Испытание переменным током (АС) с частотой 50 Гц

  Испытание переменным током промышленной частоты 50 Гц, является единственным типом контроля состояния изоляции кабельной линии. Такое испытание предоставляет реальное соответствие номинальных рабочих условий сетевого кабеля условиям испытаний на кабельном заводе, оборудованию и научно-исследовательским материалам. Тестовые команды, используемые в процессе испытания, имеют одинаковые характеристики в виде напряжения, мощности короткого замыкания и уровня частичных разрядов и соответствуют одинаковым требованиям.

              Упрощенная методика испытания переменным напряжением с частотой 50 Гц обычно включает в свою схему специальный регулятор напряжения (автотрансформатор, трансформатор, индукционный регулятор) испытательного трансформатора, демпфирующий резистор с сопротивлением от пяти до пятидесяти Ом, трансформатор с номинальным напряжением до 1 кВ, защиту трансформатора от перенапряжения путем прокола изоляции и тестовую систему для прямого измерения испытательного напряжения при проведении испытания.

              Использование такой методики испытания кабелей и кабельных линий весьма ограничено вследствие значительной мощности, которая имеет большое значение в испытаниях. Кабельные линии обладают значительной емкостью, обусловленной их длинной и свойствами изоляционного материала. Вследствие этого мощность, которая требуется для испытания, становится относительно высокой. Например, проведение испытаний током с частотой 50 Гц и напряжением 25 кВ, кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, имеющего емкость 0,22 мкФ/км, имеющего длину один километр, потребует мощности равной:

Q C = 314 ⋅ 0,22 ⋅ 10 -6 ⋅ 1 ⋅ 242 ⋅ 10 6 ≈ 40 кВА.

              Такая мощность потребует применения испытательной установки с большими габаритами и весом, а, следовательно, ограниченной к транспортировке.

           Эту проблему решили в современных резонансных системах. Испытательное напряжение переменного тока с частотой 50 Гц применяется на протяжении нескольких лет. В этом варианте испытаний тестирующий трансформатор используется исключительно для питания высоким напряжением резонансного контура, в котором создается эффект параллельного резонанса, приводящий к созданию испытательного напряжения. Мощность силовых трансформаторов, которые необходимы для проведения таких испытаний, значительно меньше, чем в традиционных контролирующих установках.

           Упрощенная схема устройства резонансного испытания напряжением переменного тока с частотой 50 Гц обычно включает себя специальный генератор переменного тока, благодаря чему становится независимым от местных условий. Кроме генератора в установку входят источник высокого напряжения с регулируемой амплитудой и частотой напряжения, резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности с регулируемым воздушным зазором или комбинацию конденсаторов, объединенных параллельно или последовательно, или смешанную емкость к тестируемому кабелю, которые понижают испытательное напряжение, и, возможно, дополнительные конденсаторы для испытаний коротких отрезков кабеля длиной до двухсот метров и осуществления непосредственного измерения испытательного напряжения при проверках.

           В системе используется принцип последовательного резонанса. В условиях резонанса добротность теста производимого на испытательном напряжении будет равна:

  Q = ωL / R – добротность используемой в схеме индуктивности L и сопротивления R,

  tgδ - коэффициент потерь изоляции испытываемого объекта.

  Как правило, такие системы анализа имеют tgδ << 1 (например, кабель с полиэтиленовой изоляцией) и Q ≥ 40.

              Напряжения в несколько сотен вольт в резонансной цепи вполне достаточно для создания необходимого испытательного напряжения для осуществления испытания кабелей среднего напряжения, одновременно значительно уменьшая питающее напряжение. Таким образом, в современных конструкциях резонансных контуров добиваются значительного уменьшения веса и габаритов. При высоких значениях tgδ добротность испытания кабелей уменьшается, а полученное значение испытательного напряжения мало, поэтому такая система может быть использована только для испытаний тонких проводов с ПВХ изоляцией.

              Измерения, осуществляемые с помощью резонансной системы, являются относительно простыми. При правильной регулировке значения индуктивности и емкости и дополнительной подстройке на резонансную частоту резонансного контура обеспечивается точная настройка путем регулирования частотного преобразователя в цепи источника питания. Необходимо добиться точного значения резонансной частоты в 50 Гц, потому, что только в этих условиях можно получить достаточно точную настройку диапазона с изменением частоты.

              Измерение переменным напряжением переменного тока с частотой 50 Гц было введено в оперативную практику несколько лет назад. При этом используются различные тестовые процедуры, в зависимости от значения рабочего напряжения, типа и времени работы проверяемой кабельной линии. Анализ результатов был проведен в рамках СИГРЭ, при этом обнаружены, в частности, наиболее достоверные результаты, позволяющие своевременно выявить сегменты кабеля с дефектами изоляции, определенные во время измерений с испытательным напряжением переменного тока с частотой 50 Гц величиной 2 – 3 В, с продолжительностью измерения длительностью шестьдесят минут.

              Основным преимуществом использования систем с испытательным напряжением переменного тока с частотой 50 Гц соответствующим рабочему напряжению является то, что испытания кабельных линий выполняются в соответствии с требованиями заводских испытаний к испытаниям кабельной продукции и полученные результаты совпадают с результатами заводских испытаний. Проведение таких испытаний предоставляет прекрасную возможность установления и ликвидации дефектов кабельных аксессуаров и раннего выявления опасных повреждений кабельной сети. Кроме того проведение испытания системы  позволяет  одновременно производить измерение интенсивности частичных разрядов в изоляции и кабельных аксессуарах, относительно легко определять tgδ коэффициент потерь изоляции. Применение таких систем позволяет проводить контрольные измерения во время профилактических осмотров кабельных линий.

                   Использование методики контроля переменным напряжением с частотой 50 Гц, в частности систем традиционной конструкции, связано с некоторыми серьезными проблемами, такими как: большая масса и размеры оборудования для проведения испытаний, потребность в значительных инвестиционных затратах, необходимость высокой мощности источника проверочного напряжения и несомненные трудности с транспортировкой оборудования на полевые испытания.

         Испытания синусоидальным переменным напряжением с очень низкой частотой (УНЧ) 0,1 Гц.

                      В состав типичной установки для испытания синусоидальным переменным напряжением с низкой частотой обычно входит специальная система регулирования и амплитудной модуляции напряжения трансформаторной испытательной установки  и оконечный высоковольтный выпрямитель с обратной полярностью.

                      Принцип работы такой установки может быть описан таким образом:

                      В системе регулирования и амплитудной модуляции, напряжения выбираются в соответствии с испытательным напряжением сети с частотой 50 Гц и амплитудой модуляции, но в, то, же время выполняется проверочным напряжением с частотой 0,1 Гц. Следующим этапом испытаний является измерение увеличенным испытательным напряжением, которое происходит в трансформаторной установке повышением входного напряжения, которое используется для питания испытуемого объекта и осуществления анализа значений на выходе трансформатора и выходе схемы выпрямителя. Напряжение на выходе выпрямителя колеблется в зависимости от амплитуды выпрямителя, которая модулируется однонаправленной частотой 0,2 Гц. На последнем этапе формируется испытательное напряжение на выходе выпрямителя, обратное полярности напряжения в тестируемом кабеле возникающему вследствие его внутренней емкости и синусоидальной волне с частотой 0,1 Гц.

                      В традиционных испытательных системах с частотой 50 Гц имеется проблема реактивных токов, возникающих между объектом тестирования и источником проверочного напряжения, решение этой проблемы возможно только при создании испытательных устройств большого веса и размеров. В испытательных устройствах УНЧ 0,1 Гц значения реактивных токов очень малы, примерно в пятьсот раз меньше, чем  в традиционных системах, что не вызывает никаких структурных проблем.

                      При сравнении результатов испытаний, проведенных с использованием синусоидального напряжения с частотой 0,1 Гц и результатов испытаний переменным напряжением с частотой 50 Гц, можно констатировать, что:

                      При увеличении напряжения, которое действует на электрическую изоляцию кабеля, достигается больше пробоев при частоте 50 Гц чем током я частотой 0,1 Гц.

                      Оба вида напряжения обеспечивают электрическое поле, но эти поля разной формы. Током с частотой 0,1 Гц создается поле в виде прямой, а током 50 Гц – в виде плотного низкого куста. В результате установлено, что время пробоя кабельного диэлектрика проверочным напряжением с частотой 0,1 Гц короче.

                      Основным показателем изоляции, который проверяется на кабелях, работающих под постоянным током, является ее сопротивление. Большое значение сопротивления изоляции является отличительной чертой качественного диэлектрика. Сопротивление изоляции бумажно-масляного диэлектрика может довольно сильно изменяться под воздействием влаги, температуры, а также зависит от геометрических размеров системы изоляции и наличия на ее поверхности локальных повреждений. Сопротивление изоляции изменяется и с течением времени. Таким образом, в качестве показателя сопротивления изоляции принимается сопротивление, измеренное с применением напряжения постоянного тока в течение определенного периода времени, необходимого для исчезновения переходных процессов, объемной емкости и диэлектрической поляризации. Существенным недостатком такого измерения сопротивления изоляции является ее зависимость от объема проверяемого объекта, что затрудняет сравнение полученных результатов. Большинство результатов текущих измерений сравниваются с результатами, которые были получены ранее, например, в начальном этапе работы кабельной линии.

                      Другой важной информацией, которая позволяет определить состояние кабельной изоляции с помощью испытаний проверочным напряжением, проводимым в определенных условиях (значение напряжения и время испытания) является выявление поломок или наличия пробоев изоляции. Схема типичного испытательного устройства обычно включает в себя автотрансформатор, регулирующий испытательное напряжение, резистор, ограничивающий входящий ток однополупериодного выпрямителя с использованием потенциала проверяемого кабеля в качестве сглаживания и системы непосредственного измерения проверочного напряжения в испытуемом объекте и система измерения тока утечки изоляции с защитой от перенапряжения.

                      Проведение испытаний кабелей постоянного тока имеющих полимерную изоляцию обеспечивает получение таких же очевидных результатов, как и в случае испытания кабелей с бумажно-масляной изоляцией. В основном это обусловлено гораздо лучшими диэлектрическими свойствами полимерных материалов (высокая электрическая прочность, большее время работы под нагрузкой и лучшая устойчивость к воздействию влаги). Результаты исследований показали, что в процессе работы в условиях постоянного напряжения в полимерной изоляции вокруг некоторых дефектов (при отсутствии газовых пузырьков и трещин), образуются области пространственного заряда специфического характера. Результатом этого эффекта является значительное снижение напряженности электрического поля в области дефекта по сравнению с напряженностью электрического поля, образующейся в этом материале без пространственного заряда. Напряженность электрического поля и плотности заряда уменьшаются с увеличением расстояния от поврежденной области. При появлении сил пространственного заряда при попытке применения повышенного напряжения повреждения изоляции не обнаруживаются в случае недостаточного напряжения.

                      Вторая проблема, которая возникает в полимерной изоляции кабелей постоянного тока из-за долгого времени воздействия электрического заряда, – образование остаточного заряда в кабельной изоляции, в течение нескольких месяцев с момента проведения испытания проверочным напряжением. Если в этом состоянии будет происходить изменение полярности в кабеле под воздействием проверочного напряжения, это вызывает резкое увеличение напряженности электрического поля между повреждениями и остаточным зарядом в изоляции, что в свою очередь может вызвать повреждения в изоляции – пробои вызываются наличием объемного заряда в ослабленных областях. Изменение полярности напряжения может привести, например, к появлению скачков напряжения переменного тока или к появлению повреждений поверхности изолятора.

                      После рассмотрения вопросов, изложенных в настоящей статье, можно сделать вывод, что проводить испытания кабелей с полимерной изоляцией с применением постоянного тока не рекомендуется. Испытания напряжением постоянного тока должны проводиться только тогда, когда это абсолютно необходимо. Однако решив провести такое испытание, необходимо соблюдать следующие правила:

                      Проводя измерение сопротивления изоляции кабелей с полимерным покрытием, имейте в виду, что текущие измерения в режиме реального времени будут полностью отличаться от результатов проверки системы кабельных линий напряжением с частотой 50 Гц. Мы будем иметь дело с отличным от возникающего под действием переменного тока частотой 50 Гц, распределением емкостного электрического поля в изоляции кабеля. В этих условиях сопротивление электрической изоляции выше, так что проверка не гарантирует обнаружения мелких ухудшений электрического сопротивления изолятора без значительного увеличения проверочного напряжения. Постоянное напряжение вызывает образование относительно фиксированного нагруженного пространства вокруг существующих повреждений, которые могут привести к нежелательным пробоям изоляции кабеля и аксессуаров.

                      Несмотря на наличие этих нежелательных характеристик, схемы высоковольтной проверки используются довольно часто, потому, что имеют и некоторые преимущества, прежде всего это простота устройств для проверки, их малый вес и габариты, обеспечивающие легкое и удобное проведение испытаний и простоту доставки оборудования к месту проведения испытаний. Далеко не все образцы оборудования позволяют производить испытания длинных кабельных линий. Испытательные аппараты большого напряжения особенно полезны для выявления повреждений, вызванных влажностью изоляции и тепловой перфорацией, при этом требуется гораздо меньше затрат, чем при проведении испытаний с помощью других систем, имеющих аналогичные характеристики проверочного тока. В заключение можно сказать, что устройства постоянного тока практически незаменимы при проведении испытаний целостности внешней изоляции, проверяя ее электрическое сопротивление.