Испытание кабелей - Измерение блуждающих токов

Производится при М у кабелей, проложенных в районах нахождения электрифицированного транспорта (метрополитена, трамвая, железной дороги), 2 раза в первый год эксплуатации кабеля или электрифицированного транспорта, далее - согласно мест ным инструкциям. Измеряются потенциалы и токи на оболочках кабелей в контрольных точках, а также параметры установки электрозащит.

Опасными считаются токи на участках линий в анодных и знакопеременных зонах со следующих случаях:

1) бронированные кабели, проложенные в малоагрессивных грунтах (удельное сопротивление почвы р > 20 Ом·м), при среднесуточной плотности тока утечки в землю более 15 мА/м;

2) бронированные кабели, проложенные в агрессивных грунтах (р < 20 Ом·м), при любой плотности тока утечки в землю;

3) кабели с незащищенными металлическими оболочками, с разрушенными броней и защитными покрытиями;

4) стальные трубопроводы линий высокого давления независимо от агрессивности окружающего грунта и видов изоляционных покрытий на них.

Измерение плотности тока утечки с поверхности кабеля в грунт производится с помощью вспомогательного электрода, зарытого вблизи самого кабеля (см. рис. 9). Вспомогательный электрод изготовляют из деревянного стержня с навитой на него кабельной бронелентой, зачищенной до металлического блеска, с площадью поверхности не менее 10000 мм ² . Земля вокруг этого электрода утрамбовывается и увлажняется. Между оболочкой (броней) кабеля и вспомогательным электродом включается с помощью изолированных проводников миллиамперметр с внутренним сопротивлением 1-5 Ом.

Плотность тока утечки с поверхности кабеля вычисляется, мА/мм²

где i_ср - средняя плотность тока утечки; I_ср - среднее значение миллиамперметра за период измерения, мА; s - поверхность ленты вспомогательного электрода, м²; к - коэффициент, характеризующий отношение среднесуточной тяговой нагрузки ближайшей к месту измерения тяговой подстанции к ее среднему значению за 1 ч в период измерения тока утечки.

Ток, проходящий по оболочке кабеля, может быть определен двумя способами - измерением падения напряжения на ней или методом компенсации. В первом способе используют милливольтметр, выводы которого электрически соединяют с оболочкой кабеля в двух точках, во втором случае к измеряемым точкам подсоединяют дополнительный источник питания и с помощью переменного резистора добиваются, чтобы показания милливольтметра сводились к нулю.

Рис. 9. Измерение плотности тока утечки.

1 - обследуемый кабель;

2 - вспомогательный электрод.

Определение химической коррозии.

Производится при М, если имеет место повреждение кабелей коррозией и нет сведений о коррозионных условиях трассы.

Характеристики коррозийной активности грунтов относительно свинца и алюминия приведены в табл. 14 и 15. Коррозийная активность грунтов относительно стали, определяется по табл. 11.

Таблица 14. Характеристика коррозийной активности грунтов относительно свинца

Таблица 15. Характеристика коррозийной активности грунтов относительно алюминия

Измерение нагрузки.

Производиться при М ежегодно не менее 2 раз, в том числе 1 раз в период максимальной нагрузки линии.

Токовые нагрузки должны удовлетворять требованиям ПУЭ.

Измерение температуры кабелей.

Производится при М по местным инструкциям на участках трассы, где имеется опасность перегрева кабелей.

Температура кабелей должна быть не выше допустимых значений определяемых ПУЭ.

Проверка срабатывания защиты линии до 1000 В с заземленной нейтралью.

Производится при К и М у металлических концевых заделок непосредственным измерением тока однофазного короткого замыкания на корпус с помощью специальных приборов или измерением полного сопротивления петли фаза-нуль с последующим оп ределением тока однофазного короткого замыкания. Полученный ток сравнивается с номинальным током защитного аппарата линии с учетом коэффициентов, определяемых ПУЭ.

При замыкании на корпус концевой заделки должен возникнуть ток однофазного короткого замыкания, превышающий номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или расцепителя автоматического выключателя. Превышение должно быть не меньше, чем указано в ПУЭ.

О порядке проведения измерений следует руководствоваться соответствующими указаниями.

Отыскание мест повреждения силовых кабелей.

Процесс отыскания мест повреждения кабелей в общем случае состоит из трех этапов: этап прожигания поврежденного места кабеля с целью снижения переходного сопротивления в месте повреждения; этап отыскания участка кабеля, на котором произошло повреждение; этап отыскания места повреждения кабеля на определенном на предыдущем этапе участке.

Прожигание кабеля.

При пробое кабеля, например при проведении испытаний, повышенным напряжением, в канале разряда происходит разложение маслоканифольной массы с образованием газов, способствующих погасанию дуги и деионизации разрядного промежутка. Последнее приводит к затеканию в разрядный канал разогретой под действием электрической дуги кабельной массы и восстановлению электрической прочности. Такой вид повреждения, называемый "заплывающий пробой", существенно затрудняет отыскание места повреждения. Для снижения переходного сопротивления применяют прожигание.

В зависимости от применяемого метода отыскания места повреждения кабеля, требуемые переходные сопротивления составляют от долей и единиц Ом до сотен и тысяч кОм.

Прожигание производят как на переменном, так и на постоянном токе. Для успешного прожигания места повреждения силового кабеля на постоянном токе требуется напряжение в 1,3-1,5 раза больше, чем на переменном токе. Кроме того, установки на постоянном токе по массе в 1,5-2 раза больше установок на переменном токе. Тем не менее, на практике находят применение обе установки.

а) Прожигание на постоянном (выпрямленном) токе.

Для успешного прожигания мест повреждения на постоянном токе необходимо напряжение 30-50 кВ в начале процесса и ток до 3А в конце процесса, причем напряжение и ток должны регулироваться. Этим условиям удовлетворяют комбинации кенотрон - газотрон, кенотрон - тиратрон, кенотрон - полупроводниковый выпрямитель, высоко вольтный полупроводниковый выпрямитель - полупроводниковый выпрямитель на ток до 3А. Промышленность специальных установок достаточной мощности не выпускает. На практике находит применение установки МКС Мосэнерго, принципиальная схема которых приведена на рис. 10.

Установка состоит из выпрямителя ВП-60 (11) для испытания и предварительного прожигания изоляции в месте повреждения кабеля; выпрямителя ВП-10/5 (12, 13) для прожигания изоляции до малых переходных сопротивлений; генератора звуковой часто ты АТО-8 с согласующим трансформатором для окончательного дожигания места по
вреждения.

Прожигание изоляции в месте повреждения кабеля начинают выпрямителем ВП60 (11) и проводят в режиме допустимого тока установки (75 мА) до снижения напряжения прожигания до 15 кВ. Затем рубильником 1 подключают выпрямитель ВП-10/5 (12, 13) и дальнейшее прожигание проводят параллельно включенными выпрямителями. При снижении напряжения пробоя до 10 кВ и достижении тока выпрямителя ВП-10/5 1 А, выпрямитель ВП-60 отключают. После того как напряжение пробоя снизится до 5 кВ обмотки трансформатора выпрямителя ВП-10/5 (6) переключают с последовательного на параллельное соединение переключателем 10, встроенного в корпус трансформатора и продолжают прожигание током 3 А. Окончание прожигания определяется включением заземляющего рубильника 2. Если при замыкании рубильника показания амперметра выпрямителя ВП-10/5 практически не изменяется, то это означает, что переходное со противление в месте повреждения кабеля достаточно мало. При необходимости дальнейшего снижения сопротивления включают третью ступень прожигания генератором звуковой частоты.

Процесс прожигания существенно зависит от места и характера повреждения, а также параметров кабельной линии.

При повреждении вне муфт процесс прожигания проходит спокойно и через 5-10 мин переходное сопротивление резко снижается до нескольких десятков Ом. Если при увеличении тока прожигания стрелка амперметра (миллиамперметра) начинает сильно колебаться, то необходимо во избежание разрушения проводящего мостика резко снизить ток до получения устойчивого режима прожигания и только через 3-5 мин продолжить плавное увеличение тока.

Рис. 10. Принципиальная схема установки МКС Мосэнерго.

1 - рубильник однополюсный 5А; 2 - заземляющий нож; 3 - амперметр на 80 А; 4 - трансформатор ВП-60 0,22/42,5 кВ, 6 кВА; 5 - регулировочный трансформатор напряжения 250 В, 7 кВА; 6- трансформатор ВП-5/10, 7 кВА; 7 - генератор звуковой частоты АТО-8; 8 - трансформатор согласования 8 кВА, 1000/500/380/220/110 В; 9 - переключатель; 10 - переключатель ВП10/5; 11- выпрямитель ВП-60; 12, 13- выпрямитель ВП-10/5.

При повреждениях в муфтах прожигание зависит от соотношения мощности выпрямительной установки и длины кабеля. При неизменной мощности выпрямительной установки с увеличением длины кабеля увеличивается время для заряда его емкости до напряжения пробоя. По этой причине частота разрядов уменьшается, и место повреждения успевает "заплывать". Прожигание длится намного дольше, чем в предыдущем случае. Переходное сопротивление колеблется в широких пределах. Прожигание может оказаться не успешным. В этом случае для отыскания места повреждения используют метод колебательного разряда (определение участка повреждения) и акустический метод (определение места повреждения).

При прожигании места повреждения кабеля желательно прожечь изоляцию неповрежденной жилы с целью получения замыкания между жилами. Данное повреждение относительно легко отыскивается известными методами. Для получения межфазного замыкания к неповрежденным жилам прикладывается испытательное напряжение, а по поврежденной жиле пропускают ток от понижающего трансформатора. При этом про исходит разогрев изоляции в месте повреждения, что приводит к снижению сопротивления изоляции неповрежденных жил и, как следствие, к пробою. Для защиты понижающего трансформатора при пробое с неповрежденной жилы на поврежденную, между последней и землей устанавливается разрядник на напряжение 1,5-2 кВ.

б) Прожигание на переменном токе.

При прожигании изоляции кабелей на переменном токе используется явление резонанса на частоте 50 Гц, что позволяет существенно снизить мощность установки и сократить время достижения необходимого переходного сопротивления. Особенно эффективны эти установки при прожигании мест повреждения в кабелях значительной длины (до 5 км) и в соединительных муфтах. Эффект достигается за счет того, что у резонансных установок после пробоя напряжение восстанавливается значительно быстрее, чем у установок постоянного тока. Частота следования пробоев столь велика, что изоляция в месте пробоя не успевает восстанавливаться ( "заплывать") и возникает устойчивый проводящий мостик.

В установках переменного тока применяют специальные резонансные трансформаторы, вторичная обмотка которых образует с емкостью кабеля резонансный контур (см. рис. 11а). При этом в резонансном контуре возбуждается реактивная мощность до 200-300 квар при потребляемой активной мощности до 10 кВт. В представленной схеме используется резонанс токов в контуре индуктивность (вторичная обмотка транс форматора) и емкость кабеля. Напряжение на резонансном контуре регулируют переключением на соответствующие выводы вторичной обмотки трансформатора, а также изменением емкости за счет параллельного включения с поврежденной жилой других жил кабеля. Процесс прожигания проходит автоматически до достижения режима короткого замыкания трансформатора (показание амперметра 1-2 А).

Рис. 11. Принципиальные схемы резонансного метода прожигания мест повреждения изоляции силовых кабелей.

а) - прожигание с помощью резонансного трансформатора типа РА-2; б)прожигание при параллельном включении дросселя; в) - прожигание при последовательном включении дросселя.

Резонансное прожигание осуществляется также регулируемыми установками, в которых роль индуктивного сопротивления выполняют вторичная обмотка трансформа тора и регулируемый дроссель. Последний может включаться параллельно или последовательно емкости кабеля. При параллельном включении дросселя и кабеля (рис. 11б) в схеме возникает резонанс токов и для установки необходим повышающий трансформатор с вторичным напряжением, равным максимально возможному напряжению пробоя. При последовательном включении дросселя и кабеля (рис. 11в) в схеме возникает резонанс напряжений, что позволяет использовать источник питания с пониженным напряжением.

На практике используется резонансный трансформатор типа РА-2 и его модификации ранее выпускавшийся Московским опытным заводом электромонтажной техники. Трансформатор состоит из двух катушек, сердечника и корпуса (см. рис. 3.12).

Обмотка низкого напряжения L1 намотана на бакелитовый каркас размером 230х220х90 мм и содержит 320 витков из провода ПДС сечением 16 мм; между слоями намотки имеется воздушный зазор 3 мм (обеспечен с помощью деревянных клиньев). Обмотка высшего напряжения L2 намотана на бакелитовом каркасе размером 125х115х430 мм, содержит 10000 витков из провода ПЭВ диаметром 0,86 мм и состоит из трех последовательно соединенных катушек. Верхняя и средняя катушки содержат по 3200 витков с выводом Xl от начала обмотки верхней катушки. Нижняя катушка содержит 3600 витков с выводом Х2 от начала обмотки. Сердечник набран из трансформаторной стали 70х80х400 мм, а каркас — из немагнитного сплава на основе алюминия. Крышка и дно каркаса изготовлены из текстолита. Небольшие размеры и масса делают трансформатор удобным для транспортировки, а простота конструкции дает возможность изготовить его силами пусконаладочных и эксплуатационных организаций.

Рис. 12. Общий вид резонансного трансформатора РА-2.

1 - катушка L1; 2 - катушка L2; 3 - сердечник; 4-каркас; 5 - выводы 220-380 8; 6 - выводы заземления; 7- крышка; 8 - дно.

Основным недостатком резонансных трансформаторов является трудность настройки в резонанс и неуправляемость процессом прожигания. Для того чтобы по возможности свести до минимума негативное влияние указанных недостатков, необходимо, учитывать, что, напряжение, возбуждаемое на кабеле, зависит от напряжения пробоя, емкости кабеля и переходного сопротивления в месте повреждения.

Таблица 16. Значение коэффициента схемы k_сх в зависимости от схемы соединения жил и оболочки кабеля

При работе с резонансными трансформаторами типа РА-2 для успешного прожигания изоляции в месте повреждения, необходимо определить напряжение пробоя, переходное сопротивление в месте повреждения и емкость кабеля. С достаточной степенью точности емкость кабеля можно определить по формуле

где k_сх , С_уд ,1- соответственно коэффициент схемы (см. табл. 16); удельная емкость одной жилы, мкФ/км (см. табл. 17); длина кабеля, км.

Таблица 17. Емкость одной жилы трехжильного кабеля с секторными жилами и пропитанной бумажной изоляцией по отношению к двум другим жилам и металлической оболочке, мкФ/км

По табл. 16 выбирают такую схему соединения жил и оболочки кабеля, при которой емкость кабеля будет достаточна для возбуждения напряжения резонансного трансформатора большего чем напряжение пробоя. Зависимости возбуждаемого напряжения резонансного трансформатора от емкости кабеля представлены на рис. 13. Приведенные зависимости справедливы для переходного сопротивления в месте повреждения более 30 Ом. При меньших сопротивлениях получить необходимое напряжение не удается. В этом случае необходимо проводить дожигание на основном выводе трансформатора (U_2I = 5,3 кВ).

Применение резонансного трансформатора нецелесообразно если напряжение пробоя близко к испытательному и составляет 25-30 кВ постоянного тока или 18-22 кВ действующего значения переменного тока. В этом случае возникают трудности с точной настройки в резонанс. Даже при успешной настройки происходят редкие, 2-3 в секунду, пробои, что недостаточно для успешного прожига поврежденной изоляции. Кроме того, в режимах близких к резонансному трансформатор работает с большой перегрузкой и по условиям нагрева продолжительность работы должна быть ограничена до 1-1,5 мин. По этому в таких случаях рекомендуется путем прожигания на постоянном токе снизить напряжение пробоя до 15-20 кВ (11-14 кВ действующего значения). При этих напряжениях пробоя и диапазоне изменения емкости от 0,8 до 1,6 мкФ напряжение на емкости достигает напряжения пробоя за три - пять периодов и прожигание происходит обычно в виде периодических разрядов.

При напряжении пробоя 8-10 кВ прожигание проводят в режимах, близких к резонансу токов на основном выводе 1 (рис. 11 a) при емкости кабеля С _каб = 0,4 ÷ 0,8 мкФ (см. рис. 13а) и на отпайке 11 при С _каб = l ÷ 2 мкФ. При достижении напряжения пробоя до 5 кВ и ниже рекомендуется перейти на прямое (нерезонансное) дожигание. При необходимости дальнейшего уменьшения сопротивления дожигание можно проводить непосредственно от сети 220 В, используя первичную обмотку при закороченной вторичной в качестве реактора.

Во время прожигания изоляции необходимо контролировать ток вторичной обмотки по амперметру с номинальным током не менее 10 А и не допускать работу трансформатора по времени больше, чем указано в табл. 18. За величину тока следует брать среднее значение колебания стрелки амперметра при периодических разрядах.

Рис. 13. Зависимость тока в первичной цепи 11 и возбуждаемого на кабеле напряжения U2Ι(II) от емкости кабеля для резонансного трансформатора PA-2M при использовании основного вывода (а) и отпайки (б).

Таблица 18. Длительно допустимое время непрерывной работы резонансного трансформатора типа PA-2М в зависимости от тока нагрузки

Напряжение, возбуждаемое на кабеле, можно оценить по формуле

Для прожигания изоляции в месте повреждения силового кабеля применяется также регулируемая резонансная установка РРУ-10. Процесс прожигания ведется по схеме рис. 11в и заключается в плавной подстройке индуктивности сердечником дросселя. Момент резонанса определяют по амперметру при максимуме тока. При появлении пробоев стрелка амперметра начинает колебаться, а в дросселе слышны характерные динамические удары. Напряжение, возбуждаемое на кабеле, практически не зависит от емкости (в диапазоне 0,25-0,75 мкФ) и может плавно изменяться от 1,2 кВ до 25 кВ. При небольшой длине кабеля (емкость меньше 0,25 мкФ) параллельно кабелю включают балластную емкость 0,25-0,5 мкФ. При длине кабеля более 2 км (емкость более 0,75 мкФ) используют только часть обмотки дросселя при меньшем возбуждаемом напряжении.

Появление устойчивого мостика сопротивления в месте повреждения (до нескольких сот Ом) соответствует уменьшению тока в контуре практически до нуля.