Введение
Перед вами первая статья из цикла, посвящённого испытаниям кабельных линий методом сверх низкой частоты (СНЧ, англ. VLF — Very Low Frequency). Мы подробно разберём, что представляет собой этот метод, почему он стал ключевым для современных кабельных сетей, какие стандарты и рекомендации регулируют его применение, а также рассмотрим реальные примеры оборудования и полевых испытаний.
В этой статье мы начнём с базового понимания: что такое СНЧ-испытания, зачем они нужны, чем отличаются от традиционных методов, и какова их эффективность.
Что такое СНЧ-испытания
СНЧ-испытания — это метод проверки и диагностики изоляции кабелей с применением переменного напряжения частотой в диапазоне 0,01 … 0,1 Гц. Такая частота в 500 раз ниже промышленной (50 Гц),
Объектами испытаний являются кабельные линии среднего и высокого напряжения с различными типами изоляции:
- сшитый полиэтилен (XLPE),
- бумажно-пропитанная изоляция (PILC),
- комбинированные и специализированные диэлектрики.
Метод применяется как для испытаний, так и для профилактической диагностики изоляции.
Почему именно СНЧ: актуальность метода
История и проблемы с постоянным напряжением
Долгое время в практике эксплуатации применялись испытания постоянным напряжением (DC). Для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией этот метод был относительно безопасен для изоляции, но с появлением сшитого полиэтилена (XLPE) ситуация изменилась.
Когда кабели со сшитым полиэтиленом только начали массово внедрять, их также испытывали постоянным напряжением — по старой методике. Однако на практике стало заметно, что такие кабели чаще выходят и не выхаживают свой ресурс.
Метод испытания напряжением СНЧ был введён в практику с 1986 г.; основной причиной этого явилась необходимость разработки новых методов испытаний для кабелей с полимерной изоляцией и огромное количество проблем, связанных с эффектами водных триингов (водный триинг или дендрит — образование разветвлённой микроструктуры в виде объёмной сетки или микрокустов в теле диэлектрика) в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена первого поколения. После целого ряда исследований (ссылки на статьи: 1. F.H. Kreuger, "Industrial High DC Voltage , Delft University Press, 1995. 2. 400-2001 "IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems" IEEE guide.) установлено, что традиционно использовавшийся метод испытания постоянным напряжением применительно к кабелям с полимерной изоляцией не подходит, причины в том, что:
- в СПЭ развиваются специфические виды дефектов (например, водяные деревья- триинги), которые не выявляются стандартными методами;
- в изоляции образуется объёмный заряд после испытания DC- напряжением;
- DC-напряжение не имитирует реальных условий работы кабеля.
Объёмные заряды могут сохраняться внутри аморфных областей такой изоляции до 24 часов. Если на кабель будет возобновлена подача энергии до того, как все объёмные заряды исчезнут, то возникнет локальное перенапряжение, которое может привести к ускоренному старению изоляции и образованию электрических триингов, прогрессирующих именно при переменном напряжении. А их дальнейшее развитие может привести, а также к пробою изоляции под рабочим напряжением.
Вывод был очевиден: для безопасной проверки и диагностики СПЭ-кабели необходимо испытывать переменным напряжением.
Испытания на промышленной частоте и их ограничения
Логичным шагом было перейти к переменному напряжению промышленной частоты (50 Гц). Такой метод достоверно имитирует рабочие условия кабеля и позволяет выявить дефекты, характерные для AC-режима. Однако для длинных кабелей это решение оказалось крайне ресурсоёмким: их высокая ёмкость требует значительной реактивной мощности. Для испытаний на 50 Гц нужны громоздкие, тяжёлые и дорогие установки, что практически исключает их применение в полевых условиях. Применение таких установок целесообразно в стационарных лабораториях на заводах-производителях.
Решение — метод СНЧ
Одним из вариантов решения вопроса, позволяющего уменьшить вес и габариты испытательной установки – это снизить переменную частоту испытательного напряжения.
Снижение частоты испытательного напряжения объясняется простыми расчётами электрической мощности. Активная мощность, необходимая для проведения испытаний кабельной линии переменным напряжением, определяется выражением:
где:
- P — активная мощность источника, Вт;
- U — действующее значение испытательного напряжения, В;
- Xc — реактивное сопротивление кабеля, Ом.
Реактивное сопротивление ёмкостного характера вычисляется по формуле:
где:
- f— частота испытания, Гц;
- C — ёмкость кабеля, Ф.
Из этой зависимости видно, что при уменьшении частоты реактивное сопротивление Xc возрастает, а значит, требуемая мощность P снижается пропорционально. Благодаря этому можно испытывать даже очень длинные кабельные линии переменным напряжением без необходимости использования громоздких и дорогостоящих высокочастотных источников.
Использование очень низкой частоты (0,1 Гц и ниже) позволяет радикально снизить реактивную мощность, необходимую для испытания — примерно в 500 раз по сравнению с 50 Гц. Это даёт ряд ключевых преимуществ.
Преимущества СНЧ пред 50 Гц:
- Компактность и мобильность оборудования- за счет уменьшения веса и габаритов.
- Универсальность: метод подходит для любых типов изоляции.
- Возможность применения синусоидальной СНЧ для комплексной диагностики — tan δ и PD, выявление «водных триингов» и дефектов в изоляции с расчетом остаточного срока службы КЛ.
- Большая допустимая ёмкость испытываемого кабеля;
- Более щадящий режим испытания повышенным напряжением для кабелей, уже имеющих дефекты (E. Gockenbach, "The selection of the frequency range for high-voltage on-site testing of extruded cable systems" IEE Electrical Insulation Magazine Vol. 16 № 6, pp. 11-16.)
Эффективность СНЧ
Результаты исследований (E. Gockenbach, 2002, "Grundsatzliche Unter-suchungen zum Durchschlagverhalten kunstst-offisoiiertet Kabel bei Spannungen unterschiedli-cher Frequenz" BEWAG Symposium Berlin, Germany.) и практика эксплуатации показывают, что СНЧ-метод позволяет выявлять дефекты на уровне, сопоставимом с промышленной частотой. А измерения tan δ при СНЧ обладают высокой чувствительностью к дефектам, PD-диагностика даёт сопоставимые значения начала разрядов, а метод MWT (Monitored Withstand Test) позволяет одновременно испытать и проконтролировать деградацию изоляции.
Преимущество использования чисто синусоидальной формы напряжения заключается в возможности комбинации такой системы с диагностическими средствами, которые позволяют, например, провести диагностику частичных разрядов (ЧР) или измерение тангенса дельта.
По сути СНЧ-диагностика с синусоидальной формой волны является оптимальной. И может служить хорошим дополнением к СНЧ-испытаниям, конструктивно совмещённым в одну компактную установку, с выносным ВЧ-фильтром. Что снижает затраты на диагностическое оборудование. Более того, методы MWT позволяют проводить диагностику с СНЧ-испытанием одновременно. Использование одного стандарта при одинаковых параметрах испытания (например: 0,1Гц sin-формы) позволяет делать однозначные выводы по состоянию изоляции.
Виды установок (на примере решений BAUR)
На рынке представлены три основных типа СНЧ-установок: переносные, мобильные и стационарные. Если для примера рассмотреть одного из передовых европейских производителей — BAUR, то у них в линейке представлены все перечисленные типы:
- PHG / PHG TD – стационарный, для кабелей с рабочим напряжением до 50 кВ, применяется для установки в передвижных ЭТЛ.
Помимо СНЧ- испытаний эти установки позволяют производить комплексную диагностику изоляции СПЭ: измерение ЧР (с дополнительной системой PDTaD 62) и Tan δ (с приставкой «TD» в названии). Также поддерживаются такие функции как испытание оболочки КЛ, режим поиска повреждений оболочки потенциальным методом, призванные облегчить работу оператора и сократить количество используемого в работе оборудования.
Режимы работы таких установок:
- постоянное напряжение (DC) обеих полярностей,
- синусоидальное СНЧ 0,1Гц,
- прямоугольное СНЧ напряжение,
Заключение
СНЧ-испытания — современный, международно признанный способ оценки состояния кабелей, сочетающий эффективность, мобильность и безопасность для испытуемой изоляции. А совместное применение с СНЧ-диагностикой повышает надёжность сети.
В следующей статье мы разберём стандарты и нормативные документы, регулирующие проведение СНЧ-испытаний.