Статья описывает новый метод неразрушающего контроля и диагностики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. В основе методики лежит измерение диэлектрических свойств изоляционной оболочки на различных напряжениях и частотах тока.

На отечественном рынке кабелей с рабочим напряжением 6-35 кВ доля кабелей с изоляцией из СПЭ растет из года в год. По сравнению с кабелями с бумажно-масляной изоляцией, которые на сегодняшний день занимают большую часть рынка, СПЭ-кабели имеют серьезные преимущества. Что, однако, не исключает необходимость в контроле и диагностике состояния кабеля. При этом наиболее целесообразными являются методы, использующие современное диагностическое оборудование для неразрушающего контроля изоляции. То есть методы, которые не приводят к электрическому пробою изоляции и не влекут за собой необходимость проведения ремонтных работ на линии. В частности, метод низкочастотной спектроскопии изоляционной оболочки.

Этот метод, в основе которого лежит зависимость между электрической прочностью изоляции и ее откликом на воздействие низкочастотным током, был разработан в Стокгольмском Королевском Техническом Институте. Напомним, что наиболее распространенным дефектом СПЭ-изоляции являются т.н. «водные деревья», которые возникают вследствие попадания влаги в микротрещины непосредственно в самой изоляции (см. рис.1). При этом под воздействием электрического поля «водное дерево» начинает увеличиваться («расти») вплоть до возникновения пробоя изоляции. Следует также отметить, что этот процесс является необратимым, в лучшем случае рост «водного дерева» можно лишь замедлить. Для определения взаимосвязи между обеими составляющими (мнимой и действительной) комплексной диэлектрической проницаемости и степенью дефектности изоляции, а также напряжением пробоя изоляционной оболочки, были произведены замеры более чем трехсот различных кабелей с различным уровнем концентрации «водных деревьев».

Рис.1. «Водное дерево» в полиэтиленовой изоляции кабеля

Для замеров использовался ток с синусоидальным напряжением различной амплитуды в диапазоне частот 0,1 — 1 Гц. При этом напряжение менялось от 0,5*U_раб до U_раб. Полученные результаты корреляцию мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости (ε”), а также дельты Δε’=ε’- _const с частотой тока при различных испытательных напряжениях (см. рис 2). После измерений были произведены испытания тестовых образцов кабеля с увеличением напряжения вплоть до возникновения пробоя изоляции, а затем был проведен подсчет количества и размеров «водных деревьев».

Рис.2. Результаты замеров на кабелях с 1 и 2 типом отклика

В результате анализа полученных данных была установлена корреляция между концентрацией «водных деревьев» и изменением диэлектрической проницаемости изоляции при варьировании измерительного напряжения. Далее все полученные результаты были разделены на четыре типа:

• Тип 1. Комплексная диэлектрическая проницаемость (обе ее составляющие) почти не зависит от подаваемого напряжения (см. рис. 2).
• Тип 2. Диэлектрическая проницаемость изменяется в зависимости от подаваемого напряжения, а также коррелирует с длительностью воздействия током. Другими словами, при проведении серии замеров на напряжениях 3 кВ, 4,5 кВ, 6 кВ, а затем снова на 3 кВ диэлектрическая проницаемость при последнем замере выше, чем при первом (см. рис.2).
• Тип 3. При испытательном напряжении близком к рабочему возникает утечка через «водяные деревья», что приводит к изменению уровня диэлектрических потерь ε” (см. рис. 3).

Рис.3. Результаты замеров на кабелях с 3 типом отклика

• Тип 4. Токи утечки возникают даже при низких напряжениях (см. рис. 4).

Рис.4. Результаты замеров на кабелях с 4 типом отклика

Каждый из описанных типов отклика характерен для определенной степени дефектности изоляции кабеля, что было подтверждено в ходе последующих испытаний кабеля на пробой. Так, при испытаниях кабелей с 4-м типом отклика электрический пробой мог возникнуть уже при подаче номинального рабочего напряжения - (1,0…2,1)*U_раб, а у кабелей с 3-м типом отклика пробой возникал при значительно более высоком уровне подаваемого напряжения - (1,7…4,0)*U_раб.

Для кабелей со 2-м типом отклика пробой происходил при подаче напряжения (2,5…10)*U_раб, причем была выявлена зависимость между напряжением на пробой и разницей диэлектрических потерь при замерах на напряжениях 0,5*U_раб. и U_раб. Данная зависимость представлена на рис. 5, где Δε’’_0,1Гц – разность между ε” для измерений на частоте 0,1 Гц при U_раб и при 0,5*U_раб. Как видно из рис. 5, напряжение пробоя для кабелей со значением Δε’’_0,1Гц <10^-4 в 4-10 раз выше рабочего напряжения.

Рис.5. Зависимость напряжения пробоя от диэлектрической проницаемости для кабелей со 2-м типом отклика

Резюмируя изложенное выше алгоритм измерения диэлектрических характеристик изоляции из СПЭ будет следующим:

1. Проводится спектроскопия изоляционной оболочки кабеля поочередно при следующих напряжениях: 0,5* U_раб, 0,75* U_раб, U_раб и 0,5* U_раб.
2. По полученным результатам определяется тип отклика, в соответствие с которым принимается решение о дальнейшей эксплуатации кабеля или ее невозможности:

• При отклике 4 типа следует как можно скорее заменить кабель, т.к. ее дефектность слишком высока, и пробой изоляции возможен даже при подаче напряжения на уровне U_раб или несколько выше.
• При отклике 3 типа вероятность пробоя также достаточно высока, и рекомендуется заменить кабель, однако в отличие от предыдущего пункта такой кабель допустимо оставить в работе на непродолжительное время.
• При отклике 2 типа в зависимости от конкретных полученных результатов и условий эксплуатации кабеля рекомендуется провести профилактическую замену кабеля или же либо ввести усиленный контроль с ежегодным измерением характеристик диэлектрической проницаемости изоляции.
• При отклике 1 типа можно говорить о хорошем состоянии изоляции. Повторные замеры можно провести через 5-10 лет.