Испытание изоляции высоковольтного оборудования в условиях эксплуатации

Статья посвящена современным методам диагностики при техническом обслуживании по фактическому состоянию с целью выявления ослабленных участков для прогнозирования ремонтов и замены высоковольтного оборудования

При техническом обслуживании по фактическому состоянию (CBM – Condition Based Maintenance), основан-ном на прогнозировании запаса надежности, используются данные результатов проверки и контроля диагно-стических параметров электрооборудования через фиксированные интервалы времени. Эти интервалы выбираются по статистическим данным в соответствии с конкретной ситуацией и определенным типом электрооборудования. Преимущества такого подхода – оптимизация затрат на техническое облуживание и обеспечение высоких уровней надежности и безопасности.

Стратегии технического обслуживания

Для достижения оптимального баланса между затратами и эффективностью работы используются следующие стратегии технического обслуживания:

• Работа до возникновения отказа (техническое обслуживание на основе события);
• Запланированное техническое обслуживание по текущему состоянию, основанное на прогнозиро-вании запаса надежности (CBM);
• Обслуживание на основе планово-предупредительного принципа.

Деградация (старение) изоляции

Имеются несколько основных причин для деградации изоляции:

• Воздействие электрического напряжения (перенапряжение, удары молний, частичные разряды);
• Тепловое напряжение (условия нагрузки);
• Механическое усилие (вытягивание, изгиб, осадка фундамента);
• Химическая коррозия (воздействие воды, соли, масла и загазованности);
• Внешнее воздействие (загрязненная внешняя среда, доступ воды).

Старение изоляции, особенно вызываемое доступом воды, является постепенным процессом деградации, когда соответствующие факторы взаимодействуют друг с другом с образованием так называемых водяных древовид-ных структур в изоляции.

Стандарты на испытания высоковольтной изоляции

Разрушающие высоковольтные испытания оборудования на постоянном или переменном токе

Традиционные высоковольтные испытания изоляции на постоянном токе – простейший путь получения сведе-ний общего характера о состоянии изоляции. Такая проверка изоляции может выполняться в виде простейшего испытания по типу «годен/не годен».

Согласно новому европейскому документу по гармонизации стандартов CENELEC HD 620 S1 - 1996 для кабе-лей с синтетической изоляцией испытание на постоянном токе не должно использоваться применительно к пла-стиковой изоляции кабеля; а рекомендуется лишь испытание на переменном токе частотой 0,1 или 50 Гц. Ста-тистика результатов испытаний в условиях эксплуатации более чем 15000 кабелей с полиэтиленовой изоля-цией показала, что 68% от общего числа зарегистрированных отказов происходило в течение 12 минут, 89% - в течение 30 минут, 95% через 45 минут, 100% через 60 минут. Фактическое время испытания и напряжение могут определяться поставщиком и пользователем кабеля и зависят от стратегии испытания, кабельной систе-мы, состояния изоляции, а также выбранного метода испытания.

Неразрушающая диагностика оборудования – новая стратегия технического обслуживание по фактическому состоянию, основанная на прогнозировании запаса надежности (CBM)

Испытание сопротивления изоляции

Для проведения испытаний сопротивления изоляции используется источник постоянного тока. В этом случае определяется изменение тока утечки, что указывает на ухудшение характеристик или повреждение изоляции. В электроэнергетике, нефтехимической и других крупных отраслях промышленности диагностические испыта-ния изоляции обычно выполняются применительно к электродвигателям и генераторам в пределах от 500 до 5000 В.

Диагностическое испытание тока релаксации (IRC-испытание)

Неразрушающая диагностика кабеля с использованием IRC-анализа может предоставить важную информацию о старении и деградации полимерной изоляции.

Контроль тангенса угла потерь tg δ

Информация о величине tg δ позволяет оценить общее состояние кабеля независимо от его длины. Анализ ре-зультатов испытаний в условиях эксплуатации за последние 15 лет позволяет различать находящееся в эксплуатации оборудование с «небольшим», «умеренным» и «сильным» старением. Испытание на tg δ выявляет карбонизацию, ионизацию или корону при повышенном уровне напряжения. В случае пластиковой изоляции -измерение tg δ на сверхнизких частотах (СНЧ) является идеальным средством обнаружения участков деграда-ции, вызываемых водяными древовидными структурами.

Измерение частичных разрядов и обнаружение дефектов с помощью динамической рефлектометрии

Диагностика частичных разрядов является хорошо зарекомендовавшим себя методом неразрушающего испы-тания изоляции. При проведении лабораторных испытаний измерение частичного разряда является хорошо известным обычным испытанием. Требуемые при этом уровни частичного разряда зависят от типа объекта диагностики. В случае высоковольтных кабелей такие уровни находятся в диапазоне от нескольких до 100 нКл.

Для проверки в условиях эксплуатации точное значение уровня частичных разрядов менее важно по сравне-нию с положением (локализацией) их источника. Амплитуда частичных разрядов зависит от типа дефекта изо-ляции и расстояния, вызывающего затухание. Одним из наиболее важных индикаторов оценки состояния изоляции кабеля является уровень напряжения начала частичного разряда. Для локализации таких дефектов в кабелях используется классический метод динамической рефлектометрии.

Рис. 1. Установка для испытания кабеля с измерением частичного разряда и локализацией дефекта с использованием метода динамической рефлектометрии

Рис. 2: Калибровка при использовании метода частичных разрядов в соответствии с IEC 60270

Рис. 3: Сбор данных и локализация дефекта в кабеле на расстоянии 673,7 м методом динамической рефлектометрии

Практически наиболее эффективные процедуры диагностики

СНЧ измерения на частоте 0,1 Гц являются очень эффективным вследствие очень высокой скорости роста элек-трической древовидной структуры в месте дефекта. При этом для определения поврежденного участка изоля-ции с помощью СНЧ требуется очень незначительное время, что является существенным преимуществом по сравнению с испытаниями на частоте сети.

Длительность проведения испытания

Длительность проведения испытания и величина выдерживаемого напряжения являются наиболее важными параметрами при выполнении оценки состояния изоляции. Десять циклов испытаний на частоте 0,1 Гц занима-ют 100 секунд; этого времени, в основном, достаточно для анализа и локализации дефектов оборудования, связанных с частичными разрядами!

Разрушающее или неразрушающее испытание?

Напряжение до 1,7 Uo или 2,0 Uo может быть неразрушающим, если изоляция является все еще новой.

На таком уровне термин «диагностика» при проведении испытания в условиях эксплуатации использовался в течение последних 15 лет.

Метод СНЧ (VLF truesinus®) успешно использовался для оценки состояния изоляции кабелей с применением неразрушающей системы измерения tg δ и частичного разряда PD. При этом необходимо, чтобы СНЧ источник высокого напряжения не имел высших гармоник и имел чрезвычайно низкий уровень шума для получения до-стоверных результатов при выполнении измерения частичных разрядов в условиях эксплуатации. Метод ча-стичных разрядов в твердых диэлектриках является наиболее эффективным при обнаружении мест дефектов, особенно в муфтах и в концевых заделках!

Рекомендуемая последовательность при неразрушающих испытаниях высоковольтного оборудования

Высоковольтная диагностика на СНЧ, включая измерение тангенса дельта

Цель:

• Стратегическое планирование, создание базы данных для классификации оборудования по тангенсу дельта, как НОВОЕ, ПОВРЕЖДЕННОЕ или ДЕФЕКТНОЕ для планирования ремонта, замены или обновления;
• Техническое обслуживание и диагностическая проверка каждый год или с периодом в пять лет;
• Проверка рабочих характеристик после ремонта;
• Снятие с эксплуатации оборудования или системы, которая не может больше надежно эксплуати-роваться.

Процедура:

• Измерение тангенса дельта вплоть до 2Uo в виде 3 шагов по напряжению; Uo; 1,5Uo, 2Uo. Время проверки не должно превышать 10 минут.

Высоковольтное СНЧ испытание с измерением тангенса дельта и частичных разрядов

Цель:

• Проверка рабочих характеристик;
• Прогнозирование технического обслуживания;
• Уменьшение числа вынужденных простоев;
• Увеличение надежности системы;
• Стратегическое планирование; обнаружение опасных дефектов типа водяных древовидных струк-тур; плохих соединений, муфт или законцовок; пользователь подготавливается заменять муфты или секции кабеля.

Уровни испытательного напряжения в кабельных системах и сетях

• Диагностический уровень СНЧ напряжения: макс. 2Uo
• Уровень СНЧ напряжения испытания: макс. 3Uo

Процедура:

СНЧ испытания рекомендуются для проверки рабочих характеристик оборудования. Измерение тангенса дельта и частичных разрядов – до максимального уровня напряжения проверки 2Uo или 3Uo при 0,1 Гц в зави-симости от возраста изоляции. Запись значений тангенса дельта при Uo, 1,5Uo и 2Uo. Время (длительность) испытаний должно быть как можно меньше.

В случае более жестких требований к надежности пользователь может принять решение определять значения тангенса дельта и частичных разрядов при 3Uo с некоторым риском возможного пробоя во время процедуры испытания. При этом регистрируется уровень частичных разрядов и величина пКл при 3 Uo.

Заключение

За последние десять лет практика и режимы испытаний оборудования в условиях эксплуатации претерпели значительные изменения. Стала применяться аппаратура измерения тангенса угла потерь на СНЧ и частичных разрядов с использованием новых диагностических методов. Стали применяться новые критерии при испыта-ниях кабельных сетей, особенно, в случае твердых диэлектриков. Они требуют использования новой методоло-гии и новых процедур испытаний на основе СНЧ. Эти новые диагностические методы являются полезными инструментами для достижения общего повышения надежности сети. Стратегии, основывающиеся на примене-нии приоритетной структуры испытаний, будут снижать общую стоимость технического обслуживания, и по-вышать срок службы оборудования.

К другим статьям