Измерение и мониторинг ЧР в высоковольтных кабельных системах

Аннотация
 
В данной статье описана универсальная система измерения и мониторинга частичных разрядов, которую можно применять для различных типов кабелей и подключать к различным датчикам ЧР.
Организация
 
 
(Австрия)
Авторы
 
Войцех КОЛТУНОВИЧ (Wojciech KOLTUNOWICZ), Лауренциу-Виорел БАДИКУ (Laurentiu-Viorel BADICU), Рене ХУММЕЛЬ (Rene HUMMEL), Ульрике БРОНЕЦКИ (Ulrike BRONIECKI), Даниэль ГЕБХАРДТ (Daniel GEBHARD); OMICRON Energy Solutions GmbH, Берлин, Германия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
 
В данной статье описана универсальная система измерения и мониторинга частичных разрядов, которую можно применять для различных типов кабелей и подключать к различным датчикам ЧР. Приводятся примеры измерений ЧР, выполненных на кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена и кабелях внутреннего давления при помощи высокочастотных трансформаторов тока и ультра-высокочастотных датчиков. Для проверки состояния изоляции отдельных компонентов кабельной линии, проложенной в подземном тоннеле, предлагается использовать системы временного мониторинга. Применение многоканальной техники повышает чувствительность при измерении ЧР. Опыт применения показывает возможность раннего обнаружения повреждений изоляции и мониторинга их развития.
Общие сведения

На сегодняшний день измерение и мониторинг частичных разрядов (ЧР) является общепринятым в мировой практике методом оценки технического состояния изоляции кабелей высокого напряжения (ВН) и является обязательной составляющей приемо-сдаточных испытаний объектов. Международные органы стандартизации и технические комитеты рекомендовали, применили, а недавно и утвердили различные решения для датчиков и методик сбора данных.

Поэтому службы инженерного обеспечения эксплуатирующих организаций должны проходить постоянное обучение использованию различных технологий, а в некоторых случаях им требуется помощь сторонних экспертов для обработки данных измерений. Именно поэтому существует насущная потребность в универсальном оборудовании для измерения и мониторинга ЧР, которое можно было бы применять к кабелям различного типа и подключать к широкому спектру датчиков ЧР. Кроме того, система должна быть в состоянии предоставлять всю информацию, требуемую в соответствии с международными стандартами.

В данной статье приводятся примеры измерений ЧР, выполненных на кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) и на газонаполненных кабелях внутреннего давления с напряжением 110 кВ при помощи высокочастотных трансформаторов тока (ВЧТТ) и датчиков сверхвысокой частоты (СВЧ).

Для кабелей, которые находятся в эксплуатации, чаще всего требуются измерения без отключения. Обнаруженные при измерениях сигналы ЧР следует затем отслеживать на протяжении более длительного периода времени. Поэтому измерительная система должна обеспечивать возможность временного мониторинга. Как правило, подобный временной мониторинг проводится на отдельных компонентах кабельной линии, таких как концевые или соединительные муфты. Доступ к кабельным муфтам подземных кабелей может быть затруднен, а для работы системы мониторинга ЧР нередко требуется индуктивный источник питания.

Для анализа данных ЧР рекомендуется проводить синхронные измерения на последовательных элементах кабельной системы. Такой подход позволяет обнаруживать и с высокой точностью локализовать дефекты изоляции. Для проведения таких измерений требуется оптоволоконное подключение между устройствами сбора данных, которое нетрудно установить на коротких кабелях или кабелях, проложенных в подземных туннелях. В качестве примера в данной работе описывается система измерения ЧР, установленная для временного мониторинга двух последовательных муфт XLPE кабеля 230 кВ, проложенного в туннеле.

Точность измерений ЧР на объекте существенно снижается из-за высокого уровня шумов. Рекомендуемые системы должны обладать аппаратными и программными средствами, снижающими влияние шума на результаты измерений. Точность измерений ЧР удалось повысить за счет применения многоканальных методов (например, 3PARD). Практические исследования, результаты которых представлены в данном документе, указывают на возможность раннего обнаружения неисправностей и последующего их мониторинга.

Измерения ЧР газонаполненной кабельной системы внутреннего давления на 110 кв

Испытательным объектом стал трехфазный газонаполненный кабель внутреннего давления на 110 кВ, находящийся в эксплуатации 42 года. Длина кабеля составляет 1914 м, он подключен к КРУЭ на открытой подстанции. Главной целью проведения измерений была проверка состояния изоляции кабеля, а также сравнение характеристик работы датчиков ВЧТТ и СВЧ.

Измерения ЧР проводились последовательно на обоих концах кабеля, на КРУЭ, а в последствии — на концевых муфтах воздушной линии (ВЛ). Датчики ВЧТТ были установлены на КРУЭ. В месте размещения ВЛ использовалась шестиканальная синхронная система измерений ЧР, а по три датчика ВЧТТ и СВЧ были подключены к заземлительному экрану кабелей (ВЧТТ СВЧ). Измерения проводились на различных частотах.

Рис. 1. Установка датчиков на концевые муфты кабелей в КРУЭ и ВЛ (кликабельно)
Рис. 2. Шестиканальные синхронные диаграммы ЧР с пофазной разбивкой, полученные при помощи датчиков ВЧТТ и СВЧ (кликабельно)

Измерение ЧР при помощи ВЧТТ — наиболее распространенный способ обнаружения ЧР в кабелях и их компонентах в оперативном режиме. В данном конкретном случае был использован ВЧТТ, работающий в диапазоне частот от 50 кГц до 14 МГц. Для сравнения показаний и более точного анализа данных параллельно были проведены измерения на концевых муфтах кабелей ВЛ при помощи датчиков СВЧ, работающих в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц.

На ВЧТТ СВЧ показано положение датчиков обоих типов на КРУЭ и концевой муфте ВЛ. При установке ВЧТТ на кабеле со стороны КРУЭ отключать питание не потребовалось. Тем не менее из соображений безопасности потребовалось временно отключить питание для установки датчика СВЧ на концевую муфту ВЛ.

На конце кабеля со стороны КРУЭ не обнаружено критических внутренних частичных разрядов (ЧР) 

Для проверки точности системы измерений ЧР на ВЛ проведено «испытание проводов» с моделированием внешнего источника шума. К проводнику фазы А кабеля был подключен короткий провод. Известно, что под высоким напряжением на оголенном конце провода возникает коронный разряд. Как и ожидалось, на фазе А в месте расположения провода был обнаружен разряд наибольшей амплитуды. Кроме того, наблюдалась перекрестная наводка с другими фазами. Шестиканальные диаграммы частичных разрядов с пофазной разбивкой(ЧРПР) сигнала представлены на рис. 2. Можно заметить, что импульсы, генерируемые моделируемым коронным разрядом, обнаруживались только с помощью датчиков ВЧТТ. Они не наблюдались в диапазоне CВЧ, поскольку частотный спектр коронного разряда не пересекается с частотным спектром датчика CВЧ.

Сигналы радаров и мобильных телефонов в диапазоне частот от 300 МГц до 2 ГГц служат главным источником помех при CВЧ-измерениях. Эти шумовые сигналы наблюдаются на отдельных частотах частотной области и их можно легко отличить от сигналов ЧР. Частоты одиночного резонанса ЧР в спектре используются для CВЧ-обнаружения в узком диапазоне. В случае широкополосных измерений шумовые сигналы можно устранить путем стробирования или фильтрации. С другой стороны, при CВЧ-измерении на конце кабеля наличие ЧР в кабеле или концевой муфте невозможно выявить из-за быстрого затухания сигнала.

Датчики обоих типов обнаружили внутренний ЧР на концевой муфте воздушной линии. Наибольшая амплитуда была измерена в фазе В кабеля. Чтобы получить информацию о CВЧ-спектре сигнала, на запитанной кабельной линии было произведено качание частоты (рис. 3). На схеме развертки частоты показаны два спектра сигнала. Верхний спектр соответствует максимальной амплитуде сигнала во временной области, полученной для каждого значения частоты при качании. Нижний спектр соответствует минимальной амплитуде. ЧР всегда виден на верхнем спектре, а шумовой сигнал, например коронный разряд, радиоволны и GSM, виден на обоих спектрах. При качании частоты для фильтра была установлена полоса пропускания 1,5 МГц.

Обнаружение ЧР в диапазоне CВЧ служит важным показателем того, что источники ЧР находятся внутри концевой муфты кабеля. На рис. 2 диаграммы сигнала выделены красными прямоугольниками. Можно заметить, что их форма напоминает форму диаграмм, полученных с помощью датчиков ВЧТТ. Тем не менее амплитуды импульсов невозможно сравнить из-за применения различных датчиков.

Диаграмма качания частоты (100 МГц...1 ГГц)
Рис. 3. Диаграмма качания частоты (100 МГц...1 ГГц)
Измерение ЧР в коротком кабеле напряжением 220 КВ с изоляцией из сшитого полиэтилена

Проведено внутреннее измерение ЧР в кабеле напряжением 220 кВ длиной 100 м с изоляцией из сшитого полиэтилена. Испытания проведены с целью точного измерения ЧР в зашумленной среде, обычной для открытых подстанций. Измерения проводились с помощью датчиков ВЧТТ, подключенных к заземляющему экрану кабеля на КРУЭ и к концевым муфтам ВЛ. При подключении датчиков и настройке измерительной системы отключать питание не потребовалось. Так как кабельная линия находилась под напряжением, выполнить калибровку системы обнаружения ЧР было невозможно. Вместо этого работа системы была проверена путем подачи калибровочных импульсов на датчики. Ток утечки на экране кабеля был достаточно высоким для синхронизации сигнала ЧР с рабочим напряжением.

Для точного измерения ЧР используются многоканальные методы (например, 3PARD). На рис. Ошибка! Источник ссылки не найден. показаны трехфазные синхронные диаграммы ЧРПР, полученные с концевых муфт КРУЭ. На рис. Ошибка! Источник ссылки не найден. также показана диаграмма 3PARD, построенная на основе полученных импульсов ЧР из этих трех фаз.

Трехфазные диаграммы ЧРПР (слева) и эквивалентная диаграмма 3PARD (справа)
Рис. 4. Трехфазные диаграммы ЧРПР (слева) и эквивалентная диаграмма 3PARD (справа)

На диаграмме 3PARD наглядно представлена связь между амплитудами единичного импульса ЧР в одной фазе и перекрестными сигналами в двух других фазах. При повторении этой процедуры с большим количеством импульсов ЧР, источники ЧР, а также шумы, отображаются на диаграмме 3PARD в виде четко различимого скопления точек. Изучение отдельных кластеров на диаграмме 3PARD позволяет разделить шум и ЧР [5]. Разделение единичного сигнала ЧР и шума возможно при синхронном выполнении измерений.

С целью анализа отдельных сигналов выбраны наиболее значимые кластеры (Ошибка! Источник ссылки не найден.) и проведено их обратное преобразование в диаграммы ЧРПР. Успешно выделен шум, источником которого были преимущественно воздушные линии подстанции (находится в центре диаграммы 3PARD). Обнаружен внутренний сигнал ЧР в средней фазе кабельной линии (фаза В). Разделенные и преобразованные диаграммы ЧРПР сигнала представлены на рис. Ошибка! Источник ссылки не найден.. Соответствующий кластер отмечен на диаграмме 3PARD синим прямоугольником.

Так как калибровка установки без отключения напряжения невозможна, отображаемые на схемах ЧРПР значения ЧР не несут никакой существенной информации.

Чтобы получить дополнительную информацию о типе источника ЧР, измерения ЧР проводились на различных центральных частотах: 5 МГц, 7 МГц, 9 МГц, 11 МГц (Ошибка! Источник ссылки не найден.). Для диапазона частот цифрового фильтра устройства сбора данных установлено значение 3 МГц. Это значение не изменялось в процессе проведения измерений. Следует отметить, что выбранная частота измерения не влияла на амплитуду сигнала и частоту повторения импульсов ЧР (около 130 импульсов/с). Поскольку затухание сигнала ЧР в диапазоне 5 –11 МГц очень слабое, можно предположить, что ЧР находятся в непосредственной близости к датчику измерений, а именно на концевой муфте КРУЭ фазы В.

Рис. 5. Выделение сигнала ЧР (слева) и его обратное преобразование в схему ЧРПР (справа) (кликабельно)
Рис. 6. Схемы ЧРПР сигнала ЧР на разных частотах после разделения (кликабельно)

Из-за неустойчивого поведения сигнала ЧР, обнаруженного во время измерения, было активировано предварительно установленное программное обеспечение для временного мониторинга и данные измерений сохранялись каждые 10 минут. На основе собранных данных мониторинга формируется схема тенденций ЧР (Ошибка! Источник ссылки не найден.). На рисунке можно заметить произвольные пиковые значения. Помимо значений ЧР в базе данных сохранены схемы ЧРПР и диаграммы 3PARD как иллюстрации для каждой точки измерения.

Тенденция ЧР на КРУЭ фазы В
Рис. 7. Тенденция ЧР на КРУЭ фазы В
Результаты осмотра концевой муфты КРУЭ после отказа
Рис. 8. Результаты осмотра концевой муфты КРУЭ после отказа

Было решено прекратить временной мониторинг через 18 часов, хотя и был рекомендован непрерывный мониторинг. Через пять недель работы произошел пробой в средней фазе кабеля, где ранее была обнаружена активность ЧР.  След пробоя (Ошибка! Источник ссылки не найден.) был найден в 40 см от проходной муфты вблизи соединительного зажима на шине КРУЭ.

Мониторинг ЧР в системе кабелей 230 КВ с изоляцией из сшитого полиэтилена в подземном туннеле

Длина кабельной линии 230 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена составляет 6 км. Первая часть кабеля находится в подземном туннеле. Вторая часть кабеля закопана. На кабельной линии есть шесть муфт, каждая третья из которых заземлена. Другие муфты транспозиционные.  Необходимо было выполнять непрерывный мониторинг состояния изоляции двух последовательных транспозиционных муфт внутри туннеля.

Схема системы мониторинга представлена на Ошибка! Источник ссылки не найден.. Шесть датчиков ВЧТТ, установленные на транспозиционных соединениях, используются для обнаружения ЧР непосредственно на этих муфтах. Система распознания ЧР состоит из двух трехканальных высокоточных модульных устройств сбора данных (по одному на каждую муфту). Измерения осуществляются синхронно во всех шести точках измерения. Синхронизация устройств сбора данных осуществляется по оптоволоконному кабелю в течение 2–5 нс. Источник питания для устройств сбора имеется в туннеле, так что нет необходимости в дополнительных устройствах (т. е. индуктивный источник питания). Данные мониторинга из двух устройств сбора данных направляются через оптоволоконные линии на сервер, расположенный в диспетчерской на подстанции на ближнем конце кабеля.

Архитектура системы для непрерывного мониторинга ЧР на кабельных муфтах в подземном туннеле
Рис. 9. Архитектура системы для непрерывного мониторинга ЧР на кабельных муфтах в подземном туннеле. 

Калибровка работы системы выполнена путем подачи калибровочных импульсов величиной 10 пКл непосредственно на датчики ВЧТТ.  Для цифрового фильтра устройства сбора данных установлена центральная частота 900 кГц и полоса пропускания 300 кГц. Калибровочные импульсы были отделены от шумов системы. 

Собранные данные схемы ЧРПР и диаграммы 3PARD
Рис. 10. Собранные данные схемы ЧРПР и диаграммы 3PARD (кликабельно)

Система мониторинга предоставляет данные из каждого устройства сбора данных в двух режимах: постоянном и периодическом. В постоянном режиме данные собираются ежесекундно, сравниваются с пороговыми значениями и в режиме реального времени отображаются в графическом интерфейсе пользователя. Если полученные значения ниже предварительно заданных пороговых значений, они окрашиваются в зеленый цвет. В случае, если измеренные значения превышают заданные пороговые значения, они окрашиваются в желтый (предупреждение) или красный (превышение порогового значения) цвет. Периодические измерения выполняются каждые 60 минут. Продолжительность периодического измерения обычно составляет 1 мин. В этот промежуток времени вычисляются все скалярные значения, а также собираются и сохраняются данные диаграмм ЧРПР и 3PARD (Ошибка! Источник ссылки не найден.). Эти данные сохраняются для последующей обработки и визуализации.

Пороговые значения предупреждения и тревоги для ЧР выбраны, основываясь на опыте OMICRON, и составляют 30 пКл (сигнал о предупреждении) и 50 пКл (превышено пороговое значение) соответственно. Чтобы поступил сигнал о предупреждении или сигнал о превышении граничного значения, значения ЧР должны оставаться выше пороговых в течение заранее определенного промежутка времени (например, 15 с). Эта процедура позволяет избежать ложных срабатываний, которые могут произойти в процессе эксплуатации из-за изменения нагрузки или условий окружающей среды, операций переключения и т. п. 

Синхронно собранные данные схемы ЧРПР для муфты №2
Рис. 11. Синхронно собранные данные схемы ЧРПР для муфты №2 (кликабельно)

Обработка данных мониторинга осуществляется в модульной системе программного обеспечения, что позволяет надежно и в течение длительного времени хранить данные мониторинга и обеспечивает удаленный доступ к ним через веб-интерфейс.

Во время мониторинга на фазе В муфты №2 наблюдался сигнал подобный ЧР. Собранные в синхронном режиме данные ЧРПР на этой муфте представлены на Ошибка! Источник ссылки не найден.. Наблюдалась также наведенное ЧР на фазах А и С. Такой же ЧР-подобный сигнал с меньшей амплитудой был зарегистрирован в другой отслеживаемой муфте. Источник сигнала был обнаружен путем дополнительного измерения. Источник ЧР был найден внутри трансформатора, подключенного к кабельной линии на расстоянии около 1,8 км от муфты №2.

Выводы

  • Для измерения ЧР в кабельной системе с изоляцией из сшитого полиэтилена и газонаполненных кабелях внутреннего давления успешно использовалось универсальное устройство сбора данных.
  • Синхронное измерение с помощью датчиков ВЧТТ и СВЧ, работающих на различных уровнях частот, позволяет выявлять различие между внутренним ЧР и шумом; точность локализации улучшается с помощью синхронного измерения.
  • Разделение источников ЧР и подавление внешнего шума успешно осуществляется с использованием синхронных многоканальных методов оценки.
  • Модульная распределенная программная система мониторинга обеспечивает надежное долгосрочное хранение данных мониторинга и предоставляет доступ к ним через веб-интерфейс.
  • Непрерывный мониторинг позволяет предотвратить аварийный отказ кабельных линий.
Об авторах

Д-р Войцех Колтунович (Wojciech Koltunowicz) получил магистерскую, кандидатскую и докторскую степень по электротехнике в Варшавском технологическом университете в 1980, 1985 и 2004 гг. соответственно. С 1984 по 1987 год он работал инженером-исследователем на кафедре высоких напряжений в польском Институте энергетики. С 1987 по 2007 год занимал должность в Итальянском опытном электротехническом центре, где он принимал участие, главным образом, в испытаниях и диагностике высоковольтного оборудования. В 2007 году он пришел в OMICRON, где участвует в проектах по мониторингу высоковольтного оборудования. Он является секретарем консультативной группы Международного совета по большим электрическим системам высокого напряжения D1.03 "Изоляционные газы", членом рабочей группы D1.25 и членом консультативной группы D1.02 "Методика измерения и диагностики высокого напряжения и высокого тока", а также членом рабочих групп D1.28, D1.37 и D1.51. Он также входит в состав рабочей группы IEC TC42 WG14. Войцех Колтунович является автором десятков международных докладов.

Рене Хуммель (Rene Hummel) работает в подразделении OMICRON в Берлине в качестве инженера по частичным разрядам. Он изучал электротехнику в Берлинском техническом университете, специализируясь на высоковольтных технологиях, силовой энергетике, аналоговой и цифровой электронике, а также микроэлектронике. В качестве специалиста по измерениям частичных разрядов в OMICRON Хуммель отвечает за выполнение испытаний и проводит выездные специализированные учебные программы по ЧР для клиентов по всему миру. Как член рабочей группы F04W IEEE PES/ICC он помогает в формировании директив по измерениям ЧР на объектах. Он также читает лекции в университетах по темам, связанным с ЧР. 

Лаурентиу Виорел Бадицу (Laurentiu Viorel Badicu) является инженером по высоковольтному оборудованию в OMICRON Energy Solutions GmbH (Берлин, Германия), занимая эту должность с 2012 г. Он отвечает за техническое обслуживание установленных систем онлайнового мониторинга, обучение клиентов, выполнение измерений на местах (для определения частичных разрядов, коэффициента диссипации/мощности, емкости и т. д.) и оценку результатов. Он получил диплом инженера и кандидатскую степень в области электротехники в Политехническом университете в Бухаресте, Румыния, в 2008 и 2012 гг. соответственно. 

Ульрике Бронецки (Ulrike Broniecki) изучала электротехнику в Берлинском техническом университете, специализируясь на технологиях электропитания. Она работала ассистентом в технологической группе по вопросам высокого напряжения в Берлинском техническом университете с 2008 по 2014 г. Она специализируется на акустическом обнаружении частичного разряда в трансформаторах. В OMICRON она работает программным инженером по мониторингу с 2014 г. В ее обязанности входит надзор за системами мониторинга и анализ данных мониторинга и диагностики.

Даниэль Гебхардт (Daniel Gebhardt) изучал электротехнику и высоковольтные технологии в Берлинском техническом университете. Во время своей учебы он работал над проектированием диэлектрических компонентов автоматических высоковольтных выключателей. В OMICRON работает с 2013 года на должности специалиста по измерению частичных разрядов в отделе диагностики и мониторинга. В отвечает за широкий спектр услуг, от технической поддержки до анализа данных измерений. 

Bottom Logo

Портал ЭлеЭкспо – это информационное интернет-издание в области электротехники, электроэнергетики и автоматизации.

Основная задача Портала — это оперативное информирование о новинках, которые были или только будут представлены на крупнейших российских и зарубежных электротехнических выставках.

Follow Us:

Контакты:
  • Телефон, e-mail:

    +7 921 7871 350, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Bottom Logo