Kiekvieno galios kabelio patikimumą lemia ne tik gamyklinės charakteristikos, paklojimo kokybė ir montavimas, bet ir tinkamas kabelio būklės nustatymas, priežiūra bei diagnostika. Efektyvūs kabelio kontrolės metodai prieš pradedant juos naudoti ir eksploatacijos metu leidžia laiku nustatyti esamus trūkumus bei užkirsti kelią avarijoms elektros tinkluose.

Kabelių diagnostika - tai kabelių linijų konstruktyvinių elementų ir izoliacijos būklės nustatymas. Remiantis nustatyta būkle priimamas sprendimas dėl tolimesnio kabelio eksploatavimo, remonto ar pakeitimo. Diagnostikos metu kabeliai beveik nepatiria paaukštintos Bandymo įtampos apkrovos, todėl silpnų kabelių galutinai nesugadina.

Šiame straipsnyje bus nagrinėjama kabelių su XLPE izoliacija diagnostikos europietiška patirtis.

Izoliacijos degradacija (senėjimas) ir pažeidimai

Pagrindinės izoliacijos degradacijos priežastys yra šios:

• įtampos poveikis (viršįtampiai, žaibo smūgiai, daliniai išlydžiai);
• šiluminis poveikis (apkrovos sąlygomis);
• mechaninės jėgos (tempimas, lenkimas, pamato sėdimas);
• cheminė korozija (vandens, druskos, alyvos poveikis ir dujų tarša);
• išorės poveikis (aplinkos tarša, vandens patekimas).

Izoliacijos senėjimas, ypač dėl į ją patekusio vandens, yra laipsniškas degradacijos procesas. Kabelių linijų su XLPE izoliacija ilgalaikio eksploatavimo metu kabelio pagrindinės izoliacijos viduje susiformuoja mikro-įtrūkimai, vadinami vandens medžiais (angl. watertrees). Vandens medžių kanalais iš aplinkos patenka drėgmė, todėl izoliacinė varža šioje vietoje proporcingai krenta.

Vandens medžiai atsiranda veikiant vandeniui, šilumai ir magnetinio lauko įtampai, jie vystosi palaipsniui kol įvyksta trumpasis jungimas ar pažeidžiamas kabelis. Kiti kabelių senėjimo efektai atsiranda dėl izoliacijos šiluminės perkrovos. Skiriami keturi pagrindiniai kabelių su XLPE izoliacija pažeidimo tipai:

• išoriniai izoliacijos pažeidimai, kuriuos sukelia kabelio klojimo technologijos nesilaikymas (apie 70 proc. visų pažeidimų);
• vidinis izoliacijos pažeidimas dėl netaisyklingos eksploatacijos (bandymai nuolatine aukšta įtampa) arba fizinio senėjimo (vandens medžių atsiradimas);
• kabelio apsauginio ekrano pažeidimas;
• kabelio gyslų pažeidimas.

Kaip rodo praktika, išlydžiai aukštosios įtampos kabelyje su XLPE izoliacija pastebimi retai. Problemiškiausios kabelių linijų su XLPE izoliacija vietos - galinių ir sujungimo movų vietos (1 pav.). Movų hermetiškumo pažeidimas kabelių linijose su XLPE izoliacija net ir per trumpą laiką izoliaciją intensyviai įsotina išorėje esančia drėgme. Drėgmė tarp gyslos ir pagrindinės izoliacijos įtraukiama lyg siurbliu. Taigi, šią aplinkybę reikėtų prisiminti sandėliuojant būgnus su kabeliu bei montavimo metu nupjovus kabelio galus. Dėl montavimo įmonių specialistų darbo patirties bei kvalifikacijos stokos montuojant kabelių linijas atsiranda technologijos pažeidimai.

1 pav. Kabelių movų pažaidos dėl netinkamo montavimo

Visgi drėgnų movų aptikimas nėra pirmaeilis uždavinys, tačiau tai leidžia įvertinti linijos konstrukcinių elementų būklę.

Kabelio apvalkalo pažeidimai siejami su korozinių procesų įtaka bei su mechaniniais pažeidimais montavimo, remonto metu ir nereguliuojamais žemės kasimo darbais linijų trasoje.

Ateityje eksploatuojant tokias linijas, veikiant prasiskverbusiai drėgmei ir indukuotajai elektrovarai, prasideda kabelio ekrano oksidacija ir irimas. Todėl pagrindinės izoliacijos

Bandymo metu taip pat reikalingi apvalkalo bandymai (ekranas - žemė).

 

Efektyvūs kabelių linijų kontrolės metodai

 

Norint nustatyti montuojamų kabelių ir kabelinių įrenginių techninę būklę bei patikimumą, reikalingi įvairūs diagnostikos ir bandymų metodai naudojant abu jų derinius. Vienas universalus metodas visoms problemoms nustatyti gali duoti labai mažai informacijos. Įrodyta, kad tradiciniai bandymai su aukštąja nuolatine įtampa sutrumpina kabelių su XLPE izoliacija tarnavimo laiką, nes jie sukelia liekamąsias įkrovas kabelio apvalkale bei vadinamų vandens medžių formavimąsi izoliacijoje, kas greitina linijos ruožų kabelio gedimą. Todėl nėra tikslinga kabelių linijų su įmirkyta popieriaus izoliacija bandymo metodų taikyti ir kabeliams su XLPE izoliacija. Kabeliams su XLPE izoliacija reikalingas „švelnesnis" pati- krinimo metodas.

Kabelių bandymo įtampa dėl itin žemo dažnio (0,1...0,05 Hz) bei labai mažos srovės patikros metu kabelio nepažeidžia - kabeliams su XLPE izoliacija tai ypač svarbu. Testuojant izoliaciją paaukštinta įtampa ir pažemintu dažniu, pasiekiamas itin greitas izoliacijos pramušimas tose vietose, kur izoliacijos sluoksnis ploniausias, todėl tikėtina, kad patikros metu bus aptikti visi esami defektai. Svarbu ir tai, kad išėjimo įtampos forma būtų simetrinė, kitu atveju susidaro tūrinis krūvis, kuris ilgainiui gali pažeisti kabelį. Vienas iš pagrindinių bandomosios 0,1 Hz dažnio sinusoidės formos įtampos privalumų - galimybė panaudoti diagnostinį metodą matuojant dielektrinių nuostolių tangento deltą kampą.

Keletas žodžių apie kabelių linijų su XPLE izoliacija bandymus, kai naudojama paaukštinta žemojo dažnio įtampa. Šis metodas efektyviai gali būti taikomas ir po pakankamai ilgalaikio linijų eksploatavimo, pvz., daugiau kaip po dešimties metų. Šis metodas gali būti taip pat efektyvus, kai šiurkščiai pažeidžiamos montavimo technologijos. Tačiau daugeliu atvejų, tikrinant naujai sumontuotas linijas tik šiuo metodu, aptikti esamų defektų nepavyksta.

Vandens medžius XLPE izoliacijoje tai pat galima nustatyti pagal srovės nuotėkį, relaksacinę srovę arba dielektrinių nuostolių tangento kampą. Kita vertus, vandens medžiai dėl fizikos dėsnių nekelia dalinių išlydžių, todėl aprašytus senėjimo procesus galima aptikti ir įvertinti tik dielektrine diagnostika. Drėgnos movos nesukelia dalinių išlydžių, bet dielektrinės diagnostikos metu atkreipia į save dėmesį dėl padidėjusios ir nestabilios įkrovimo srovės kabelio dalyse. Paprastai tokiu atveju rekomenduojama atlikti ELF tyrimą su vėlesniu lokalizavimu reflektometru. Vidutinių įtampų kabeliuose efektų įvairovę galima suprasti dėl dielektrinės ir dalinių išlydžių diagnostikos derinio.

Alternatyvūs diagnostikos metodai kabeliams su XLPE izoliacija:

• dalinių išlydžių matavimas;
• tangento delta matavimas esant 0,1 Hz dažniui;
• talpos ir tangento delta matavimai nuo 0,1 iki 0,2 Hz dažnių ribose (dielektrinė spektroskopija).

Siekiant užtikrinti nurodytus matavimus, Europos bandomosios įrangos gamintojai, tarp jų firma b2 electronic GmbH  (Austrija, atstovas Lietuvoje - UAB Gerhard Petri Vilnius), siūlo kabelių diagnostikos ir bandymų komplektus, sudarytus iš:

• labai žemo dažnio bandomojo įrenginio;
• tangento delta matuoklio;
• dalinių išlydžių matuoklio;
• transformatorinės alyvos testavimo įrenginio.

2 pav. Labai žemo dažnio VLF (angl. Very Low Frequency) universalus HVA- 30 įrenginys kabeliams su XLPE izoliacija bandyti

Antrasis bandymų tipas reikalingas kabeliams su XLPE izoliacija - kabelių linijos apvalkalo bandymas.

Naudojant diagnostikos on-line sistemą, galima tinkamai kontroliuoti izoliacijos būklę, priemonių nuo viršįtampių darbą, formuoti avarinių tinklų žemėlapį, laiku atlikti techninės Priežiūros ir remonto darbus. Vienas iš pagrindinių 0,1 Hz  dažnio sinusine įtampa bandymo privalumų yra galimybė ją naudoti dielektrinių nuostolių matavimams.

 

Dielektrinių nuostolių tangento delta kampo  matavimas

 

Dielektrinės izoliacijos savybės nustatomos matuojant dielektrinius nuostolius, kurie susidaro dėl izoliacinių medžiagų poliarizacijos. Izoliacijos būklei įvertinti naudojamas tgδ parametras - dielektrinių nuostolių kampas. Dielektrinių nuostolių kampas praktiškai nepriklauso nuo izoliacinės konstrukcijos parametrų, tačiau priklauso nuo drėgmės kiekio izoliacijoje, skystosios terpės cheminių savybių pasikeitimo laike bei matavimo priemonių paklaidų.

Diagnostika naudojant tangento delta kampo nuostolių matavimus apibūdina tiek kabelių su XLPE izoliacija, tiek kabelių su popieriaus įmirkyta izoliacija senėjimo charakteristikas.

Kabelio su XLPE izoliacijos būklė laikoma gera, jeigu tgδ (2Uo) < 0,12 proc. arba/ir [tgδ (2Uo) -  tgδ (Uo) )<0,6 %].

3 pav. Kabelių su XLPE izoliacija pažaidos, kurios nustatomos taikant aukščiau išvardintus kontrolės metodus

4 pav. Kabelių diagnostikos komplekso realizavimo pavyzdys

 

Dielektrinių nuostolių tangento delta kampo matavimas leidžia:

• išskirti labiausiai probleminius kabelius, kuriems reikalingas padidintas dėmesys;
• sukurti optimalią įmonių kabelių ūkio pertvarkos strategiją.

Dielektrinių nuostolių tangento kampo delta reikšmes taip pat įtakoja lokalių dalinių išlydžių kabelyje intensyvumas. Be to, pastebima ryškesnė tgδ priklausomybė nuo įtampos.

Todėl, gavus išmatuoto tangento delta kampo neigiamus rezultatus, dar negalima konstatuoti kabelio netinkamumo tolimesnei eksploatacijai. Šis metodas leidžia greitai gauti bendrą izoliacijos būklės vaizdą ir toliau kontroliuoti probleminius kabelius.

 

Dalinių išlydžių matavimas

 

Daliniais išlydžiais vadinamas išlydžio procesas, vykstantis skystosios ar kietosios izoliacijos viduje, prijungus įtampą. Eksploatuojamų įrenginių izoliacija yra nuolat veikiama tinklo įtampos ir viršįtampių. Nuolat ilgą laiką veikiant įtampai, dalinių išlydžių procesas intensyvėja. Didinant ir mažinant įtampą dalinių išlydžių lygis kinta nevienodai. Taip pat daliniai išlydžiai intensyvėja veikiant viršįtampiams.

Vykstant daliniams išlydžiams blogėja elektros įrenginių izoliacinės savybės, izoliacinėje alyvoje didėja įvairių dujų kiekiai, kietojoje izoliacijoje yra veikiami mikroertmių paviršiai bei sluoksnių sandūros, didėja įtrūkimai, o tuo pačiu spartėja senėjimo procesai. Dalinių išlydžių lygis senstant izoliacijai didėja vidutiniškai 5-8 proc. per metus.

Daliniai išlydžiai, atsirandantys įrenginio izoliacijoje, esant tam tikromis sąlygomis, gali būti  charakterizuojami įvairiais matuojamais dydžiais, tokiais kaip tariamasis krūvis, pasikartojimo dažnis (intensyvumas), vidutinė srovė ir pan. Tariamasis krūvis yra matuojamas piko Kulonais (pC). Kai skaičiuojamas izoliacijos darbo laiko resursas dalinių išlydžių yra įvertinami išlydžių galia P. Daliniai išlydžiai gali būti nuo 0,01 pC iki 106 pC. Bandant įrenginių izoliaciją paaukštintąja įtampa rekomenduojama, kad didžiausias dalinių išlydžių lygis aukštosios įtampos izoliacijoje būtų mažesnis už 3000 pC. Pasiekus 10-6 pC išlydžių lygį izoliacija yra pramušama.

Dalinių išlydžių matavimas ir jų šaltinių nustatymas leidžia žymiai pagerinti kabelio izoliacijos diagnostikos tikslumą, nustatyti izoliacijos defektines vietas. Dalinių išlydžių matavimo metodas savo ruožtu užtikrina informacijos patikimumą apie kabelio montavimo klaidas arba kurios nors izoliacijos dalies elektrinių savybių pasikeitimus, kurie dar nesukėlė gedimo. Dalinių išlydžių charakteristikos priklauso nuo tipo, ilgio ir defekto vietos, izoliacinės medžiagos, veikiančios įtampos, (7 pav.).

7 pav. Daliniai išlydžiai kabeliuose su įmirkyto popieriaus (a) ir XLPE (b) izoliacija

Bandymo metodas remiasi aukštos įtampos padavimu į kabelių liniją (8 pav.) ir sukėlimo joje kelioms milisekundėms kintamosios gęstančios įtampos (DAC), kuriai veikiant kabelių linijos defektų vietose ir izoliacijos ertmėse užsidega daliniai išlydžiai.

Toliau pagal žinomą (ar iš anksto išmatuotą) kabelių linijos ilgį ir vadovaujantis tam tikru elektromagnetinio impulso sklidimo greičiu, reflektometrijos metodu nustatoma lokalių dalinių išlydžių susitelkimo vieta. Diagnostikos rezultatams apibendrinti sudaromas dalinių išlydžių pasiskirstymo žemėlapis (9 pav.), kurio pagalba nustatomas paslėptų defektų išilgai kabelių liniją buvimas, taip atsiranda galimybė suskirstyti linijas pagal būklės kriterijus į „geras", „blogas" arba „kritines".

9 pav. Trifazės kabelių linijos defektų žemėlapio pavyzdys kabelių temperatūros, tačiau laikui bėgant šios charakteristikos nėra  stabilios

Kompiuterizuoti matavimo kompleksai ir sistemos siūlo du dalinių išlydžių matavimo algoritmus: laikinį ir skaitmeninį. Abu algoritmai remiasi kabelio leistinosiomis dalinių išlydžių vertėmis, kurių perteklius yra registruojamas sistemoje. Pagrindinis dalinių išlydžių pavojus siejamas su šiais veiksniais:

• nesugebėjimas juos nustatyti įprastiniu paaukštintos nuolatinės srovės įtampos bandymu;
• jų spartus augimas, pažeidžiantis  izoliaciją, ir jo pasekmė - avarinė situacija kabelyje.

Kabelių su XLPE izoliacija apvalkalo bandymas

 

Kabelių linijos su XLPE izoliacija apvalkalo testai atliekami paaukštinta nuolatinės srovės įtampa, o izoliacijos pramušimo atveju atliekamas lokalinis pažeidimo vietos nustatymas. Įvairūs gamintojai siūlo specialiai sukurtas ypatingas įrangos sistemas, įgyvendinančias visą darbų ciklą - testuojant kabelius ir kabelių apvalkalus, apytiksliai nustatant pažeistas vietas, tiksliai nustatant apvalkalų defektų vietas naudojant žingsnio įtampos metodą (automatinis režimas).

8 pav. Dalinių išlydžių nustatymo sistemos pavyzdys

 

Kabelio su XLPE izoliacija pažeidimų paieška

 

Ieškant kabelio su XLPE izoliacija pažeidimų, siūloma atlikti darbus šiomis kryptimis:

• kabelio izoliacijos pažeistų vietų nustatymas;
• kabelio apvalkalo pažeistų vietų nustatymas ;
• kabelio gyslų pažeistų vietų nustatymas.

Kabelio izoliacijos pažeistų vietų nustatymas apima du etapus:

• apytikslis pažeistos izoliacijos lokalizavimo vietos nu statymas, naudojant kilpinį metodą (kabelio ilgis privalo būti ilgesnis nei 50 m.);
• tikslios vietos nustatymas naudojant žingsnio įtampos metodą.

Apytiksliai nustatant pažeidimų turinčias apvalkalo vietas naudojamas tiltinis metodas, atliekant matavimus pagal Murėjaus arba Geizerio metodikas.

Gyslų pažeidimo nustatymui taikomi šie metodai:

• pradeginimas (taikomas tiktai trijų gyslų kabeliui);
• išankstinė lokalizacija (taikant gyslų nepradeginimo metodus);
• tiksli lokalizacija (akustinis metodas).

Visas bandymų ciklas ir pažeistų vietų nustatymas realizuo jamas su specialia įranga.

 

Vidmantas Melnikas, UAB „Gerhard Petri Vilnius"
Andrius Pabarčius, UAB „Elektros zona"