Badania napięciem AC kabli bez ich degradacji
Wstęp
Monitorowanie integralności izolacji kabli zawsze było
najwyższym priorytetem firm energetycznych, ponieważ zapewnia ono ciągłość
pracy ważnych podziemnych obwodów kablowych. Filozofia wspierająca badania
jest oparta na twierdzeniu, że profilaktyczne pomiary mogą być wykorzystane
do wczesnego wykrywania pogarszania się izolacji, co umożliwia zaplanowanie
wygodniejszych i bardziej ekonomicznych terminów napraw. W tym kontekście,
pokazano, że uszkodzenie wywołane w czasie pomiarów spowoduje nieporównywalnie
mniejsze uszkodzenie kabla, niż uszkodzenie, które wystąpi, gdy kabel pracuje
pod pełnym obciążeniem. Ponieważ aparatura pomiarowa AC ma duże gabaryty oraz
wagę, nie była wykorzystywana do badań stosunkowo długich obwodów. W
konsekwencji, zostały zatrudnione pomiary DC, ponieważ sprzęt DC ma zawsze nieporównywalnie mniejsze
wymiary w stosunku do tradycyjnego sprzętu pomiarowego AC. Na przykład, kabel o
długości 1,6km badany przy napięciu 50kV AC mógł wymagać sprzętu pomiarowego o
mocy od 400kVA do 500kVA. Przyrząd pomiarowy DC przy 50kV mógł wymagać mocy
tylko 50W, dlatego sprzęt pomiarowy DC jest znacząco mniejszy i łatwiejszy do
użycia niż odpowiadający tradycyjny sprzęt AC.
Różne zdania na temat badań profilaktycznych
Istnieją przeciwne opinie na temat badań profilaktycznych, niektóre firmy
doświadczyły zwiększenia niezawodności pracy w konsekwencji badań
okresowych, natomiast wiele firm doświadczało awarii pracy kabli
przypisywane degradacji izolacji spowodowanych przez nadmierne badania
wytrzymałości. Badanie wytrzymałości może nadmiernie narażać izolację kabla.
W PECO Energy, Philadelphia, Pennsylvania, US, uszkodzenia kabli, które
nastąpiły wkrótce po badaniach DC były rozważane jako wskazujące na
nadmierne narażenie napięciowe spowodowane przez potencjał DC. W
konsekwencji, badanie napięciem DC było unikane. W programie sponsorowanym
przez Electric Power Resarch Institute (EPRI) w Detriot Edison, uzyskano
potwierdzenie, że badanie DC degraduje izolację i wpływa na pogorszenie
niezawodności starszych kabli.
Badania napięciem AC przy niskich
częstotliwościach
Troska o nadmierne narażanie kabli podczas badań DC doprowadziła PECO Energy
do rozważenia alternatywnych metod pomiarowych i ostatecznie, firma stała
się patronem ze strony przemysłu nad projektem Cable Laboratories of New
Brinswick, New Jersy. Chociaż w projekcie uczestniczyły i sponsorowały go
EPRI oraz Canadian Electricity Association, to PECO Energy rozpowszechniło
świadomość stosowania bardzo niskich częstotliwości (VLF) wdrażając te
metody do badań własnych systemów kablowych.
Jeszcze przed badaniami naukowymi projektu, PECO Energy zaprojektowało i zbudowało
60Hz urządzenie do lokalizacji uszkodzeń oraz badań wysokim napięciem.
Ponieważ podstawowym zastosowaniem było lokalizowanie uszkodzeń kabli z
wymogiem do 40A, 60Hz, impulsu wyjściowego, napięcie zostało ograniczone do
relatywnie niskiego poziomu 8kV. Następny zespół został zbudowany z
napięciem wyjściowym 15kV. Oba urządzenia były skuteczne w lokalizowaniu
uszkodzeń, ale wadą było to, że napięcie wyjściowe było za niskie do
prawdziwych badań wysokonapięciowych i było niewystarczające do przebicia
kabla. Efekt był taki, że badanie napięciem DC było
ciągle konieczne.
Ponieważ systemy kabli energetycznych są zasadniczo obciążeniem
pojemnościowym, moc konieczna do dostarczenia energii jest proporcjonalna do
częstotliwości. W przypadku DC (gdzie częstotliwość jest efektywnie zerem),
sprzęt ma małe wymiary, w przypadku AC sprzęt jest ogromny. Każdy z dwóch
60Hz systemów pomiarowych PECO Energy był zamontowany na dedykowanej
dużej ciężarówce z agregatem prądotwórczym o mocy 450KM.
High Voltage, Inc., Copake, New York, zaprezentowała możliwość wykonywania
badań wysokonapięciowych przy użyciu nowo skonstruowanego modelu VLF sprzętu
pomiarowego, który pozwolił uniknąć niepożądanych efektów DC.
Sprzęt VLF,
kompaktowy i lekki, jest porównywalny co do wymiarów i wagi z
wysokonapięciowymi systemami pomiarowymi DC. Jest dużo mniejszy niż typowy
generator udarów.
Zestawy VLF wytwarzają sinusoidalne napięcie o kształcie niezależnym od
pojemności obciążenia oraz mają wybierane przez użytkownika częstotliwości
0,1Hz, 0,05Hz i 0,02Hz, która koresponduje ze zwieszaniem się dopuszczalnego
obciążenia wraz ze zmniejszaniem częstotliwości. Ta możliwość pozwala
użytkownikowi na wybór niższej częstotliwości dla kabli o większej długości,
gdzie przykładowo 0,05Hz może być używane do długości około 6km, 0,02Hz dla
większych długości i 0,1Hz dla krótszych długości. System 60kV jest
wystarczająco mały, żeby zamontować go na ręcznym wózku dla ułatwienia
przemieszczania, jest również zasilany z typowego gniazdka sieciowego 230V.
PECO Energy używa wysokonapięciowych systemów VLF do prób wytrzymałościowych
po naprawach uszkodzeń, do badań nowych systemów przez podłączeniem napięcia
oraz do badania linii, które nie były używane przez dłuższy okres czasu i maja
być używane ponownie. Większość z tych starszych obwodów są mieszanką kabli
różnych typów i mogą być badane przy wyższym napięciu przy użyciu systemów
VLF niż jest to możliwe przy systemach 60Hz.
Ponieważ wiele kabli PECO Energy jest ciągle rozbudowywanych, zmiana ich
położenia
lub budowa nowych obwodów są wykonywane przez ekipy kontraktowe, systemy VLF są
używane do sprawdzenia wysokim napięciem wszystkich prac, jako kontrola
jakości przed odbiorem. Są skuteczne w odnajdywaniu wielu problemów w
połączeniach, które mogłyby powodować awarie obwodów, jeżeli kable ponownie
wróciłyby do pracy. Systemy te udowodniły również swą efektywność w
odnajdywaniu początkowych stadiów przebić w izolacji.
Lokalizowanie uszkodzeń
Po wystąpieniu uszkodzeniu, niektóre typy uszkodzeń kabli, które ujawniły
się z bardzo
dużą rezystancją, mogły nie dawać się przebijać za pomocą tradycyjnych
systemów diagnostycznych 50Hz z powodu za niskiego stosowanego w nich napięcia. W tych przypadkach, było
konieczne użycie wysokiego napięcia DC, nawet jeżeli metoda ta była unikana
kiedykolwiek to możliwe. Tam gdzie były użyte systemy VLF, ich wyższe
napięcia kończyły się sukcesem w powodowaniu przebicia w krótkim czasie
około jednej minuty. Najdłuższym czasem do przebicia było 13 minut. W tych
przypadkach, uszkodzenia były wystarczająco zwęglone, że pozwalały na użycie
tradycyjnych metod lokalizacji uszkodzeń bez kontynuacji dopalania.
PECO Energy odkryło również, że VLF jest bardziej efektywne niż DC w
powodowaniu przebić miejsc uszkodzeń systemów kabli 15kV, z izolacją
papierową, w osłonie z ołowiu również w kablach 5kV z izolacją gumową i
ołowiem (R&L). Charakter uszkodzenia tego kabla często powoduje samoczynne
wypalenie przewodzącego mostka, wymagające poźniej bardzo wysokich napięć DC
do wytworzenia przebicia w miejscu uszkodzenia. Systemy VLF są skuteczne w
powodowaniu przebicia uszkodzenia w tych systemach R&L dużo szybciej,
przyspieszając proces lokalizacji miejsca uszkodzenia.
Wnioski
EPRI- oraz Canadian Electricity Association sponsorowały prace wykonane w
Cable Technology Laboratory, zademonstrowały zdolność badań VLF do
przebijania osłabionych kabli, nie uszkadzając, ani nie degradując systemów
kablowych. Zastosowanie badań VLF na systemach PECO Energy potwierdziło
wyniki badań naukowych oraz wysiłek włożony w rozwój tej technologii.
Do badań napięciami wolnozmiennymi izolacji
proponujemy systemy HVI VLF