Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок — Испытание изоляции повышенным напряжением

При эксплуатации кабельных линий электропередач большой проблемой является пробой изоляции там, где это невозможно определить ни визуальным осмотром, ни применением низковольтного мегаомметра. Наглядный пример — образование микротрещин в изоляции кабеля, которые заполняются влагой. Когда такие трещины не доходят от внешней поверхности кабеля до токопроводящей жилы, мегаомметр не может определить их наличие. В то же время, между трещиной, заполненной влагой, и токопроводящей жилой есть тонкий слой изоляции. При подаче рабочего напряжения этот тонкий слой изоляции не выдерживает и происходит пробой.

Поэтому кабели тестируют под напряжением выше номинального, что позволяет выявить скрытые дефекты. Правила испытаний описаны в действующем ПУЭ-7.

Для кабелей на напряжение, не превышающее 1 кВ, применяется только измерение сопротивления изоляции высоковольтным (на 2,5 кВ) мегаомметром. При этом оно не должно быть меньше 0,5 МОм. Исключение составляют лишь кабели на 1 кВ с пластмассовой изоляцией — они испытываются повышенным напряжением (см. табл. № 1).

Для кабелей на напряжение свыше 1 кВ используется испытание повышенным напряжением выпрямленного тока (использование в ПУЭ-7 термина «выпрямленного тока» связано с тем, что на практике применяются выпрямители без фильтров, то есть на выходе у них есть пульсации) согласно табл. № 1. Для кабелей в бумажной и пластмассовой изоляцией до 35 кВ длительность испытания составляет 10 мин., для кабелей с резиновой изоляцией на 3 – 10 кВ — 5 мин, для кабелей с любым типом изоляции на 110 – 500 кВ — 15 мин.

Таблица № 1. Испытательные напряжения выпрямленного тока для различных типов силовых кабелей

Если речь идет о кабеле в пластмассовой изоляции, не имеющем брони и расположенном на открытом пространстве, то его испытывать выпрямленным напряжением не требуется.

Кабели на 110 – 500 кВ с изоляцией любого типа, можно испытывать не только выпрямленным, но и переменным напряжением частотой 50 Гц. В таком случае эффективное значение напряжения должно составлять 1,73 от указанного в документации для данного кабеля номинального значения напряжения. Сопротивления изоляции кабеля нужно измерять специальным мегаомметром, который дает разницу потенциалов на измерительных клеммах, равную 2,5 кВ. Измерения делаются до и после испытаний на пробой, по ним делаются выводы о состоянии изоляции. Но как трактовать результаты измерений, если для кабелей на напряжение свыше 1 кВ в ПУЭ-7 не нормируется значение сопротивления изоляции? Есть два варианта. Первый — следует или ориентироваться на характеристики, заявленные производителем кабеля. Если же таковых нет, то переходим ко второму варианту. Нужно воспользоваться эмпирическим правилом — данное сопротивление должно быть не менее 10 МОм.

Для кабелей на напряжение от 6 до 35 кВ нормируются ток утечки. Кроме этого, может нормироваться асимметрия токов утечки для нескольких жил в кабеле (отношение между минимальной и максимальной утечками тока). При испытаниях на наличие дефектов в изоляции важно не столько абсолютное значение тока утечки, сколько динамика его изменения за время испытаний. Если изоляция исправна, то ток должен быть стабильным, обнаруживая небольшую тенденцию к снижению. Возможно в самом начале возникновение всплеска тока утечки, который, на самом деле, связан с зарядом паразитной емкости кабеля. Если во время испытаний ток увеличивается, то это свидетельствует о возможном наличии дефектов изоляции. При колебаниях значения тока время испытаний увеличивают до момента, когда направление изменения тока стабилизируется и станет ясна ситуация с состоянием изоляции, но не более 15 минут. Нормы ПУЭ-7 по токам утечки и коэффициенту асимметрии приведены в табл. №2.

Таблица № 2. Токи утечки и коэффициенты асимметрии для силовых кабелей

Испытание кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Для кабелей с пластмассовой изоляцией на 110 – 500 кВ в качестве изоляции для таких кабелей применяется сшитый полиэтилен. Основной проблемой при испытании кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена выпрямленным током является накопление объемного заряда в толще материала изоляции, что снижает срок службы кабелей. В США, где с такой проблемой столкнулись раньше, чем в нашей стране, уже действует стандарт IEEE400.2 – 2013, рекомендующий проводить испытания кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением синусоидальной или квазисинусоидальной формы очень низкой частоты (VLF – Very Low Frequency) — менее 1 Гц. На практике используются частоты от 0,01 до 0,1 Гц. При этом время испытания может достигать 60 мин. Наличие функции VLF является важным преимуществом применяемого для тестирования оборудования. И далее данная функция будет все более и более актуальной из-за все более широкого распространения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Указанная особенность, а также относительная новизна материала изоляции, являются основными причинами, почему в действующем ПУЭ для кабелей с пластмассовой изоляцией на 110 – 500 кВ параметры испытаний пока не нормируются. Следует пользоваться методиками испытаний, которые предлагает завод-изготовитель кабеля.

Примеры оборудования

Испытания и измерения мегаомметром

Для измерения сопротивления изоляции используются мегаомметры конфигурации М 4100/1-5. Их технические показатели приведены в таблице.

При измерении изоляции высоковольтного оборудования используются мегаомметры на 2500 В. Такие устройства оснащены своим источником питания (генератором постоянного тока) и дают возможность отсчитывать показания в мегаомах. Подключение осуществляется к соответствующим зажимам:

1. Если нужно измерить сопротивление изоляции относительно земли, зажим «Л» подключается к токоведущей части установки, а зажим «З» – к ее корпусу.
2. Если измеряется сопротивление изоляции цепей, не имеющих соединения с землей, подключать зажимы можно произвольно.
3. Чтобы увеличить точность измерений и избежать влияния различных факторов, следует использовать зажим «Э».

Мегаомметр присоединяется к объекту испытаний гибкими проводами минимальной длины с изолированными рукоятками и ограничительными кольцами на концах. Предварительно измеряется сопротивление изоляции соединительных проводов. Оно не должно быть меньше верхнего предела измерения прибора. Измерения проводят 2 человека: один вращает рукоятку генератора, а второй касается частей цепи, которые подлежат испытаниям.

Чтобы получить правильные показания, нужно вращать ручку генератора в диапазоне 90–150 об/мин. Номинальное напряжение мегаомметры развивают при разомкнутой внешней цепи и 120 об/мин. Сопротивлением изоляции считается значение сопротивления R-60, установившееся на шкале прибора спустя 60 секунд после достижения нормальной частоты вращения генератора. Отсчет осуществляется строго после принятия стрелкой устойчивого положения.

Функция прожига

После того, как высоковольтные испытания показали наличие дефектов, определяют места повреждения изоляции. Приборы, обнаруживающие такие повреждения, способны точно указать место, если сопротивление между жилами кабеля составляет менее 1 кОм. Чтобы обеспечить такое сопротивление, применяется прожиг — изменение напряжения и тока, подаваемого на жилы кабеля по определенному алгоритму с целью полного разрушения изоляции жил в месте, где наличествует дефект. В идеале, после прожига, две жилы соединяются между собой металлическим «мостиком». Помимо специального оборудования, функция прожига присутствует в некоторых моделях приборов для испытания изоляции кабелей.

Особенности высоковольтных испытаний электрооборудования

Проверки под повышенным напряжением силовых кабелей, электрооборудования подстанций и других энергетических объектов – это сложный и трудоемкий процесс. Он включает в себя:

• визуальный осмотр электроустановок;
• проверки силовых трансформаторов;
• испытания оборудования распределительных устройств;
• определение характеристик заземляющих устройств;
• контроль состояния кабельных линий, поиск мест повреждения;
• тепловизионную проверку аппаратов и контактных соединений;
• определение сопротивления изоляции кабельных линий и электропроводок;
• в сетях до 110 кВ – фазировку на стороне ВН;
• проверку изоляции двигателей, генераторов и прочих силовых вращающихся машин;
• испытание высоковольтных вводов;
• измерение частичных разрядов в изоляции оборудования;
• в сетях с изолированной нейтралью – контроль емкостных токов замыкания на землю;
• испытание вторичных цепей;
• проверку устройств РЗиА;
• контроль сборных и соединительных шин;
• проверки выключателей нагрузки, разъединителей.

Инженерный проводит комплексные проверки электрооборудования с обнаружением имеющихся дефектов и ликвидацией неисправностей всех уровней сложности. После проведения высоковольтных испытаний в соответствии с действующими нормативными документами составляется технический отчет. Он отражает состояние оборудования и содержит рекомендации по устранению выявленных неполадок.

Примеры оборудования для испытания кабелей

Для тестирования силовых кабелей повышенным напряжением выпускается разнообразное оборудование. Приведем несколько наиболее характерных примеров.

Прибор для испытаний HPG 70 K

Прибор для прожига BT 5000-1

В зависимости от модификации, данная установка, состоящая из четырех блоков, способна проверять кабели напряжением постоянного тока до 14 кВ и максимальным током 8 – 17 мА, а также осуществлять прожиг изоляции на напряжении 14 кВ с током до 110 мА. Некоторые модификации имеют также функцию VLF тестирования кабелей переменным напряжением 54 кВ с частотой 0,1 Гц. Автоматический разряд емкости тестируемого кабеля после подачи на него высокого напряжения обеспечивает повышенный уровень безопасности персонала и оборудования.

Установка HV Tester 25

Установка HV Tester 25

Благодаря наличию встроенного аккумулятора SebaKMT HV Tester 25 можно использовать в самых различных условиях.

Нередко испытание кабеля приходится осуществлять в условиях аварийной ситуации, когда электропитание в место проведения работ не поступает. В таком случае выручит устройство SebaKMT HV Tester 25, питающееся от встроенного аккумулятора. В том случае, если емкости встроенного аккумулятора, например, при длительных работах по устранению неисправностей, оказывается недостаточно, можно подключить прибор к автомобильному аккумулятору. При этом выходное напряжение постоянного тока будет ограничено величиной 25 кВ, а выходной ток — 1,5 мА. Это позволяет испытывать кабели с бумажной и пластмассовой изоляцией на напряжение не более 3 кВ, а с резиновой изоляцией — не более 10 кВ. В установке есть функция автоматического разряда емкости кабеля. Прибор выполнен в виде моноблока, что удобно при транспортировке.

Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением

Принципиальная схема установки для испытания изоля­ции повышенным выпрямленным напряжением показана на рис. 10.10.

Сущность испытания повышенным выпрямленным напря­жением заключается в том, что выпрямленное напряжение по­дается к испытуемому образцу через микроамперметр. Напря­жение постепенно повышают до величины испытательного и выдерживают в течение 10 минут, записывая ежеминутно по­казания с микроамперметра (мкА). Прибор микроамперметр должен быть снабжен устрой­ством, полностью шунтирующим его. Это исключит его по­вреждение бросками емкостного тока — Iи тока абсорб­ции — при заряде и разряде испытуемого объекта. На электрической схеме показаны три участка возможного вклю­чения измерительного прибора. На первом участке 1 схем­ное включение прибора наиболее несовершенно. На втором 2 и третьем 3 участках необходимо применять экранирован­ные провода от прибора до объекта. При испытательных напряжениях до 50 кВ можно применять однополупериодную схему выпрямления (рис. 10.11 ), а при более высоких напряжениях, рекомендуются схемы удвоения напряжения (рис. 10.12).

Рисунок 10.11 — Схема испытания изоляции однополупериодным выпрямленным напряжением

а – симметричная схема удвоения напряжения; б – несимметричная схема удвоения напряжения

Рисунок 10.12 — Принципиальные схемы испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением

Распределение напряжения в изоляции при приложении посто­янного и переменного напряже­ний различно. При постоянном напряжении распределение напряжения после стабилизации тока определяется проводимостями слоев, а при переменном — главным образом, частичными емкостями. Вследствие разницы в распределении напряжения, в общем случае неправильно заме­нять испытания постоянным напряжением испытаниями пере­менным напряжением.

Достоинства метода испытания изоляции повышенным вып­рямленным напряжением:

— общее ослабление изоляции рассмотренные методы об­наруживают одинаково, но чувствительность метода испыта­ния выпрямленным напряжением выше;

— лучшая избирательность выпрямленного напряжения ко многим видам местных дефектов изоляции (проколы, порезы);

— при испытании изоляции выпрямленным напряжением прак­тически полностью отсутствует опасность повреждения ее вслед­ствие ионизации газовых включений, т.к. при воздействии посто­янного напряжения по краям газовых включений за доли секунды возникают объемные заряды, создающие обратное поле и способ­ствующие гашению начавшейся ионизации.

К недостаткам метода можно отнести следующие:

— нельзя испытывать витковую изоляцию электрических машин;

— если последовательно с вышедшим из строя элементом изоляции включено большое сопротивление, то повреждение при испытании может и не обнаружиться;

— выпрямленное напряжение может вызвать такие хими­ческие, а возможно и электрические реакции, которые не име­ют места при испытаниях переменным напряжением. В жидко­стях может возникнуть перераспределение заряженных частиц, в результате чего испытание может дать более благоприятную картину, чем в действительности.

Испытаниям выпрямленным напряжением подвергают конденсаторы сглаживающих устройств и электрические кабели.

Испытание изоляции импульсным напряжением

В последнее время начинают исследовать электрическую проч­ность изоляции импульсным напряжением, аналогичным по фор­ме воздействующим перенапряжениям. Для этой цели исполь­зуют затухающие высокочастотные колебания или импульсы большой длительности до 1 мс. Пока такие испытания имеют чисто исследовательский характер, однако можно ожидать, что в будущем они найдут широкое применение. При испытании импульсным напряжением используют импульсы одного знака и комбинированное воздействие.

Достоинства данного метода:

— эффективно выявляет дефекты типа щелей и продоль­ных расслоений в пазах электрических машин;

— достаточно четко определяет дефекты в корпусной и витковой изоляции;

— уменьшается «стареющее» действие на изоляцию по срав­нению с переменным напряжением.

Итак, данный вид испытания сочетает в себе все преимуще­ства выпрямленного и переменного напряжений.

Основной недостаток данного метода состоит в том, что трудно установить, был ли пробой изоляции при испытании или нет, т.к. изоляция при некоторых условиях обладает способностью восстанавливать импульсную прочность после частичного или полного пробоя.

Принципиальная схема установки для испытания изоля­ции повышенным выпрямленным напряжением показана на рис. 10.10.

Рисунок 10.10 — Схема испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением

Сущность испытания повышенным выпрямленным напря­жением заключается в том, что выпрямленное напряжение по­дается к испытуемому образцу через микроамперметр. Напря­жение постепенно повышают до величины испытательного и выдерживают в течение 10 минут, записывая ежеминутно по­казания с микроамперметра (мкА). Прибор микроамперметр должен быть снабжен устрой­ством, полностью шунтирующим его. Это исключит его по­вреждение бросками емкостного тока — Iи тока абсорб­ции — при заряде и разряде испытуемого объекта. На электрической схеме показаны три участка возможного вклю­чения измерительного прибора. На первом участке 1 схем­ное включение прибора наиболее несовершенно. На втором 2 и третьем 3 участках необходимо применять экранирован­ные провода от прибора до объекта. При испытательных напряжениях до 50 кВ можно применять однополупериодную схему выпрямления (рис. 10.11 ), а при более высоких напряжениях, рекомендуются схемы удвоения напряжения (рис. 10.12).

Рисунок 10.11 — Схема испытания изоляции однополупериодным выпрямленным напряжением

Несимметричная схема (рис. 10.12,б) используется при ис­пытании конструкций с одним заземленным электродом.

а – симметричная схема удвоения напряжения; б – несимметричная схема удвоения напряжения

Рисунок 10.12 — Принципиальные схемы испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением

Распределение напряжения в изоляции при приложении посто­янного и переменного напряже­ний различно. При постоянном напряжении распределение напряжения после стабилизации тока определяется проводимостями слоев, а при переменном — главным образом, частичными емкостями. Вследствие разницы в распределении напряжения, в общем случае неправильно заме­нять испытания постоянным напряжением испытаниями пере­менным напряжением.

Достоинства метода испытания изоляции повышенным вып­рямленным напряжением:

— общее ослабление изоляции рассмотренные методы об­наруживают одинаково, но чувствительность метода испыта­ния выпрямленным напряжением выше;

— лучшая избирательность выпрямленного напряжения ко многим видам местных дефектов изоляции (проколы, порезы);

— при испытании изоляции выпрямленным напряжением прак­тически полностью отсутствует опасность повреждения ее вслед­ствие ионизации газовых включений, т.к. при воздействии посто­янного напряжения по краям газовых включений за доли секунды возникают объемные заряды, создающие обратное поле и способ­ствующие гашению начавшейся ионизации.

К недостаткам метода можно отнести следующие:

— нельзя испытывать витковую изоляцию электрических машин;

— если последовательно с вышедшим из строя элементом изоляции включено большое сопротивление, то повреждение при испытании может и не обнаружиться;

— выпрямленное напряжение может вызвать такие хими­ческие, а возможно и электрические реакции, которые не име­ют места при испытаниях переменным напряжением. В жидко­стях может возникнуть перераспределение заряженных частиц, в результате чего испытание может дать более благоприятную картину, чем в действительности.

Испытаниям выпрямленным напряжением подвергают конденсаторы сглаживающих устройств и электрические кабели.

Испытание изоляции импульсным напряжением

В последнее время начинают исследовать электрическую проч­ность изоляции импульсным напряжением, аналогичным по фор­ме воздействующим перенапряжениям. Для этой цели исполь­зуют затухающие высокочастотные колебания или импульсы большой длительности до 1 мс. Пока такие испытания имеют чисто исследовательский характер, однако можно ожидать, что в будущем они найдут широкое применение. При испытании импульсным напряжением используют импульсы одного знака и комбинированное воздействие.

Достоинства данного метода:

— эффективно выявляет дефекты типа щелей и продоль­ных расслоений в пазах электрических машин;

— достаточно четко определяет дефекты в корпусной и витковой изоляции;

— уменьшается «стареющее» действие на изоляцию по срав­нению с переменным напряжением.

Итак, данный вид испытания сочетает в себе все преимуще­ства выпрямленного и переменного напряжений.

Основной недостаток данного метода состоит в том, что трудно установить, был ли пробой изоляции при испытании или нет, т.к. изоляция при некоторых условиях обладает способностью восстанавливать импульсную прочность после частичного или полного пробоя.

Процесс выполнения высоковольтных испытаний

Последовательность реализации высоковольтных испытаний такова:

1. Предварительно проверяется исправность испытательного оборудования. Устанавливается защитное ограждение.
2. При сборке испытательной цепи в первую очередь производится защитное и рабочее заземление испытательной установки и, при необходимости, защитное заземление корпуса оборудования, подвергаемого испытаниям. Перед подсоединением испытательной установки к электросети 380/220В на высоковольтный ввод установки накладывается заземление. Для этого используется медный провод сечением от 4 мм2.
3. Установка подсоединяется к электросети через штепсельную вилку или коммутационный аппарат с видимым разрывом цепи.
4. Провод присоединяется к фазе, полюсу проверяемого оборудования или кабельной жиле. Отсоединяется он только по указанию руководителя испытанием и исключительно после заземления.
5. Перед подачей напряжения производитель работ проверяет нахождение членов бригады на указанных местах и удаленность посторонних лиц, предупреждает бригаду о подаче напряжения, получает отклики на предупреждение. Затем он снимает заземление с вывода установки и подает на нее напряжение 380/220В. Значение испытательного напряжения для оборудования каждой конкретной категории значится в «Правилах эксплуатации электроустановок потребителей».
6. По завершении испытательных работ их производитель снижает напряжение до нуля, отключает установку от электросети, заземляет вывод установки и информирует об этом бригаду.
7. Провода пересоединяются или, если испытания окончены, отсоединяются, после чего снимаются ограждения.