Показатели качества изоляции — сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие

Диэлектрическая изоляция — обязательная изолирующая часть любого кабеля, которая не только отделяет проводящие жилы друг от друга, физически изолируя их, но и защищает проводники от пагубного воздействия различных факторов окружающей среды. Таких оболочек у одного кабеля может быть одна или несколько.

Состояние данных оболочек выступает одним из определяющих критериев в плане безопасности как для персонала, так и для работоспособности оборудования. Если по какой-либо причине диэлектрическая изоляция проводников будет нарушена, это станет чревато аварией, поражением людей электрическим током или даже пожаром. А возможных причин нарушения качества изоляции существует масса:

механическое повреждение во время монтажных, ремонтных или земляных работ;

повреждение изоляции от действия влаги или температуры;

недобросовестно выполненное электрическое соединение жил;

систематическое превышение допустимых для кабеля токовых параметров;

наконец естественное старение изоляции…

Важно регулярно отслеживать показатели качества изоляции

Как бы там ни было, полная замена проводки — это всегда очень материально затратное и трудоемкое действо, не говоря уже о потерях и убытках, которые понесет предприятие от сбоя электроснабжения и от незапланированного простоя оборудования. Что касается больниц и некоторых стратегически важных объектов, то для них нарушение штатного режима электроснабжения вообще недопустимо.

Вот почему гораздо важнее предотвратить проблему, не допуская ухудшения изоляции, вовремя проверив ее качество, и где нужно — оперативно починить, заменить, а не доводить до аварий и их последствий. Для этого проводятся измерения показателей качества изоляции — четырех параметров, о каждом из которых будет рассказано далее.

Хотя вещество изоляции и является фактически диэлектриком, и не должно проводить электрический ток, подобно идеальному плоскому конденсатору, тем не менее в небольшом количестве свободные заряды внутри него присутствуют. И даже небольшое смещение диполей — тоже обуславливает слабую электропроводность (ток утечки) изоляции.

Кроме того, из-за наличия влаги или грязи, появляется у изоляции и поверхностная электропроводность. А накопление энергии в толще диэлектрика от действия постоянного тока — вовсе представляет изоляцию этаким конденсатором небольшой емкости, который словно заряжается через некоторый резистор.

В общем и целом, изоляцию кабеля (или обмотки электрической машины) можно представить как цепь, состоящую из соединенных параллельно трех цепей: емкости C, представляющей геометрическую емкость и обуславливающей поляризацию изоляции по объему, емкости проводников и всего объема диэлектрика с последовательно подключенным сопротивлением абсорбции, как будто конденсатор заряжается через резистор. Наконец — сквозное сопротивление по всему объему изоляции, обуславливающее ток утечки сквозь толщу диэлектрика.

Параметры, характеризующие качество электрической изоляции

Чтобы электрическая изоляция не вызывала нарушений режимов работы электрооборудования и безопасности его эксплуатации, необходимо обеспечить ее высокое качество, определяемое степенью электропроводности (чем меньше электропроводность, тем выше качество).

При включении изоляции под напряжение через нее в силу неоднородности структуры и наличия проводящих включений проходят электрические токи, величина которых определяется активным и емкостным сопротивлением изоляции. Емкость изоляции зависит от ее геометрических размеров. За короткий промежуток времени после включения происходит зарядка этой емкости, сопровождающаяся прохождением электрического тока.

Вообще говоря, через изоляцию проходят три вида тока: ток поляризации, абсорбции и сплошной проводимости. Однако токи поляризации, обусловленные смещением связанных зарядов в изоляции до момента установления равновесного состояния (быстрая поляризация), настолько кратковременны, что их не удается обычно зарегистрировать.

Это приводит к тому, что прохождение таких токов не связано с потерями энергии, поэтому на эквивалентной схеме сопротивления изоляции ветвь, учитывающая прохождение токов поляризации, представлена чистой емкостью, без активного сопротивления.

Ток абсорбции, обусловленный процессами замедленной поляризации, связан с потерями энергии в диэлектрике (например, на преодоление сопротивления молекул при повороте диполей в направлении поля), поэтому соответствующая ветвь эквивалентного сопротивления включает и активное сопротивление.

Наконец, наличие проводящих включений в изоляции (в виде пузырьков газа, влаги и т. п.) приводит к возникновению каналов сквозной проводимости.

Электропроводность (сопротивление) изоляции различна при воздействии постоянного и переменного напряжения, так как при переменном напряжении через изоляцию проходят токи абсорбции в течение всего времени воздействия напряжения.

При воздействии постоянного напряжения качество изоляции характеризуется двумя параметрами: активным сопротивлением и емкостным сопротивлением, косвенно характеризуемым отношением R60/R15.

При воздействии на изоляцию переменного напряжения невозможно разделить ток утечки на его составляющие (ток сквозной проводимости и ток абсорбции), поэтому о качестве изоляции судят по величине потерь энергии в ней (диэлектрических потерь).

Количественной характеристикой потерь является тангенс угла диэлектрических потерь, т. е. тангенс угла, дополняющего до 90° угол между током и напряжением в изоляции. В случае идеальной изоляции ее можно представить в виде конденсатора, в котором вектор тока опережает вектор напряжения на 90°. Чем больше рассеиваемая в изоляции мощность, тем больше тангенс угла диэлектрических потерь и тем хуже качество изоляции.

Для поддержания уровня электрической изоляции, отвечающего требованиям безопасности и режиму эксплуатации электроустановок, в ПУЭ предусмотрено нормирование сопротивления изоляции сетей. Для потребителей электрической энергии нормируются периодические испытания изоляции.

Сопротивление изоляции между любым проводом и землей, а также между любыми проводами на участке между двумя соседними предохранителями в распределительной сети напряжением до 1000 В должно составлять не менее 0,5 МОм. Для измерений и испытаний сопротивления изоляции в электроустановках до 1000 В чаще всего применяются мегомметры.

Сопротивление изоляции Riso

Принцип измерения таков. При подаче на обкладки конденсатора постоянного напряжения, сначала возникает импульс зарядного тока, величина которого в первый момент времени зависит только от сопротивления цепи, и лишь после идет заряд абсорбционной емкости (емкости поляризации), при этом ток по экспоненте спадает, и здесь можно экспериментально найти постоянную времени RC. Так при помощи измерителя параметров изоляции, замеряют сопротивление изоляции Riso.

Измерения ведутся при температуре не ниже +5°С, так как при более низкой температуре сказывается влияние охлаждающейся и замерзающей влаги, и картина становится далекой от объективности. После снятия испытательного напряжения, заряд «изоляционного конденсатора» начинает спадать, так как происходит диэлектрическое поглощение заряда.

Коэффициент абсорбции DAR

Степень текущей увлажненности изоляции численно отражается в коэффициенте абсорбции, так как чем более изоляция увлажнена — тем интенсивнее происходит диэлектрическое поглощение заряда внутри нее. По величине коэффициента абсорбции принимают решение о необходимости провести сушку изоляции трансформаторов, двигателей и т. д.

Вычисляют соотношение сопротивлений изоляции через 60 секунд и через 15 секунд после начала измерений сопротивления — это и есть коэффициент абсорбции.

Чем больше в изоляции влаги — тем больше ток утечки, тем ниже значение коэффициента абсорбции DAR (Dielectric Absorption Ratio = R60/R15). Во влажной изоляции больше примесей (примеси находятся во влаге), сопротивление из-за примесей уменьшается, потери растут, понижается напряжение теплового пробоя, ускоряется тепловое старение изоляции. Если коэффициент абсорбции менее 1,3 — необходимо изоляцию просушить.

Индекс поляризации PI

Следующий важный показатель качества изоляции — индекс поляризации. Он отражает подвижность заряженных частиц внутри диэлектрика под действием электрического поля. Чем новее, целее и качественнее изоляция — тем меньше внутри нее, как в диэлектрике, движутся заряженные частицы. Чем выше индекс поляризации — тем старее изоляция.

Для нахождения данного параметра, вычисляется соотношение величин сопротивления изоляции через 10 минут и через 1 минуту после начала испытаний. Данный коэффициент (Polarization Index = R600/R60) практически свидетельствует об остаточном ресурсе изоляции как качественного диэлектрика, еще способного выполнять свою функцию. Коэффициент поляризации PI не должен быть меньше 2.

Коэффициент диэлектрического разряда DD

Наконец, коэффициент диэлектрического разряда. Данный параметр помогает выявить среди слоев многослойной изоляции дефектный, поврежденный слой. Измерение DD (Dielektric Discharge) производится следующим образом.

Первым делом изоляцию заряжают чтобы измерить ее емкость, после прекращения процесса зарядки, остается ток утечки через диэлектрик. Теперь изоляция разряжается накоротко, и спустя минуту после короткого замыкания, — измеряется остаточный ток разряда диэлектрика в наноамперах. Этот ток в наноамперах делится на напряжение при измерении и на емкость изоляции. Коэффициент DD должен быть меньше 2.

Источник

4 показателя качества изоляции

Обязательная изолирующая часть любого кабеля — это диэлектрическая изоляция. Она отделяет проводящие жилы друг от друга и защищает проводники от пагубного воздействия различных факторов окружающей среды.

Состояние этих оболочек выступает одним из определяющих критериев безопасности персонала и оборудования. Если эта оболочка будет нарушена, это может повлечь за собой массу неприятных ситуаций: начиная от аварии, заканчивая поражением людей электрическим током.

Причины нарушения изоляции:

• механическое повреждение во время ремонтных и монтажных работ;
• повреждение изоляции от влаги или температуры;
• недобросовестно выполненное соединение жил;
• естественное старение изоляции.

Замена проводки материально затратное и трудоемкое действо. Поэтому очень важно во время предотвратить проблему. Для этого проводятся измерения показателей качества изоляции — четырех параметров, о которых будет рассказано дальше.

Первый принцип измерения — сопротивление изоляции Riso. При подаче на обкладки конденсатора постоянного напряжения, сначала возникает импульс зарядного тока, величина которого в первый момент времени зависит только от сопротивления цепи, и лишь после идет заряд абсорбционной емкости (емкости поляризации), при этом ток по экспоненте спадает, и здесь можно экспериментально найти постоянную времени RC. Так при помощи измерителя параметров изоляции, замеряют сопротивление изоляции Riso.

Коэффициент абсорбции DAR. Степень текущей увлажненности изоляции численно отражается в коэффициенте абсорбции, так как чем более изоляция увлажнена — тем интенсивнее происходит диэлектрическое поглощение заряда внутри нее. По величине коэффициента абсорбции принимают решение о необходимости провести сушку изоляции трансформаторов, двигателей и т. д.

Индекс поляризации PI. Он отражает подвижность заряженных частиц внутри диэлектрика под действием электрического поля. Чем новее, целее и качественнее изоляция — тем меньше внутри нее, как в диэлектрике, движутся заряженные частицы. Чем выше индекс поляризации — тем старее изоляция.

Коэффициент диэлектрического разряда DD. Данный параметр помогает выявить среди слоев многослойной изоляции дефектный, поврежденный слой.

Источник

Надёжное прогнозирование остаточного срока службы кабелей среднего напряжения

Решение, которое позволяет диагностировать состояние кабелей среднего напряжения. Знание оставшегося срока службы кабеля позволяет более точно планировать затраты на замену и зачастую отложить такую замену на несколько лет.

Содержание статьи

Оценка состояния кабельных линий

С помощью единого технологического процесса, охватывающего все этапы от диагностики кабелей до их оценки, компания Baur GmbH предлагает управляющим ресурсами предприятий решение, с помощью которого они могут диагностировать состояние кабелей среднего напряжения. Недавно это комплексное решение было дополнено функцией статистического прогноза остаточного срока службы кабелей. Знание оставшегося срока службы позволяет более точно планировать затраты на замену и зачастую позволяет отложить их на несколько лет.

Для менеджеров, управляющих ресурсами предприятий, становится все труднее поддерживать работоспособность распределительных сетей на основании выделенного для этого бюджета. Многие кабели среднего напряжения были проложены несколько десятилетий назад и в настоящее время находятся на такой стадии старения, когда вероятность отказов повышается. Кроме того, появилась и другая, зачастую более высокая, нагрузка на сеть, связанная с интенсификацией ее использования, вызванной повышенным потреблением или децентрализованной подачей электроэнергии.

Техническое обслуживание, ориентированное на фактическое состояние, а не на заданные интервалы замены к содержанию

При таких условиях экономичное обеспечение высокой эксплуатационной готовности и незначительного количества отказов сетей среднего напряжения возможно только на основании оценки состояния кабеля. Это позволяет планировать затраты на ремонт и замену не в соответствии с возрастом (рис. 1), а на основании фактической степени старения (рис. 2). В противном случае кабели, которые стареют быстрее, чем ожидалось, приведут к отказам в работе сети, а замена исправных кабелей будет выполняться раньше, чем это необходимо, и в обоих случаях возникнет неблагоприятное соотношение затрат и получаемых результатов.

Рис. 1. Стратегия вывода КЛ из эксплуатации, основанная на возрасте КЛ, приведёт к замене многих кабелей, которые еще являются исправными (показаны в нижней правой части диаграммы).

Для оценки состояния кабелей среднего напряжения существует два метода диагностики: измерение частичных разрядов и измерение коэффициента диэлектрических потерь (также называемое измерением тангенса дельта/ТД). Измерение частичных разрядов — это локальный процесс. С его помощью можно, например, обнаружить дефекты кабельной арматуры или локальные частичные разряды в поврежденной полимерной или пропитанной бумажной изоляции. Наряду со значениями частичных разрядов это измерение также позволяет определить расстояние до места повреждения, упрощая тем самым определение местоположения зон, подлежащих наблюдению или ремонту.

Рис. 2. При ориентированном на фактическое состояние техническом обслуживании сети, основанном на диагностических измерениях, можно продолжать использовать старые неповрежденные кабели. В то же самое время такое техобслуживание позволяет выявлять и своевременно заменять более новые кабели, находящиеся в плохом состоянии. Это позволяет существенно снизить расходы и повысить эксплуатационную готовность сети.

Коэффициент диэлектрических потерь является основанием для определения фактической степени старения к содержанию

Измерение коэффициента диэлектрических потерь, оценка которого будет подробно рассмотрена ниже, является неразрушающим методом анализа состояния кабельного участка по всей измеренной длине. Оно позволяет обнаружить водные триинги (повреждения полимерной кабельной изоляции в результате воздействия воды), неисправные места в изоляции кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, а также влагу в кабельной арматуре и возможные частичные разряды. Поскольку с увеличением количества водных триингов коэффициент диэлектрических потерь также увеличивается, его значение указывает на качество изоляционных свойств. Так, у новых кабелей коэффициент диэлектрических потерь близок к нулю, а по мере их старения его значение возрастает по причине вышеуказанного воздействия влаги на полимерную изоляцию.

Выводы о состоянии кабеля можно сделать уже во время измерения коэффициента диэлектрических потерь. С помощью программного обеспечения Baur 4.0 можно использовать стандартизированные или самостоятельно заданные диагностические последовательности и делать первую оценку уже в процессе измерительных циклов. Единообразные циклы измерения и сопоставимость результатов позволяют управляющим ресурсами предприятия объективно оценить состояние кабельной сети. Это предоставляет им хорошее обоснование для планирования мероприятий по техническому обслуживанию.

Статистический прогноз остаточного срока службы к содержанию

Новое автономное программное обеспечение Statex позволяет выполнить более глубокую оценку результатов измерения, прежде всего для кабелей с полимерной изоляцией (рис. 3). ПО Statex распространяется исключительно компанией Baur и является совместной разработкой с компанией Korea Electric Power Corporation (Kepco). В Южной Корее эта компания эксплуатирует электросеть, которая включает в себя 41000 км поземного кабеля (U0 = 13,2 кВ). Для того чтобы сделать обслуживание сети как можно более рентабельным, десять лет назад специалисты компании Kepco тщательно изучили все вопросы диагностики кабелей и сравнили наиболее популярные методы, используемые в то время.

Рис. 3. Новое программное обеспечения Statex предоставляет прогноз оставшегося срока службы кабелей среднего напряжения на основе значений измерения коэффициента диэлектрических потерь.

После такого сравнительного анализа было выбрано измерение частичного разряда и коэффициента диэлектрических потерь с помощью источников синусоидального напряжения СНЧ (сверхнизкой частоты). Затем совместно с корейским университетом Мокпо компания Kepco разработала метод и программное обеспечение для прогнозирования остаточного срока службы. Компании Baur и Kepco разработали для этого специальное программное обеспечение, которое теперь предлагается под наименованием Statex. Оно было использовано со значениями измерений, выполненных на многих кабелях с полимерной изоляцией. На сегодняшний день в расчёте алгоритма оценки используется более 90 000 результатов измерений.

Вычисление коэффициента старения изоляции на основании измеренных значений к содержанию

Для расчёта остаточного срока службы СПЭ-кабеля существенную роль играют три аспекта:

• момент начала старения кабеля;
• скорость старения;
• состояние, после которого кабель следует классифицировать как критический.

Чтобы узнать, когда начинается процесс старения полимерной изоляции (рис. 4), научно-исследовательский институт компании KEPCO выполнил ряд анализов. Для кабелей компании Kepco момент начала старения DSP (degradation starting point) в среднем наступает по истечении 13 лет.

Рис. 4. Как правило, процесс старения СПЭ-кабелей начинается только по прошествии более десяти лет, когда антиоксиданты в его изоляции перестают выделяться и образуются первые водные триинги.

Коэффициент старения изоляции измеренного кабеля рассчитывается следующим образом:

При этом TD_norm представляет собой значение тангенса дельта tan δ , а DTD_norm — отклонение (дельта) тангенса дельта tan δ. TD_skirt показывает, насколько стабилен коэффициент диэлектрических потерь в течение нескольких измерений в рамках одного цикла, поскольку это также может являться признаком кабелей с потерями в изоляции. Например, постоянное повышение или снижение значения tan δ или его колебания в рамках одного шага напряжения могут указывать на определенную степень старения.

Для определения TD_skirt проводится виртуальная линия между самым большим и самым маленьким значением tan δ по результатам восьми измерений. При этом линейный (повышающийся) график значений измерений указывает на изменение диэлектрических потерь изоляции кабеля; понижающийся (или нелинейный) график, напротив, как правило указывает на влажность или электрические разряды в одной или нескольких кабельных арматурах.

Определение остаточного срока службы с помощью лишь одного измерения тангенса дельта к содержанию

Коэффициент старения изоляции R можно рассчитать уже на основании результатов измерения коэффициента диэлектрических потерь (рис. 5). При выполнении повторных измерений на одном и том же кабеле статистическое ПО учитывает новые результаты и делает прогноз более точным (рис. 6).

Рис. 5. На основании измеренных значений тангенса дельта программное обеспечение Statex может рассчитать коэффициент старения изоляции и спрогнозировать остаточный срок службы кабеля.

На основании коэффициента старения изоляции и фактического возраста за вычетом DSP можно рассчитать скорость старения и, таким образом, период времени до достижения критической точки. Пользователи могут самостоятельно ввести критическую точку для каждого типа кабеля в Мастере настроек Life Time Wizard программного обеспечения и, таким образом, добавить собственный запас безаварийной работы. Можно также самостоятельно ввести момент начала старения DSP. Наряду с ожидаемым остаточным сроком службы ПО также выдает рекомендации о том, когда должна быть проведена следующая диагностика кабеля или когда следует запланировать его ремонт или замену.

Рис. 6. При выполнении повторных измерений программа Statex заново рассчитывает остаточный срок службы.

Кроме того, ПО Statex предоставляет трехмерное отображение измеренных значений для одного или нескольких объединенных кабелей (рис. 7). На этом трехмерном изображении пользователи могут отобразить свои собственные измеренные значения или результаты компании KEPCO, сохраненные в ПО Statex, чтобы сравнить друг с другом кабели в различном состоянии.

Рис. 7. Отображение коэффициента старения изоляции R для всех измеренных фаз в виде трехмерного графика. Каждая точка соответствует состоянию измеренной фазы.

Надёжные прогнозы остаточного срока службы к содержанию

В компании KEPCO ПО Statex используется уже в течение нескольких лет. Оно помогло сдвинуть на более поздний период значительное количество инвестиций, поскольку состояние измеренных кабелей оказалось в среднем лучше, чем это можно было бы предположить на основании их возраста. На измеренных старых кабелях количество повреждений на километр было даже меньше, чем на кабелях, еще не достигших момента начала старения DSP (здесь: 13 лет). Если бы компания KEPCO планировала затраты на замену на основании измерения коэффициента диэлектрических потерь и его оценки согласно стандарту IEEE 400.2, то из 15.000 км измеренного кабеля в замене нуждались бы 255 км. С помощью ПО Statex, однако, удалось рассчитать, что в срочной замене нуждаются лишь 54 км кабеля. При сопоставлении с критериями IEEE остаточной срок службы увеличился в среднем на одиннадцать лет.

Различные версии программного обеспечения к содержанию

Для клиентов ПО Statex компании Baur — это эксклюзивный инструмент для прогнозирования остаточного срока службы. Программное обеспечение Statex предлагается с различными моделями лицензирования:

Версия Statex Core позволяет обслуживать и обеспечивает мониторинг базы данных кабелей, а также управление данными кабелей. Кроме того, версия Core позволяет рассчитать коэффициент старения изоляции R, выполнить анализ состояния, создавать трехмерное графическое изображение и составлять отчеты.

В дополнение к этому версия Statex Pro имеет функцию определения статистического остаточного срока службы. Версия Pro включает в себя Мастер настроек Life Time Wizard, в котором пользователи могут ввести индивидуальный DSP (момент начала старения) и Critical Point (момент достижения критического состояния) на основании своего собственного опыта. Клиентам, приобретающим лицензию на данное программное обеспечение, предоставляется двухдневный ознакомительный курс обучения на месте и дополнительный двухдневный курс для углубления знаний. Дополнительная лицензия открывает доступ к банку данных ПО Statex Pro для других сотрудников. Однако конфигурировать Мастер настроек Life Time Wizard может только один пользователь, что гарантирует определенную целостность данных.

ПО Statex предоставляет информацию и рекомендации для управляющих ресурсами предприятий к содержанию

Благодаря комбинации технологий измерения напряжением СНЧ, программного обеспечения Baur для проведения измерений и мгновенной интерпретации полученных значений, а также программного обеспечения Statex для статистического прогнозирования остаточного срока службы кабелей менеджеры, управляющие ресурсами предприятий, получают инструменты для более рентабельного обслуживания распределительной сети.

В результате использования ПО Statex кабели среднего напряжения могут эксплуатироваться в среднем на несколько лет дольше, чем если бы срок их службы определялся по абсолютному возрасту, по оценке состояния кабеля согласно критериям IEEE или по классификации на основании значений тангенса дельта.

Мартин Йенни (Martin Jenny), руководитель отдела менеджмента продукции, Baur GmbH, Зульц/Австрия

Источник