Сопротивление и диэлектрические потери изоляции силовых кабелей

Диагностика рабочих параметров кабельной линии электропередачи проводится перед включением, в процессе эксплуатации и после ремонта кабельных линий (КЛ), а также в соответствии с рекомендациями завода – изготовителя. Объём, нормы и методика диагностирования КЛ приводятся в действующей нормативной документации и с учётом требований ГОСТ Р МЭК 62067 – 2011. Наряду с диагностикой КЛ проводится их мониторинг по нагрузочному режиму, аварийным событиям и интенсивности частичных разрядов (ЧР) в изоляции. Для сбора, обработки, отображения и хранения информации, характеризующее рабочее (текущее) состояние основной изоляции, концевых и соединительных муфт КЛ в процессе эксплуатации в настоящее время применяется система автоматического диагностирования (мониторинга) КЛ.

Система мониторинга КЛ регистрирует параметры возникающих частичных разрядов, в том числе в кабельных муфтах и температуру муфт, токопроводящих жил и экранов КЛ, что обеспечивает получение достоверной оценки текущего технического состояния КЛ, в том числе муфт КЛ, и возможности прогнозирования развития дефектов на основе базы данных по динамике развития разрядных процессов в изоляции, выявление дефектов в изоляции на ранних стадиях их развития.

При измерении сопротивления изоляции кабельных линий (КЛ) рекомендуется использовать мегаомметр на напряжение 2500 В. Выполнять измерения разрешается только на отключенных и разряженных КЛ.

Измерения сопротивления изоляции одножильных кабелей без металлического экрана (брони, оболочки), проложенных в земле, производятся между жилой и землей; для одножильных кабелей, проложенных на воздухе, сопротивление изоляции не измеряется.

Измерение изоляции одножильных кабелей с металлическим экраном (оболочкой, броней) производится между жилой и экраном. Измерение изоляции многожильных кабелей без металлического экрана (брони, оболочки) производится между каждой жилой и остальными жилами, соединенными между собой.

Измерение изоляции многожильных кабелей с металлическим экраном (броней, оболочкой) производится между каждой жилой и остальными жилами, соединенными вместе и с металлическим экраном (броней, оболочкой), например для трехжильного кабеля, с обозначением жил А, В и С, по следующей схеме:

– А – В + С +оболочка; –В –С+ А +оболочка; – С + В – А +оболочка (знак + означает, что жила используется в опыте, а знак – что жила остается свободной).

Электрическая схема измерения сопротивления изоляции кабеля с металлической броней приведена на рис 1.

По значениям сопротивлений изоляции, измеренной через 15 и 60 секунд после приложения напряжения, делают вывод о пригодности кабельной линии к эксплуатации. Кабельная линия напряжением до 1 кВ считается выдержавшей испытания, если сопротивление изоляции составляет не ниже 0,5 МОм.

Рис. 1. Схема электрических соединений для измерения сопротивления изоляции жил силового кабеля мегаомметромтипа М4100/5

Упомянутый временной интервал объясняется тем, что при проведении измерений следует учитывать влияние температуры и влажности на значение сопротивления изоляции кабельной линии. При повышении температуры в большинстве диэлектриков, используемых в качестве электрической изоляции, увеличивается количество свободных носителей зарядов, что приводит к снижению сопротивления.

Однако однозначно сделать вывод о состоянии качества изоляции только по температурному фактору весьма затруднительно, поэтому необходимо также учитывать влажность изоляции, поскольку большинство используемых электроизоляционных материалов являются гигроскопичными, что вносит дополнительную погрешность в значение сопротивления изоляции, поскольку при этом происходит существенное уменьшение сопротивления изоляции. На практике для оценки состояния изоляции целесообразно использовать коэффициент абсорбции, выражаемый через сопротивления изоляции 15-ти и 60 секундный интервалы измерения

где ?₁₅^∗ и ?₆₀^∗∗ — значения сопротивления изоляции, измеренные соответственно через 15 и 60 секунд после приложения напряжения. Значение коэффициента абсорбции ?абс для влажной изоляции находится в пределах 1,0 – 1,2 , для сухой изоляции – 1,2 -1,7 и выше.

Измерение и автоматический расчет коэффициента абсорбции проводится цыфровыми мегаомметрами типа Е6-31 с выходным напряжением 2500 В при измерении сопротивления изоляции.

Для измерения сопротивления изоляции оборудования в сетях 0,4 кВ используются мегаомметры с выходным напряжением не менее 1000 В, а в сетях 6 кВ и выше — мегаомметры с выходным напряжением 2500 В. В связи с процессом поляризации, протекающем в изоляции, значение измеряемого сопротивления зависит от времени приложения напряжения примерное значение которого можно определить рассматривая схему замещения изоляции (рис.2).

Рис. 2. Схема замещения изоляции оборудования

Сопротивление R в схеме замещения изоляции обусловлено протеканием в изоляции тока утечки, а ёмкость ?? – эквивалентна электрической ёмкости оборудования, которое подвергается испытанию (трансформатор, электродвигатель и т. д.), значение этой емкости находится в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч пикофарад. В связи с этим такая емкость полностью зарядится за время, ограниченное 15 секундами (?₁₅^∗ ).

Силовые кабели обладают значительной электрической емкостью (1 – 2 микрофарады на фазу), поэтому их рекомендуется отключать от испытываемого оборудования с целью уменьшения погрешности (примерно на значение коэффициента абсорбции).

Последовательная цепочка dC и r эквивалентна полному сопротивлению цепи в результате протекания абсорбционных токов. При использовании для изоляции качественных диэлектриков, не содержащих примесей и влаги, для заряда емкости потребуется значительно больший промежуток времени. На практике это время ограничивают 60 секундами (?₆₀^∗∗ ).

В процессе измерения может быть установлена асимметрия значений сопротивлений, причиной которой явиться увлажнение и загрязнение концевых муфт КЛ. Для её устранения используется пропитка. Значение сопротивления изоляции КЛ напряжением выше 1 кВ не нормируется.

Сопротивление изоляции кабельных линий, как и любого электрооборудования, определяется протекающим током при приложении напряжения постоянного тока. При напряжениях до нескольких киловольт для этих целей применяются мегаомметры. При более высоких напряжениях используются специализированные источники выпрямленного напряжения, при условии измерения тока проводимости и проводимости изоляции. Схема электрическая принципиальная мегаомметра типа М4100/5 приведена на рис. 3. Схема состоит из генератора переменного тока G, выпрямителя с умножением напряжения, измерительного механизма (логометр магнитоэлектрической системы) ИП и добавочных резисторов. Диапазоны измерения изменяются при помощи специальной перемычки находящейся на одном из соединительных проводов. При измерении сопротивления изоляции в диапазоне мегаом измеряемое сопротивление подключается к зажимам «МОм» и «–». При измерении сопротивления изоляции в диапазоне «кОм» измеряемое сопротивление подключается между закороченными зажимами «МОм», «–» и зажимом «кОм».

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная мегаомметра М4100/5

Перед началом измерений на время подключения мегаомметра к испытуемой цепи последняя должна быть временно заземлена. Опасно прикасаться к соединительным проводам и токоведущим элементам испытуемой цепи в процессе измерений. Перед началом работы необходимо проверить исправность мегаомметра в соответствии с инструкцией и только убедившись в исправности мегаомметра, можно приступать к измерению сопротивления изоляции. Для этого присоединяют испытуемую цепь к соответствующим зажимам и, вращая рукоятку генератора с номинальной скоростью (120 оборотов в минуту), производят отсчет по соответствующей шкале.

Результат измерения сопротивления изоляции мегаомметром М41001/5 может быть искажен поверхностными токами утечки объекта. Для уменьшения искажения результата измерений, на изоляцию испытуемой цепи накладыватся токоотводящий электрод, который присоединяется к зажиму «Э». Технические характеристики мегаомметра М4100/5 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики мегаомметра М4100/5

Обычно используются две схемы включения мегаомметра – прямая и перевернутая: соответственно заземляются выводы «Э» или «-«. Наиболее часто применяется перевернутая схема включения. Экранирование объекта измерения применяется в случаях, когда необходимо исключить влияние поверхности изоляционной конструкции или ограничить область контролируемой изоляции.

Для исключения влияния состояния поверхности на наружной части изоляционной конструкции около электрода, соединенного с выводом «r_x» мегаомметра, устанавливается экранирующее кольцо из мягкого провода, соединяемое с выводом «Э». Для ограничения контролируемой области изоляции потенциал экрана мегаомметра подается на соответствующий электрод (рис. 4).

Рис. 4. — Экранирование при измерении сопротивления изоляции: А) — исключение влияния поверхности изоляции; б) — исключение влияния изоляции обмотки НН трансформатора; 1 — объект; 2 — экранное кольцо (бандаж); 3 – мегаомметр.

Сопротивление, включенное между выводами «Э» и «r_x» в схемах с экранированием шунтирует измерительный элемент мегаомметра, чем может внести недопустимую погрешность в измерения. Наименьшее допустимое значение этого сопротивления нормируется; оно не должно быть меньше 1% конечного (наибольшего) значения шкалы на данном пределе измерений. Желательно чтобы сопротивление цепей экранирования в 50- 100 раз было больше, чем сопротивление измерительного элемента мегаомметра.

Цифровой мегаомметр Е6-40 обеспечивает воспроизведение испытательного напряжения постоянного тока со значениями 100, 250, 500, 1000 или 2500 вольт с относительной погрешностью установки напряжения не более 10%. Питание мегаомметра осуществляется от свинцово-кислотной аккумуляторной батареи (АКБ) номинального напряжения 6 В, ёмкостью «1,3 А/ч».

Время готовности мегаомметра Е6-40 после включения питания не более 5 секунд. Время установления показаний не более 30 секунд при электрической ёмкости объекта измерения не более 1мкф. Количество измерений мегаомметром от полностью заряженной АКБ не менее 500 (при нормальных условиях эксплуатации). Масса мегаомметра не более 1,1 кг. Относительная погрешность при измерении сопротивления приведена в табл. 2, а диапазон измеряемых сопротивлений в табл. 3.

Таблица 3. Погрешность измерения сопротивления изоляции мегаомметром Е6-40

Цифровой мегаомметр Е6-40 (рис.5,а) позволяет измерять внешнее переменное напряжение частотой 50 Гц и действующим значением от 50 до 600 В постоянно, независимо от включенного режима. Погрешность измерения внешнего напряжения составляет не более 10%.При появлении напряжения на измерительных клеммах, на индикаторе высвечивается мигающее действующее значение напряжения. Рабочие условия эксплуатации мегаомметра: температура окружающего воздуха, от минус 30 °С до плюс 50 °С; относительная влажность воздуха до 90 % при 30 °С; атмосферное давление от 60 до 106,7 кПа (от 460 до 800 мм рт. ст.). Степень защиты корпуса IP67 по ГОСТ 14254-96.Средний срок службы мегаомметра 10 лет (не распространяется на АКБ)

а)                                                                                                                                 б)

Рис. 75. Внешний вид цифровых мегаомметров: а) – Е6-40; б) – Е6-31

Таблица 3. Пределы измерений сопротивления изоляции мегаомметром Е6-40

Цифровой мегаомметр Е6-31 (рис. 5,б) предназначен для измерения сопротивления изоляции электрических цепей, не находящихся под напряжением, в диапазоне от 1 кОм до 300 Гом, измерения переменного напряжения до 700 В и автоматического расчета коэффициента абсорбции. Значение постоянного испытательного напряжения на разомкнутых гнездах 500, 1000, 2500 В. Питание от встроенного аккумулятора, напряжение от 5,2 до 7,5 В.

Рабочие условия эксплуатации:

• температура от минус 30 до +50 °С;
• относительная влажность при температуре воздуха 30 °С до 90 %

Прибор Е6-31 заменяет: Е6-32 мегаомметр; М4100/1 Мегаомметр; М4100/2 Мегаомметр; М4100/3 Мегаомметр; М4100/4 Мегаомметр; М4100/5 Мегаомметр; Мегаомметр М4100/3М; Мегаомметр Ф4102/1-1М; Мегаомметр Ф4102/2-1М; Мегаомметр ЭС0202/1М-Г; Мегаомметр ЭС0202/2М-Г; Мегаомметр ЭС202/1Г Профкип; Мегаомметр ЭС202/2Г Профкип; ЭС0202/1Г Мегаомметр (ЭСО202/1-Г); ЭС0202/2Г Мегаомметр (ЭСО202/2Г); ЭС0210/1Г Мегаомметр (ЭСО210/1Г).

На значение допустимого тока нагрузки в силовых кабелях, особенно с бумажной пропитанной изоляцией, существенное влияние оказывают диэлектрические потери, которые возрастают при увеличении уровня напряжения. При напряжении 220 кВ значение этих потерь может достигать 50% потерь в токопроводящих жилах.

Под диэлектрическими потерями понимают электрическую мощность, рассеиваемую в изоляции в единицу времени под действием приложенного напряжения и вызывающую нагрев изоляции. Диэлектрические потери в изоляции одной фазы участка кабеля можно определить по значению электрической емкости С и заданном уровне переменного напряжения U с частотой ω = 2π? по формуле

где tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь равный отношению активного ?а и реактивного ?р токов в изоляции (величина обратная значению tgδ называется добротностью изоляции Q).

Диэлектрические потери существенно зависят от температуры изоляции и при её повышении возрастают вследствие увеличения тока проводимости и тока абсорбции. В случае однородной изоляции в кривой зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры tgδ = ?(?) наблюдается максимум вследствие дипольной поляризации. Если изоляционные материалы состоят из двух или большего количества дипольных веществ, в этой зависимости наблюдается несколько максимумов. У гигроскопичных материалов значение tgδ заметно возрастает при увеличении влажности. Повышение напряжения также сопровождается увеличением значения tgδ, что обусловлено процессом ионизации газовых включений в изоляции. Значение диэлектрических потерь зависит также от времени нахождения кабеля под напряжением. По количественному изменению значения tgδ можно сделать вывод о качестве изоляции данной марки силового кабеля.

Удельные диэлектрические потери в изоляции силового кабеля (Вт⁄м³) определяются в соответствии с формулой:

где Е – напряженность электрического поля (В⁄м); ε₀ — электрическая постоянная (ε0 = 8,85418782 ∙ 10⁻¹² Ф⁄м); ε_?tgδ — коэффициент диэлектрических потерь; ε_? — диэлектрическая проницаемость.

Градирование изоляции (многослойность) позволяет снизить напряженности у жилы кабеля или уменьшить толщину изоляции, осуществив более равномерное распределение напряженности по толщине изоляции. Градирование изоляции в кабелях выполняется при помощи бумаги различной плотности и толщины. Более тонкая и плотная бумага имеет большую диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность и наматывается слоями, ближайшими к жиле. Последующие слои выполняются из более дешёвой имеющей меньшую диэлектрическую прочность бумаги. Применение трёхслойного градирования позволяет уменьшить толщину изоляции маслонаполненного кабеля высокого давления на напряжение 110 кВ с 16,8 до 12,6 мм.

Электрическая ёмкость одной фазы силового кабеля С на единицу длины в фарадах на метр (Ф/м) для круглых токопроводящих жил и неградированной изоляции определяется по формуле

где D – диаметр кабеля по фазной изоляции; ?_ж – диаметр токоведущей жилы кабеля.

Для градированной изоляции значение электрической ёмкости кабеля определяется по формуле:

где ε_? — диэлектрическая проницаемость i – слоя изоляции; ?_? – диаметр i–слоя изоляции; n – количество слоев изоляции.

Ёмкость трёхжильного силового кабеля с секторными жилами можно определить приближенно по приведенным формулам с заменой секторных жил на круглые, но с сечением, увеличенным на 50% при той же толщине изоляции.

Значения диэлектрической проницаемости ε_? и тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции tgδ при максимально допустимых температурах и максимально возможных для каждого типа кабеля напряжениях приведены в табл. 4.

Таблица 4. Предельные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции кабеля

Для эксплуатационного контроля тангенса угла диэлектрических потерь и емкости изоляции применяется схема измерений с мостом Шеринга. Мостовая схема измерений (рис.6) состоит из контролируемого объекта с параметрами ?? и tgδ (плечо Z₁), образцового конденсатора ?0 (плечо Z₂), цепей уравновешивания (плечи Z₃, Z₄) и указателя равновесия (УР). Измерительным элементом схемы (первичным преобразователем), через который протекает ток объекта, является плечо Z₃ (резистор R₃). Мост может использоваться при прямой, перевернутой и обратной схемах включения. При прямой схеме заземляется точка 2 моста; при перевернутой схеме — точка 1, а при обратной — точка 3. Обратная схема включения иногда называется схемой с заземленной диагональю.

Рис.6. Мостовая схема измерений: 1 – объект контроля; 2 – средство измерений (измерительный мост); 3 – источник напряжения.

Процесс измерения заключается в уравновешивании мостовой схемы, для чего поочередными изменениями сопротивления резистора ?3 и емкости конденсатора ?4 производят выравнивание напряжений плеч Z₃ и Z₄ моста. При равновесии моста, что устанавливается по отсутствию показаний указателя равновесия, выполняется равенство ?1?4 = ?2?3, исходя из которого, определяются параметры изоляции контролируемого объекта:

При наличии помех (тока влияний) возможны случаи, когда ток образцового конденсатора отстает по фазе от тока, протекающего по плечу Z₃ моста и являющегося суммой тока объекта и тока помех. При этом для измерения так называемого отрицательного значения угла диэлектрических потерь tgδ конденсатор ?4 следует включать параллельно резистору ?3, тогда значение tgδ рассчитывается по формуле:

Серийно выпускаемые измерительный мост типа Р5026 и образцовый конденсатор Р5023 обеспечивают возможность измерений при высоком напряжении до 10 кВ (три диапазона измерений емкости — A1, А2 и A3) и при низком напряжении (50 В от встроенного трансформатора, диапазоны А4 и А5). Все элементы схемы помещены внутри экрана («Э»), изолированного от заземляемого корпуса на рабочее напряжение моста 10 кВ (для проведения измерений при перевернутой схеме включения). Основные характеристики моста Р5026 и формулы для расчёта результатов измерений приведены в табл. 5.

Таблица 5. Технические характеристики моста Р5026 и формулы расчета

Пределы измерения			Пределы рабочего напряжения,кВ	Положение переключателя		Формулы расчета		???,max, A
??		tgδ		A	N	??, мкФ	tgδ
10 — 1000		10-4 – 0,1	5 — 10	1	0,1	0,1?0 ?4/?3	0,1?4	3*10-3
100 — 10000		10-4 – 1,0	3 — 10	1	1	?0 ?4/?3	?4	3*10-2
104 — 105	104 – 2*104			2	1		?4	3*10-1
	2*104 — 105
105 — 106		5*10-4 – 1,0	3 -5	3	1		?4	3
650 – 2*105		5*10-3 – 0,1	< 0,1	4	0,1	4 ∙ 10−4 ∙ ?4/?3	0,1?4	4*10-3
6500 – 2*106		5*10-3 – 1,0		4	1	4 ∙ 10−3 ∙ ?4/?3	?4	3*10-2
2*106 – 5*108				5	1	?4/?3		2*10-1

Примечания к табл. 5: — ?₀ — ёмкость образцового конденсатора Р5023, пФ; -?₄ — отсчет ёмкости магазина емкостей плеча ?₄ моста, мкФ; — ?₃ — отсчёт сопротивления магазина сопротивлений плеча ?₃ моста, Ом. — на пределе А1 значение tgδ(−) = −tgδ ∙

?₃/?₄; — на пределах А2 и А3 значение tgδ(−) = −tgδ ∙ ?₃/?₄∙ 150/(150+?3) ;

При измерениях следует выбирать такой шунт (диапазон емкостей), при котором уравновешивание производиться не менее чем тремя декадами резистора ?3. Диапазон измеряемых отрицательных значений tgδ при включенном шунте (диапазоны емкости А2 и А3) значительно уже, чем при измерениях без шунта. Поэтому при измерениях в условиях интенсивных влияний, когда возможно отрицательное значение угла диэлектрических потерь tgδ, мост Р5026 следует использовать в диапазоне А1.

В настоящее время широко используются цифровые малогабаритные рефлектометры с функциями определения мест повреждений в силовых кабельных линиях, обнаружение наличия в линии места повреждения или неоднородности и характера повреждения. Краткие характеристики некоторых цифровых рефлектометров приведены в табл. 6, внешний вид рефлектометра марки РЕЙС-305 показан на рис. 7.

Рис. 7. Рефлектометр цифровой РЕЙС-305. Внешний вид

Таблица 6. Цифровые рефлектометры