Układy probiercze do prób napięciowych kabli i linii kablowych SN o izolacji polimerowej

Linia kablowa, podobnie jak każde urządzenie techniczne, powinna charakteryzować się wysokim stopniem niezawodności, gwarantującym wieloletnią bezawaryjną żywotność. Na realizację tego podstawowego zadania składa się działanie wszystkich uczestników procesu budowy i eksploatacji linii kablowej, czyli:

• producentów kabli i osprzętu kablowego, którzy wykonują kable i odpowiedni dla nich osprzęt o jak najlepszych parametrach technicznych, gwarantując spełnienie przez te urządzenia wielu wymagań wynikających z eksploatacji w określonych warunkach środowiskowych, co jest potwierdzane wynikami przeprowadzonych badań, np. konstruktorskich, typu, wyrobu czy odbiorczych realizowanych w fazie produkcji lub bezpośrednio po niej,
• wykonawcę linii kablowej, który instaluje kable wraz ze stosownym osprzętem kablowym (głowice, mufy), a uzyskanie właściwych parametrów potwierdza wynikami badań odbiorczych, realizowanych głównie w celu wyeliminowania kabli uszkodzonych podczas transportu oraz likwidacji ewentualnych błędów montażowych i uszkodzeń mechanicznych powstałych podczas układania nowej linii kablowej,
• użytkownika linii kablowej, który eksploatuje zbudowany system kablowy i utrzymuje jego sprawność techniczną, a więc prowadzi badania linii kablowej w celu profilaktycznego eliminowania wad, które mogą być przyczyną uszkodzeń linii podczas jej eksploatacji oraz badania odbiorcze linii kablowej po naprawach powstałych uszkodzeń. Badania odbiorcze powinny zapewnić dobrą jakość naprawy oraz wyeliminować wady powstałe w trakcie naprawy, które mogłyby być przyczyną stosunkowo szybkiego ponownego uszkodzenia linii.

Jak wynika z dotychczasowych doświadczeń, najważniejszą rolę w ocenie stanu technicznego kabla bądź linii kablowej pełnią badania napięciowe izolacji kabli. Badania takie prowadzi się przy określonej wartości napięcia probierczego, działającego na badaną izolację w ustalonym czasie trwania próby, w zależności od rodzaju izolacji kabla i jego napięcia znamionowego. Nie ma jednej uniwersalnej procedury badania [3], zapewniającej zadowalający wynik badań, która mogłaby być zastosowana w każdych warunkach. W praktyce pomiarowej stosuje się kilka różnych procedur badań napięciowych, a każda z nich może spowodować powstanie określonych efektów w badanej izolacji kablowej, które w pewnych warunkach mogą spowodować przedwczesne uszkodzenie kabla. Właściwy dobór procedury badania napięciowego jest niewątpliwie jednym z ważniejszych problemów do rozwiązania w badaniach kablowych.

Mechanizmy degradacji kabli o izolacji polimerowej

Izolacja polimerowa kabli średniego napięcia ulega degradacji w czasie eksploatacji, w wyniku działania na nią wielu różnych czynników wynikających z narażeń eksploatacyjnych i środowiskowych, np. naprężeń elektrycznych i mechanicznych, promieniowania, temperatury, działania wilgoci i innych związków chemicznych. Stopień degradacji izolacji określa się mierząc aktualną wartość wybranych parametrów technicznych izolacji. Analizując przyczyny i zjawiska składające się na ogólną degradację izolacji kablowej można wskazać trzy zasadnicze grupy zjawisk związanych z pogarszaniem się parametrów technicznych linii kablowej.

Po pierwsze, pojęciem degradacji fizycznej określa się zwykle zmiany, które występują w izolacji kabla w strukturze krystalicznej polimeru w stosunku do stanu osiągniętego w końcowej fazie produkcji kabla, zachodzące pod wpływem np. temperatury. Stopień usieciowania izolacji nie jest więc wielkością stałą, wzrasta w czasie eksploatacji, w okresie nawet do kilku lat od zakończenia produkcji. Jednocześnie w strukturze polimeru na skutek naprężeń mechanicznych występujących w izolacji mogą tworzyć się mikropęknięcia na granicach międzyfazowych. Taka niejednolita morfologia zwiększa ryzyko przebicia izolacji, szczególnie w przypadku działania na nią wyładowań niezupełnych.

Inne zjawiska składają się na proces degradacji chemicznej, która zachodzi pod wpływem temperatury oraz działania tlenu i promieniowania na polimer. Jej skutkami są depolimeryzacja tworzywa, czyli przerywanie długich łańcuchów polimerowych, tworzenie wolnych rodników podczas utleniania się izolacji, które charakteryzują się dużą aktywnością chemiczną, oraz powstawanie nowych wiązań sieciujących. Wymienione procesy mogą zmieniać w istotny sposób mechaniczne właściwości izolacji polimerowej.

Trzecią grupę zjawisk starzeniowych związanych z obecnością pola elektrycznego określa się mianem degradacji elektrycznej. Są to głównie procesy drzewienia elektrycznego oraz wodnego. Drzewienie elektryczne polega na tworzeniu się w izolacji drzewek elektrycznych (rys. 1.) w miejscu działania dużych natężeń pola elektrycznego. Ważną rolę odgrywają tutaj wyładowania niezupełne, które mogą rozwijać się w mikropęknięciach, pęcherzykach gazowych, wtrącinach izolacyjnych czy przewodzących oraz na nierównościach powierzchniowych warstw ekranujących kabla. Wymienione wady mogą znajdować się wewnątrz izolacji kablowej lub między warstwami izolacji i osprzętu kablowego, a powstają w trakcie produkcji kabla lub w czasie montażu i eksploatacji linii kablowej. Kiedy intensywność wyładowań niezupełnych w wymienionych wadach izolacji jest wystarczająco duża, zaczyna formować się drzewko elektryczne (częściowe kanały przebicia), które w pewnej fazie rozwoju może przejść w kanał przebicia zupełnego.

Drzewienie wodne (rys. 2.) powstaje przy jednoczesnym działaniu pola elektrycznego, gradientu temperatury i penetracji wilgoci. Rozwój drzewienia wodnego wymaga również istnienia w izolacji wymienionych wyżej wad. Wilgoć wnika w polietylen zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego, tworząc różne formy drzewek wodnych w zależności od umiejscowienia i rodzaju wady. Tworzenie się takich drzewek w izolacji jest procesem długotrwałym i zależy od ilości wilgoci, natężenia i częstotliwości pola elektrycznego, materiału izolacyjnego, temperatury oraz naprężeń mechanicznych.

Oba rodzaje drzewek znacznie ułatwiają przebicie izolacji, jeżeli ich długość osiągnie krytyczną wartość. Degradacja elektryczna ma charakter zjawiska losowego i jest procesem działającym lokalnie na izolację, a nie na całej długości kabla, jak to jest w przypadku degradacji fizycznej czy chemicznej.

Badania techniczne kabli i linii kablowych

Badania techniczne kabli i linii kablowych średniego napięcia znamionowego są zasadniczo prowadzone w celu:

• wyznaczenia parametrów technicznych wyprodukowanego kabla i porównania jego jakości z wymaganiami przepisów,
• sprawdzenia, czy zbudowana nowa lub wyremontowana linia kablowa jest prawidłowo przygotowana do eksploatacji,
• określenia aktualnego stanu technicznego linii kablowej i ewentualnego dopuszczenia do dalszej pracy lub przekazania do remontu.

Badania techniczne kabli realizuje się według zaleceń norm przedmiotowych [np. 14, 15, 16], zakładowych instrukcji eksploatacji linii kablowych opracowanych według obowiązujących wymagań prawnych lub przepisów odbiorczych, w których ściśle określa się metodykę badań i ich zakres. Na przykład w badaniach odbiorczych realizowanych według zaleceń normy [12] sprawdza się wytrzymałość elektryczną izolacji oraz dodatkowo ciągłość żył kabla, rezystancję żył i izolacji, pojemność żył roboczych oraz szczelność powłoki, a więc uzyskujemy nie tylko informacje o parametrach elektrycznych linii kablowej, ale również dane o charakterze pomocniczym.

We wszystkich rodzajach badań najważniejszą funkcję pełnią próby napięciowe izolacji, przeprowadzane przy zwiększonym w stosunku do napięcia roboczego napięciu probierczym, dające zasadnicze informacje o wytrzymałości izolacji kabla. Główną zaletą badań napięciowych jest to, że sprawdzają nie tylko wytrzymałość elektryczną izolacji kabla, ale również zainstalowanego osprzętu kablowego (głowic i muf), jeżeli są prowadzone na gotowych liniach kablowych. Osprzęt kablowy jest z reguły instalowany w warunkach polowych, a więc jakość jego zainstalowania zależy od kwalifikacji monterów i zachowania odpowiednich warunków montażu. Czynności związane z montażem osprzętu mogą w przypadku niefachowego wykonawstwa wprowadzić do układu izolacyjnego wiele wad (nacięcia, nierówności powierzchniowe itp.), które mogą zmniejszyć oczekiwaną długotrwałą poprawną pracę systemu. W trakcie eksploatacji kabla niegroźne początkowo wady izolacji, na skutek wahań temperatury, wpływu czynników środowiskowych i pola elektrycznego mogą znacznie powiększyć swe wymiary i przyczynić się do rozwoju intensywnych wyładowań niezupełnych, czyli rozpoczęcia procesu erozji i w konsekwencji drzewienia elektrycznego czy wodnego. Tak więc wykrycie i lokalizacja miejsc osłabionej izolacji lub wyładowań niezupełnych w początkowym okresie eksploatacji linii kablowej mają zasadnicze znaczenie.

Niektóre układy probiercze stosowane w próbach napięciowych pozwalają nie tylko sprawdzać wytrzymałość elektryczną izolacji kablowej napięciem probierczym o określonej wartości, ale również jednocześnie mierzyć intensywność wyładowań niezupełnych i lokalizować miejsce ich występowania. Wybór układu probierczego i procedury pomiaru mają zasadnicze znaczenie dla oceny jakości linii. Wartość napięcia, jego przebieg i częstotliwość oraz czas przyłożenia do badanej izolacji mają bowiem istotny wpływ na wytrzymałość elektryczną układu izolacyjnego i wiążą się z możliwością uzyskania różnych wyników. Przeprowadzona próba napięciowa może niekiedy pozostawić w zbadanej izolacji takie efekty, których skutkiem będzie przebicie izolacji. Należy więc zauważyć, że dokładne rozpoznanie właściwości technicznych stosowanych obecnie procedur pomiarowych związanych z próbami napięciowymi oraz wiedza na temat, gdzie i w jakich warunkach można daną próbę zastosować, mają zasadnicze znaczenie.

Wśród aktualnie stosowanych układów probierczych w zakresie badań kabli i linii kablowych średniego napięcia wyróżnia się (ze względu na kształt i częstotliwość napięcia) układy napięcia:

• sinusoidalnego o częstotliwości sieciowej (AC, 50 Hz),
• sinusoidalnego o obniżonej częstotliwości (VLF, 0,1 Hz),
• cosinusoidalno-prostokątnego (VLF, 0,1 Hz),
• stałego (DC),
• oscylacyjnego (OWTS, <1 kHz).

Podstawą wyboru konkretnej metody badań powinna być znajomość skutków oddziaływania określonego rodzaju napięcia probierczego na izolację linii kablowej oraz porównanie uzyskanych wyników z wynikami badań otrzymanymi przy próbach napięciem probierczym sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz, czyli badaniami systemu kablowego w warunkach, w których badany system pracuje normalnie [3].

Próby napięciem przemiennym (AC) o częstotliwości 50 Hz

Próby napięciem przemiennym o częstotliwości sieciowej 50 Hz to naturalny rodzaj prób napięciowych dla oceny izolacji linii kablowej. Występuje tutaj całkowita zgodność między warunkami pracy znamionowej kabla w sieci energetycznej, warunkami badań fabrycznych kabli i osprzętu oraz badaniami eksploatacyjnymi. Zespoły probiercze wykorzystywane podczas prób mają takie same charakterystyki zewnętrzne i wymagania w zakresie kształtu napięcia probierczego, mocy zwarciowej i poziomu wyładowań niezupełnych.

Uproszczony schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz pokazano na rysunku 3. Urządzenie zawiera zwykle specjalny układ regulacyjny TR napięcia zasilającego (autotransformator, transformator regulacyjny, regulator indukcyjny o odpowiedniej mocy) transformatora probierczego TP, opornik tłumiący R o rezystancji 5…50 Ω na 1 kV napięcia znamionowego transformatora, zabezpieczający transformator przed przepięciami przy przebiciu izolacji badanej oraz układ do bezpośredniego pomiaru napięcia probierczego na badanym obiekcie.

Zastosowanie takich układów probierczych w badaniach eksploatacyjnych linii kablowych jest jednak ograniczone z powodu znacznej mocy, jaka jest niezbędna w badaniach. Linie kablowe mają duże pojemności wynikające z ich długości i właściwości materiału izolacyjnego, a więc niezbędna moc zespołu probierczego wypada stosunkowo wielka, np. do przeprowadzenia próby napięciem probierczym 50 Hz o wartości 24 kV kabla jednożyłowego XLPE o pojemności jednostkowej 0,22 μF/km i długości 1 km będzie to:

czyli: QC=314⋅0,22⋅10-6⋅1⋅242⋅106≈40 kVA, a więc układ o dużych gabarytach i masie, o ograniczonych możliwościach transportu na miejsce badań polowych.

Ten problem usunięto w nowoczesnych rezonansowych układach probierczych napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz stosowanych w eksploatacji od kilkunastu lat [4]. W takim zespole transformator probierczy służy wyłącznie do zasilania wysokonapięciowego obwodu rezonansowego, w którym stworzono warunki niezbędne do rezonansu szeregowego lub równoległego, wytwarzającego odpowiednią wartość napięcia probierczego w obiekcie badanym. Moc transformatora probierczego wymagana do zasilania takiego zespołu wypada wielokrotnie mniejsza niż w tradycyjnym układzie probierczym.

Uproszczony schemat rezonansowego zespołu probierczego napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz pokazano na rysunku 4. Urządzenie zawiera zwykle: specjalny układ generatora G do wytwarzania napięcia zasilania, aby uniezależnić się od miejscowych warunków, przetwornik U/f o regulowanej amplitudzie i częstotliwości napięcia, wysokonapięciowy transformator probierczy TP wytwarzający napięcie U0, szeregowy (najczęściej) obwód rezonansowy składający się z dławika L z regulowaną szczeliną powietrzną lub zespołu dławików łączonych w układy szeregowy, równoległy lub mieszany, pojemności Ck badanego kabla, na której odkłada się napięcie probiercze Up i ewentualnie pojemności dodatkowej C, włączanej w przypadku krótkich odcinków linii (o długości <200 m) oraz układu do bezpośredniego pomiaru napięcia probierczego na badanym obiekcie.

W układzie wykorzystuje się zjawisko rezonansu szeregowego, którego warunkiem jest spełnienie równości:

W warunkach rezonansu wytworzone na badanym kablu napięcie probiercze będzie równe:

przy częstotliwości rezonansowej równej:

gdzie:

Q=ωL/R – dobroć zastosowanego w obwodzie dławika o indukcyjności L i o rezystancji R,

tgδ – współczynnik stratności izolacji obiektu badanego.

Zwykle w takich układach probierczych mamy tgδ<<1 (np. kabel o izolacji polietylenowej), a Q≥40, czyli wyrażenie (4) upraszcza się do postaci:

Z zależności (5) wynika, że zasilanie obwodu rezonansowego napięciem rzędu kilkuset woltów wystarczy do wytworzenia wymaganych wartości napięć probierczych dla kabli średniego napięcia znamionowego przy jednoczesnym znacznym ograniczeniu mocy układu zasilania. Dzięki temu w nowoczesnych konstrukcjach układów rezonansowych osiąga się poważne ograniczenie masy zespołu, np. do poziomu 0,8…2 kg/kVA. Przy większych wartościach tgδ badanych kabli maleje dobroć układu i wartość uzyskiwanego napięcia probierczego jest niewielka, a więc omawiany układ nie może być stosowany, np. w badaniach kabli o izolacji z polichlorku winylu.

Działanie układu rezonansowego jest stosunkowo proste. Dobierając odpowiednio wartość indukcyjności dławika i ewentualnie pojemności dodatkowej dostraja się zgrubnie obwód do częstotliwości rezonansowej według zależności (3) i osiąga dostrojenie dokładne dzięki regulacji częstotliwości przetwornika w obwodzie zasilania układu. Należy dążyć do zgrubnego uzyskania rezonansu przy częstotliwości 50 Hz, ponieważ wtedy uzyskuje się wystarczająco szeroki zakres dostrajania dokładnego przez zmianę częstotliwości.

Badania napięciem przemiennym AC 50 Hz wprowadzono do praktyki eksploatacyjnej przed kilkunastu laty, stosując różne procedury badań w zależności od wartości napięcia znamionowego, typu oraz czasu eksploatacji badanych linii kablowych. Wyniki badań analizowano w ramach działań CIGRE i ustalono między innymi [8], że najbardziej wiarygodne wyniki oraz dobrą eliminację odcinków kablowych z wadami izolacji otrzymuje się w badaniach napięciem probierczym AC 50 Hz o wartościach 2…3 U₀ przy czasie trwania próby 60 minut.

Zasadniczą zaletą wykorzystania układów probierczych napięcia przemiennego AC 50 Hz w warunkach eksploatacyjnych jest to, że badania linii kablowych są prowadzone w sposób identyczny jak badania fabryczne i kwalifikacyjne kabli u producenta, a zastosowany w próbach przebieg napięcia probierczego jest identyczny z przebiegiem napięcia w warunkach roboczych. Takie badania zapewniają bardzo efektywną eliminację wadliwie zainstalowanego osprzętu kablowego oraz dobrze wykrywają wady izolacji grożące wystąpieniem stosunkowo wczesnego uszkodzenia systemu kablowego. Ponadto układ probierczy pozwala na jednoczesny pomiar intensywności wyładowań niezupełnych w izolacji i osprzęcie kablowym oraz współczynnika stratności izolacji tgδ, czyli stosunkowo łatwo uzyskujemy możliwość prowadzenia badań profilaktycznych.

Wykorzystanie układów probierczych napięcia przemiennego AC 50 Hz, a szczególnie układów o konstrukcji tradycyjnej, jest związane również z kilkoma istotnymi problemami: dużą masą i gabarytami sprzętu probierczego, znacznymi kosztami inwestycyjnymi, dużą mocą niezbędną do przeprowadzenia prób  oraz trudnościami transportowymi w prowadzeniu badań terenowych.

Próby napięciem przemiennym sinusoidalnym o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz

Uproszczony schemat funkcjonalny typowego zespołu probierczego napięcia sinusoidalnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz pokazano na rysunku 5. Urządzenie zawiera zwykle specjalny układ regulacji i modulacji amplitudy napięcia zasilania transformatora probierczego TP oraz po stronie wysokonapięciowej układy prostowniczy i odwracania biegunowości (+/–).

Zasadę działania układu można przedstawić następująco [5]. W układzie regulacji i modulacji amplitudy napięcia zasilania dobieramy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia U₂ o częstotliwości sieciowej 50 Hz i jednocześnie przeprowadzamy modulację amplitudy tego napięcia przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 0,1 Hz. W kolejnej fazie tak zmodulowane napięcie U₂ o częstotliwości sieciowej jest podwyższane w transformatorze TP do napięcia U₃ do wymaganej dla badanego kabla wartości probierczej i dalej po wyjściu z transformatora prostowane pełnookresowo w układzie prostowniczym. Napięcie U₄ na wyjściu prostownika jest więc napięciem tętniącym o określonej biegunowości, w zależności od układu prostowniczego, którego amplituda jest zmodulowana przebiegiem jednokierunkowym o częstotliwości 0,2 Hz. W ostatnim etapie formowania napięcia probierczego U_p, po wyjściu z prostownika następuje odwrócenie co każde pół okresu (czyli co 5 s) biegunowości napięcia U4, czyli w efekcie napięcie przykładane do badanego kabla o pojemności C_k ma przebieg sinusoidalny o częstotliwości 0,1 Hz.

W tradycyjnych układach probierczych o częstotliwości 50 Hz występuje problem przepływu mocy biernej między obiektem badanym a źródłem napięcia, dotyczy to przepływu dużych wartości mocy biernej, stąd konieczność budowy układów o znacznych gabarytach i masie. W systemach probierczych VLF 0,1 Hz wartości przepływającej mocy biernej są bardzo małe, około 500 razy mniejsze niż w przypadku systemów AC 50 Hz, więc nie stwarza to żadnych problemów konstrukcyjnych.

Jeśli porównamy wyniki prób napięciowych prowadzonych przy napięciu sinusoidalnym o częstotliwości 0,1 Hz z wynikami badań przy napięciu o częstotliwości 50 Hz [6], to można zauważyć, że:

• przy zwiększaniu wartości napięcia przykładanej do izolacji kabla drzewka elektryczne osiągają większe długości przy napięciu 0,1 Hz niż przy tym samym napięciu 50 Hz,
• oba rodzaje napięć dają inne kształty drzewek elektrycznych, przy napięciu 0,1 Hz drzewka mają kształt praktycznie prostoliniowy, natomiast przy napięciu 50 Hz drzewka przypominają kształtem raczej gęsty, niski krzak,

a więc w rezultacie tych efektów czas do przebicia izolacji kabla przy napięciu 0,1 Hz jest krótszy.

Zastosowanie układów probierczych napięcia sinusoidalnego VLF 0,1 Hz w praktyce pomiarowej ma wiele korzystnych cech wyróżniających te urządzenia. W badaniach stosuje się praktycznie identyczne warunki prób (napięcia probiercze do 3 U₀, czasy do 60 minut), jak w przypadku badań napięciem AC 50 Hz. Z uwagi na ciągłe zmiany biegunowości napięcia probierczego w izolacji badanej, nie tworzy się wokół istniejących w niej wad trwały ładunek przestrzenny, zniekształcający rozkład pola elektrycznego, który mógłby powodować nieuzasadnione przebicie izolacji. Zestawy te nie tylko stosuje się do badań napięciowych, ale również można wyposażyć je dodatkowo o zespół pomiarowy współczynnika strat dielektrycznych izolacji – mogą być stosowane do badań kabli o izolacji zarówno polimerowej jak i papierowo-olejowej. Urządzenia probiercze są łatwe do transportu, również w terenie, mają niewielką masę i gabaryty – w skład zestawu wchodzą tylko dwie części, panel sterowania i zespół wysokonapięciowy. Wymagana moc źródła napięcia zasilania nie przekracza możliwości typowych obwodów niskiego napięcia,

Układy napięcia sinusoidalnego VLF 0,1 Hz stosuje się w zakresie ograniczonym do 60 kV wartości szczytowej napięcia probierczego oraz do około 1 μF pojemności obciążenia [5], czyli przy ograniczonych do określonych wartości długościach badanych linii kablowych. Prowadzenie badań diagnostycznych z wykorzystaniem omawianego zespołu probierczego wiąże się z określonymi trudnościami w prawidłowej interpretacji wyników. Poziom wyładowań niezupełnych rozwijających się przy niskiej częstotliwości jest dużo wyższy niż przy 50 Hz [11], a dodatkowo nie występuje wzrost strat dielektrycznych spowodowanych przez wyładowania niezupełne, co jest charakterystyczne dla układów pracujących przy 50 Hz.

Próby napięciem przemiennym cosinusoidalnoprostokątnym o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz

Uproszczony funkcjonalny schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz pokazano na rysunku 6. Urządzenie zawiera zwykle układ zasilający UDC wysokiego napięcia stałego, pozwalający uzyskać obie biegunowości napięcia, półprzewodnikowy łącznik Ł_e o dużej szybkości działania, bezrdzeniową cewkę L oraz przełączniki P₁, P₂. Stosowane są również starsze konstrukcje, których działanie opiera się na wykorzystaniu wysokonapięciowego prostownika obrotowego z napędem silnikowym [2].

Zasadę działania układu można przedstawić następująco. W układzie UDC ustawiamy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia stałego o biegunowości ujemnej i tym napięciem przy przełączniku P₁ w pozycji jak na rysunku 6. ładujemy przez 5 s badany kabel K o pojemności C_k. W kolejnej fazie ładowanie kabla zostaje przerwane przełącznikiem P₁, a zainicjowane oscylacyjne przeładowanie kabla na napięcie dodatnie w wyniku chwilowego zamknięcia (na czas <10 ms) łącznika Ł_e i utworzenie tym samym obwodu oscylacyjnego składającego się z dławika L i pojemności C_k. Wartość indukcyjności dławika dobiera się tak, aby przebieg tej zmiany napięcia odpowiadał sinusoidzie o częstotliwości 50 Hz. Otrzymujemy w ten sposób pierwszą połowę okresu cosinusoidy o częstotliwości 0,1 Hz. Kolejna faza to przełączenie przełącznika P₂ w pozycję ładowania przez 5 s kabla K napięciem dodatnim i ostatnia faza to ponowne chwilowe zamknięcie łącznika Łe w celu zainicjowania następnego oscylacyjnego przeładowania kabla na napięcie ujemne – uformowano w ten sposób drugą połowę okresu cosinusoidy o częstotliwości 0,1 Hz i cykl może być powtórzony.

Z dotychczasowych doświadczeń pomiarowych wynika, że układy probiercze napięcia cosinusoidalno-prostokątnego o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) 0,1 Hz są układami charakteryzującymi się wieloma korzystnymi cechami pod względem technicznym. W badaniach stosuje się identyczne warunki prób – wartości napięć probierczych do 3 U₀ w czasie do 60 minut, jak w przypadku badań napięciem AC 50 Hz. Każda zmiana polaryzacji napięcia od –U_m do +U_m i odwrotnie zachodzi w czasie odpowiadającym częstotliwości 50 Hz, a więc inicjowane są w izolacji takie same procesy jak przy napięciu AC 50 Hz, natomiast ze względu na ciągłe zmiany biegunowości napięcia nie tworzy się wokół wad w izolacji trwały ładunek przestrzenny zniekształcający rozkład pola elektrycznego jak w przypadku napięcia stałego. Mamy więc gwarancję, że istniejące w izolacji wady zostaną wykryte, a jednocześnie nie powstaną nowe, spowodowane przeprowadzoną próbą napięciową. Zestawy probiercze napięcia cosinusoidalno-prostokątnego nie stwarzają problemów transportowych, mają niewielką masę i wymagają źródeł zasilania o nieznacznej mocy.

Układy probiercze napięcia cosinusoidalno-prostokątnego VLF 0,1 Hz stosuje się w zakresie do 60 kV wartości szczytowej napięcia probierczego oraz ograniczonej do około 1 μF pojemności obciążenia, co daje określone ograniczenie długości badanych linii kablowych. Zastosowanie tej metody probierczej w badaniach kabli zniszczonych przez drzewienie wodne nie daje jednoznacznych wyników, należy dodatkowo zastosować pomiary współczynnika stratności izolacji.

Próby napięciem stałym (DC)

Próby izolacji napięciem stałym (DC) mają wieloletnią tradycję w badaniach napięciowych linii kablowych, zwłaszcza kabli o izolacji tradycyjnej papierowo-olejowej. Metodyka tych prób, z uwagi na pozytywne dotychczasowe doświadczenia, została bezpośrednio przeniesiona do badań kabli i linii kablowych o izolacji polimerowej w okresie wprowadzania ich do eksploatacji i z uwagi na swoje zalety jest często stosowana aktualnie.

Podstawowym wskaźnikiem stanu izolacji, wyznaczanym przy napięciu stałym, jest jej rezystancja R_i. Duża wartość rezystancji R_i jest cechą charakterystyczną dobrego stanu izolacji. Wartość rezystancji izolacji papierowo-olejowej silnie zależy od stopnia jej zawilgocenia, temperatury, obecności lokalnych uszkodzeń oraz od wymiarów geometrycznych układu izolacyjnego. Rezystancja R_i jest funkcją czasu. Dlatego jako wskaźnik izolacji przyjmuje się wartość rezystancji R_i po upływie określonego czasu liczonego od momentu przyłożenia pomiarowego napięcia stałego, czasu, który jest niezbędny do zaniku zjawisk przejściowych – ładowania pojemności i polaryzacji dielektryka. Istotną wadą pomiarów rezystancji izolacji R_i jest jej zależność od wymiarów obiektu badanego, co utrudnia porównywanie wyników badań. Najczęściej aktualne wyniki pomiarów danego obiektu porównuje się z jego wynikami uzyskanymi wcześniej, np. w próbach odbiorczych na początku eksploatacji.

Drugą istotną informacją pozwalającą określić stan izolacji kabla jest wynik próby napięciowej przeprowadzonej w określonych warunkach, zdefiniowanych wartością napięcia i czasem trwania próby – przebicie lub brak przebicia izolacji. Schemat  typowego zespołu probierczego napięcia stałego pokazano na rysunku 7. Urządzenie zawiera zwykle autotransformator do regulacji napięcia zasilania transformatora probierczego, opornik ograniczający prąd pobierany z układu, jednopołówkowy układ prostowniczy z wykorzystaniem badanego kabla jako pojemności wygładzającej, układ do bezpośredniego pomiaru napięcia probierczego na badanym obiekcie oraz układ do pomiaru prądu upływu izolacji z odpowiednim zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym.

Prowadzenie prób napięciem stałym w kablach o izolacji polimerowej nie daje tak oczywistych wyników, jak w przypadku kabli o izolacji papierowo-olejowej. Głównie wynika to z powodu znacznie lepszych właściwości dielektrycznych materiałów izolacyjnych (duża wytrzymałość elektryczna, długie czasy relaksacji ładunku, lepsza odporność na działanie wilgoci). W wyniku badań stwierdzono, że w trakcie działania na izolację polimerową stałego napięcia, wokół wad (wtrącin gazowych, drzewek, itp.) istniejących w izolacji polimerowej tworzy się ładunek przestrzenny o określonym znaku. Wynikiem tego efektu jest znaczne zmniejszenie natężenia pola elektrycznego w obszarze wady w porównaniu z natężeniem pola elektrycznego występującym w tym miejscu bez ładunku przestrzennego. Natężenie pola elektrycznego oraz gęstość ładunku zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości od wady. Tworzenie się ładunku przestrzennego zmusza do zastosowania w próbie zwiększonego napięcia stałego – wada izolacji nie zostanie wykryta, jeżeli napięcie nie będzie wystarczająco duże.

Drugi problem pojawiający się w próbach izolacji polimerowej napięciem stałym wynika z bardzo długiego czasu relaksacji ładunku elektrycznego – ładunek może pozostawać w izolacji kabla nawet przez okres kilku miesięcy od momentu wyłączenia napięcia probierczego przeprowadzonej próby napięciowej. Jeżeli w takim stanie nastąpi w kablu zmiana biegunowości przyłożonego napięcia, to spowoduje to nagły wzrost natężenia pola elektrycznego między wadą a pozostałym w izolacji ładunkiem, co w konsekwencji może doprowadzić do przebicia izolacji kabla w rejonie wady – przebicia spowodowanego bardziej obecnością ładunku przestrzennego niż wadą. Zmiana biegunowości napięcia może wynikać na przykład z przyłożenia napięcia przemiennego lub pojawienia się przepięcia w wyniku przeskoku na głowicy.

Przedstawione w artykule problemy powodują, że badania napięciem stałym kabli o izolacji polimerowej nie są zalecane. Próby napięciem stałym należy przeprowadzać tylko wtedy, kiedy jest to absolutnie konieczne. Jeżeli jednak zdecydujemy się na takie badania, to powinniśmy zachować następujące zasady:

Podsumowując negatywną opinię o wykorzystaniu układów probierczych napięcia stałego w badaniach kabli o izolacji polimerowej, należy pamiętać, że pomiary prowadzi się napięciem, które jest całkowicie różne od napięcia pracy badanego systemu kablowego, a więc mamy do czynienia z innym rozkładem pola elektrycznego w izolacji – upływnościowym, a nie pojemnościowym jak przy napięciu przemiennym AC 50 Hz. W takich warunkach wytrzymałość elektryczna izolacji jest większa, a więc próby nie gwarantują wykrycia miejsc nawet o znacznie osłabionej wytrzymałości elektrycznej (wtrącin gazowych, nacięć, mikropęknięć, drzewek wodnych) bez wyraźnego zwiększenia wartości napięcia probier- czego. Napięcie stałe powoduje powstawanie w izolacji stosunkowo trwałych ładunków przestrzennych wokół istniejących wad, co może wywołać niepożądane przebicia kabla i osprzętu,

Mimo tych niewątpliwych negatywnych właściwości, układy probiercze wysokiego napięcia stałego są często stosowane z uwagi na wiele zalet, a więc przede wszystkim prostotę układu i jego małą masę, co zapewnia łatwą realizację prób i wygodny transport w każdych warunkach polowych. Niewielkie wymagania urządzeń co do mocy źródła zasilania dają możliwość badania długich odcinków linii kablowych. Aparatura probiercza napięcia stałego jest szczególnie przydatna do wykrywania zawilgocenia izolacji oraz wad izolacji związanych z przebiciem cieplnym, przy znacznie mniejszych kosztach inwestycyjnych w porównaniu z innymi układami probierczymi o podobnych parametrach napięciowych. Na koniec nie można pominąć faktu, że urządzenia DC są praktycznie niezastąpione w badaniach szczelności powłoki zewnętrznej kabla metodą sprawdzania jej wytrzymałości elektrycznej [1, 2].

Próby napięciem oscylującym (OWTS)

Uproszczony funkcjonalny schemat zespołu probierczego napięcia oscylującego OWTS (ang. Oscillating Wave Test System) pokazano na rysunku 8. Urządzenie zawiera typowy układ probierczy U_DC zasilający obwód oscylacyjny napięciem stałym o określonej biegunowości, specjalny półprzewodnikowy łącznik Ł_e o czasie zamykania krótszym niż 1 μs, bezrdzeniową cewkę o indukcyjności L tworzącą obwód oscylacyjny z pojemnością C_k badanego kabla K oraz układy do pomiaru wartości i wizualizacji napięcia probierczego oraz wyładowań niezupełnych rozwijających się w izolacji linii kablowej.

Zasadę działania układu można przedstawić następująco. W układzie napięcia zasilania dobieramy odpowiednią do warunków próby wartość napięcia stałego, którym ładujemy kabel K przez okres kilku sekund (<5 s). Następnie łącznikiem Ł_e przyłączamy cewkę bezrdzeniową L do kabla, tworząc tym samym obwód oscylacyjny LC_k o częstotliwości rezonansowej wyznaczonej zależnością (3).

W obwodzie rezonansowym stosuje się cewkę bezrdzeniową o dużej dobroci i tak dobranych parametrach, aby częstotliwość rezonansowa obwodu według zależności (3) mieściła się w przedziale 50…1000 Hz. Wypadkowa dobroć całego obwodu rezonansowego zależy również od rodzaju badanego kabla, a dokładnie od jego współczynnika strat dielektrycznych tgδ. Przy niskich wartościach współczynnika (np. przy izolacji polietylenowej) dobroć obwodu jest wysoka (30 - 100), a więc kabel zasilany jest słabo tłumionymi oscylacjami napięcia, trwającymi do 1 sekundy. W trakcie oscylacji napięcia w wadach istniejących w izolacji inicjowane są wyładowania niezupełne, podobnie jak przy napięciu przemiennym AC 50 Hz. Intensywność wyładowań niezupełnych można mierzyć odpowiednim układem pomiarowym.

Zastosowany w zespole OWTS układ do pomiaru wyładowań niezupełnych rozwijających się w badanym kablu zaprojektowano zgodnie z zaleceniami normy [12], rozszerzając jednak zakres pomiarowy typowego układu o możliwość lokalizacji wyładowań metodą reflektometrii z wykorzystaniem przetwornika analogowo-cyfrowego o częstotliwości próbkowania 100 MHz. W efekcie uzyskano bardzo wysoką czułość pomiaru wyładowań niezupełnych, nawet podczas badań kabli o długości kilku kilometrów [10]. Ponadto, układ pozwala na porównywanie uzyskanych wyników badań z informacjami zgromadzonymi w bazie danych obejmującej podobne konstrukcje linii kablowych.

Dla sprawdzenia możliwości pomiarowych układu OWTS przeprowadzono szereg testów porównując intensywność wyładowań niezupełnych mierzonych nową metodą oraz typowym układem AC 50 Hz na rzeczywistych liniach kablowych zawierających znane wcześniej wady w izolacji i osprzęcie kablowym [7, 10]. Stwierdzono brak znaczącej różnicy między obydwiema metodami pomiaru, a więc potwierdzono fakt, że warunki rozwoju wyładowań niezupełnych przy napięciu oscylującym są podobne do tych, jakie występują podczas pracy kabla przy napięciu o częstotliwości 50 Hz. Próby przeprowadzone metodą OWTS jednoznacznie wskazały również miejsca występowania wyładowań.

Podsumowując opis działania układu napięcia oscylującego należy zauważyć, że układ nie jest oczywiście urządzeniem do prowadzenia typowych prób wytrzymałości elektrycznej izolacji kabla napięciem probierczym wytrzymywanym, ale wykorzystując identyczne zjawiska wywołane obecnością wad w izolacji jak zjawiska przy próbach napięciem AC, praktycznie umożliwia zastąpienie prób napięciowych kabla próbą OWTS. Diagnostykę wyładowań niezupełnych metodą OWTS przeprowadza się przy rozkładzie pola elektrycznego analogicznym do rozkładu przy znamionowych warunkach pracy kabla oraz przy napięciu probierczym równym napięciu znamionowemu. Wyładowania niezupełne stwierdzone metodą OWTS są określone nie tylko co do intensywności, ale również zlokalizowane, a więc mogą zostać wskazane i wyeliminowane konkretne uszkodzenia układu izolacyjnego. Dodatkowo uzyskane wyniki pomiarów pozwalają na wyznaczenie pojemności kabla oraz wartości współczynnika tgδ badanego kabla na podstawie tłumienia amplitudy sinusoidalnego napięcia oscylującego. Czas przyłożenia napięcia probierczego do izolacji badanego kabla nie przekracza kilkuset milisekund, a więc nie powoduje to powstania w izolacji innych uszkodzeń niż istniejące przed próbą. I na koniec zalety praktyczne – aparatura OWTS ma niewielkie gabaryty i masę, kompaktową budowę przystosowaną do przenoszenia i wykonywania pomiarów terenowych, prostą obsługę oraz stosunkowo niskie koszty inwestycyjne.

Właściwe wykorzystanie układu probierczego OWTS w pomiarach eksploatacyjnych wiąże się z koniecznością prawidłowego wnioskowania – czy stwierdzona wada w izolacji jest istotna i kiedy nastąpi uszkodzenie badanej linii kablowej – aktualnie, wobec zaledwie 10 lat doświadczeń w stosowaniu metody, odpowiedź nie zawsze jest łatwa i jednoznaczna, a podjęte na podstawie badań decyzje wiążą się z określonym ryzykiem popełnienia błędu.

Podsumowanie

Każda próba napięciowa linii kablowej średniego napięcia o izolacji polimerowej powinna być właściwe zaplanowana pod względem doboru parametrów próby, czyli wartości napięcia, czasu trwania próby i rodzaju napięcia oraz przeprowadzona zgodnie z przyjętą metodyką badań i aktualnymi przepisami, w celu osiągnięcia oczekiwanych wyników badań. Istniejące w izolacji kabla wady powinny zostać wykryte, a jednocześnie nie powinny pojawić się nowe, spowodowane przeprowadzoną próbą napięciową.

Aktualnie w zakresie badań kabli i linii kablowych średniego napięcia znamionowego możemy stosować kilka układów wytwarzających napięcia probiercze o różnych przebiegach. Niektóre układy probiercze stosowane w próbach napięciowych pozwalają nie tylko sprawdzać wytrzymałość elektryczną izolacji kablowej napięciem probierczym o określonej wartości, ale również jednocześnie mierzyć intensywność wyładowań niezupełnych i lokalizować miejsce ich występowania oraz wartość współczynnika stratności izolacji.

Wybór układu probierczego i procedury pomiaru ma zasadnicze znaczenie dla oceny jakości linii. Wartość napięcia, jego przebieg i częstotliwość oraz czas przyłożenia do badanej izolacji mają istotny wpływ na wytrzymałość elektryczną układu izolacyjnego i wiążą się z możliwością uzyskania różnych wyników. Dokładna znajomość właściwości technicznych stosowanych układów do prób napięciowych oraz wiedza na temat, gdzie i w jakich warunkach można dany układ zastosować, mają zasadnicze znaczenie.

Literatura

1. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. Warszawa, PWN 1997.
2. Szczerski R.: Lokalizacja uszkodzeń kabli i wybrane badania eksploatacyjne linii kablowych. Warszawa, WNT 1999.
3. Rynkowski A.: Próby napięciowe linii kablowych PE, XLPE (DC, 50 Hz, 0,1 Hz) – podstawowe zalety i zagadnienia. VII Konf. Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe – KABEL 2000. Międzyzdroje 2000.
4. Schikarski P. i in.: Two Years of Experience with a Mobile Resonant Test System for Testing Medium and High Voltage Power Cables. 11th International Symposium on High Voltage Engineering, London, England, 23-27 August 1999, Publ. No. 467, vol. 5.
5. Reid R.: High Voltage VLF Test Equipment with Sinusoidal Waveform. Trans. and Distribution Conf., 1999 IEEE, vol. 1.
6. Gnerlich H..: Field Testing of HV Power Cables: Understanding VLF Testing. Electrical Insulation Magazine IEEE, September/October 1995, vol. 11.
7. Spyra F., Stępień J.: Diagnozowanie stanu izolacji kabli elektroenergetycznych średniego napięcia. IV Konferencja Elektroenergetyczne linie kablowe – Stan obecny, nowe techniki, PTPiREE, Piechowice 2003.
8. Colloca V. i in.: Comparison among Different Diagnostic Systems for Medium Voltage Cable Lines. CIRED 2001, 18-21 June 2001, Conf. Publ. No. 482, IEE 2001.
9. Olesz M.: Wpływ udarów łączeniowych na wytrzymałość długotrwałą izolacji polimerowej. Praca doktorska, Wydział Elektryczny PG, 1998.
10. Turner M.: A New Method for Diagnosis of Installed Medium Voltage Power Cables. Haefely Test AG, Tettex Division, Dietikon, Switzerland, 2000. www.haefely.com
11. Holboll J., Edin H.: PD-Detection vs. Loss Measurements at High Voltages with Variable Frequencies. 10th Int. Symposium on HV Engineering, Montreal, Canada, 1997.
12. PN-E-04700:1998 Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych. Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych.
13. PN-EN 60270:2003 Wysokonapięciowa technika probiercza. Pomiary wyładowań niezupełnych.
14. PN-EN 62230:2007 Kable i przewody elektryczne. Próba napięciowa kabla lub przewodu w przesuwie.
15. PN-E-06401-01:1990 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Osprzęt do kabli o napięciu znamionowym nieprzekraczającym 30 kV. Postanowienia ogólne.
16. PN-HD 620 S1:2002 Kable energetyczne o izolacji wytłaczanej na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36 (42) kV

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!