Частичные разряды в кабелях с СПЭ-изоляцией и маслонаполненной изоляцией ⚡

1. Природа и причины возникновения частичных разрядов (ЧР)🔋

Частичный разряд (ЧР) – это локальный диэлектрический пробой участка изоляции под высоким напряжением, не приводящий к сквозному пробою всего промежутка. Иными словами, ЧР возникает, когда электрическое поле в микроскопической области превышает прочность изоляции в этой области, вызывая разряд, который шунтирует лишь часть толщины изоляции. В кабелях ЧР обычно проявляются в местах концентрации напряжения: внутри пустот и дефектов твердого диэлектрика или в газовых пузырьках внутри жидкой изоляции.

В кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, англ. XLPE) основными причинами ЧР служат внутренние дефекты изоляционного материала и неоднородности электрического поля. СПЭ-изоляция изготавливается экструзией и последующей сшивкой, и даже при высоком уровне технологии в объеме изоляции могут остаться микропустоты или включения (например, пылинки, остаточные газовые пузырьки, микропористости). Внутри такой пустоты относительная диэлектрическая проницаемость гораздо ниже, чем у окружающего полиэтилена (у воздуха ε ~ 1, у СПЭ ε ~ 2.3), поэтому электрическое поле в ней возрастает примерно в 2–3 раза; кроме того, прочность воздуха ниже прочности твердого диэлектрика примерно в 10 раз. В результате при рабочем напряжении в пустоте может происходить пробой газа – внутренний частичный разряд. Одновременно поверхность пустоты подвергается бомбардировке ионизированным газом и электронами, что ведет к эрозии полимера. Со временем из небольшого дефекта может развиться электрическое дерево – разветвленная проводящая микротрещина, распространяющаяся через изоляцию кабеля. Электрические деревья зачастую инициируются в результате многократных ЧР и являются предвестниками пробоя изоляции.

Другой механизм деградации СПЭ – водяное древообразование. При длительном воздействии влаги и электрического поля в полиэтиленовой изоляции могут образовываться «водяные деревья» – микроскопические гидратированные каналы, медленно растущие от точки напряжения к земле под воздействием переменного напряжения Сами по себе водяные деревья не являются ЧР, но они понижают локальную прочность изоляции. При достаточно развитом водяном древе или при импульсных перенапряжениях (например, от грозы) водяное дерево может преобразоваться в электрическое дерево с возникновением частичных разрядов на кончике трещины. Поэтому попадание влаги в кабели СПЭ (через повреждения оболочки, некачественные муфты) является одной из частых причин снижения их надежности.

Кабели с маслонаполненной бумажной изоляцией (МИ или PILC) менее подвержены частичным разрядам при нормальной эксплуатации, благодаря пропитке изоляции минеральным маслом. Слоистая бумажная изоляция, пропитанная вязким маслом, имеет способность заполнять микропустоты: масло под давлением проникает в поры между слоями бумаги. Даже если небольшой дефект или пустота возникает, масло может со временем заполнить этот объем, подавляя развитие ЧР. Тем не менее, в старых кабелях возможны газовые полости – например, при частичной утечке масла, его высыхании или разложении (образование газовых пузырей водорода и метана при перегреве). ЧР в маслонаполненной изоляции обычно возникают в газовых включениях внутри масла или в неплотностях бумажной изоляции. Особенностью маслонаполненных систем является то, что масло может действовать как дугогасящая среда: небольшие разряды могут сразу гаснуть, не нанося значительного ущерба бумаге. Однако повторяющиеся ЧР постепенно разрушают целлюлозу и обугливают бумагу, образуя проводящую дорожку в изоляции.

Основные факторы, провоцирующие ЧР в кабельной изоляции:

• Внутренние дефекты и неоднородности в изоляции. Пустоты, пористость, инородные включения в СПЭ или бумаге – ключевые причины возникновения внутренних ЧР. Острые выступы на проводнике или экране, неплавные переходы материалов (например, плохо обработанный край экрана) приводят к концентрации поля и могут инициировать разряд даже без пустоты.
• Влажность и контаминанты. Вода в полиэтиленовой изоляции вызывает водяное древообразование и последующее зарождение ЧР Загрязнения или влажность на поверхности изоляции (например, в муфте или на вводе) могут приводить к поверхностным разрядам по изоляционным поверхностям.
• Температурные воздействия и старение. Резкие перепады температуры, перегрев кабеля ускоряют образование дефектов: тепловое расширение может создавать микро-зазоры между слоями изоляции или между изоляцией и проводником. Длительное термическое старение СПЭ вызывает образование полярных радикалов и снижение прочности, повышая склонность к ЧР.
• Механические напряжения. Изгибы кабеля, вибрация, удары по кабелю или муфте способны нарушить целостность изоляции. Например, вибрация может приводить к трению между слоями изоляции, образуя потертости и пустоты. В практике зафиксированы случаи, когда подводной кабель бился о опору – механическое воздействие повредило изоляцию и привело к возникновению ЧР.
• Ошибки монтажа аксессуаров. Кабельные соединительные и концевые муфты содержат сложную многослойную изоляционную конструкцию, требующую тщательного соблюдения технологий при монтаже. Незаполненные полости (например, отсутствие достаточного количества герметика или мастики), неполное удаление внешнего полупроводящего экрана на конце СПЭ-кабеля, грязь или влажность в муфте – все это создает условия для ЧР. Такие локальные дефекты в области муфты особенно опасны, так как там поля наиболее высоки.

Таким образом, СПЭ-кабели в большей степени подвержены внутренним ЧР из-за твердой структуры изоляции и невозможности самозалечивания дефектов. Маслонаполненные кабели более толерантны к ЧР: пропитка маслом частично компенсирует наличие пустот. Однако при развитии дефектов (утечка масла, потеря давления, высыхание) и в них могут возникать опасные разряды. Следует отметить, что современные СПЭ-кабели изготавливаются с напряжением дизайна без ЧР (Discharge Free) – на заводе проводится испытание, подтверждающее отсутствие ЧР при определенном повышенном напряжении (обычно критерий – разряд < 5 пКл). Это достигается за счет чистоты материалов и специальных технологических приемов (глубокого вакуума при экструзии, дегазации изоляции). Тем не менее полностью исключить зарождение ЧР в эксплуатации невозможно, поэтому важно понимать их влияние и уметь их контролировать.

2. Влияние ЧР на долговечность и надежность кабелей🔎

Частичные разряды являются основной причиной деградации изоляции высоковольтных кабелей в долгосрочной перспективе. Хотя каждый отдельный микроразряд высвобождает малую энергию, их совокупное действие приводит к постепенному разрушению диэлектрика – как эрозионному, химическому, так и электрохимическому. В местах, где происходят ЧР, изоляция подвергается бомбардировке ионами, ультрафиолетовому излучению, локальному нагреву и образованию агрессивных продуктов (озона, окислов). Со временем это вызывает образование проводящих каналов (углеродизация треков) и рост электрических деревьев, что приближает полный пробой

Для СПЭ-кабелей влияние ЧР особенно критично. Полимерная изоляция имеет низкую стойкость к длительному действию разрядов, поэтому даже слабые ЧР со временем могут привести к аварии. Как показывают исследования, PD-активность в XLPE-кабеле обычно свидетельствует о серьезном дефекте и быстром ухудшении состояния. Статистический анализ показал, что после появления первых признаков ЧР в кабеле с СПЭ среднее время до отказа может составлять всего порядка 2 месяцев (вероятность отказа 50% через ~60 дней). Если же система мониторинга фиксирует высокую интенсивность ЧР (предупреждение высокого уровня, например системой Smart Cable Guard), то время до пробоя сокращается до нескольких дней (порядка 10 дней). Это означает, что возникновение активных частичных разрядов в СПЭ-изоляции – критический индикатор быстрого приближения аварии, и без вмешательства кабель с большой вероятностью выйдет из строя в ближайшее время.

В противоположность этому, бумажно-масляные кабели (PILC) способны длительно работать при наличии слабых ЧР. Частичные разряды такого же уровня, которые в СПЭ вызвали бы быструю потерю прочности, в маслонаполненной изоляции развиваются медленнее. Статистика показывает, что от начала PD-активности в PILC-кабеле до отказа может пройти годы (в среднем около 16 лет), то есть дефект прогрессирует значительно медленнее. Масло смягчает воздействие разрядов, постоянно заполняя новые микротрещины, а также отводя тепло. Однако это не означает, что ЧР безопасны для маслонаполненных кабелей: просто деградация растянута во времени. Если дефект не устранен, со временем разряды обугливают бумагу и образуют каналы, что в итоге также приводит к пробою. Например, в пилотном проекте мониторинга PILC-кабелей отмечалось, что сначала ЧР фиксируются как слабые (несколько пКл), но затем могут внезапно перейти в сильные разряды с лавинообразным ростом до пробоя. Таким образом, PD-нагруженность сокращает ресурс и для бумажных кабелей, хотя и не столь резко, как для СПЭ.

Важно отметить, что сам факт наличия ЧР не всегда означает немедленный отказ. Если разряды имеют очень малую интенсивность (низкий кажущийся заряд и низкую частоту событий), то изоляционная система может продолжать выполнять свои функции весь расчетный срок службы. В высоковольтном оборудовании почти всегда присутствуют некоторый уровень фоновых ЧР, особенно при близких к предельным напряжениях, но низкоинтенсивные разряды не наносят существенного ущерба. Однако повышенная интенсивность ЧР ускоряет старение экспоненциально: при достижении определенного порога разряды переходят в стадию развития электрического дерева, после чего разрушение изоляции прогрессирует быстро. Поэтому в практике надежности вводят понятие допустимого уровня ЧР (например, по величине кажущегося заряда в пКл) – превышение этого уровня сигнализирует о том, что изоляция работает в недопустимом режиме и может выйти из строя задолго до конца своего проектного срока.

Влияние ЧР на надежность кабельной линии проявляется в повышенном риске аварийного отключения. При продолжительном действии частичных разрядов происходит снижение пробивного напряжения изоляции, то есть уменьшается запас прочности при переходных перенапряжениях. Кабель с активно развивающимися ЧР может не выдержать, например, следующего импульса от грозового перенапряжения или коммутационного броска – произойдет пробой в ослабленном месте. Кроме того, продукты разрядов (например, окислы азота от разряда в воздухе, кислоты при разложении бумаги, водород при разряде в масле) могут приводить к коррозии экранов и оболочек кабеля изнутри, создавая вторичные повреждения (нарушение герметичности и т.д.). В результате частичные разряды, если их не выявить и не устранить причину, существенно снижают долговечность кабеля и увеличивают вероятность внезапного выхода из строя.

Влияние ЧР на долговечность подтверждается эмпирическими данными диагностики. При мониторинге кабельных линий обнаружено, что наличие даже малых ЧР – фактор, сокращающий ожидаемый срок службы. Например, по данным DNV GL для сетей 6–10 кВ: если в кабеле XLPE обнаружены ЧР, без вмешательства вероятность отказа в течение года резко возрастает, тогда как кабели без PD-активности обычно работают надежно. Это привело к пониманию, что раннее обнаружение ЧР – ключ к предотвращению аварий. Современные стратегии технического обслуживания высоковольтных кабелей все чаще включают регулярную проверку или непрерывный мониторинг ЧР как индикатора состояния изоляции.

3. Методы диагностики и мониторинга ЧР

Диагностика частичных разрядов в кабелях осуществляется как в offline-режиме (при отключенном оборудовании), так и в online-режиме (на работающем под нагрузкой кабеле). Цель диагностики – выявить наличие ЧР, оценить их интенсивность, распознать тип дефекта и при возможности определить местоположение дефекта в кабеле или муфте. Существует широкий спектр методов и оборудования для регистрации ЧР, опирающихся на различные физические проявления разряда – электрические импульсы, электромагнитное излучение, акустические волны и т.д.. Ниже рассмотрены основные подходы.

Offline-методы (испытания с измерением ЧР). Проводятся на выведенной из работы кабельной линии, обычно при повышенном испытательном напряжении. Например, после монтажа новой кабельной линии с СПЭ-изоляцией часто выполняют испытание напряжением 0.1 Гц (VLF) с одновременным измерением частичных разрядов. К кабелю подключается высоковольтный генератор, а на противоположном конце и/или на заземлении устанавливаются датчики ЧР – емкостные или токовые, регистрирующие импульсы тока разряда. Согласно IEC 60270, измеряется кажущийся заряд разряда в пикокулонах. Если при определенном испытательном напряжении уровень ЧР превышает допустимый (например, >5 пКл), кабель не проходит испытание. Offline-методы хороши тем, что позволяют создать контролируемые условия (задавая необходимое напряжение, отфильтровывая внешние помехи) и полностью снять разрядные сигналы без нагрузки. С их помощью выявляют дефекты при приемке и ремонте кабелей. Однако недостатки офлайн-диагностики – необходимость отключения кабеля и возможность пропустить кратковременно возникающие в реальных условиях дефекты (например, появление ЧР при определенной влажности или нагрузке, что может не воспроизводиться на испытании).

Online-методы (непрерывный мониторинг). В режиме реального времени кабель находится под рабочим напряжением, и система датчиков непрерывно или периодически контролирует ЧР без вывода кабеля из эксплуатации. Это особенно актуально для кабелей с СПЭ-изоляцией, где дефекты развиваются быстро и периодические (раз в год) проверки малоэффективны. Online-мониторинг позволяет зафиксировать зарождение ЧР в момент их появления и отследить динамику развития. Для этого на кабельную линию устанавливаются первичные датчики ЧР, как правило, высокочувствительные и широкополосные, способные уловить слабые импульсные сигналы на фоне рабочих токов и помех. Сигналы с датчиков поступают на регистратор, обрабатываются и сохраняются. Современные системы могут передавать данные по связи и выдавать предупреждения при росте активности ЧР сверх порогов. Пример – система Smart Cable Guard (SCG), разработанная KEMA (DNV GL): она подключается через индуктивные датчики на землю кабеля, непрерывно фиксирует импульсы ЧР и с помощью специальных алгоритмов локализует место разряда по времени прихода прямых и отраженных импульсов. В случае превышения порогов SCG выдает предупреждения различного уровня, позволяя оперативно реагировать до наступления отказа. Подобные системы (например, Omicron PDM, Dimrus CDM, Eaton PowerXpert, HVPD Kronos и др.) всё шире применяются для ценных кабельных линий.

Датчики и измерительное оборудование. В зависимости от контролируемого диапазона частот и объекта контроля применяются различные типы датчиков:

• Высокочастотные токовые трансформаторы (HFCT). Являются одними из самых распространенных датчиков для кабелей. Представляют собой разъемный тороид (катушку) на заземляющем проводнике кабеля или на оболочке. HFCT индуктивно улавливает быстрые импульсы тока, стекающие в землю при ЧР в кабеле или муфте. Обладает высокой чувствительностью и широкой полосой (до десятков МГц), прост в установке (не требует отключения – надевается на заземление). HFCT эффективен для онлайн-мониторинга: охватывает значительную длину кабеля (до нескольких километров), фиксируя импульсы ЧР, распространяющиеся по земле. Пример – датчики SCG или портативные HFCT от Megger, Omicron и др. Недостаток – требует калибровки для количественной оценки заряда, также чувствителен ко внешним электромагнитным помехам, требуя фильтрации сигналов.
• Емкостные датчики (капацитивные связующие). Включаются параллельно объекту, обычно подключаясь непосредственно к токопроводящей жиле или через измерительный отвод. Это могут быть специальные разделительные конденсаторы или встроенные емкостные делители. Емкостный датчик снимает напряжение импульса ЧР, появляющегося на жиле относительно земли. Он обеспечивает очень высокую достоверность измерения (прямой сигнал с проводника) и синхронизацию по фазе напряжения. Такие датчики используются либо при офлайн-испытаниях (временная установка на открытый конец кабеля), либо монтируются стационарно в кабельных муфтах/оконцеваниях для постоянного мониторинга. Минус – сложность установки (нужен доступ к жиле, что не всегда возможно на действующей линии) и вопросы безопасности при онлайн установке.
• Ультразвуковые акустические датчики. Используются для улавливания звуковых волн высокой частоты, которые излучаются разрядом. Обычно это пьезоэлектрические датчики (часто магнитно крепящиеся к металлоконструкции) или ультразвуковые микрофоны. Их преимущество – способность детектировать поверхностные и трекинговые разряды там, где электрические методы затруднены из-за электромагнитных помех. В кабельных линиях акустические датчики применяются преимущественно для контроля концевых и соединительных муфт. Они могут бесконтактно (на небольшом расстоянии) “слушать” коронирующие или поверхностные разряды, либо контактно через корпус муфты улавливать акустические импульсы от внутренних ЧР. Зона контроля невелика – порядка 1 метра вокруг датчика, поэтому для длинного кабеля акустический метод не покрывает всю трассу, но незаменим для точечной проверки конкретных узлов.
• UHF-антенны. Сверхвысокочастотные датчики (сотни МГц) улавливают электромагнитное излучение ЧР в радиодиапазоне. Применяются, например, для мониторинга GIS (элегазового оборудования) и могут использоваться на кабельных концевах особой конструкции (с антенной в масляном вводе). В контексте кабелей такие датчики могут обнаруживать сильные разряды в пределах нескольких десятков метров (до ~20 м). Например, антенна типа TEV (Transient Earth Voltage) прикладывается к заземленной оболочке или корпусу муфты и регистрирует наводки от близкого ЧР. UHF-методы обычно дополняют основные, применяются в составе ручных приборов для экспресс-обследования (приборы EA Technology UltraTEV, HVPD PDS и др. совмещают акустический и УВЧ каналы).

Для надежной диагностики часто используют комбинацию методов. Стандарт IEEE 400 рекомендует, например, сочетать испытание повышенным напряжением (выдержка) с измерением тангенса угла потерь и частичных разрядов. Также важно различать типы разрядов: коронные разряды (на открытых электродах, например, наружная корона на ошиновке) обычно менее вредны, чем поверхностные трекинги по изоляции, а те, в свою очередь, менее опасны, чем внутренние разряды в теле изоляции. Анализ формы импульсов и фазового распределения разрядов (PRPD) позволяет классифицировать дефекты. Например, разряды в воздухе (корона) появляются преимущественно на положительной полуволне напряжения и отличаются низким зарядом, тогда как внутренние разряды в твердых изоляторах часто наблюдаются на обеих полуволнах симметрично и имеют более высокую повторяемость импульсов【19†】. Современные приборы строят PRPD-диаграммы – скопления точек разрядов на фазовой плоскости 0–360°, по которым эксперт или программа распознает тип дефекта.

При длинных кабельных трассах актуальна задача локализации места дефекта, вызвавшего ЧР. Для этого применяются методы, аналогичные рефлектометрии: импульсные сигналы ЧР распространяются вдоль кабеля и отражаются от неоднородностей (концевых заделок, соединительных муфт). Измеряя время прихода прямого импульса и отраженных, можно вычислить расстояние до источника разряда. Например, если на конце линии регистрируется сначала импульс ЧР, а через некоторый интервал – его отражение от противоположного конца, то по разности времен и известной скорости распространения волны (порядка 150–180 м/µс для силового кабеля) определяют положение дефекта. Точность метода составляет несколько метров, позволяя ремонтной бригаде знать, какую муфту или участок кабеля вскрывать. В системах онлайн-мониторинга эта логика заложена автоматически: так, SCG сразу вычисляет координаты дефекта с точностью ~1% длины кабеля, регистрируя импульсы двумя датчиками на концах линии.

(Из таблицы видно, что для сплошного контроля всей линии предпочтителен ВЧ-диапазон с датчиками HFCT/емкостными, а для детального контроля конкретных узлов – акустические и УВЧ датчики на местах).

Обработка и анализ данных ЧР. После сбора сигналов необходимо отфильтровать помехи (например, радиопомехи, всплески от коммутации) и выделить собственно разрядные импульсы. Это требует специального программного обеспечения. Для устойчивого мониторинга ключевым является трендовый анализ – сравнение активности ЧР во времени. Однократное измерение даёт срез состояния, но чтобы судить о развитии дефекта, нужно наблюдать за ростом амплитуды и частоты импульсов ЧР на протяжении месяцев. Если параметры увеличиваются – дефект прогрессирует, и можно прогнозировать время до отказа. Многие системы поэтому сохраняют историю и строят графики.

В целом, комбинация офлайн-испытаний (для приемки и плановых проверок) и онлайн-мониторинга (для критичных линий в реальном времени) обеспечивает наиболее полное представление о состоянии изоляции кабелей. Методы ЧР диагностики уже стали важным инструментом предиктивного обслуживания: позволяя перейти от плановой замены по сроку к ремонту «по состоянию», экономя ресурсы и повышая надежность электросетей.

4. Способы предотвращения и снижения влияния ЧР ⤵

Полностью исключить возникновение частичных разрядов в кабельных линиях затруднительно, но предупредить их появление и минимизировать воздействие возможно через правильные инженерные решения, качественные материалы и грамотную эксплуатацию. Меры можно разделить на этап проектирования/изготовления, монтажа и эксплуатации.

Конструктивные решения и материалы:

• Кабель без пустот и острых краев. Современные высоковольтные кабели СПЭ изготавливаются с трехслойной экструзией: одновременно наносятся внутренняя полупроводящая экранная оболочка на жилу, основной слой изоляции (СПЭ) и внешняя полупроводящая оболочка. Это обеспечивает идеально гладкую границу между жилой и изоляцией, без воздушных зазоров и выступов. Полупроводящие экраны выравнивают электрическое поле, устраняя его локальные концентрации, что предотвращает зарождение ЧР. Внешний экран, заземленный по всей длине, не дает полю выходить за пределы изоляции и тем самым исключает корону на оболочке. Все материалы тщательно очищаются от примесей, а после сшивки полиэтилена проводится дегазация (удаление побочных продуктов сшивки), чтобы предотвратить образование газовых пузырьков в изоляции. Благодаря этому новые кабели соответствуют концепции «discharge free» – на заводских испытаниях при 1.5 U_ном не фиксируется частичных разрядов выше нескольких пикокулон.
• Применение разрядоустойчивых изоляций. Разные диэлектрики по-разному реагируют на длительные разряды. Этилен-пропиленовый каучук (EPR), например, считается более стойким к ЧР по сравнению с СПЭ. В некоторых кабельных системах (особенно на подвижных установках, судовых кабелях) используют изоляцию на основе EPDM, которая способна выдерживать ограниченные ЧР без быстрого пробоя. В промышленности обсуждаются два подхода: Discharge Free – стремление к полной свободе от ЧР, и Discharge Resistant – использование материалов, способных длительно работать при наличии ЧР. Например, компания Kerite исторически выпускает кабели с EPR-изоляцией, которые не испытывают заводских PD-испытаний, вместо этого материал периодически тестируется на устойчивость к разрядам. Добавки нанонаполнителей в полиэтилен (оксид цинка, алюминия и др.) также исследуются как способ повысить разрядоустойчивость: наночастицы могут замедлять развитие электрических деревьев и гасить энергию разряда, препятствуя эрозии.
• Концевые и соединительные муфты со стресс-контролем. Аксессуары для кабелей проектируются так, чтобы не допустить перенапряжения на краю экрана. Используются специальные выравнивающие конструктивные элементы: например, в конце кабеля надевается резиновый конус (stress cone) или трубка с нелинейной проводимостью, распределяющая поле вдоль увеличенной длины. Это предотвращает резкое повышение поля на оголенной изоляции. Внутренние полости заполняются мастикой или гелем, исключая включение воздуха. Конструкции проходных вводов маслонаполненных кабелей поддерживают давление масла до самого контакта, не давая образоваться пузырям. Все эти меры направлены на предотвращение зарождения ЧР в нормальных условиях эксплуатации.

Качество монтажа и эксплуатации:

• Строгое соблюдение технологии монтажа. Статистика показывает, что до 80% дефектов кабельных линий возникает в местах соединений и окончаний, причем часто по причине ошибок монтажаdimrus.ru. Поэтому критически важно, чтобы установка муфт выполнялась обученным персоналом, в чистых условиях, с тщательной подготовкой кабельных окончаний. Необходимо полностью удалять полупроводящий слой на длину, указанную производителем муфты, без порезов основной изоляции. Все поверхности обезжириваются, просушиваются; сразу после зачистки накладываются стресс-контрольные трубки или ленты во избежание контакта с пылью. Заполнение пустот мастикой или лентой должно быть полным, без пропусков. Например, если не заполнить крупный зазор под термоусаживаемой трубкой, там останется воздушная полость, что неизбежно приведет к ЧР при напряжении и, как следствие, к пробою (случай на рис. 3 в источнике). Таким образом, чистота и точность при монтаже – первое препятствие на пути ЧР.
• Контроль влажности. Вода – враг изоляции, особенно полиэтиленовой. При эксплуатации кабельной линии важно следить за герметичностью оболочки. Повреждения оболочки (например, прокол, трещина) ведут к проникновению влаги в изоляцию и ускоренному развитию водяных деревьев. Поэтому регулярно проводят испытания оболочки повышенным напряжением постоянного тока или мониторят токи утечки на оболочке, чтобы выявить нарушение герметичности. При монтаже муфт на полиэтиленовых кабелях иногда применяют блокирующие влагу гели или дополнительную заливку герметиком в области экрана, чтобы исключить миграцию воды вдоль жил. В маслонаполненных системах поддерживают избыточное давление масла в кабеле (например, ~0.5–1 МПа), что препятствует подсосу воздуха и влаги извне.
• Снижение перенапряжений. Эксплуатационные перенапряжения (грозовые импульсы, коммутационные броски) могут инициировать ЧР в слабых местах изоляции. Для защиты кабельных линий применяют разрядники и ограничители перенапряжений (ОПН), которые ограничивают амплитуду импульса до безопасного уровня. Например, на входе-выходе кабеля в распределительное устройство устанавливают ОПН, снижающие вероятность того, что внезапный импульс пробьет возникший дефект и вызовет лавину разрядов. Также важно не превышать длительно допустимую нагрузку кабеля: перегрузка ведет к перегреву и ускоренному старению, повышая вероятность ЧР.
• Профилактическая диагностика. Вместо того, чтобы ждать развития дефекта, хорошей практикой является регулярное тестирование кабелей методом ЧР. Например, через 5-10 лет эксплуатации кабеля СПЭ можно выполнить офлайн PD-измерение на слегка повышенном напряжении (например, 1.2 U_раб) и убедиться в отсутствии активных разрядов. Если же ЧР обнаружены – принять проактивные меры (замена подозрительной муфты, секции кабеля). Для маслонаполненных кабелей существует практика контролируемого спускания масла и его анализа: помимо химических показателей, проверяют наличие продуктов разрядов (например, газовый анализ на водород, ацетилен). Это косвенно укажет на скрытые ЧР внутри.
• Улучшение материалов и конструкций муфт. Производители кабельной арматуры внедряют материалы, уменьшающие риск ЧР: это полупроводящие выравнивающие чулки, широтно-неоднородные (field grading) трубки, обладающие нелинейной проводимостью (повышается проводимость при росте поля, сглаживая градиент). В соединительных муфтах применяются тугоплавкие герметики, исключающие усадку и образование полостей со временем. Концевые муфты для наружной установки имеют специальные экраны и ребра, предотвращающие стекание воды и накопление загрязнений – чтобы минимизировать токи утечки и поверхностные разряды по корпусу.

Снижение влияния ЧР (если они уже есть). Если частичные разряды начали проявляться, важна быстрая реакция. В некоторых случаях возможно ремонтное восстановление изоляции без полной замены кабеля. Например, для кабелей с бумажной изоляцией практикуют метод репропитки: кабель прогревают и закачивают новое масло (или специальный состав) под давлением, выдавливая воздух и заполняя образовавшиеся каналы. Это способно “залечить” начальные дефекты и погасить ЧР. Для СПЭ-кабелей подобных методов ограничено, но иногда применяют технологию высокого вакуума на месте: откачивают воздух из поврежденной секции (если, к примеру, есть подтвержденный ввод воздуха через дефектную муфту). В целом же, если ЧР в СПЭ-изоляции устойчиво присутствуют, чаще всего практическое решение – замена проблемного фрагмента кабеля или муфты, так как материал уже поврежден электрическим деревом.

Резюмируя, предотвращение ЧР достигается комплексом мер: начиная от заложенной на этапе производства кабеля защиты от разрядов (гладкие экраны, чистая изоляция), продолжая строгим контролем качества монтажа и заканчивая грамотной эксплуатацией (защита от влаги, перенапряжений, перегрузок). Если же ЧР возникли, то оперативная диагностика и своевременный ремонт позволяют минимизировать ущерб и восстановить надежность линии до того, как произойдет аварийный пробой.

5. Особенности ЧР в соединительных и концевых муфтах▶️

Соединительные муфты (спайсы) и концевые заделки – наиболее уязвимые с точки зрения частичных разрядов элементы кабельных линий. Согласно статистике, более половины отказов в кабельных трассах происходят именно в муфтахdimrus.ru. Это объясняется сложностью конструкции муфт и тем, что они включают стык разнородных материалов: медного проводника, твердой изоляции кабеля, полупроводящих экранов, а также добавочных изоляционных деталей муфты (резина, пластик, литье, масло и пр.). В таких многослойных системах легко могут образоваться границы раздела с пустотами или разрегулировкой поля, и при малейшем отклонении от идеала появляются ЧР.

Концевые муфты (оконцевания). В конце кабеля необходимо развести жилу к оборудованию, сняв с нее внешний экран. В этом месте без специальных мер возникло бы сильнейшее поле на границе экрана, ионизация воздуха и непрерывная корона. Поэтому оконцевание снабжается устройствами выравнивания напряженности – стессыми конусами или трубками, как описано ранее. При правильном монтаже поле вдоль конуса распределяется плавно, его максимум снижается до безопасного уровня (пример на рис. ниже). Но если допущена ошибка – например, остался кусочек полупроводящего слоя на изоляции или, наоборот, слишком далеко срезан экран, – нарушается равномерность поля. Возникает небольшая зона перенапряжения, где может пробить воздух. Наибольшую опасность представляют воздушные пустоты внутри самой муфты – между слоями изоляции и телом конуса. Воздух в них при рабочем напряжении испытывает сильное поле и начинает пробой (искрение). Такой внутренний разряд в муфте незаметен снаружи, но разрушает материал изоляции муфты и постепенно выходит на основной кабель.

Распределение электрического поля в нормально спроектированной кабельной концевой муфте

Как видно, правильная геометрия и отсутствие пустот в конце кабеля – критично. Аналогичные принципы относятся и к соединительным муftам, с той разницей, что в месте соединения сталкиваются два отрезка кабеля. В соединительной муфте удаляются экраны с обоих кабелей, жилы соединяются гильзой, а затем восстанавливается изоляция вокруг гильзы с помощью специальной изоляционной системы (например, термоусаживаемой или холодной усадки). Это ещё более сложная конструкция: помимо двух краёв экранов (с двух сторон муфты), есть переход на материал гильзы. Малейшая незаполненная щель вокруг гильзы, перекос либо загрязнение могут создать двойной разрядный дефект: частичные разряды могут зародиться у обоего края экрана. Вот почему производители муфт требуют, например, заполнять края экранов проводящей мастикой и накладывать экранирующую сетку (клетку Фарадея) поверх соединения – чтобы выровнять потенциал между двумя кабельными оболочками. Если этого не сделать, высока вероятность появления разрядов в месте стыка экранов.

Особенностью многих соединительных муфт для бумажно-масляных кабелей является наличие масляного наполнения. Старые технологии предусматривали заливку муфты кабельным маслом или компаундом, чтобы гарантированно не осталось воздуха. При этом муфта герметизировалась свинцовыми кожухами. Такие маслонаполненные муфты сравнительно редко испытывают ЧР внутри (масло гасит), но требуют идеальной герметичности: если произойдет утечка масла, в муфту попадает воздух, и тут же начнутся разряды в оголенной бумаге. Современные соединители для PILC-кабелей обычно делают сухими, с применением бутадиен-резиновой изоляции или литьевых эпоксидных вставок, чтобы исключить сложности с маслом. Их уплотнение должно исключать появление зазоров при перепадах температуры.

Отдельно следует упомянуть поверхностные частичные разряды на открытых частях муфт. Например, наружная поверхность концевой муфты (фарфоровый или полимерный изолятор) может быть подвержена короне и трекингу во влажной загрязненной среде. Во внешних оконцеваниях на 110–220 кВ иногда наблюдаются коронные разряды по грязному изолятору, особенно при соли и влажности (прибрежные районы). Это проявляется шипящим звуком в сырую погоду и слабым свечением. Хотя такие поверхностные ЧР не пробивают сразу основную изоляцию кабеля, они вызывают деградацию наружной изоляции муфты (эрозия, углеродные дорожки). Для борьбы с этим на наружных вводах делают ребристые длинные юбки (увеличивая путь утечки и обеспечивая стекание воды) и иногда применяют специальные антикоронные покрытия или герметики.

Диагностика ЧР в муфтах требует учета ограниченной зоны контроля. Как отмечалось, акустические датчики эффективно выявляют разряды прямо на муфте. Поэтому при обследованиях часто на каждую фазную муфту крепят по пьезодатчику – это позволяет услышать ультразвук от разряда снутри муфты. Также практикуется установка HFCT на земляных шлейфах муфт: тогда регистрируемый импульс с этого датчика указывает на PD-активность в данной муфте или рядом с ней. В системах постоянного мониторинга высоковольтных кабельных линий обычно комбинируют оба способа: по одному акустическому датчику на каждую муфту плюс трансформаторы тока на концы линии для улавливания импульсов, пробегающих по кабелю. Это повышает надежность обнаружения: слабый локальный разряд в середине трассы может частично затухнуть по дороге до конца, но будет сразу зафиксирован акустически в самой муфте.

Важная особенность – большинство дефектов муфт сопровождаются ЧР. По оценкам, до 95% случаев дефектных муфт проявляют себя именно частичными разрядами, и лишь в 20–30% дают аномальное тепловыделение. То есть термомониторинг (например, контроль температуры муфты тепловизором) менее чувствителен: муфта может выглядеть холодной, но иметь ЧР внутри. Поэтому контроль частичных разрядов – основной метод диагностики состояния кабельных муфт.

Поведение ЧР в муфтах может отличаться от “свободного” кабеля. В замкнутом объеме (теле муфты) разрядные газы не рассеиваются, а давление может расти – иногда слышат слабое потрескивание или щелчки из поврежденной муфты. Разряд, возникший на краю экрана, может образовать трекинг вдоль раздела материалов – например, пробежать по поверхности кабельной изоляции под полупроводящей лентой, оставаясь невидимым. Это приводит к незаметному разрушению: при внешнем осмотре всё цело, а внутри под слоем ленты – обугленная дорожка. Поэтому при любом подозрении на ЧР (например, по данным измерений) муфту лучше раскрыть и осмотреть. Часто обнаруживается, что в месте разряда материалы имеют следы короны: характерные серые нагарные разводы и точечные отверстия на изоляции. Такие следы подтверждают, что муфта работала с частичными разрядами и требовала замены.

В заключение, соединительные и концевые муфты – узлы, требующие повышенного внимания. Их проектируют для предотвращения ЧР, но малейший просчет или брак сводит эту защиту на нет. В эксплуатации же именно муфты должны регулярно проверяться на ЧР (акустически или электрически) и при обнаружении активности – обслуживаться или заменяться до выхода из строя, чтобы избежать аварии на всей кабельной линии.

6. Современные технологии и инструменты для анализа и контроля ЧР🔬

Развитие силовых сетей и появление интеллектуальных систем мониторинга привело к бурному прогрессу технологий контроля частичных разрядов. Современные решения позволяют не только фиксировать факт ЧР, но и анализировать их характеристики в режиме реального времени, различать типы дефектов и прогнозировать остаточный ресурс оборудования. Рассмотрим некоторые из новейших технологий и инструментов:

Непрерывные системы мониторинга кабелей. Для важных кабельных линий (например, питающих центров питания городов, подводных и транзитных высоковольтных КЛ) внедряются стационарные системы, круглосуточно отслеживающие ЧР. Пример – упомянутая система Smart Cable Guard (SCG) от DNV GL. Она устанавливается на линии 6–35 кВ и может обнаруживать разряды величиной всего в несколько пикокулон, определяя место дефекта с точностью до нескольких десятков метров. Данные с таких датчиков поступают на удаленный сервер, где автоматически применяется алгоритм оценки риска: по статистике накопленных случаев рассчитывается вероятность отказа кабеля в зависимости от наблюдаемых ЧР. Как было приведено ранее, SCG умеет выдавать предупреждения различных уровней. Высший уровень означает, что, по накопленному опыту, кабель скорее всего пробьет в течение дней, если не отключить. Такие системы интегрируются с программным обеспечением управления активами (Asset Management) – инженеры получают уведомления и могут планировать ремонт заранее. Аналоги SCG есть и у других компаний: например, OMICRON MPD/CMS – модульная система постоянного мониторинга, EA Technology предлагает систему UltraTEV Monitor, российские разработки – система CDM (Cable Diagnostic Monitor) от ДимРус контролирует до 45 линий единовременно. Тренд таков, что мониторинг ЧР становится частью «умной сети», где данные собираются и обрабатываются централизованно.

Переносные приборы и сканеры ЧР. Для периодического обследования кабельных линий выпускаются портативные комплексы, совмещающие несколько типов датчиков. Например, система HVPD Longshot – переносной прибор, регистрирующий ЧР одновременно в широком диапазоне частот (от акустического до ВЧ). Он подключается к кабелю на короткое время, собирает большой массив импульсов, а затем программно разделяет их на кластеры по форме и фазе, идентифицируя характерные паттерны разрядов. Такая обработка с помощью алгоритмов классификации (в том числе machine learning) позволяет отделить шум от сигналов ЧР и распознать, к какому типу дефекта относится каждый кластер импульсов. Например, можно одновременно увидеть и поверхностный разряд на одном конце, и внутренний разряд в середине кабеля, и внешнюю радиопомеху – и развести их по разным группам. Программа построит для каждой группы свою PRPD-диаграмму, на основании которых эксперт делает заключение: скажем, обнаружен внутренний ЧР средней интенсивности на фазе B, на расстоянии ~2 км от начала – скорее всего дефект муфты. Такие интеллектуальные приборы значительно повышают эффективность диагностики, уменьшая зависимость от субъективного опыта: цифровая обработка сигналов и базы шаблонов дефектов помогают даже менее опытному инженеру правильно оценить состояние кабеля. Кроме Longshot, известны переносные системы типа OMICRON MPD 600 (анализатор ЧР с ноутбуком), Doble DFA300 (прибор для акустического и TEV-обследования), Б2 Elektronik PD-Smart и др. Многие из них позволяют сохранять записи сигналов для дальнейшего анализа и отправки эксперту удаленно.

Современные датчики. Продолжается совершенствование самих датчиков ЧР. Появляются оптоволоконные датчики, гальванически развязанные от высоковольтной части. К примеру, разрабатываются оптико-акустические сенсоры, встраиваемые в кабель: оптоволокно регистрирует акустическую волну от ЧР по эффекту Брэгга (изменение показателя преломления от деформации). Такие разработки пока экспериментальны, но в перспективе могут дать распределенный по длине кабеля датчик, определяющий, где произошел разряд (по времени прихода сигнала к концам волокна). Другая интересная новинка – нанодатчики на основе графена, чувствительные к ультрафиолетовым вспышкам, которые сопровождают ЧР. Их можно нанести на внутреннюю поверхность ввода, и при появлении короны или ЧР сенсор даст сигнал. Промышленность также предлагает компактные HFCT на присосках, Bluetooth-датчики для труднодоступных мест и т.д., что упрощает развертывание мониторинга.

Аналитические программные инструменты. С увеличением объема данных ЧР (особенно при постоянном мониторинге десятков точек) возникает задача автоматической интерпретации. Здесь применяются методы искусственного интеллекта: нейросети, обученные на большом количестве известный случаев, способны распознавать тип PD-источника по характерным признакам (форма импульса, фазовый распределение, частота повторения). Уже существуют прототипы, которые в реальном времени показывают оператору: “Фаза А – внутренний разряд, вероятно дефект муфты; Фаза B – корона на конце, не опасно; Фаза C – нет PD”. Также ведутся работы по оценке степени развития дефекта на основе ЧР. Например, по постепенному увеличению амплитуды и уменьшению стартового напряжения разряда можно оценить, что электрическое дерево приближается к критической стадии. Отмечаются успехи и в 3D-визуализации электрических деревьев с помощью частичных разрядов: исследователи регистрируют UHF-сигналы и строят по ним трехмерную модель растущего разрядного канала, что помогает понять механизмы пробоя.

Интеграция с общим мониторингом. Часто данные по частичным разрядам объединяют с другими диагностическими параметрами: тангенс δ изоляции, емкость, температура кабеля (DTS – распределенный температурный мониторинг по оптоволокну), ток нагрузки. Комплексный анализ даёт более надежную картину. Например, система мониторов типа TEV + термосканирование может отличить тепловую проблему (плохой контакт) от электрической (ЧР) на конце кабеля: ЧР дает всплески ВЧ, а перегрев – повышение температуры. В кабель вводят также датчики давления масла (для маслонаполненных кабелей) и связывают с ЧР: если давление падает – риск ЧР растет. Все эти данные могут стекаться в единый центр, где программное обеспечение выдает рекомендации оператору: к примеру, “Муфта №5: вероятен дефект, планируйте ремонт в течение 1 месяца”.

Примеры современных исследований и проектов:
– В Нидерландах реализован проект мониторинга 365 км кабелей (50% СПЭ и 50% PILC) с помощью SCG с 2007 года. На основе накопленных данных построены кривые вероятности отказа от времени после появления PD, что позволило вывести практические сроки для замены кабелей после обнаружения ЧР.
– Проект Jicable’19 продемонстрировал применение беспилотного ЛА (дрона) с UHF-антенной для поиска частичных разрядов на воздушных переходах кабель–ВЛ и открытых вводах трансформаторов – это ускоряет осмотр протяженных линий.
– Разрабатываются цифровые двойники кабельных сетей, куда в реальном времени подаются сигналы ЧР с сенсоров; модель оценивает степень износа каждого участка сети и прогнозирует, где произойдет пробой, если не вмешаться. Такая модель обучается на данных прошлых аварий (с PD-предвестниками) и улучшает точность прогноза.

В заключение, современные технологии делают контроль частичных разрядов все более точным, проактивным и автоматизированным. Если раньше ЧР-диагностика была узкоспециальным офлайн-испытанием, то сегодня – это неотъемлемая часть стратегии управления кабельными сетями. Используя комбинацию сенсоров, онлайн-мониторинга и интеллектуального анализа, инженеры могут выявлять скрытые дефекты задолго до аварии и продлевать срок службы дорогостоящих кабельных линий, обеспечивая надежность электроснабжения.

Источники:

1. ГОСТ 55191-2012 / IEC 60270: определение частичного разряда как локального пробоя изоляции.
2. Wikipedia (русс.): Частичные разряды – механизмы возникновения в пустотах твёрдых диэлектриков и пузырьках газа в жидкой изоляции, медленное развитие и влияние интенсивности на срок службы.
3. Thorne & Derrick – руководство по высоковольтным муфтам: влияние пустот и ошибок монтажа на распределение поля и возникновение ЧР.
4. ДимРус: Мониторинг кабельных линий – отличие СПЭ и маслонаполненных кабелей, быстрая деградация СПЭ-изоляции при дефектах (неэффективность редких офлайн-испытаний), необходимость онлайн-мониторинга ЧР. Также статистика: до 95% дефектов в муфтах сопровождаются ЧР.
5. NETA World Journal: Обзор испытаний ЧР на кабелях – экструзированная изоляция (PE, XLPE, EPR) имеет гораздо меньшую толерантность к ЧР, чем бумага-масло (PILC); датчики для онсайт измерений (HFCT, емкостные, акустические, UHF) и их применение.
6. Jicable’15 Conference Paper: анализ времени до отказа кабелей при ЧР – XLPE: ~2 месяца, PILC: ~16 лет от начала PD-активности до пробоя; после предупреждения SCG – 10 дней vs 3 года соответственно. Подтверждение, что ЧР в PILC менее губительны, чем в XLPE.
7. Test-Energy.ru – обзор инновационных методов измерения ЧР: широкополосный детектор и кластерный анализ импульсов ЧР для фильтрации помех и идентификации типов дефектов.
8. Стенограмма вебинара (Test-Energy): 95% случаев кабельных дефектов – муфты; перечисление причин ЧР (температура, механика, влажность, повреждения и пр.); необходимость трендового мониторинга ЧР, а не разовых измерений.
9. Monitra / IPEC – статьи о значении ЧР: ЧР – главная причина деградации изоляции в долгосрочной перспективе, накапливающиеся повреждения от ЧР приводят к образованию проводящих дорожек и окончательному пробою.
10. Fluke Corp.: Основные типы ЧР (внутренние в пустотах, поверхностные по изолятору, корона) и их причины – подтверждает, что загрязнение и погодные условия вызывают поверхностные разряды на открытых вводах.

Кабели Термофит - это надежность и и контроль частичных разрядов!⚙️

🔑 Медиа ресурсы :

Телеграм

Instagram

Youtube

Вконтакте