Испытание и проверка силовых кабелей - Испытание кабельных линий повышенным напряжением выпрямленного тока

Приложение повышенного напряжения создает в испытываемой изоляции увеличенную напряженность электрического поля, что позволяет обнаруживать дефекты, вызвавшие недопустимое для дальнейшей эксплуатации высоковольтного кабеля снижение электрической прочности его изоляции, не обнаруживаемые другими способами (например, мегомметром). При испытаниях повышенным напряжением постоянного тока особенно отчетливо выявляются местные сосредоточенные дефекты. Так как в большинстве случаев кабельные линии выходят из строя именно из-за появления на них местных дефектов (механические повреждения, коррозия, монтажные и заводские дефекты), регулярные испытания кабельных линий повышенным напряжением постоянного тока получили наиболее широкое распространение. Кроме того, испытание кабельных линий повышенным напряжением постоянного тока диктуется следующим обстоятельством.
Для испытания кабельных линий переменным током требуется большая мощность испытательной установки. Так, например, мощность установки для испытания кабеля напряжением 50 кВ длиной 2 000 м составляет:


где и — угловая частота испытательного напряжения, равная 2nf, т. е. 314 при f= 50 гц-, С — емкость кабеля напряжением 10 кВ, примерно
равная 0,27 мкФ/км, U — испытательное напряжение, кВ.
При испытании этого же кабеля постоянным током высокого напряжения мощность установки составит:
где U — испытательное напряжение, кВ;
/ут — ток утечки, принимаемый равным 1 мА.
Основным назначением испытаний кабеля повышенным напряжением постоянного тока является доведение ослабленного места в них до пробоя с целью предотвращения аварийного выхода из строя кабельной линии в эксплуатации.
Повышенное выпрямленное (постоянное) напряжение для испытания изоляции кабеля обычно получают от установки переменного тока с помощью выпрямляющего устройства.
В комплект такой испытательной установки входят: трансформатор переменного тока, рассчитанный на нужное напряжение; выпрямитель; регулировочное устройство, изменяющее величину напряжения на трансформаторе, а следовательно, и величину выпрямленного напряжения; комплект контрольно-измерительных приборов.

НОРМЫ ИСПЫТАНИЯ

Напряжение испытательной установки должно быть выбрано в соответствии с наивысшим напряжением, принятым для испытываемой изоляции кабеля.
Согласно ПУЭ величины испытательных напряжений и продолжительность испытаний должны быть не \менее приведенных в табл. 1.

         Таблица 1
величины испытательных напряжений и продолжительность испытаний кабелей

Приведенные значения испытательного напряжения в таблице даны на стороне выпрямленного напряжения; следовательно, действующее значение напряжения испытательной установки на стороне переменного тока будет в раз меньшим.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ

Ток, проходящий через изоляцию при испытании выпрямленным напряжением, в большинстве случаев не превышает величину 5—10 мА, что и определяет требования к пропускной способности выпрямителя, а следовательно, и к мощности трансформатора переменного тока.
В качестве выпрямляющего устройства могут быть использованы выпрямительные электронные лампы (кенотроны), комплекты выпрямителей, собранных из полупроводниковых элементов.
Для питания цепи накала кенотронных ламп могут служить понижающие трансформаторы или аккумуляторы. В обоих случаях желательно иметь плавную регулировку напряжения накала.
Регулировочное устройство должно обеспечивать плавное регулирование напряжения трансформатора от нуля до полного испытательного напряжения. Ступень регулирования напряжения не должна превышать 1 — 1,5% величины номинального напряжения обмотки трансформатора, что обычно обеспечивается регулировочными устройствами, например типа РНО или им подобным.
Параметры регулировочного устройства (по току и мощности) определяются испытательным трансформатором, работающим в режиме холостого хода, поскольку потребляемая мощность на стороне постоянного тока составляет величину, исчисляемую несколькими ваттами.
В цепи, питающей регулировочное устройство, помимо коммутирующих элементов с видимым разрывом (рубильник и т. п.) рекомендуется иметь автоматы и плавкие предохранители, обеспечивающие защиту испытательного трансформатора при недопустимых перегрузках и коротких замыканиях.
Поскольку на правильность отсчета тока утечки, особенно в нестационарном режиме, имеет большое влияние стабильность напряжения, подводимого от источника питания, рекомендуется снабжать установку стабилизатором напряжения, так как из-за своей малой инерционности он значительно уменьшает колебания напряжения.
Стабилизаторы напряжения особенно необходимы в тех случаях, когда испытания проводятся в условиях, при которых возможны значительные и частые толчки напряжения питания (строительство, сеть с двигателями, имеющими большие пусковые токи и т. д.).
Мощность стабилизаторов напряжения должна быть не менее мощности, потребляемой регулировочным устройством. Форма кривой напряжения, получаемой после стабилизатора напряжения, значения не имеет, если принять меры, исключающие пульсацию напряжения на стороне выпрямленного напряжения.
Измерительный прибор для измерения токов сквозной проводимости (утечки) всех встречающихся кабелей должен давать возможность отсчета токов от 0,5— 1,0 до 1 000 мкА. Обычно применяются многопредельные магнитоэлектрические экранированные приборы класса не ниже 2,5 со следующими ступенями измерения: I предел 0—50—100 мкА;
II предел 0— 250 мкА;
III предел 0—1000 мкА.
Прибор должен быть снабжен устройством, полностью его шунтирующим; это исключит повреждение прибора бросками емкостного тока и тока абсорбции при заряде и разряде объекта. Рекомендуется снабжать измерительный прибор приспособлением, автоматически шунтирующим его при резком возрастании величины тока выше допустимых пределов (исходя из механической прочности подвижной системы).
Провода, соединяющие объект испытания с измерительным прибором, если они экранированные, должны иметь изоляцию между экраном и жилой провода на напряжение до 500 в.
Стационарные и передвижные высоковольтные испытательные установки, предназначенные для получения выпрямленного напряжения, должны выполняться с соблюдением следующих условий:
конструкция установки должна обеспечивать минимальную затрату времени на испытания при создании безопасных условий работы; простоту обслуживания установки и доступность любой ее части для осмотра и ремонта; надежность и бесперебойность работы элементов установки в условиях частой транспортировки;
электрическая схема установки должна быть снабжена коммутирующим элементом, обеспечивающим создание видимого разрыва в цепи питания источников высокого напряжения;
металлические конструкции, баки, аппараты, нулевой вывод испытательного трансформатора и другие элементы установки, подлежащие заземлению, должны быть надежно связаны с внешним заземляющим контуром;
конденсаторы, применяемые в схемах выпрямления, должны быть снабжены разрядными устройствами с ограничительным сопротивлением;
на все время разборки схемы между выводами конденсатора и корпусом должен быть наложен заземляющий провод, укрепленный на изоляционной штанге. Последнее относится также к конденсаторам, не входящим в электрическую схему установки, но расположенным вблизи от нее.
Для обеспечения безопасности работы персонала и целости оборудования при проведении испытаний минимальные изоляционные расстояния по воздуху между элементами испытательной установки и заземленными и токоведущими частями распределительного устройства, находящимися под рабочим напряжением, должны быть не менее приведенных в соответствующем разделе Правил технической эксплуатации (ПТЭ).

Конструкции установок, оснащенных кенотронами, должны обеспечивать защиту обслуживающего персонала от вредного воздействия рентгеновских лучей, излучаемых кенотронами, путем применения стальных перегородок и экранов толщиной не менее 0,5—1 мм или экранов из освинцованной резины и т. п.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА (КЕНОТРОН)

Кенотронная лампа представляет собой герметически закрытый стеклянный баллон 1 (рис. 14) с очень глубоким вакуумом (10~6 мм рт. ст.). В нижней части кенотронной лампы расположен один электрод 2 в виде опирали, оба конца которого выведены в цоколь, как у обычной лампы. Этот электрод называется катодом. В верхней части лампы расположен другой электрод 3 га виде круглой пластинки с контактным выводом в виде шарика 4. Этот электрод называется анодом.

Рис. 14. Выпрямительная электронная лампа (кенотрон).
1 — стеклянный баллон; 2 — катод; 3 — анод; 4 — контактный вывод анода; 5 — цоколь катода.

Принцип действия кенотронной лампы основан на явлении термоэлектронной эмиссии, заключающейся в способности накаленного металла испускать со своей поверхности электроны. Большое количество свободных электронов, имеющихся в катоде (как и во всех металлах), не может покинуть его поверхность, так как при нормальной температуре их кинетическая энергия слишком мала. Если, однако, катод разогреть, то кинетическая энергия электронов возрастает. Из раскаленного катода электронной лампы поток электронов устремляется в сторону холодного анода. При этом чем выше температура катода, тем интенсивнее будет движение электронов. У катода поток электронов образует среду, сопротивление которой постоянно увеличиваясь прекратит процесс их дальнейшего движения. Однако если к электродам лампы приложить разность потенциалов, причем к аноду — положительный потенциал, а к катоду — отрицательный, то внутри лампы между электродами возникает электрическое поле, движение электронов возобновится и проводимость лампы восстановится. Если изменить полярность, т. е. присоединить минус батареи к аноду, а плюс — к катоду, тока в цепи не будет, так как испускаемые катодом электроны будут отталкиваться от отрицательного заряженного анода. Если к аноду вместо батареи присоединить источник переменного тока, то в момент, когда анод будет иметь положительный потенциал, ток будет проходить через лампу, а в момент отрицательного значения потенциала ток проходить не будет. В этом и заключается вентильное, т. е. избирательное действие кенотронной лампы.

Полупроводниковый выпрямитель

В настоящее время известно, что электрический ток создается свободными электронами, т. е. электронами, не связанными с атомами. В проводниках таких свободных электронов очень много. Когда к проводнику прикладывают электрическое напряжение, свободные электроны проводника образуют электрический ток. Поэтому электрическое сопротивление проводника мало. В диэлектриках же, наоборот, свободных электронов почти нет: все электроны жестко связаны с атомами и, чтобы вырвать их у атомов и создать движение электронов в диэлектрике, требуется приложить очень большое электрическое напряжение. Именно поэтому электрическое сопротивление диэлектриков велико.
Но некоторые вещества, например германий и кремний, не похожи ни на проводники, ни на диэлектрики. Вернее, они одновременно являются и тем и другим. Их называют полупроводниками.
Большинство электронов в полупроводниках жестко связано с атомами, но все же в них есть электроны, которые при некотором внешнем воздействии тепла, света или электрического напряжения высвобождаются из-под власти атомов, причем характерно, что высвобождаются не только носители отрицательного электричества— электроны, но и носители положительного электричества —так называемые дырки. Если к полупроводнику приложено электрическое напряжение, то электроны начинают двигаться к положительному полюсу напряжения, а дырки — к отрицательному. В полупроводнике образуются два тока: электронный и дырочный.
Если к полупроводнику не приложено электрическое напряжение, то перемещение свободных электронов и дырок беспорядочно. Однако они стремятся равномерно распределяться по объему проводника. Это их стремление, характерное вообще для всех частиц материи, носит название диффузии. Но поскольку в проводнике существуют раздельно носители отрицательного электричества — электроны и носители положительного электричества — дырки, то они не могут долго существовать. Действительно, достаточно свободному электрону наткнуться на нуждающийся в электроне атом (дырку), как он будет захвачен (дырки — это атомы, потерявшие электрон). При этом происходит рекомбинация — одновременно исчезнет и свободный электрон и дырка.
Используя все эти особенности полупроводникового кристалла (наличие носителей отрицательного и положительного электричества, диффузии и рекомбинации) можно построить кристаллические решетки одного и того же полупроводника с различной электрической проводимостью: либо с ярко выраженной электрической проводимостью и подавленной дырочной, либо наоборот. Для этого надо в кристаллическую решетку вместо отдельных атомов полупроводника вставить атомы другого вещества.
Если эти атомы будут иметь больше электронов, чем атомы полупроводника, то атомы примеси, в данном случае называемые донорами, отдадут их в виде свободных электронов, и такая решетка будет обладать выраженной электронной проводимостью (решетка п типа).
Наоборот, если у инородных атомов электронов будет меньше, чем у атомов полупроводника, то атомы примеси, в этом случае называемые акцепторами, будут стремиться захватить электроны у соседних атомов полупроводника, образуя тем самым дырки, и такая решетка будет обладать выраженной дырочной проводимостью (решетка р-то типа).
Если в кристалле полупроводника есть области с проводимостями типа р и типа п, то границу между ними называют электронно-дырочным переходом, или р-п переходом. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами.
Если слой с проводимостью типа р соединить с положительным полюсом источника постоянного тока, а слой типа п — с отрицательным, то дырки и электроны будут двигаться навстречу друг другу. При этом через переход может проходить значительный ток.

Рис. 15. Прохождение зарядов через р-n переход.
При обратном включении перехода (рис. 15) дырки и электроны под влиянием э. д. с. источника будут двигаться в стороны от перехода. Такое включение соответствует запиранию перехода, так как в области перехода возникает слой, практически лишенный свободных зарядов. Запертый переход обладает очень большим сопротивлением и почти не проводит ток.
Вентильное свойство р — п используется в полупроводниковых выпрямителях. Включая выпрямляющую систему в цепь переменного напряжения, можно выпрямлять переменный ток. При этом в течение одного полупериода ток будет проходить через выпрямитель, а в течение второго полупериода он становится настолько слабым, что практически его можно не принимать во внимание. Отношение тока Iпр в пропускном направлении к току Iзап в запорном направлении при одной и той же разности потенциалов характеризует выпрямляющие свойства системы и называется коэффициентом выпрямления. Чем выше численное значение коэффициента выпрямления, а также чем больше плотности токов, идущих в пропускном направлении при каком-то определенном напряжении, тем лучше выполняет свои функции выпрямитель.

СХЕМЫ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Рис. 16. Схемы однополупериодного выпрямления 1 —  повысительный трансформатор; 2 — трансформатор накала; 3 — кенотронная лампа; 4 — испытываемый кабель.
а)
Схемы двухполупериодного выпрямления, не давая серьезных преимуществ, усложняют установку, увеличивают ее вес и потому не получили распространения при испытаниях изоляции кабеля.

При испытании кабелей выпрямленным напряжением в практике эксплуатации нашли применение схемы однополупериодного выпрямления, приведенные на рис. 16.
На рис. 16,я приведена принципиальная схема испытания кабеля с помощью кенотронной лампы. Отрицательный полюс установки присоединяется к испытываемой жиле кабеля, а положительный — к земле. Это объясняется тем, что подавляющее количество дефектов в пропитанной маслом изоляции силовых кабелей выявляется при более низком пробивном напряжении отрицательной полярности. В момент, когда приложенное синусоидальное напряжение имеет положительное значение (рис. 16б), ток пройдет через лампу и емкость кабеля получит заряд. В следующий полупериод отрицательного значения напряжения ток не пройдет через лампу. Полученный емкостью заряд удержится в кабеле, так как лампа не пропустит ток заряда в обратном направлении. В следующий полупериод положительного значения напряжения переменного тока кабель получит дополнительный заряд. Таким образом, при синусоидальном напряжении, приложенном к трансформатору, испытываемый кабель будет получать дополнительные заряды в периоды, соответствующие положительному значению частоты переменного тока. Если, однако, изоляция имеет дефект, то кабель будет разряжаться и полученный емкостью заряд будет постепенно уменьшаться. Откуда следует, что чем хуже изоляция кабеля, тем быстрее он будет терять полученный заряд и тем больший зарядный ток будет проходить через дефектное место в изоляции кабеля и миллиамперметр будет отмечать все большие показания.
При испытании кабеля подъем напряжения с нуля до нормы испытательного напряжения ведется ступенями в 1—2 кВ в секунду. На каждой ступени подъема напряжения миллиамперметр фиксирует толчок зарядного тока, а затем последующий быстрый спад его. Если в изоляции кабеля имеются дефекты, то спад тока после его броска в момент подъема напряжения будет замедленным.
При выборе типа выпрямительных ламп и параметров устройств с твердыми выпрямителями для схемы однополупериодного выпрямления необходимо учитывать, что в тот полупериод, когда выпрямитель заперт, между анодом и катодом при наличии некоторой емкости кабеля появляется напряжение, достигающее в пределе удвоенной величины испытательного напряжения. Поэтому выпрямительные устройства должны иметь допустимое обратное напряжение, превышающее испытательное в 2 раза,
Наиболее широкое распространение получила схема однополупериодного выпрямления, позволяющая при существующих типах выпрямителей получать выпрямленное напряжение до 100 кВ. Так как по этой схеме выпрямительная лампа присоединяется на стороне высоковольтного вывода трансформатора, междуобмоточная изоляция трансформатора накала лампы, а также изоляция выпрямителя от корпуса должны быть рассчитаны на напряжение, равное напряжению установки.
При включении выпрямительного устройства со стороны вывода, связанного с потенциалом земли, изоляция выводов силового испытательного трансформатора по отношению к корпусу должна быть рассчитана на величину, равную удвоенному значению напряжения испытательной установки, а изоляция между первичной и вторичной обмотками трансформатора накала и катод лампы, находясь под потенциалом, близким к потенциалу земли, не нуждаются в повышенной изоляции. В случае применения аккумуляторов для питания цепи накала ламп не нужно изолировать их от земли. Для получения более высоких напряжений (порядка 200 кВ), чем те, на которые рассчитаны выпрямительные лампы, применяют схемы последовательного включения выпрямителей (рис. 17). Для упрощения установки в случае применения ламповых выпрямителей цепи накала второй лампы зачастую питают от аккумуляторной батареи, изолированной от земли.
Применение однополупериодной схемы выпрямления для получения напряжения выше 100 кВ делает испытательные установки чрезвычайно тяжелыми, поскольку вес и размеры трансформаторов резко возрастают с повышением их номинального напряжения.

Рис. 17. Схема выпрямительной установки с последовательным включением выпрямителей. Вл и В2 — выпрямители; Тр — испытательный трансформатор; Rx и Сх — испытываемый объект.
Кроме того, создание испытательных установок на подобные напряжения представляет большие трудности из-за отсутствия выпрямительных ламп на обратное напряжение выше 220 кВ.
В этих условиях наиболее эффективны схемы умножения, позволяющие получить весьма высокие напряжения постоянного тока от источника переменного сравнительно невысокого напряжения. В основу работы схемы умножения положена схема многократного удвоения напряжения.
Схема удвоения (рис. 18) позволяет получать выпрямленное напряжение удвоенной величины по сравнению с амплитудой переменного напряжения.
Работа схемы удвоения сводится к тому, что за время одного полупериода от трансформатора заряжается емкость С, а за время другого полупериода, когда напряжение на этой емкости складывается с напряжением трансформатора, заряжается емкость объекта Сх.
Максимальная величина напряжения на емкости Сх равна:
где V — амплитудное значение напряжения трансформатора, в;
Д{1 — снижение напряжения на емкости С за счет его разрядки на нагрузку (без учета падения напряжения в выпрямителе), в.
Поскольку емкость Сх также частично разряжается на сопротивление Rx, то напряжение на выходе схемы удвоения еще несколько снизится.