Испытания

Электрическая система испытаний силовых кабелей всех классов напряжений с изоляцией из сшитого полиэтилена

30.05.2018 16:00
Просмотров: 46800

Введение

В настоящее время в практику передачи и рас­пределения электрической энергии все шире и шире внедряются силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Однако при их производстве су­ществует несколько разновидностей технологии сши­вания полиэтилена.

С точки зрения всестороннего рассмотрения, необходимо определиться, что под термином "сило­вой кабель" или "высоковольтный кабель" обычно понимают кабели на номинальное напряжение от 6 до 500 кВ. В соответствии с рекомендациями МЭК (Международная электротехническая комиссия) кабе­ли передачи и распределения электрической энергии разделены на четыре категории в зависимости от диа­пазона номинального напряжения: кабели низкого напряжения - менее 6 кВ; кабели среднего напряже­ния - 6-36 кВ; кабели высокого напряжения - 36-161 кВ; кабели сверхвысокого напряжения - более 161 кВ. Чем выше класс напряжения, тем более высокие тре­бования предъявляются к электрической изоляции.

В качестве изоляционных материалов для сило­вых кабелей, в зависимости от класса номинального напряжения, используются в основном пропитанная кабельная бумага, поливинилхлоридный (ПВХ) пла­стикат, различные композиции полиэтилена (в том числе и сшиваемые) и резины. Однако новейшие научные разработки в области полимерной изоляции позволили постепенно вытеснять пропитанную бу­мажную изоляцию в производстве силовых кабелей всех классов напряжения. Сегодня практически сняты с производства маслонаполненные кабели на рабочее напряжение 110-500 кВ, уступив кабелям с пероксидносишваемой полиэтиленовой изоляцией.

Надежность кабелей, как функция метода сшивки полиэтилена

Цель настоящей статьи заключается в том, чтобы представить некоторые, наиболее распространенные в мире, научные и технологические подходы, которые могли бы помочь электроэнергетическим компаниям и другим потребителям получить экономичный ка­бель с высоким сроком службы. Изоляционные мате­риалы для силовых кабелей, типа ПВХ пластиката и обычного полиэтилена, имели длительно допустимую температуру эксплуатации до 75 °C, следовательно, они не могли конкурировать с пропитанной бумажной изоляцией, для которой рабочая температура находи­лась в пределах 80 °C, что ограничивало их примене­ние в кабелях на номинальное напряжение выше 6 кВ.

Эта проблема была решена с появлением пероксидносшитого полиэтилена, с помощью которого появи­лась возможность повысить рабочую температуру до 90 °C, в режиме перегрузок - до 130 °C, а при корот­ком замыкании до 250 °C. В результате процесса вул­канизации (сшивки) значительно улучшаются такие ценные свойства изоляции, как теплостойкость, меха­ническая прочность, сопротивляемость растрескива­нию, стойкость к действию агрессивных сред. Пероксидносшитый полиэтилен обладает превосходными диэлектрическими свойствами, что дает возможность применять его для всех классов напряжения.

ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" первым на постсо­ветском пространстве освоил производство кабелей энергетического назначения по пероксидносшиваемой технологии на рабочие напряжения от 6 до 330 кВ с использованием наклонных линий газовой вул­канизации с 2003 года [1, 4].

Существует три способа сшивания полиэтилена:

  • химическая пероксидная сшивка (образование по­перечных связей) происходит при помощи вулканизи­рующего агента пероксида (например, перекиси дикумила), который вводится в полимер. При этом на специ­альных наклонных или вертикальных линиях происхо­дит одновременное трехслойное наложение изоляцион­ной системы - полупроводящего экрана по токопрово­дящей жиле, собственно изоляции и полупроводящего экрана по изоляции - и сшивка трех слоев в вулканиза­ционной трубе при высокой температуре (до 450 °C) и давлении (14 атм.) в среде инертного, по отношению к изоляции, газа. Такие системы требуют значительных финансовых затрат и поэтому применяются исключи­тельно при производстве кабелей на рабочее напряже­ние от 6 до 500 кВ. При этой сшивке образуются побоч­ные продукты деления, главным образом из метана, оцетофенола и метилового спирта, которые со временем испаряются сами по себе или могут быть удалены при помощи дегазации в термокамере. Самое главное, что эти побочные продукты деления не образуют инород­ных включений в изоляции;
  • силанольная (влажная) вулканизация осуществ­ляется путем введения в полимерные цепочки хими­ческих соединений на основе силанов, которые фор­мируют поперечные связи только под воздействием влаги (пар или горячая вода). Процесс вулканизации осуществляется в твердой фазе после наложения изо­ляционной системы, т.е. имеет место разделение еди­ного технологического процесса на две стадии - экструзия изоляционной системы и ее вулканизация. Это более дешевая технология, т.к. выполняется на обыч­ных горизонтальных линиях. В противоположность пероксидной сшивке при силанольной, продукты де­ления образуют поперечные связи в материале изоля­ции и выполняют соединительную функцию между молекулами полиэтилена и не удаляются. Эти вклю­чения имеют, по сравнению с основной изоляцией, другие значения диэлектрической проницаемости и проводимости, т.е. являются концентраторами напря­женности электрического поля, приводящими к уско­рению старения изоляции и снижению ресурса кабе­лей, даже на среднее напряжение. Поскольку вулка­низация осуществляется не в инертной, а в водной среде, то это приводит к усилению образования вод­ных триингов.

Этот способ сшивки содействует непосредствен­ному проникновению инородного тела в химический состав изоляции. По этой причине силанольная сшив­ка используется при производстве кабелей низкого напряжения - до 6 кВ.

• радиационная сшивка, когда сшивание происхо­дит с применением источников ионизационных излу­чений и применяется для производства проводов с относительно тонкой изоляцией.

Остается напомнить энергетическим компаниям и предприятиям, использующим силовые кабели со сшитой полиэтиленовой изоляцией, что надежность кабельных систем на напряжение 6-500 кВ базируется в мире на пероксидносшиваемой полиэтиленовой изоляции. Процесс "сухой" пероксидной сшивки впервые, и пока единственный в Украине, внедрен на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" и позволяет произво­дить кабели на напряжение от 6 до 330 кВ.

Анализ публикаций

Испытания кабелей с изоляцией из сшитого по­лиэтилена осуществляют согласно требованиям Меж­дународного стандарта МЭК 62067 и подразделяют на приемо-сдаточные, периодические, типовые и преквалификационные.

Для обоснованного выбора научных подходов и методов при разработке специализированных элек­тротехнических систем для испытаний кабелей с по­лимерной изоляцией на напряжение 6-500 кВ был выполнен аналитический обзор современных спосо­бов решения аналогичных задач в отечественной и зарубежной практике. Анализ литературы показал [1, 2, 6], что длительно нагружать изоляцию постоянным напряжением нецелесообразно из-за накопления в микродефектах изоляции значительных объемных зарядов, которые могут пребывать в изоляции дли­тельное время, вызывая ее старение. Эти объемные заряды могут накапливаться на достаточно больших глубинах изоляции.

Исследования, проведенные на заводе, подтверди­ли, что длительно испытывать повышенным перемен­ным напряжением является также нецелесообразным, т.к. могут возникать дополнительная деструкция изоля­ции и появление необратимых разрушающих ее микро­дефектов, которых до испытаний не было [7]. Эго объ­ясняется тем, что накопление объемных зарядов при повышенном переменном напряжении является процес­сом вероятностным, при котором возможно также про­никновение с поверхности медных или алюминиевых жил электронов на большую глубину изоляции. Учиты­вая, что время исчезновения локальных объемных заря­дов на несколько порядков больше, чем время их накоп­ления, то длительных испытаний повышенным пере­менным напряжением высоковольтных и сверхвысоко­вольтных кабелей также следует избегать.

Для испытания кабелей повышенным напряже­нием (до 35 кВ) обычно используют специальной конструкции повышающие измерительные трансфор­маторы. Мощность таких испытательных трансфор­маторов определяется произведением величины напряжения вторичной обмотки трансформатора UBbIX на величину емкостного тока в изоляции Ic, то есть равна. S’T|) = ивых*1с.

Применение трансформаторных схем для испы­таний высоковольтных и сверхвысоковольтных кабе­лей длиной в несколько сот метров представляется нецелесообразным, т.к. они требуют применения очень энергоемкого оборудования.

При строительной длине кабеля на напряжение 110 кВ на барабане до 1000 м общая емкость будет составлять С ~ К) 6 Ф, а общее емкостное сопротив­ление Хс переменному току частотой 50 Гц может быть равным: Хс = (2щ) 1 ~ 3184,7 Ом.

В соответствии с современными требованиями кабели со СПЭ изоляцией на напряжение 110 кВ должны подвергаться приемо-сдаточным испытаниям переменным напряжением различной длительностью, приведенной в табл. 1.

Таблица 1

Испытание кабелей переменным напряжением частоты 50 Гц 

Номинальное напряжение, кВ Испытательное напряжение, кВ Длительность испытаний, мин.
110 160 30
220 318 30
330 420 60

 Учитывая, что тангенс угла диэлектрических по­терь составляет 10 то потерями мощности на нагрев изоляции можно пренебречь (ошибка составит мень­ше 0,1 %). В таком случае в кабеле в течение 30 минут должен протекать ток утечки Ic равный Ic = UJXC ~ 50 А и кабель должен пропускать мощность Sc, рав­ную Sc = U?/Xc ~ 8000 кВА.

Таким образом, сложно представить использование трансформатора установленной мощности для испыта - ний высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей.

Немногим более 30 лет назад традиционные трансформаторные измерительные системы, для про­ведения приемо-сдаточных испытаний, начали заме­нять резонансными системами, использующими в своих цепях резонансный контур, состоящий из па­раллельно включенных испытуемого кабеля и реакто­ра с изменяемой индуктивностью [3]. Эти системы позволили в десятки раз уменьшить мощность повы­шающего трансформатора.

Однако эти системы имеют один из серьезных недостатков - это необходимость выполнять все обо-

рудование на сверхвысокое напряжение до 500 кВ. Такой недостаток может быть преодолим только при узком диапазоне изменения длины испытуемого кабе­ля. При широкодиапазонном изменении длины испы­туемого высоковольтного кабеля будут соответствен­но изменяться в десятки раз емкостное сопротивление СПЭ изоляции и активное сопротивление токопрово­дящей жилы. В этой связи реализовать высокодоб­ротный параллельный резонансный контур не пред­ставляется возможным, т.к. необходимо, чтобы были равными не только реактивные сопротивления кабеля и компенсирующего реактора, но и их активные со­противления. Большим недостатком параллельного резонансного контура является то, что при пробое изоляции кабеля или реактора, общее сопротивление такого контура уменьшается в десятки раз, соответ­ствующим образом увеличивая ток короткого замы­кании измерительной системы и питающей сети.

Измерительная система последовательного резонанса

Если реализовать в измерительной системе резо­нанс напряжения, используя контур с последователь­ным соединением кабеля и высоковольтного реакто­ра, то при больших изменениях емкости кабеля, т.е. его длины, точная настройка контура в резонанс мо­жет осуществляться за счет соответствующего реак­тора [5, 6]. В последовательном резонансном контуре активные сопротивления элементов электротехниче­ской системы складываются и изменение их суммы лишь несущественно изменяет добротность контура и величину тока, потребляемого из сети. Из всех эле­ментов системы только изоляция компенсирующего реактора должна быть рассчитана на полное напряже­ние 500 кВ, а его обмотки - на токи до 40 А и полную мощность 20 MBA.

Современное развитие мировой электротехниче­ской промышленности позволяет проектировать и изготавливать реакторы на такие мощности и обеспе­чить линейное регулирование их индуктивности при­мерно в 20 раз за счет автоматического изменения воздушного зазора сердечника.

Таким образом, для испытания высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей со СПЭ изоляцией была обоснована целесообразность разработки элек­тротехнических систем с последовательным резо­нансным контуром синусоидального напряжения промышленной частоты.

Поэтому, на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" в ос­нову сверхвысоковольтного испытательного комплек­са (СВИК) для испытаний широкого спектра кабелей из СПЭ изоляцией в соответствии с международными нормами и действующими системами менеджмента качества продукции, была положена концепция резо­нансного возбуждения последовательного высоко­добротного индуктивно-емкостного (L-C) контура с переменной индуктивностью.

Рассмотрим кратное описание структурной схе­мы такой системы, основные особенности ее кон­структивного исполнения и применения.

По условиям энергетического баланса для под­держания резонанса количество энергии на входе си­стемы в течение полупериода, должно быть равно количеству энергии, теряемой за это время внутри самой системы, т.е. энергии, равной омическим поте­рям в элементах системы.

На основании вышеизложенного и необходимо­сти испытания кабелей не только повышенным напряжением, но и измерения величины амплитуды частичных разрядов была разработана структурная схема многокомпонентной испытательной системы, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения уровня частичных разрядов и обнаружения места пробоя с использованием резонанса 

В состав такой электротехнической системы с последовательным резонансным контуром в качестве оборудования для измерения величины амплитуды частичных разрядов и локализации мест повреждений были включены:

  • повышающий трансформатор Тр1 с двойным экраном;
  • блок силового электропитания, включающий в себя главный силовой автоматический выключатель (АВ1), высокоточный регулятор напряжения на основе автотрансформатора Пашеля (Тр2), высоковольтный двухпозиционный контактор-выключатель (АВ2), низ­ковольтный фильтр токов основной частоты (НВФ);
  • возбуждающий трансформатор (Тр3);
  • высоковольтный реактор (ВВР);
  • высоковольтный фильтр (ВВФ);
  • масляные кабельные вводы или вводы с де­ионизированной водой для подключения высоковоль­тного или сверхвысоковольтного кабеля;
  • силовой кабель со СПЭ изоляцией (объект ис­пытания);
  • электропривод для регулирования индуктивно­сти реактора, посредством изменения воздушного зазора его магнитопровода;
  • микропроцессорная система управления про­цессами испытания;
  • цифровой блок измерения частичных разрядов и высокого напряжения (Блок измерения ЧР и ВН).

Разделительный трансформатор с двойным экраном предназначен для обеспечения двух функ­ций: гальванической развязки испытательной элек­тротехнической системы от системы заземления цеха и ослабления высокочастотных шумов, которые могут появляться в системе электропитания всего использу­емого электрооборудования. Это позволяет достигать максимально возможной чувствительности при изме­рении частичных разрядов. Первичная и вторичная обмотки экранированы с подсоединением через про­ходные изоляторы с контуром заземления системы. Катушки намотаны проводом с усиленной изоляцией для защиты от бросков напряжения и переходных процессов. Катушки и сердечник размещаются в стальной, заземленной камере, заполненной изоляци­онным маслом.

Блок силового электропитания, конструктивно выполненный в виде стойки, защищенной от электро­магнитных полей и включающий:

  • главный силовой автоматический выключатель АВ1, который подключает электропитание к испыта­тельной системе и обеспечивает автоматическую за­щиту этой системы и питающей электросети от ава­рийных токов;
  • регулятор напряжения, который используется для регулирования напряжения на входе возбуждаю­щего трансформатора и соответственно выходного напряжения всей системы. Регулятор напряжения име­ет электропривод и управляется от системы управле­ния. В качестве регулятора напряжения используется регулируемый автотрансформатор Пашеля, у которого точность регулирования не превышает 1 %;
  • высоковольтный двухпозиционный контактор­выключатель (АВ2), который обеспечивает соедине­ние выхода регулятора напряжения с испытательной системой. Включается только тогда, когда все внеш­ние блокировки системы замкнуты и регулятор напряжения находится в нулевом положении. Контак­тор может быть разомкнут вручную посредством кно­пок на пульте или по сигналу схемы дугового разряда;
  • низковольтный фильтр (НВФ), который пред­назначен для ослабления помех в диапазоне измере­ния частичных разрядов. Диапазон рабочей частоты НВФ очень мал - 50-60 Гц. Ослабление для токов высших гармонических более чем 40 дБ в диапазоне частот 0,03-1 МГц.

Возбуждающий трансформатор (Тр3), включае­мый между силовой сетью и реактором, предназначен для повышения питающего напряжения до необходи­мой величины и обеспечения активной мощности, тре­буемой системе, гальванической развязки и электро­статического экранирования высоковольтной измери­тельной схемы от сети электропитания. На выходе воз­буждающего трансформатора включен разрядник для защиты этого трансформатора и регулируемого реак­тора от перенапряжений. Этот разрядник конструктив­но размещен в корпусе реактора.

Высоковольтный реактор - это ключевой ком­понент резонансной испытательной системы. Высо­ковольтный реактор расположен в стальной зазем­ленной камере, заполненной изоляционным маслом и снабженной выходным проходным изолятором, по этой причине он называется камерным. Выполнен в виде двух реакторов, весом по 18 т каждый, которые могут соединяться последовательно и параллельно, а конструктивно, расположены один над другим.

На обоих плечах сердечника выполнены воз­душные зазоры. Имеется механизм подъема и опуска­ния сердечника. При этом изменяется величина воз­душного зазора сердечника, а в результате и индук­тивность реактора. Две высоковольтные катушки, соединенные параллельно перекрывают зазор, даже в полностью открытом положении, что предотвращает отклонение силовых магнитных линий.

Высоковольтный фильтр (ВВФ) и делитель напряжения, который предназначен для системы из­мерения уровня частичных разрядов. В фильтре ис­пользуются высоковольтные конденсаторы и катушки индуктивности. Фильтр представляет собой много­ступенчатую конструкцию. Выходная ступень являет­ся также делителем напряжения и силовым раздели­тельным фильтром. В этой ступени установлен четы­рёхполюсник для обеспечения сигналов киловольт­метра, детектора дугового разряда, фазовых синхро­низатора и детектора ЧР, что обеспечивает ослабле­ние помех более 40 дБ в диапазоне частот 15-500 кГц.

На рис. 2 показана схема замещения электротехни­ческой системы с последовательным резонансным кон­туром, реализованная на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ". 

Рис. 2. Электрическая схема испытания силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена с использованием явления последовательного резонанса напряжений 

Переменный трансформатор Т1 позволяет регу­лировать напряжение на однофазном возбуждающем трансформаторе Т2, который снабжает электроэнерги­ей резонансный контур и изолирует испытуемый ка­бель от остальной цепи. Конденсатор С - это емкость кабеля и другие емкости контура (емкостного делите­ля напряжения и емкость выходного проходного изо­лятора). Индуктивность L характеризует изменяюще­еся индуктивное сопротивление реактора, которое совместно с емкостью С приводит к последователь­ному резонансу и соответственно повышению напря­жения на кабеле. Упрощенная эквивалентная схема замещения установки показана на рис. 3. 

 

Предполагается, что возбуждающий трансфор­матор не имеет потерь. Индуктивность L представляет собой общую индуктивность возбуждающего транс­форматора и реактора. Сопротивление R включает все активные потери в системе. Для схемы на рис. 3 спра­ведливо уравнение, связывающее комплексные зна­чения выходного и входного напряжения: 

Выводы:

В целом электротехническая измерительная си­стема характеризуется следующими основными до­стоинствами:

  • малая входная мощность объясняется тем, что активная электрическая мощность теряется только в виде омических потерь и является очень малой;
  • низкий ток короткого замыкания, т.к. если во вре­мя испытания происходит полный пробой изоляции кабеля, то последовательный резонансный контур рез­ко теряет высокое значение добротности контура Q;
  • низкий уровень нелинейных искажений, т.к. для высоких гармонических составляющих тока реактор будет иметь большое сопротивление и их токи будут малы по сравнению с током основной гармоники;
  • переходные перенапряжения могут возникать при использовании трансформаторных и параллельных резонансных систем во время дугового перекрытия изоляции. Эти перенапряжения могут превышать ис­пытательное напряжение в несколько раз. При исполь­зовании последовательных резонансных систем пере­ходные перенапряжения очень малы за счет установки на выходе возбуждающего трансформатора разрядни­ка, который защищает как трансформатор, так и регу­лируемый реактор от возникающих перенапряжений;
  • низкий уровень разбалансировки фаз, т.к. вход­ная мощность резонансных систем ниже выходной, то отбор мощности с одной фазы трехфазной сети вызы­вает гораздо меньшую разбалансировку фаз (несим­метричность потребляемых фазных токов), чем при использовании трансформаторных и параллельных резонансных систем.