Сравнение акустического и электрического методов измерения частичного разряда на концевой заделке кабелей

Надежность работы кабельных линий в сетях передачи и распределения электроэнергии зависит от ряда факторов, один из которых - это состояние кабельной арматуры вцелом и особенно концевой заделки и муфт. Качество изоляции муфтовых соединений  можно протестировать в рабочем режиме с использованием акустического и электрического методов регистрации частичных разрядов. В этой статье приводится результаты лабораторных испытаний двумя методами состояния изоляции муфт с искусственными дефектами заделки. Оценивается чувствительность и избирательность измерений сравниваемых методов.

Быстрая навигация по статье:

• Введение
• Прикладные методы измерения частичного разряда
  • Электрический метод обнаружения частичного разряда
  • Акустический метод обнаружения частичного разряда
  • Пространственная чувствительность
  • Чувствительность по напряжению
• Примеры кабелей
• Результаты измерений
• Обсуждение полученного опыта
• Заключение

Введение

В течение последних десятилетий постоянно разрабатывались простые в использовании методы оценки состояние кабелей и кабельной арматуры. Было доказано, что для целей диагностики вполне адекватным методом является измерение частичного разряда. С одной стороны, наличие частичного разряда является свидетельством процессов разрушения, например, расслоения многослойных изоляций или высыхания кабельной арматуры с масляным наполнением. С другой стороны, частичные разряды ухудшают состояние изоляционных материалов, что может привести к пробою. Самым слабым местом кабельной системы является кабельная арматура, что определяет ценность проведения тестирования после прокладки и выполнения периодических диагностических измерений. Тестирование после прокладки позволяют получить информацию о качестве монтажа, недостаточный уровень которого является наиболее распространенной причиной раннего появления неисправностей, в то время как периодические измерения дают возможность узнать об ухудшении изоляции из-за старения и воздействия внешних факторов. Акустическое обнаружение частичного разряда является одним из нетрадиционных методов измерения, применяющихся на концевой заделке кабеля.

Прикладные методы измерения частичного разряда

Электрический метод обнаружения частичного разряда

Обычный метод обнаружения частичного разряда известен и применяется в течение десятилетий. Этот метод или его варианты, дополненные современными технологиями обработки сигналов и оценки результатов, по-прежнему являются наиболее часто используемыми средствами тестирования частичного разряда на высоковольтном оборудовании. Обычно для обсуждаемого измерения (рисунок 1) применяется детектор частичного разряда с полосой частот 40 - 200 кГц. Измеряемые сигналы выводятся на экран осциллографа, а данные передаются на компьютер для дальнейшей оценки.

Рисунок 1. Традиционное устройство электрического метода измерения частичного разряда

Акустический метод обнаружения частичного разряда

Акустическое обнаружение частичного разряда является нетрадиционной технологией, которая базируется на том, что электрические разряды создают в изоляции волновое давление. Основными областями применения являются распределительные устройства и подстанции, трансформаторы, кабельная арматура, трансформаторы тока и т.д. с газовой изоляцией. Применения на GIS и трансформаторах исследовалось широко, хотя, возможно, для исследования кабельной арматуры было приложено меньше усилий.

Некоторые особенности делают акустическое обнаружение частичного разряда очень привлекательным для измерений на месте. В правильно экранированной системе такое измерение абсолютно нечувствительно к электромагнитным помехам и позволяет определить место разряда. Оба эти качества удобны для избегания ложных тревог. По сравнению с электрическими измерениями еще одним преимуществом акустического обнаружения является то, что его чувствительность не зависит от емкости тестируемого объекта.

Одним из недостатков является сложность распространения волны давления в структурах изоляции. Точные пути распространения и затухание в большинстве случаев непредсказуемы, что делает невозможным абсолютное измерение. Амплитуда сигнала уменьшается из-за геометрического расширения, разделения между несколькими путями распространения, поглощения и потерь на передачу между различными средами. Эти явления снижают возможность обнаружения акустических сигналов и, таким образом, уменьшают чувствительность измерения. Затухание ограничивает максимальную толщину изолятора, для которой возможно акустическое обнаружение разряда. Эта проблема затрудняет выбор частотной полосы измерительного устройства. Настройка системы по резонансу позволяет получить более высокую чувствительность, но ограничивает разрешение по времени. В этом случае несколько случайных импульсов во время интегрирования могут вызывать ложную индикацию уровней сигналов.

Использование акустического обнаружения для кабелей имеет четкие пределы из-за того, что после прокладки кабель засыпается землей. Из-за затухания невозможно обнаружить какие-либо разряды, возникающие в подземных участках кабеля. При выполнении испытания после прокладки броня и оболочка кабеля уменьшают чувствительность и ограничивают минимальную обнаруживаемую величину разряда значением 100 пКл. Однако в кабельной арматуре акустическое обнаружение разрядов возможно. Локализация разрядов осуществляется путем нахождения максимальной амплитуды акустического сигнала.

Примененная измерительная установка состояла из волновода (стержня из стекловолокна, также называемого акустическим стержнем, смотрите рисунок 2), предварительного усилителя и измерительного устройства AIA100 (рисунок 3). Во время измерений записывались среднеквадратическое значение, периодическое пиковое значение и составляющая 50 Гц и 100 Гц акустического сигнала.

Рисунок 2. Акустическое измерение частичного разряда на концевой заделке кабеля

Рисунок 3. Схема обработки сигналов измерительного устройства AIA

Пространственная чувствительность

Целью измерений пространственной чувствительности является получение информации для исследуемой концевой заделки кабеля о минимальном расстоянии от дефекта и затухании при помещении датчика дальше от дефекта. Для этой цели поверхность концевой заделки покрывалась сеткой с шагом 5 мм (рисунок 4).

Рисунок 4. Концевая заделка с сеткой 5 мм

Чувствительность по напряжению

Данное измерение было направлено на определение минимального напряжения, необходимого для обнаружения дефектов как электрическим, так и акустическим методом. Измерение проводилось после тестирования пространственной чувствительности, поэтому уже было известно точное место максимального акустического сигнала.

Примеры кабелей

Концевая заделка кабеля представляет собой сложную систему многослойной изоляции. При ее подготовке может быть допущено множество ошибок, включая неправильное выполнение или даже полный пропуск технологического шага, повреждение изоляции или попадание внутрь посторонних частиц или влаги. Во время подготовки объектов тестирования эти ошибки были совершены умышленно; они приводятся в таблице I и показаны на рисунках 5 и 6.

Таблица I. Искусственные дефекты, допущенные при подготовке концевой заделки кабеля

Рисунок 5. Концевая заделка кабеля с отогнутым экранирующим проводником

Рисунок 6. Искусственный разрез на полупроводниковом слое

Результаты измерений

На приведенной ниже серии рисунков (рисунки 7 - 12) показана полная серия результатов измерения для концевой заделки кабеля №6. Отображение электрических и акустических сигналов во временной области четко подтверждает корреляцию фазы с испытательным напряжением и друг с другом.

Что касается различных типов обработанного акустического сигнала, то ясно, что все они способны показать местоположение дефекта. Но, в то же время, похоже, что составляющая 100 Гц имеет максимальную чувствительность, самый широкий динамический диапазон и более низкую чувствительность к таким помехам, как внешний шум или случайный шум, вызванный перемещением стержня волновода.

Рисунок 7. Диаграмма с фазовым разрешением электрических измерений частичного разряда

Рисунок 8. Диаграмма с фазовым разрешением измеренных акустических сигналов

Рисунок 9. Среднеквадратические значения, измеренные на концевой заделке № 6

Рисунок 10. Периодические пиковые значения, измеренные на концевой заделке № 6

Рисунок 11. Составляющая 50 Гц, измеренная на концевой заделке № 6

Рисунок 12. Составляющая 100 Гц, измеренная на концевой заделке № 6

Важно отметить, что затухание различалось для разной концевой заделки. Например, в случае концевой заделки №4 сигнал почти не обнаруживается на расстоянии более 10 мм от дефекта, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Составляющая 100 Гц, измеренная на концевой заделке № 4

Индикация уровня сигнала на традиционном детекторе частичного разряда и на выходе акустического детектора (рисунок 14) показывает хорошую корреляцию в том случае, если акустический детектор расположен непосредственно в месте дефекта.

Рисунок 14. Электрические и акустические измерения в зависимости от испытательного напряжения на концевой заделке № 6

Несмотря на хорошую корреляцию вышеуказанных функций, отношение электрической и акустической индикации имеет небольшое отклонение от линейного соотношения (рисунок 15).

Рисунок 15. Уровень акустического сигнала в зависимости от кажущегося заряда для разрядов на концевой заделке № 6

Чувствительность электрических и акустических измерений также оценивалась по минимальному напряжению обнаружения разрядов. На основании существующих уровней шумов в качестве обнаруживаемого уровня был выбран кажущийся заряд 10 пКл и 0,1 мВ для составляющей 100 Гц акустического сигнала. Результаты приводятся в таблице II.

Таблица II. Минимальное напряжение, необходимое для обнаружения

Результат интересен тем, что концевая заделка кабеля № 2 не показывает никаких разрядов в диапазоне напряжений измерения. Однако ожидается, что в случае длительного электрического напряжения отсутствие ленты приведет к трекингу и последующему пробою.

Обсуждение полученного опыта

Лабораторные измерения доказали, что акустическое обнаружение частичного разряда на концевой заделке кабеля этого типа возможно, но не лишено некоторых трудностей.
Испытательное напряжение должно превышать номинальное напряжение кабеля, так как при номинальном напряжении разряды не обнаруживаются или проявляются только с время от времени, что затрудняет их обнаружение.

Акустический стержень является простым в использовании устройством, однако может создавать определенные проблемы для пользователя. Эффективность датчика напрямую зависит от акустического импеданса между ним и концевой заделкой кабеля. При измерении с помощью стержней с изогнутым концом нелегко ощутить оптимальное направление усилия, которое должно быть приложено. Хотя это и не исследовалось специально, но показалось, что чувствительность обнаружения зависит от угла между стержнем и поверхностью. В наиболее критических точках (окончание полупроводникового слоя) полный контакт между изоляцией и стержнем невозможен из-за выступов. Измерение очень чувствительно к отсутствию акустического соединителя (силиконового компаунда), который должен применяться на обоих концах волновода.

На основе лабораторного опыта можно оценить минимальное время, необходимое для полного акустического сканирования концевой заделки кабеля. Оказалось, что наиболее проблемным местом является разрез полупроводникового слоя. Измерение необходимо проводить, по крайней мере, на длине 15 см с разрешением 1 см. Такое разрешение подразумевает 16 радиальных точек. Продолжительность измерения в одной точке составляет около 5 секунд (касание поверхности концевой заделки создает «шум», а выбор правильного усилия требует времени). С учетом этих соображений было подсчитано, что для тщательной проверки достаточно 20 минут.

Заключение

Акустическое тестирование частичного разряда имеет множество очевидных преимуществ. Это неразрушающий метод, не просто позволяющий находить местоположение источников разряда, но и делать это прямо в рабочем режиме.
Впрочем, необходимо учитывать и некоторые недостатки. Прикосновение к концевой заделке кабеля волноводом - это работа на линии под напряжением, при которой к работнику могут предъявляться особые требования. В некоторых случаях для обеспечения возможности обнаружения разрядов напряжение должно подниматься значительно выше номинального значения. Пространственная избирательность может стать чрезвычайно высокой, что сделает невозможным проведение надежного измерения.
Перспектива применения акустической диагностики частичного разряда должна оцениваться для каждого вида арматуры на основе чувствительности и продолжительности измерений.

На основе статьи "Comparison of acoustic and electrical partial discharge measurements on cable terminations",
Richard Cselko,
Zoltán Ádám Tamus,
Berta István,
Budapest University of Technology and Economics

Если вам нужна профессиональная консультация по вопросам измерения и анализа частичных разрядов, просто заполните форму!

Смотрите также:

Как локализовать частичные разряды в открытых распределительных устройствах?

Диагностика кабельной изоляции в режиме со стабилизацией частоты частичных разрядов

Портативный монитор частичного разряда от HVPD: потенциал прибора

Выбираем лучшие токовые клещи!

9 рекомендаций по диагностике силовых кабелей методом измерения частичных разрядов

Кейс: диагностика частичных разрядов на концевой заделке кабелей трансформатора 110 кВ в рабочем режиме