Изпитване на кабели

Tъй като повредите по кабелите водят до финансови разходии и до прекъсвания на електрозахранването, са необходими технически средства за изпитване, с които да се проверява доколко кабелите и връзките са в добро състояние и да се открива навреме къде точно са неизправностите по тях.

Понякога силовите кабели дефектират скоро след въвеждането им в експлоатация, но обикновено повредите са свързани със стареенето на изолацията на кабели, които се използват от дълго време, а също и с муфите за тяхното свързване.

Тъй като много кабели са под земята, откриването на точното място и отстраняването на повредите по тях е истинско предизвикателство.

Затова са необходими диагностични изпитвания, които да осигурят надеждна информация за състоянието на изолацията на кабела и за оценка доколко тя е податлива на увреждане.

На теория най-добре е подобни изпитвания да се провеждат на мрежовата честота, за да се възпроизведат възможно най-точно нормалните условия на експлоатация на кабела. На практика обаче този подход е проблемен.

Кабелите представляват висококапацитивен товар за тестовото оборудване, което означава, че ако изпитването се прави на мрежова честота, ще е необходимо голямо количество реактивна енергия за зареждане на кабела.

За да се изпълни това изискване, тестовото оборудване трябва да е с големи размери и тежко, което го прави скъпо. Именно поради тази причина изпитването на кабели обикновено не се прави на мрежова честота.

Друга възможност е изпитването с постоянно напрежение, при което се ползват установки за тестване на изолацията на 1 или 5 kV. Подобни установки са малки, удобни и по-евтини.

Когато тестовете, направени с тях, са с подходяща продължителност – обикновено една минута – тези установки са много подходящи за провеждане на изпитвания, които са безразрушителни и дават възможност на място да се види състоянието на изолацията на кабелите.

Изпитванията с постоянно напрежение при тези не особено високи стойности, макар и да дават ориентация дали има или няма сериозни дефекти, не осигуряват достатъчно полезна информация относно общото износване и стареенето на изолацията.

Освен това този вид изпитвания не възпроизвеждат нормалните условия на експлоатация на кабела, съответно и разпределението на натоварването върху изолацията му не е същото, както при обичайната работа на мрежова честота.

За откриването на дефекти в изолацията може да са необходими изпитвания на по-високи напрежения – два или три пъти по-високи от работното напрежение на кабела. При това обаче съществуват сериозни опасения, че високоволтовите постояннотокови изпитвания могат ненужно да увредят тествания кабел.

Има доказателства, потвърждаващи тезата, че при този вид изпитвания в изолацията на кабелите от тип XLPE се създават предпоставки за образуването на дървовидни микроскопични пори, в които се задържа влага.

Изпитване на кабели при свръхниски честоти (СНЧ)
Дървовидните пори започват да се образуват след проникването на микроколичества водни пари в изолацията още при производството на кабела или при полагането му. Такива пори сами по себе си не водят до непосредствена повреда на кабела, но има опасност някоя от тях да продължи да се разраства, докато най-накрая стане токопроводима и се превърне в електрическо разклонение. Това може да доведе до утечки на ток и повреждане изолацията на кабела.

Тези проблеми са в основата на разработването на още един метод за изпитване на кабели – с използването на променливотоково напрежение със СНЧ. Изпитването на кабели със СНЧ е методика, която се прилага за кабелите за средно и високо напрежение.

Установките за СНЧ изпитвания имат предимството, че са с малки размери и тегло, а това ги прави особено удобни за работа в полеви условия, където транспортът и наличното пространство са проблем. Изпитванията на кабели със СНЧ са регламентирани в стандартите IEC 60502 (до 35 kV) и IEEE 400.2 (до 69 kV).

Изпитвания на СНЧ за издръжливост
Високоволтовите изпитвания за издръжливост се провеждат заедно с измерванията на частичния разряд през твърдите диелектрични части от структурата на кабела. Правят се още на етапа на производството за целите на качествения контрол на кабели от средно до свръхвисоко напрежение.

Изпитванията на СНЧ могат лесно да се извършват от електроразпределителното дружество без да е необходимо да се прибягва до специализирани услуги. Проведени са статистически изследвания, според които процентът на открити дефекти по кабела при този вид изпитвания варира от 0,2 до 4% - става дума за 30-минутните тестове, проведени при стойности на напрежението съгласно предписанията на стандарта IEEE 400.2.

Предписаните в стандарта стойности за изпитванията на СНЧ са такива, че при тях да не се повреди кабел с “добра” изолация, но същевременно са подбрани и така, че да влошат още повече съществуващите дефекти и кабелът да се повреди още на етапа на тестването, а не след като вече е въведен в експлоатация.

Обосновката за такъв подход е съвсем очевидна – повредата на кабела по време на изпитвания води до по-малко щети и намалява вероятността от непланирани отпадания на мрежовото захранване, в случай че такъв кабел е монтиран.

Изпитвания на СНЧ за оценка на ъгъла на диелектрични загуби (тангенс делта)
Кабелите за пренос на средно напрежение и всички елементи, участващи в монтажа им, са много съществена част от електроразпределителните мрежи. В тях се ползват изолационни материали с ниска относителна диелектрична проницаемост и ниски диелектрични загуби. Тези две характеристики на диелектрика обаче могат да се изменят със стареенето на кабела.

Диелектричните загуби могат да се оценят сравнително добре, тъй като те могат да нараснат многократно за времето, в което конкретният сегмент от електропреносната система е в експлоатация. При това често се наблюдава как те рязко нарастват на местата, в които са се образували дървовидни пори, задържащи влага.

Измерването на тангенс делта се прави за диагностична оценка на общото състояние на изолацията на кабела, който може да се представи с опростена еквивалентна схема, състояща се от два елемента – резистор и кондензатор. При подаване на напрежение общият ток, който протича, се състои от тока през резистора и тока през кондензатора.

Тангенс делта се дефинира като съотношението между тези две съставки на тока. Измерванията се правят докато кабелът е изключен от системата.

В практиката е удобно диелектричните характеристики да се измерват при СНЧ 0,1 Hz. От една страна, това дава възможност да се изработват източници с по-малки размери и с по-малка изходна мощност, а от друга – повишава чувствителността на резистивния компонент в диелектричните загуби.

Изпитвания на СНЧ за установяване на частични разряди
Източникът на СНЧ може да се ползва за натрупването на заряди в изолацията и по този начин да предизвика частични разряди от местата, в които тя е увредена. Тъй като подобно изпитване се прави докато кабелът не е включен в системата, тестовото напрежение може да се изменя, за да се установят стойностите, при които възникват и се гасят такива частични разряди.

Трябва да се отбележи, че различните дефекти могат да бъдат с различни характеристики в зависимост от средата и източника. Дори и при по-високи напрежения критериите за засичане на частични разряди и за точност на измерването им не са строго дефинирани и не зависят от конкретните измерени стойности. Затова и откриването на местата, от които се зараждат частичните заряди, на настоящия етап е по-важно от установяването на точните параметри на зарядите.

Самото откриване на такива дефекти е особено полезно, когато става дума за нови кабели, за които точният анализ на дефектите е може би от по-малко значение за крайното решение да се монтират или не. Всякакви дефекти при изграждането на нови инсталации трябва да бъдат отстранявани.

За системи, които са в експлоатация от по-дълго време, сериозността на проблема с частичните разряди може да се прецени като се съпоставят техните характеристики. За съжаление, няма обективна методика, по която само след едно измерване да се прецени доколко е сериозен този проблем.

Тенденция може да се установи само след многократни периодични измервания и затова е важно условията, при които те се правят, да бъдат внимателно контролирани и да бъдат повторяеми, за да се натрупа достоверна база от данни за сравнение.

Обичайните параметри на частичните разряди, които трябва да се следят, за да бъде анализът по-точен, са: стойностите на напрежението, при които те възникват и се гасят; видът на частичния разряд (вътрешен, повърхностен, коронен); интензитет на разряда (в mV/pC – миливолти/пикокулони); с каква честота се повтарят тези частични разряди; точните им места.

Установяване на точното място на повредата
Изпитванията, на които се подлага изолацията, помагат да се определи вероятността даден кабел да дефектира и се правят по-скоро с цел да се предотвратят или поне да се предвидят възможните повреди преди да са се случили, а не да се действа след това. Все пак кабелите се повреждат и когато това стане, най-важното е да се открие точното място на повредата по възможно най-бързия начин, а това може да е трудно, ако кабелът е заровен под земята.

Първо е желателно да се провери изолационното съпротивление между проводящите части и обвивката на кабела, като за целта обикновено се ползва килоомния обхват на специализиран измерител на съпротивлението на изолацията или на обикновен мултимер.

Така се установява дали това съпротивление е високо или ниско, което е ценна информация с оглед на избора на метод за приблизителното установяване на мястото на повредата. Използването на омметър, без да се прибягва до високоволтов тест на изолацията, предотвратява риска от допълнително влияние върху повредата и изменение на характера й, което би затруднило приблизителното локализиране на мястото.

На следващия етап се ползва рефлектометър във времевата област (РВО). Той също няма да повлияе върху повредата, но ако става дума за прекъсване или късо съединение, ще може да определи разстоянието до увреденото място. Тази операция понякога се нарича ехоимпулсен нисковолтов метод за установяване на местоположение.

Ако при повредата е измерено високо съпротивление на изолацията, трябва да се ползват алтернативни методи. Сред тях са т. нар. методи с отражение на дъгата, включващи генератор на високоволтови импулси, който подава такъв импулс по кабела и заедно с това ползва и ехоимпулсен сигнал.

Идеята е на мястото на повредата да се създаде дъга, която предизвиква временно късо съединение, което вече може да бъде засечено от РВО. Има и още методи, при които се ползва отражението на дъгата, импулсен ток или затихването на напрежението.

Накрая следва да се установи съвсем точното място на повредата. При най-разпространения метод, използван на този заключителен етап, се засичат акустични и електромагнитни сигнали, излъчени от зоната на повредата, докато по кабела се подават импулси от високоволтов импулсен генератор.

Изпитването на кабели с цел предвиждането и отстраняването на повредите по тях е задача от ключово значение за всички, свързани с разпределението на електроенергия. Налице е широк набор от методики и оборудване за ефективно провеждане на тези изпитвания. Но въпреки всичко, при изпитването на кабели трябва да се преодолеят сериозни предизвикателства.

Ето защо консултирането с експерти в областта е също толкова важна стъпка, колкото и изборът на тестовото оборудване, тъй като именно те ще помогнат при избора на най-подходящото оборудване за конкретния случай и ще дадат съвет как то да бъде използвано така, че да даде най-добри резултати.