Zastosowanie nowoczesnych metod wykonywania prób napięciowych i diagnozowanie stanu linii kablowych wysokiego napięcia

Przebicie może wystąpić wtedy, gdy lokalne natężenie pola elektrycznego w pewnym obszarze izolacji przekracza wartość wytrzymałości elektrycznej materiału izolacyjnego w tym obszarze lub izolacja ulegnie zdegradowaniu (zestarzeniu) do stanu, w którym nie wytrzymuje napięcia roboczego. Dlatego oprócz badań typu wykonywanych u wytwórcy, powinny być także wykonywane badania okresowe kabli w miejscu ich zainstalowania, składające się z prób napięciem wytrzymywanym oraz badań diagnostycznych, np. pomiaru intensywności wyładowań niezupełnych (wnz), co w efekcie zwiększa niezawodność eksploatacji linii kablowych [1–17].

Badania kabli w miejscu ich zainstalowania, zwane badaniami on-site, stosowane są w celu:

• sprawdzenia poprawności procesu układania linii kablowej,
• gotowości do eksploatacji i niezawodności działania.

Próby odbiorcze linii kablowej po jej ułożeniu lub po wykonaniu naprawy polegają na wykonaniu jednego z dwóch działań: 

• badania napięciem wytrzymywanym o wartości wyższej od znamionowej, przykładanym w czasie np. 1 godziny, lub
• rozruchu próbnego przy napięciu przemiennym znamionowym (1xU₀) utrzymywanym przez co najmniej 24 godziny.

W pierwszym przypadku zakłada się, że izolacja kabla wolnego od defektów i niezestarzonego może wytrzymać podwyższone napięcie probiercze bez przebicia. Jeżeli natomiast wewnątrz izolacji znajdują się osłabione miejsca lub defekty, to przebicie może wystąpić w czasie próby napięciem podwyższonym. Próba taka, znana też pod nazwą „niemonitorowanej próby wytrzymałości napięciowej”, nie zawsze wystarcza do stwierdzenia, czy w procesie produkcyjnym lub w trakcie układania kabli nie popełniono błędów, które mogą zaważyć na dalszej eksploatacji linii kablowej. Ponadto należy zauważyć, że:

• ponieważ przykładane napięcie probiercze powoduje wzrost natężenia pola elektrycznego w izolacji niż to, które występuje przy napięciu roboczym; próba taka może spowodować negatywne skutki w czasie dalszej eksploatacji kabli, nawet gdy w trakcie jej wykonywania nie dojdzie do przebicia elektrycznego izolacji,
• ponieważ czas trwania takiej próby jest przyjmowany dosyć dowolnie i wynosi na przykład jedną godzinę, nie można wykluczyć, że dla przykładu po 1 godzinie i 10 minutach przebicie by nie wystąpiło.

Stwierdzono na przykład, że po pozytywnym wyniku próby wykonanej napięciem „niemonitorowanym” opisanym powyżej, uszkodzenie kabli wystąpiło po kilku miesiącach od chwili przeprowadzenia badań [13, 14]. Stwierdzono także, że często powodem uszkodzenia były defekty powstałe w izolacji kabli i osprzętu. Dlatego w celu wykrycia wszystkich słabych miejsc występujących w kablach i osprzęcie, coraz częściej wykonywane są badania tak zwanym napięciem monitorowanym (rys. 2.). Badania takie składają się z próby napięciowej oraz dokonywanych w trakcie jej trwania dodatkowych badań diagnostycznych, polegających na przykład na pomiarze intensywności wyładowań niezupełnych. Ponadto, szczególnie w przypadku kabli już eksploatowanych, stosowanie napięć probierczych o podwyższonej wartości (większej niż U0) może mieć niekorzystny wpływ na pozostały „czas życia” linii kablowej. Dlatego wykonanie badań napięciem nieprzekraczającym wartości U0, ale połączone z możliwością stosowania bardzo czułych metod diagnostycznych, ma istotne znaczenie dla dalszej poprawnej pracy linii kablowej. Wykonanie takich badań w miejscu zainstalowania linii kablowej daje bardzo przydatne informacje, jeżeli można zastosować nowoczesną aparaturę badawczą charakteryzującą się następującymi cechami:

• niewielka waga i mobilność systemu pomiarowego,
• małe wymiary oraz możliwość uzyskania odpowiednio wysokiego napięcia probierczego,
• łatwość wykonania połączeń oraz krótki czas przygotowania układu probierczego,
• wymagana niewielka moc zasilania nawet do badania długich odcinków kabli,
• możliwość uzyskania dużej czułości urządzenia pomiarowego podczas badań wyładowań niezupełnych i współczynnika strat dielektrycznych.

W artykule opisano sposób wykonywania badań monitorowanym tłumionym napięciem sinusoidalnym DAC (ang. Damped AC Voltage). Opisano wymagania ogólne i podano przykłady praktycznego zastosowania systemu pomiarowego przedstawionego na rysunku 3.

Metody badań on-site napięciem przemiennym tłumionym DAC

Badania napięciem przemiennym tłumionym DAC mogą być stosowane jako próby napięciem wytrzymywanym, a także mogą być połączone z badaniem intensywności wyładowań niezupełnych (wnz) oraz współczynnika strat dielektrycznych tgd. Użycie napięcia DAC do badania kabli elektroenergetycznych wysokiego napięcia jest zgodne z następującymi międzynarodowymi normami:

• IEC 60060-3: High Voltage test techniques. Part 3: Definitions and requirements for on-site testing;
• IEEE 400: Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems;
• IEC 60840: Power cables with extruded insulation and the accessories for rated voltages above 30 kV up to 150 kV. Test methods and requirements,
• IEC 62067: Power cables with extruded insulation and the accessories for rated voltages above 150 kV. Test methods and requirements,
•  IEEE 400.3: Guide for PD Testing of Shielded Power Cable Systems in a Field Environment,
•  IEEE 400.4 Guide for Field-Testing of Shielded Power Cable Systems Rated 5 kV and Above with Damped Alternating Current Voltage (DAC) (draft under preparation),
•  IEC 60270: Partial discharges measurements,
•  IEC 885-3: Test methods for partial discharges measurements on lengths of extruded power cable,
•  IEC 60141: Tests on oil-filled and gas-pressure cables and their accessories.

Jak to uprzednio zilustrowano na rysunku 2., przewaga wynikająca ze stosowania napięcia DAC nad napięciem przemiennym AC (ang. Alternating Current) polega na połączeniu badań napięciem probierczym wytrzymywanym i jednoczesnym wykonaniu zaawansowanych badań dodatkowych, np. pomiaru intensywności wyładowań niezupełnych i współczynnika strat dielektrycznych. W badaniach napięciem probierczym wytrzymywanym, przykłada się określoną liczbę impulsów napięcia tłumionego DAC, jak to pokazano na rysunkach 4. i 5. Ze względu na krótszy czas działania napięcia i zanikający charakter jego przebiegu, wyniki badań mogą różnić się od rezultatów pomiarów wykonanych napięciem probierczym przemiennym ciągłym AC o częstotliwości technicznej 50/60 Hz.

Aby wytworzyć tłumione napięcia przemienne DAC o czasie trwania kilkudziesięciu okresów napięcia przemiennego AC i o częstotliwościach do kilkuset Hz, zaprojektowano i wykonano specjalny system pomiarowy, który opisano w [1, 2]. Układ ten jest używany do wykonywania badań kabli on-site (w miejscu ich zainstalowania). Ponadto użycie tego systemu pomiarowego ułatwia badanie wyładowań niezupełnych i lokalizację miejsca ich występowania w kablach elektroenergetycznych, zgodnie z zaleceniami normy IEC 60270 (rys. 6.). System składa się z komputerowo sterowanego zasilacza wysokiego napięcia, umożliwiającego ładowanie pojemności obciążenia o wartości nawet do 10 µF, jaką stanowi badany kabel elektroenergetyczny. Przy użyciu tej metody pojemność badanego kabla jest ładowana w czasie: 

z napięciem wzrastającym w czasie niezbędnym do osiągnięcia wartości założonego napięcia probierczego. Po uzyskaniu tego napięcia następuje zadziałanie specjalnie zaprojektowanego przełącznika, który włącza w obwód naładowanego kabla bezrdzeniową cewkę indukcyjną. Czas działania przełącznika jest krótszy od 1 ms. Rozpoczyna się wtedy rozładowanie pojemności kabla z wytworzeniem serii impulsów napięcia przemiennego AC o częstotliwości rezonansowej równej:

gdzie:

L – indukcyjność przyłączonej cewki powietrznej,

C_kabla – pojemność badanego kabla.

Schemat układu pokazano na rysunku 6. Bezrdzeniowa cewka charakteryzuje się małymi stratami własnymi, co powoduje powolne zanikanie napięcia, którym naładowano badany kabel, z wytworzeniem przebiegu o sinusoidalnym kształcie fali napięciowej AC. W trakcie trwania cykli napięcia przemiennego tłumionego inicjowane są wyładowania niezupełne w taki sam sposób, jak pojawiałyby się pod działaniem napięcia przemiennego o częstotliwości sieciowej 50 (60) Hz [12].próby napięciem wytrzymywanym tłumionym DAC

Można wyróżnić dwa rodzaje badań tego typu:

1. Niemonitorowany test napięciem DAC wytrzymywanym – badany kabel jest pobudzany wieloma przebiegami napięcia tłumionego DAC i wytrzymuje badania bez przebicia – górna linia niebieska na rysunku 7a i 7b. Celem wykonania zwykłego testu napięciem wytrzymywanym DAC jest spowodowanie przebicia izolacji w badanym kablu, jeśli istnieją w nim słabe punkty. Przebicie powstające w trakcie wykonywania próby napięciowej jest mniej uciążliwe dla właściciela linii i dla systemu zasilania, niż gdyby wystąpiło w czasie normalnej eksploatacji linii kablowej. Można w takim przypadku względnie łatwo wykonać naprawę uszkodzonego kabla. Jeśli przebicie wystąpi w czasie wykonywania próby – górna linia niebieska na rysunku 7c i 7d, należy dokonać lokalizacji miejsca uszkodzenia, naprawić kabel i wykonać ponowną próbę napięciową. Wynik takiego badania określa się jako DOBRY/ZŁY (rys. 2.).
2. Monitorowany test napięciem DAC wytrzymywanym – badany kabel jest pobudzany wieloma przebiegami napięcia tłumionego DAC i w trakcie tej próby dodatkowe parametry kabla są mierzone i użyte w celu określenia wyniku końcowego próby – linie kropkowane na rysunku 7., ilustrujące wyniki próby napięciowej i wyniki pomiaru wyładowań niezupełnych. Do tych dodatkowych parametrów pomiarowych należy najczęściej zaawansowane badanie intensywności wyładowań niezupełnych. Stabilny poziom badanych parametrów (np. wnz) może także być użyty do monitorowania wpływu wykonywanych badań na stan linii kablowej w czasie wykonywania próby napięciowej.

Dodatkowe informacje o stanie linii kablowej, jakie uzyskuje się w trakcie badań wykonywanych wytrzymywanym napięciem DAC w połączeniu z pomiarem intensywności wyładowań niezupełnych, pozwalają uzyskać poszerzoną wiedzę o stanie izolacji linii kablowej. Dla wszystkich rodzajów wykonywanych badań należy tak dobrać poziom napięcia probierczego i liczbę impulsów napięcia DAC, aby były zgodne z przeznaczeniem testu. Biorąc pod uwagę jakość i niezawodność pracy linii kablowej, należy rozważyć dwa aspekty wykonywanych badań i opracowania wyników pomiarów:

1. parametry próby napięciem probierczym DAC powinny być dobrane w taki sposób, aby zapobiec lub zminimalizować ewentualne skrócenie „czasu życia” linii kablowej na skutek wykonywanych badań. W przypadku prób napięciem wytrzymywanym tylko wysoki poziom zdefektowania izolacji może spowodować przebicie lub przekroczyć dopuszczalny poziom badanej wielkości (np. wyładowań niezupełnych),
2. poziom napięcia probierczego, liczba pobudzeń i czas trwania napięcia DAC są istotnymi parametrami wykonywanych badań i wpływają na późniejszą eksploatację linii kablowej. Zalecane wartości napięcia probierczego i czasy wykonywania prób napięciowych zostały ustalone na podstawie wieloletnich doświadczeń uzyskanych przez wielu użytkowników systemu DAC. Dowolne zwiększanie napięcia lub wydłużanie czasu badania ponad zalecane wartości może zwiększyć prawdopodobieństwo wcześniejszego uszkodzenia linii w trakcie jej eksploatacji.

Przykłady wykonanych badań

Tłumione napięcie przemienne DAC stosowane jest od około dziesięciu lat do prób i diagnostyki kabli elektroenergetycznych na napięcie robocze do 230 kV [5, 8, 9]. Poniżej omówiono trzy przypadki badań, w których zastosowano system pomiarowy do prób napięciem DAC, zwanym też tłumionym napięciem przemiennym monitorowanym (z pomiarem intensywności wyładowań niezupełnych).

Przykład nr 1: Badano nowo zainstalowaną linię kablową o długości 3,5 km, na napięcie robocze 64/110 kV, ułożoną kablami o izolacji z polietylenu usieciowanego XLPE. Testy wykonano na podstawie zaleceń normy IEC 60840, która wymaga wykonania prób wytrzymałości elektrycznej napięciem sinusoidalnym przemiennym AC o wartości do 2ΧU₀. Następnie zdecydowano o wykonaniu próby napięciem wytrzymywanym monitorowanym (z pomiarem intensywności wyładowań niezupełnych) przy użyciu układu rezonansowego DAC wytwarzającego tłumione napięcie przemienne o częstotliwości 25–200 Hz. Czas trwania próby przyjęto równy jednej godzinie, a napięcie probiercze miało wartość 2xU₀. W czasie trwania próby napięciem wytrzymywanym badano intensywność wyładowań niezupełnych. W trakcie tej jednogodzinnej próby nie wystąpiło przebicie izolacji kabli (rys. 8–10). Nie zostały również zarejestrowane występowania wyładowań niezupełnych wewnątrz izolacji kabli, a obserwowano tylko wyładowania ulotowe. W wyniku wykonanych pomiarów stwierdzono, że badana linia kablowa jest wolna od wyładowań niezupełnych własnych do napięcia 1,7xU₀, a poziom zakłóceń zewnętrznych był mniejszy od 25 pC przy napięciu 1χU₀. Końcowy wynik testu można przyjąć za pozytywny.

Przykład nr 2: Nowo zainstalowaną linię kablową XLPE o długości 13,35 km i napięciu roboczym 220 kV badano przy użyciu układu probierczego rezonansowego DAC wytwarzającego w trakcie próby napięcie probiercze o wartości do 1,3xU₀ i częstotliwości 49 Hz – rysunki 11–13. Zdecydowano o wykonaniu próby napięciem monitorowanym, to znaczy z jednoczesnym pomiarem intensywności wyładowań niezupełnych. W trakcie wykonywania tej próby, już podczas podnoszenia napięcia, począwszy od wartości 0,2xU₀ obserwowano pojawienie się wnz w kablu fazy L1. Dalsze podnoszenie napięcia probierczego powodowało wzrost intensywności wyładowań niezupełnych, a przy napięciu o wartości równej 0,4xU0 nastąpiło przebicie izolacji. Zlokalizowanie miejsca występowania wnz w linii kablowej pozwoliło stwierdzić, że obecność wyładowań spowodowała przebicie kabla w odległości 5,16 km od jego początku. Efektem testów przeprowadzonych przy użyciu napięcia przemiennego tłumionego DAC było potwierdzenie przydatności prób tego typu w badaniach odbiorczych linii kablowej po jej zainstalowaniu. W miejscu występowania defektu powstawały wnz zanim jeszcze doszło do przebicia elektrycznego izolacji kabla, a za pomocą systemu TDR (ang. Time Domain Reflectometer – reflektometr działający w dziedzinie czasu) można było określić miejsce wystąpienia uszkodzenia. Kable pozostałych dwóch faz badanej linii kablowej przeszły testy odbiorcze z wynikiem pozytywnym. Nie zaobserwowano w izolacji tych kabli występowania wyładowań niezupełnych, ani nie doszło do ich przebicia elektrycznego.

Przykład nr 3: Badania okresowe wykonano dla linii kablowej będącej w eksploatacji od 30 lat. Linia na napięcie robocze 66 kV zbudowana jest z kabli o izolacji XLPE i ma długość 2,2 km (rys. 14–16). W czasie próby napięciowej, począwszy od napięcia o wartości 1,1xU₀, obserwowano pojawienie się wyładowań niezupełnych o intensywności (ładunku pozornym) do 100 pC w jednej z muf kablowych. Po zwiększeniu napięcia probierczego tłumionego DAC do wartości 1,5xU₀ zaobserwowano obecność wnz w trzech mufach. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że dalsza eksploatacja tej linii kablowej wiąże się z ryzykiem jej uszkodzenia w czasie normalnej pracy. Ze względu na fakt, iż napięcie początkowe wyładowań niezupełnych PDIV (ang. Partial Discharge Inception Voltage) jest niewiele wyższe od napięcia roboczego U₀, a ewentualne przepięcia pojawiające się w linii kablowej mogą spowodować zapłon wyładowań oraz wzrost ich intensywności, co może doprowadzić do przebicia elektrycznego, zalecono wymianę jednej z muf kablowych lub wykonanie powtórnych badań po około sześciu miesiącach w celu sprawdzenia, czy zachodzący w tym czasie proces degradacji izolacji mufy spowodował zwiększenie poziomu wnz.

Wnioski

Na podstawie opisanych powyżej badań można stwierdzić, że:

1. Zgodnie z najnowszymi doniesieniami, próby napięciem monitorowanym są coraz powszechniej stosowane do badania kabli elektroenergetycznych wysokiego napięcia. Badanie parametrów wyładowań niezupełnych pomaga w wykrywaniu i lokalizowaniu defektów występujących w izolacji kabli i osprzętu kablowego.
2. Badania napięciowe wykonywane tłumionym napięciem probierczym przemiennym DAC mogą być stosowane jako alternatywne do prób wykonywanych tradycyjnym napięciem przemiennym AC o częstotliwości 50 (60) Hz.
3. Porównując wyniki badań napięciem przemiennym AC niemonitorowanym z rezultatami prób uzyskanymi przy użyciu napięcia tłumionego DAC monitorowanego (z jednoczesnym pomiarem wyładowań niezupełnych), można stwierdzić, że w przypadku występowania niejednorodnych defektów izolacji, próby napięciem DAC powodują mniejsze uszkodzenia izolacji kabli elektroenergetycznych i osprzętu w przypadku wystąpienia przebicia, a ponadto, jako bardziej czułe, pozwalają łatwiej wykryć i zlokalizować defekty powodujące powstanie wyładowań niezupełnych.

Literatura

1. Aucourt C., Boone W., Kalkner, W., Naybour R.D. Ombello, F., Recommendations for a New After Laying Test Method for High Voltage Extruded Cable Systems, CIGRE, August, 1990, Paper No. 21-105
2. Seitz P.P., Quak B., Gulski E., Smit J.J., Cichecki P., de Vries P., Petzold F., Novel Method for On-site Testing and Diagnosis of Transmission Cables up to 250 kV, Proceedings JiCable '07, 7th International Conference on Insulated Power Cables, Versailles, France, 2007, Paper 16
3. Wester F.J., Gulski E., Smit J.J., Detection of PD at Different AC Voltage Stresses in Power Cables, IEEE Electr. Insul. Mag., Vol. 23, No.4, 2007, 28-43
4. Gulski E., Lemke E., Gamlin M., Gockenbach E., Hauschild W., Pultrum E., Experiences in partial discharge detection of distribution power cable systems, CIGRE, Electra, Vol 208, 2003, 34-43
5. Gulski E., Cichecki P., Groot E.R.S, Smit J.J., de Vries F., Slangen J., Groot E.R.S., Pellis J., van Houwelingen D., Hermans T.J.W.H., Wegbrands B., Lamballais L., Conditon Assessment of Service Aged HV Power Cables, CIGRE, 2008, Paper D1-206
6. Popma J., Pellis J., Diagnostics for high voltage cable systems, Proceedings ERA Conference on HV Plant Life Extension, Belgium, 23-24 November 2000.
7. Densley J., Ageing Mechanisms and Diagnostics for Power Cables – An Overview, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 17 No. 1, Jan/Feb 2001, 14-21,
8. Gulski E., Wester E.F.J., Wester P., Groot E.R.S., van Doeland J.W., Condition assessment of high voltage power cables. Proceedings CIGRE 2004 Session, paper D1-103.
9. Gulski E., Smit J.J., Cichecki P., Seitz P.P., Quak B., de Vries F., Petzold F., Insulation Diagnosis of HV Power Cables, Proceedings JiCable'07, 7th International Conference on Insulated Power Cables, France, Versailles, June 2007, paper 51.
10. Gulski E., Cichecki P., Smit J.J., de Vries F., Bodega R., Hermans T., Seitz P.P., Dielectric loss diagnosis of service aged HV power cables, Proceedings of CIGRE D1 Colloquium, Budapest Hungary, 2009
11. Cichecki P., Jongen R.A., Gulski E., Smit J.J., Statistical approach in power cables diagnostic data analysis, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 15(6), 2008, 1559-1569
12. Gulski E., Cichecki P., Wester F.J., Smit J.J., Bodega R., Hermans T.J.W.H., Seitz P.P., Quak B., de Vries F., On-site testing and PD diagnosis of high voltage power cables, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008
13. Gulski E., Cichecki P., Jiankang Z., Rong X., Jongen R., Seitz P.P., Porsche A., Huang L., Practical aspects of on-site testing and diagnosis of transmission power cables in China, CMD2010
14. CIGRE Technical Brochure 502 On-site testing and PD measurements
15. Gulski E., Patterson R., Importance of On-site Testing and Diagnosis of Power Cables, NETA PowerTest 2011 Conference, Washington DC, USA
16. Rakowska A., Noske S., Siodła K., Partial Discharge Measurements as a Data Source Supporting Power Cable Network Management, Proceedings International Conference CIRED 2009, Prague, Czech Republic, 8-11.06.2009, paper 492
17. Gulski E., Rakowska A., Siodła K., Nowoczesne metody wykonywania prób napięciowych i diagnozowania stanu linii kablowych wysokiego napięcia, Materiały Konferencji Elektroenergetyczne linie kablowe. Stan obecny, nowe techniki, PTPiREE, Łódź, 4-5.10.2011, artykuł 3/1

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!