Технология обнаружения частичных разрядов в кабеле: обмен опытом между...

Shanghai Demiks Power Technology Co., Ltd.

1. Основные понятия, касающиеся состояния изоляции кабеля.

Являясь основным каналом передачи электроэнергии в энергосистеме, изоляционные характеристики кабелей напрямую определяют стабильность и безопасность электроснабжения. В процессе длительной эксплуатации изоляция кабелей постепенно изнашивается, и основными причинами этого являются термическая деградация, электрическая деградация и образование водяных дендритов. Кроме того, внешние воздействия, радиационная эрозия и химическая коррозия также могут ускорить старение изоляции, что в конечном итоге может привести к выходу кабеля из строя и отключениям электроэнергии.

Под воздействием электрического поля при достижении напряженностью электрического поля пробивной прочности в некоторых слабых местах изоляции (таких как участки с воздушными зазорами, примесями или повреждениями на границе раздела) может возникать частичный разряд . Этот разряд не проникает через два электрода, к которым приложено напряжение, и считается неполным состоянием пробоя. Однако это важный признак ухудшения состояния изоляции кабеля — частичный разряд является как причиной, так и следствием деградации изоляции, а также самым быстрым механизмом старения органических изоляционных материалов (таких как XLPE и EPR).

Проще говоря, при наличии дефектов изоляции в кабеле неизбежно возникают частичные разряды. Непрерывные частичные разряды разрушают изоляционный слой, приводя к постоянному ухудшению изоляционных характеристик и, в конечном итоге, к серьезным неисправностям, таким как пробой изоляции кабеля и плавление проводника. Поэтому своевременное обнаружение сигналов частичных разрядов и точная оценка состояния изоляции кабеля имеют первостепенное значение в эксплуатации и техническом обслуживании электросетей.

1. Ключевое значение обнаружения частичных разрядов

Обнаружение частичных разрядов, как основной метод оценки состояния изоляции кабеля, имеет важное значение прежде всего в следующих четырех аспектах, и его применение распространяется на весь жизненный цикл кабеля:

• Своевременное обнаружение потенциальных неисправностей кабеля: благодаря обнаружению сигналов частичного разряда можно заранее выявить слабые места и потенциальные дефекты изоляции кабеля, что позволяет принимать целенаправленные меры по устранению неполадок до возникновения неисправности, эффективно снижая вероятность неожиданных отключений электроэнергии и обеспечивая непрерывную и стабильную работу энергосистемы.

• Контроль качества процесса ввода в эксплуатацию новых кабелей: перед началом эксплуатации нового кабеля, испытание на частичный разряд Это позволяет проверить рациональность процесса производства и монтажа кабелей, выявить потенциальные проблемы, такие как неправильная обработка соединений и повреждение изоляции во время строительства, предоставить научную основу для управления строительством и избежать ввода в эксплуатацию некачественных кабелей.
• Оценка рабочего состояния старых кабелей: для старых кабелей, эксплуатируемых в течение длительного времени, обнаружение частичных разрядов позволяет точно определить степень старения изоляции, предоставляя данные для управления кабельными активами, диагностики неисправностей и принятия решений о замене, избегая растраты ресурсов, вызванной необдуманной заменой, и предотвращая неисправности, вызванные повреждением изоляции.
• Содействие трансформации и модернизации модели эксплуатации и технического обслуживания: мониторинг в реальном времени и точная оценка состояния кабеля могут быть достигнуты за счет обнаружения частичных разрядов, что способствует переходу от традиционной модели «планового технического обслуживания» к более научной и эффективной модели «технического обслуживания на основе состояния», снижению эксплуатационных расходов и повышению эффективности эксплуатации и технического обслуживания.

Эквивалентная модель обычного кабеля	Эквивалентная модель дефектного кабеля

III. Основные технологии и решения для обнаружения частичных разрядов в кабелях

Для разных сценариев и типов кабелей требуются различные схемы обнаружения. Среди них технология обнаружения волновых колебаний кабеля является единственной технологией локализации дефектов в области высоковольтных кабелей и кабелей распределительных сетей, обладающей большим количеством эффективных замкнутых циклов (охватывающих весь процесс проверки испытаний, разборки неисправностей, устранения дефектов и проверки разборки). В сочетании с онлайн-мониторингом, осмотром в режиме реального времени и другими методами может быть сформирована полная и эффективная система мониторинга, управления и обслуживания состояния кабеля.

(I) Классификация основных решений для тестирования

• Онлайн-мониторинг (подходит для линий критической нагрузки): получение сигналов частичных разрядов в режиме реального времени во время работы кабеля, что обеспечивает круглосуточный непрерывный мониторинг, своевременное обнаружение внезапных неисправностей и подходит для длительной эксплуатации и технического обслуживания магистральных линий и линий критической нагрузки.
• Осмотр линии под напряжением (применимо к линиям общего обследования): Проведение комплексного осмотра линии при наличии напряжения в кабеле, быстрое выявление участков кабеля с потенциальной опасностью частичного разряда, определение направлений для последующего точного обнаружения и устранения дефектов, а также повышение эффективности эксплуатации и технического обслуживания.

• Автономное позиционирование кабеля с помощью осциллирующей волны (подходит для точного позиционирования): путем подачи затухающего осциллирующего напряжения на кабель в автономном режиме возбуждается частичный разряд в месте дефекта изоляции, что обеспечивает точное позиционирование дефекта. Это основной метод диагностики неисправностей и проверки дефектов.

(II) Параметры высокоэффективной высокочастотной системы обнаружения частичных разрядов

Согласно стандарту QGDW 11304.5-2023 «Технические характеристики приборов для контроля напряжения в силовом оборудовании. Часть 5: Высокочастотный детектор частичных разрядов », высокопроизводительная высокочастотная система обнаружения частичных разрядов должна соответствовать следующим основным параметрам для обеспечения точности и надежности обнаружения:

• Входные порты: Поддерживает обнаружение по 1-4 каналам и может быть расширен для получения дополнительных параметров, таких как температура, влажность и циркуляция, что позволяет проводить многомерный синхронный анализ данных.
• Функции тестирования: Возможность непрерывного сбора не менее 2000 импульсов по трем фазам в течение не менее 5 секунд; мертвое время повторения импульса ≤2 мкс, гарантирующее отсутствие пропущенных критических сигналов разряда; поддерживает как непрерывный сбор данных за один цикл, так и импульсный запуск для адаптации к различным сценариям тестирования; включает в себя множество функций шумоподавления, таких как фильтрация в частотной области и вейвлет-фильтрация, для эффективного устранения помех и повышения точности обнаружения; поддерживает сбор данных о трехфазном синхронном частичном разряде, обеспечивая всестороннее определение состояния изоляции трехфазных кабелей; включает функции запуска по протоколу BeiDou и запуска по характеристикам импульсов частичного разряда во временной области для дальнейшего повышения точности запуска и скорости отклика.

(III) Основные технологии для точного определения местоположения проблем, связанных с частичными разрядами в кабеле, в автономном режиме.

В относительно развитых регионах для приемки кабелей и планового технического обслуживания обычно используется взаимодополняющий подход с применением трех методов: резонансного выдерживаемого напряжения, частичного разряда осциллирующей волны и синусоидальных сверхнизкочастотных диэлектрических потерь. Эти три метода не взаимозаменяемы — один метод не может охватить все сценарии. Сочетание автономного тестирования с онлайн-мониторингом может создать комплексное решение для проблем на месте.

Основной принцип автономного позиционирования кабеля с помощью колебательных волн заключается в следующем: кабель заряжается от источника постоянного тока через индуктор, затем быстродействующий переключатель преобразует постоянный ток в переменный, генерируя затухающее колебательное напряжение на тестируемом кабеле; это затухающее колебательное напряжение вызывает частичный разряд в дефекте изоляции кабеля, и система обнаружения регистрирует сигнал частичного разряда на основе метода импульсного тока, тем самым обеспечивая точное определение местоположения дефекта.

(iv) Сравнение трех основных методов обнаружения в офлайн-режиме

Методы обнаружения	Основные особенности
Колеблющаяся волна	Преимущества: Малый размер и вес, неразрушающий контроль, совместимость с большинством высоковольтных и распределительных сетевых кабелей, удобство работы на месте; Недостатки: Эквивалентность напряжения пробоя требует дальнейшей проверки, а точность обнаружения в некоторых экстремальных сценариях дефектов требует сочетания с другими методами.
Резонанс переменного тока	Преимущества: Использование традиционных и классических методов тестирования, результаты испытаний близки к результатам заводских испытаний кабелей, а точность проверки общей изоляционной способности высока; Недостатки: Оборудование обладает высокой мощностью, большими размерами и весом, что затрудняет транспортировку и установку на месте, время испытаний велико, а затраты на техническое обслуживание высоки.
Выдерживаемое постоянное напряжение	Недостатки: Длительное воздействие высокого постоянного напряжения приводит к накоплению заряда внутри кабеля, вызывая необратимые дополнительные повреждения кабелей с органической изоляцией, таких как кабели с сшитым полиэтиленом (XLPE). Этот метод категорически запрещен в большинстве регионов.

(v) Волна постоянного тока генератора (ЦАП) – Оценка риска постоянного тока

Что касается безопасности испытаний с использованием осциллирующих волн постоянного тока (DAC), данное исследование демонстрирует его эффективность с четырех точек зрения: физический механизм, пороговые условия, инженерные меры противодействия и соответствие стандартам. В нем поясняется, что испытания с использованием DAC не наносят вреда кабелям и безопасны для полевых испытаний.

Уровень аргументации	Основной контент
Уровень физического механизма	Изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) имеет чрезвычайно большую постоянную времени релаксации (приблизительно 2035 с), в то время как испытание DAC длится всего несколько десятков секунд. Во время испытания кабель всегда находится в области, где преобладает емкостное распределение, а электрическое поле имеет переменный характер, что не соответствует условиям для формирования постоянного стационарного напряжения и не вызовет повреждения изоляции.
Пороговый уровень состояния	Для значительного накопления пространственного заряда внутри кабеля необходимо одновременное выполнение двух основных условий: «напряженность электрического поля > 10–12 кВ/мм» и «поддержание постоянного напряжения в течение нескольких минут». Однако тест DAC не может одновременно удовлетворять обоим условиям, поэтому он не приведет к значительному накоплению пространственного заряда.
Инженерные контрмеры	Ограничение времени возбуждения в 100 секунд и процедура биполярной зарядки обеспечивают четкий и безопасный технический путь для испытаний высоковольтных кабелей большой емкости методом прямого цангового разряда, эффективно контролируя напряжение электрического поля во время испытания и предотвращая повреждение изоляции.
Уровень признания стандартов	Стандарт IEEE 400.4-2015 утвердил метод DAC (затухающий переменный ток) как зрелый способ полевых испытаний кабелей, уточнив его безопасность и эффективность, а также предоставив стандартную основу для полевых испытаний.

(vi) Характеристики распространения сигналов частичного разряда

Когда в определенной точке кабеля происходит частичный разряд, импеданс кабеля до и после точки разряда можно считать одинаковым. В этот момент половина энергии импульсного сигнала частичного разряда распространяется до проверяемого конца, а другая половина — до дальнего конца кабеля. Когда сигнал достигает точки разомкнутой цепи на дальнем конце кабеля, происходит полное отражение, и отраженный сигнал снова распространяется до проверяемого конца по всему кабелю.

Для повышения точности обнаружения в измерительный конец исследуемого кабеля обычно подают аналоговый сигнал частичного разряда (ЧР) с известным электрическим зарядом. Анализируя характеристики распространения аналогового сигнала, рассчитывают скорость распространения волны, коэффициент затухания и коэффициент разрешения импульса ЧР, распространяющегося вдоль кабеля. Важно отметить, что сигнал ЧР в процессе распространения демонстрирует характеристики «уменьшения амплитуды и увеличения ширины импульса», что является существенным фактором, влияющим на точность обнаружения и требующим компенсации и коррекции с использованием специализированного оборудования и алгоритмов.

Схематическое изображение распространения разряда в определенной точке кабеля.

 

1. Частые вопросы (FAQ)

В1: В чем разница между определением места дефекта, вызванного колебательными волнами кабеля, и определением места неисправности?

A: Обнаружение дефектов, вызванных колебательными волнами в кабеле, является профилактическим испытанием. Перед испытанием кабель должен обладать определенными изоляционными свойствами. Основная цель — выявление дефектов изоляции, которые еще не повреждены, что обеспечивает «раннее обнаружение и раннее устранение». Обнаружение неисправностей в кабеле, с другой стороны, предназначено для кабелей, которые уже подверглись повреждениям. Оно в основном направлено на устранение неисправностей, приводящих к отключению электроэнергии, таких как пробой изоляции кабеля и плавление проводника (включая замыкания на землю, короткие замыкания, обрывы цепи, перекрытия и смешанные неисправности). Основная цель — быстро определить место повреждения и восстановить электроснабжение линии. Для получения информации о существенных различиях см. раздел 6.2 стандарта DL/T 1576.

Вопрос 2: Какова частота колебаний колеблющейся волны?

А: Колебательные волны в кабеле аналогичны резонансным выдерживающим напряжениям и сверхнизкочастотным устройствам и используются только в качестве источников возбуждающего напряжения для обнаружения частичных разрядов. Их широкий эквивалентный частотный диапазон составляет 20–850 Гц, в пределах которого можно регистрировать сигналы частичных разрядов и определять местоположение дефектов.

В3: Какую длину кабеля может обнаружить устройство, использующее колебательные волны?

A: Максимальная измеряемая емкость устройства для регистрации колебаний кабеля составляет 6 мкФ. В качестве примера возьмем кабель 8.7/10 кВ с сечением 300 мм², теоретически измеряемая длина может достигать 16 км. Однако из-за ограничений принципа TDR (временной рефлектометрии) при слишком малой емкости кабеля (не менее 0.05 мкФ) может происходить наложение волновых форм, что влияет на точность обнаружения. В этом случае для вспомогательного обнаружения требуется параллельное компенсирующее устройство.

Вопрос 4: Что такое затухание сигнала в кабеле и минимальная измеримая длина?

А: Затухание сигнала в кабеле тесно связано с его длиной, сроком службы и состоянием изоляции. В целом, чем длиннее кабель и чем дольше он находится в эксплуатации, тем больше затухание сигнала. Кратчайшее измеряемое расстояние для кабеля в основном зависит от выбора полосы пропускания измерительного оборудования — чем шире выбираемая полоса частот и чем выше разрешение во временной области, тем больше диапазон измеряемых длин кабеля. Например, при тестировании кабеля на коротком расстоянии в 35 метров можно получить четкую измеренную форму сигнала с помощью устройства с высокой полосой пропускания, что обеспечивает точное тестирование.

1. Технические условия и стандарты обнаружения частичных разрядов

(а) Требования к обнаружению частичных разрядов во время тестирования при передаче управления.

При проведении испытаний кабеля на переключение можно использовать три метода возбуждения напряжения: осциллирующую волну, синусоидальную волну сверхнизкой частоты и прямоугольную косинусоидальную волну сверхнизкой частоты. Метод обнаружения должен соответствовать соответствующим стандартам IEEE Std 400.2 и IEEE Std 400.4. Конкретные требования к испытаниям приведены в таблице ниже:

Vформа напряжения	Максимальное испытательное напряжение – совершенно новый кабель	Максимальное испытательное напряжение – не новый кабель	Максимальная длительность циклов возбуждения испытательного напряжения	Требования к испытаниям – Введен в эксплуатацию новый кабельный участок	Требования к испытаниям – кабельный участок, не введенный в эксплуатацию впервые.
Колеблющееся волновое напряжение	2.0U₀	1.7U₀	Не менее 5 раз	Начальное напряжение частичного разряда составляет не менее 1.2 мкКл; значение обнаружения частичного разряда основного корпуса не превышает 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда разъема не превышает 200 пКл; и значение обнаружения частичного разряда клеммы не превышает 2000 пКл.	Значение обнаружения частичного разряда в основном корпусе не должно превышать 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда в разъеме не должно превышать 300 пКл; и значение обнаружения частичного разряда на клемме не должно превышать 3000 пКл.
Синусоидальное напряжение сверхнизкой частоты	3.0U₀	2.5U₀	Не менее 15 минут	Начальное напряжение частичного разряда составляет не менее 1.2 мкКл; значение обнаружения частичного разряда основного корпуса не превышает 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда разъема не превышает 200 пКл; и значение обнаружения частичного разряда клеммы не превышает 2000 пКл.	Значение обнаружения частичного разряда в основном корпусе не должно превышать 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда в разъеме не должно превышать 300 пКл; и значение обнаружения частичного разряда на клемме не должно превышать 3000 пКл.
Сверхнизкочастотное косинусоидальное прямоугольное напряжение	2.5U₀	2.0U₀	Не менее 15 минут	Начальное напряжение частичного разряда составляет не менее 1.2 мкКл; значение обнаружения частичного разряда основного корпуса не превышает 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда разъема не превышает 200 пКл; и значение обнаружения частичного разряда клеммы не превышает 2000 пКл.	Значение обнаружения частичного разряда в основном корпусе не должно превышать 100 пКл; значение обнаружения частичного разряда в разъеме не должно превышать 300 пКл; и значение обнаружения частичного разряда на клемме не должно превышать 3000 пКл.

(II) Основные требования стандарта IEEE Std 400.4-2015

Стандарт IEEE Std 400.4-2015 «Руководство по полевым испытаниям затухающего переменного напряжения (DAC) экранированных силовых кабельных систем с номинальным напряжением 5 кВ и выше» является основным эталонным стандартом для испытаний кабельных колебательных волн. Его основная область применения включает следующее:

1. Применяется в экранированных силовых кабельных системах с номинальным напряжением 5 кВ и выше, охватывая основные типы изоляции, такие как XLPE и EPR, и может использоваться в различных сценариях электроснабжения, например, в системах передачи и распределения электроэнергии.
2. Сценарии испытаний: В основном для полевых испытаний установленных кабелей в автономном режиме, включая: ① Испытание нового кабеля при передаче (перед вводом в эксплуатацию) для проверки качества кабеля и процесса строительства; ② Периодическая оценка состояния кабелей в процессе эксплуатации для определения степени старения изоляции; ③ Проверка изоляции кабелей после устранения неисправности для обеспечения полного устранения неисправности.
3. Основная технология: стандартизирует метод испытания на выдерживаемое напряжение и диагностики частичных разрядов (ЧР) при затухающем переменном напряжении (ЦАП/колебательная волна). Ее главное преимущество заключается в решении проблемы необратимого повреждения кабелей XLPE, вызванного традиционным испытанием на выдерживаемое постоянное напряжение, и в сочетании неразрушающего контроля и точной диагностики.

(III) Требования к испытаниям на частичные разряды и техническому обслуживанию кабелей

Для кабельных линий с частичными разрядами следует принимать целенаправленные меры по техническому обслуживанию, исходя из срока службы кабеля и амплитуды частичных разрядов различных компонентов. Конкретные требования следующие:

• Для вновь введенных в эксплуатацию кабельных линий и кабельных линий, эксплуатируемых менее года: максимальное испытательное напряжение составляет 2U₀. Если частичный разряд соединения превышает 300 пКл, а частичный разряд корпуса кабеля превышает 100 пКл, кабель следует своевременно заменить. Если частичный разряд клеммы превышает 3000 пКл, компоненты клеммы следует немедленно заменить.
• Для кабельных линий, эксплуатируемых более года: максимальное испытательное напряжение составляет 1.7U₀. Если частичный разряд соединения превышает 500 пКл, а частичный разряд корпуса кабеля превышает 100 пКл, соответствующие компоненты следует своевременно заменить. Если частичный разряд клеммы превышает 5000 пКл, клемму следует немедленно заменить.

(iv) Основные цели различных типов тестов

Тип теста	Цель	Фокус оценки
Испытание ЦАП на выдерживаемое напряжение	Проверьте общую устойчивость изоляции кабеля к внешним воздействиям и выявите критические дефекты изоляции.	В ходе испытаний не было выявлено разрушительных неисправностей, таких как пробой или перекрытие.
Обнаружение частичного разряда (ЧР)	Выявите потенциальные дефекты внутри изоляции (такие как воздушные зазоры, примеси, повреждения на границе раздела и т. д.).	Точное определение напряжения начала частичного разряда, амплитуды частичного разряда и места разряда.
Оценка результатов теста	Это обеспечивает научную основу для определения того, следует ли вводить кабели в эксплуатацию и следует ли продолжать их эксплуатацию.	Классификация степени тяжести дефектов и прогнозирование риска отказов

 

1. Обмен примерами практического применения.

Ниже представлены несколько примеров практического применения технологии обнаружения частичных разрядов в кабелях в различных условиях, наглядно демонстрирующие ценность её использования в реальной эксплуатации и техническом обслуживании. Она позволяет точно выявлять различные дефекты изоляции и предотвращать усугубление неисправностей:

Пекин, район Дасин, общая длина кабеля 1165 метров, подключено 395 метров. В головной части наблюдается отчетливый цилиндрический концентрированный разряд, а также резонансное выдерживаемое напряжение и диэлектрические потери. Тест не выявил никаких отклонений, но разборка показала, что конструкция была изготовлена ​​не в соответствии с нормами. Полупроводниковый материал был использован неправильно.	Ветроэлектростанция Matang компании Guoneng Group: выявлено 10 потенциальных опасностей, проведено непосредственное обследование ключевых линий электропередачи.
На ветроэлектростанции в провинции Хэбэй проводники кабелей были изготовлены из алюминиевого сплава, а обжатые трубы — из меди. Перегрев приводил к ухудшению изоляции, и в местах соединений, как правило, возникали чрезмерные разряды.	На расположенной на берегу моря фотоэлектрической электростанции в провинции Чжэцзян в различных местах произошли многочисленные поломки коллекторных линий. Была проведена стандартная диагностика потенциальных неисправных соединений.
Ветроэлектростанция Бофенг	Кабельный завод Гуандун Линнань

VII. Краткое изложение технических характеристик и основные ценности

Испытание на частичные разряды — это обязательный вид испытаний кабелей, требуемый стандартами IEEE, IEC и национальными стандартами энергетической отрасли (такими как GB/T 12706, DL/T 1253). Протокол испытаний является важным документом для приемки проекта и аудита соответствия, а также основной основой для эксплуатации и технического обслуживания кабелей на протяжении всего их жизненного цикла.

По сути, обнаружение частичных разрядов в кабеле — это неразрушающий метод контроля, сочетающий раннее предупреждение с точной диагностикой. Его основная ценность заключается в трех аспектах: во-первых, заблаговременное выявление и локализация дефектов изоляции кабеля превращают техническое обслуживание кабеля из пассивного аварийного ремонта в проактивную профилактику, снижая количество неожиданных отключений электроэнергии. Во-вторых, точная оценка состояния изоляции кабеля обеспечивает информационную поддержку для управления активами и замены компонентов, снижая затраты на техническое обслуживание. В-третьих, благодаря научно обоснованным испытаниям и техническому обслуживанию, он продлевает срок службы кабелей, повышает надежность систем электроснабжения и обеспечивает безопасное и стабильное развитие энергетической отрасли.