагаются различные методы неразрушающего контроля:
измерение частичных разрядов; измерение тангенса дельта на частоте 0,1 Гц;
емкость и тангенс дельта, измеренные в диапазоне частот от 0,1 до 0,02 Гц (диэлектрическая спектроскопия);

Система для проведения испытаний на сверх низких частотах ( 0,1 Гц) должна удовлетворять следующим требованиям:
- частота повторения должна быть такой низкой, чтобы мощность, высвобождаемая в любом частичном разряде была настолько мала, чтобы не вызывать дальнейшей эрозии и, как следствие, не приводить к росту давления газа.
- смена полярности с одной стороны должна происходить достаточно медленно, чтобы исключить любые переходные процессы, вызываемые бегущими волнами, с другой стороны, она должна быть достаточно быстрой, чтобы сохранить любой пространственный заряд в частичном разряде, откуда он нарастает в направлении противоположного электрода.

Система, удовлетворяющая этим требованиям, должна генерировать колебания частотой 0,1 Гц со сменой полярности в течении полуволны 50 Гц. Каждый цикл начинается с фазы заряда, в которой контролируемый объект, равно как и подключенный параллельно ему опорный конденсатор, заряжаются от источника постоянного тока до достижения желаемого напряжения.

Системы VLF предназначены для испытания новых и эксплуатируемых силовых кабелей, а также плановых испытаний бумажно-масляных кабелей и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, переменным напряжением, до 35 кВ.

Главными особенностями установок VLF являются: сверхнизкая частота испытательного напряжения, равная 0.1 Гц и сверхмалый испытательный ток. Эти аспекты являются основополагающими в случае испытания кабеля в бумажно-масленой изоляции, и решающими, при испытаниях кабеля в изоляции из сшитого полиэтилена.

Испытания кабеля напряжением на сверхнизкой частоте и сверхмалым током защищают кабель от повреждения во время испытаний. Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена это особенно важно,так как испытания кабеля с такой изоляцией постоянным током влекут за собой поляризацию молекул полиэтилена, что в свою очередь приводит к появлению дефектов в изоляции кабеля, которые значительно снижают срок эксплуатации.

3.Способы реализации метода сверхнизких частот (СНЧ).

В последнее время становится типичной ситуация, когда функции уже эксплуатируемой электротехнической лаборатории (ЭТЛ) становятся неактуальными. Тому могут быть разные причины, начиная от полного морального и физического устаревания оборудования из состава ЭТЛ и заканчивая изначальной ограниченностью функций лаборатории, которая приобреталась пару лет назад. К примеру, изначальное отсутствие в функционале ЭТЛ оборудования для работы с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-изоляции). Для обеспечения выполнения данного вида работ предлагается комплект для модернизации, состоящий из оборудования фирмы InterEng Messtechnik GmbH:

• Испытательной установки сверх низкой частоты PGT
• Комплекта для испытания оболочки кабеля InetrShealth
• Зонда для определения мест повреждений LS-M (входит в состав InetrShealth)

1. Испытательные установки сверх низкой частоты PGT (СНЧ-установки).
На данный момент всё более актуальным становится вопрос испытания и отыскания повреждений кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Специфика данных кабелей заключается в том, что традиционные методы работы (испытание повышенным выпрямленным напряжением) неприемлемы, поскольку ведут к формированию остаточных зарядов в оболочке кабеля и образованию древовидных пробоев изоляции. Всё это в результате приводит к раннему выходу из строя участков кабеля.

Для испытаний изоляции таких кабелей используются СНЧ-установки, формирующие на выходе напряжение сверхнизкой частоты (0,1 Гц). Изменение полярности испытательного напряжения позволяет избежать возникновения основной причины возникновения древовидных пробоев – остаточных зарядов оболочки.

Компания Кабельные ЭТЛ предлагает Вашему вниманию СНЧ-установки производства немецкой фирмы (InterEng Messtechnik GmbH (Далее по тексту InterEng) PGT 20-V3,6 и PGT 36-V2.

Кабельные линии
Основными характеристиками приборов системы PGT являются:
Компактная конструкция
Испытание с частотой 0,1 Hz без повреждения кабелей
Автоматизированные процессы испытания

PGT 20-V3,6

С помощью переносного прибора PGT 20-V3,6 можно проводить испытание кабелей среднего напряжения с экструдированной изоляцией (из полиэтилена, сшитого полиэтилена и этиленпропилена) и номинальным напряжением до 10/12 kV.

PGT 36-V2

С помощью переносного прибора PGT 36-V2 можно проводить испытание кабелей среднего напряжения с экструдированной изоляцией (из полиэтилена, сшитого полиэтилена и этиленпропилена) и номинальным напряжением до 12/20 kV.

Испытания проводятся по методу сверхнизких частот (СНЧ), отличающемуся малыми нагрузками, с переменным напряжением до 36 kV и низкой частотой 0,1 Hz. С помощью этого прибора можно испытывать также кабели с бумажной пропитанной изоляцией.

Особенности систем PGT являются:

Компактный переносной прибор для испытания кабелей напряжением 20 kV по методу СНЧ
Может переноситься одним или двумя людьми
Простота управления
Управление с помощью меню на немецком/английском языках, опционально: многоязычное меню
Полностью автоматический процесс испытания
Таймер с автоматическим отключением
Распознавания пробоя
Регистрации времени повреждения
Непосредственное точное измерение величин высокого напряжения
Предохранительный выключатель для защиты от замыкания на землю
Опция: измерение тока утечки во время испытания по методу СНЧ

2.Комплект для испытания оболочки кабеля InetrShealth
Обслуживание кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена сводится к следующим операциям:

Периодические испытания сверхнизкой частотой (СНЧ испытания). Реализуется системами PGT.
Испытания оболочки кабеля. Реализуется системой InetrShealth.

Характерными особенностями приборов InetrShealth являются:

Кабельные линии

Полный комплект в стабильном чемодане
Надежное определение мест повреждений с замыканием на землю
Раннее обнаружение мест контакта с землей

Комплект приборов InterSheath был разработан для испытания и определения мест повреждений пластмассовых оболочек экранированных силовых кабелей. Комплект можно также использовать для определения места замыкания неэкранированных силовых кабелей с пластмассовой изоляцией, а также кабелей управления и связи. Превентивное испытание оболочек кабелей и, если это необходимо, определение мест повреждений с последующим ремонтом, представляют собой подходящий метод сведения к минимуму вероятности повреждения и прерывания энергоснабжения. Испытание оболочек кабелей сразу же после их прокладки, кроме того, является надежным методом своевременного обнаружения и устранения ошибок при прокладке.

Комплект для испытания оболочек кабелей InterSheath состоит из следующих компонентов:

Кабельные линии

Генератор для испытания оболочки кабеля TS6D400
Предназначен для испытания наружной оболочки экранированных кабелей с пластмассовой изоляцией путем измерения тока утечки при определенном настраиваемом испытательном напряжении до 6 кВ. Для определения мест повреждений экранированных и неэкранированных кабелей с пластмассовой изоляцией.

Характерными особенностями прибора являются:

Большое отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания: 6 кВ к 400 мА.
Регулирование тока с использованием прибора для предварительной локализации повреждений TS-VM.
Встроенный датчик тактовых импульсов для точной локализации с использованием зонда для определения мест повреждений LS-M.
Отключение при токовой перегрузке.
Контроль тока аккумулятор.
Встроенное разрядное устройство.

Технические данные генератора TS6D400

Характеристика		Значение
Режимы работы	Испытание повышенным напряжением	2 кВ максимальный уровень тока 12 мА 4 кВ максимальный уровень тока 6 мА 6 кВ максимальный уровень тока 3 мА
Режимы работы	Генератор тактовых импульсов	1 сек., пауза 3 сек.
Электропитание		Значение
Напряжение сети		230 В / 50 Гц
Внешнее постоянное напряжение		12 В
Потребляемая мощность		100 ВА
Конструктивные данные		Значение
Габариты (Д x Ш x В)		300 × 260 × 160 мм
Вес		11 кг

Кабельные линии

Прибор для определения мест повреждений TS-VM Предназначен для предварительной локализации повреждений с замыканием на землю, особенно для повреждений наружной пластмассовой оболочки экранированных кабелей. Прибор работает по принципу измерения падения напряжения.

Характерными особенностями прибора являются:

Получение точных результатов благодаря 6 диапазонам от 0,1 до 1000 мА
Четыре диапазона измерения напряжения с переключением между 0,01 и 10 В
С помощью переключателя можно быстро установить вход питания на начало или на дальний конец
Изоляция от прикосновения до рабочего напряжения 6 кВ

Технические данные прибора TS-VM

Характеристика	Значение
Измерение напряжения	от 0,01 до 10 В
Измерение тока	от 0,1 до 1000 mA
Электропитание	Значение
Высоковольтное напряжение	до 6 кВ
Для усилителя	+/- 4,5 В батарея
Конструктивные данные	Значение
Габариты (Д x Ш x В)	240 × 260 × 160 мм
Вес	3 кг

Кабельные линии

Зонд для определения мест повреждений LS-M
Предназначен для определения мест повреждений с замыканием на землю в электрических системах. Раннее обнаружение повреждений кабелей путем определения мест контакта экрана кабеля с землей.

Характерными особенностями прибора являются:

измерение постоянного напряжения и пикового значения, с переключением
Полярность отклонения стрелки положительная или отрицательная, с переключением
Градуировка измерения постоянного напряжения и импульсов в вольтах
Длительный срок службы батареек (потребляемый ток 2 × 1,5 mА от 6 батареек)

Технические данные зонда LS-M

Характеристика	Значение
Чувствительность на входе	10 мВ
Входное сопротивление	R = 500 kОм
Электропитание	Значение
Напряжение	2 × 4,5 В от 6 батарей типа АА
Потребляемый ток	2 × 1,5 мА
Конструктивные данные	Значение
Габариты (Д x Ш x В)	85 × 225 × 120 мм
Вес	1,5 кг