Měření ztrátového činitele izolace silových kabelů




Ing. Petr Vitner, jednatel EN-CENTRUM, s. r. o., výhradní zástupce High voltage Inc. Měření ztrátového činitele izolace silových kabelů Úvod Měření ztrátového činitele tg d se běžně používá k monitorování stavu izolace elektrických zařízení, strojů a součástí. Měří se vysokým napětím při síťové frekvenci. V poslední době se v kabelové zkušební a diagnostické technice začínají používat diagnostická zařízení na měření ztrátového činitele při velmi nízké frekvenci střídavého zkušebního napětí sinusového průběhu, a to pro větší komerční přístupnost těchto napěťových zařízení. Teorie Silové kabely s izolací ze zesítěného polyetylenu a opláštěné kabely s papírovou izolací impregnovanou olejem jsou v principu koaxiální kondenzátory, v ideálním případě představované kapacitou kabelu C a paralelním izolačním odporem R, který odpovídá ztrátám v izolaci. Delší kabel má větší kapacitu C a menší izolační odpor R. K vyjádření střídavých ztrát v izolaci kabelového systému, neboli k nalezení ekvivalentu činného odporu R, jsou v elektrotechnické praxi zavedeny dvě veličiny: ztrátový činitel, založený na tangentě ztrátového úhlu d, a účiník, založený na cosinu fázového úhlu j. Protože fázový úhel j je dán matematickým rozdílem 90° a úhlu d, lze pro zjednodušení uvažovat, že obě veličiny jsou číselně shodné (s maximálním rozdílem 3 %) pro úhly do přibližně 0,262 rad (15°). Pro ztrátové úhly větší než 0,262 rad je nutné velikost ztrátového činitele tg d počítat, což se v praxi týká především měření na objektech s větším ztrátovým činitelem, tzn. na opláštěných kabelech s papírovou izolací napuštěnou olejem nebo na kabelech se zestárnutou izolací ze zesítěného polyetylenu. Ze schematického znázornění na obr. 1 plyne: tg d = I_R/I_C = 1/(2p fCR) Izolace každého silového kabelu přirozeně stárne, v případě izolace ze zesítěného polyetylenu v důsledku tzv. vodních stromečků a v případě papírové izolace dlouhodobým vysokým tepelným namáháním, popř. pronikáním vlhkosti do izolace. Stárnutí izolace znamená omezení izolačních schopností izolace, snížení izolačního odporu R, a tedy zvýšení ztrátového úhlu d, neboli ztrátového činitele tg d. U zestárnutých silových kabelů, na rozdíl od nových silových kabelů s izolací ze zesítěného polyetylenu nebo s papírovou izolací, mají ztráty při zvyšování zkušebního napětí větší tendenci růst (obr. 3). Pro upřesnění dosažených výsledků je nutné vzít v úvahu, že znečištěné koncovky kabelů mohou ovlivnit výsledný ztrátový činitel tg d, jelikož efektivně snižují celkový izolační odpor R a můstkový analyzátor ztrátového činitele vyhodnocuje průměrnou hodnotu ztrátového činitele celkového kabelového systému. Z výše uvedené rovnice vyplývá také další důležitý poznatek: ztrátový činitel tg d při snižování frekvence zkušebního napětí roste. Ztrátový činitel tg d měřený při velmi nízké frekvenci zkušebního napětí (0,01 až 0,1 Hz) je oproti známým měřením při síťové frekvenci zkušebního napětí podstatně vyšší. Jelikož ztrátový proud izolací při měření střídavým napětím o velmi nízké frekvenci je obvykle větší než při měření střídavým napětím o síťové frekvenci, je také jeho měření snadnější. Měřicí zařízení ztrátového činitele Analyzátor ztrátového činitele v izolaci silového kabelu se skládá ze dvou jednotek: z vysokonapěťové měřicí jednotky a vyhodnocovací jednotky. Vysokonapěťová jednotka má za cíl měřit proud protékající vysokonapěťovým vodičem a také aktuální zkušební napětí přiložené na zkoušený silový kabel. Průběhy napětí a proudu jsou převáděny na optické signály a odesílány optickým kabelem do vyhodnocovací jednotky. Vyhodnocovací jednotka vypočítává fázový úhel mezi průběhy napětí a proudu a zobrazuje ztrátový úhel v radiánech, společně s frekvencí zkušebního napětí a efektivními hodnotami zkušebního napětí a průsakových (ztrátových) proudů. Na obr. 2 je znázorněno schéma zapojení obvodu při měření ztrátového úhlu silového kabelu. Na obr. 3 jsou názorně ukázány výsledky měření nízkofrekvenčním střídavým analyzátorem ztrátového úhlu izolace High voltage TDB60F, který je napájen nízkofrekvenčním sinusovým zkušebním zařízením High voltage VLF6022CMF [1] na novém silovém kabelu a zestárnutém silovém kabelu 15 kV s izolací ze zesítěného polyetylenu. Z obr. 3 jasně vyplývá zvětšení ztrátového činitele izolace tg d v závislosti na napětí u zestárnutého silového kabelu. Na obr. 4 je ukázáno, jak se hodnota ztrátového činitele d u zestárnutého silového kabelu s izolací ze zesítěného polyetylenu mění v závislosti na čase po přiložení konstantního zkušebního napětí. Z uvedených údajů vyplývá, že měřením ztrátového činitele d s nízkofrekvenčním střídavým sinusovým zkušebním napětím je možné identifikovat zestárnuté silové kabely vysledováním nárůstu ztrátového činitele s napětím a také nárůstu ztrátového činitele v závislosti na čase při konstantním zkušebním napětí. Závislosti ztrátového činitele tg d na napětí při frekvenci zkušebního střídavého sinusového napětí 0,1 Hz a 0,05 Hz s využitím systému tvořeného nízkofrekvenčním sinusovým zdrojem a nízkofrekvenčním analyzátorem ztrátového činitele jsou znázorněny na obr. 5. V posledních letech se začíná uplatňovat nová kabelová diagnostická metoda tzv. dielektrické spektroskopie [2]. Metoda je založena na měření dielektrických parametrů izolace kabelu ve frekvenčním a napěťovém pásmu. Použitím diagnostického systému ztrátového činitele High voltage lze získat podobné informace při využití různých zkušebních frekvencí od 0,01 Hz po 0,1 Hz. Praxe s nízkofrekvenčním střídavým zkušebním zařízením Zmiňovaný diagnostický systém na měření ztrátového činitele tg d při velmi nízké frekvenci sinusového zkušebního napětí High voltage TDB60F, z produkce High Voltage Inc., je zákazníkům v ČR nabízen zastoupením společnosti stejně jako nízkofrekvenční sinusové zařízení High voltage VLF6022CMF [1], zaměřené na vykonávání střídavých vysokonapěťových zkoušek provozovaných i nových silových kabelů sinusovým průběhem s velmi nízkou frekvencí, namísto zkoušek stejnosměrným napětím. Pracovníci společnosti Elektrostav Škvor nabízejí jako první v ČR službu uvádění do provozu silových kabelů High voltage VLF6022CMF [1] střídavým sinusovým zařízením o nízké frekvenci a současně mohou s pomocí tohoto zařízení vykonávat napěťové zkoušky elektrických zařízení, jako např. generátorů, motorů, transformátorů apod., podle požadavků uživatele elektrického zařízení (obr. 6). Závěr Přímá souvislost mezi zvýšeným ztrátovým činitelem (při 0,1 Hz) a sníženou izolační elektrickou pevností při síťové frekvenci byla prokázána v odborné práci [4], zajímavé poznatky pro diagnostiku izolace nízkofrekvenčním ztrátovým činitelem jsou zaznamenány v [3]. Díky měření nízkofrekvenčního ztrátového činitele tg d sinusovým průběhem o velmi nízké frekvenci je možné srovnat a vyhodnotit zestárnutí izolace kabelů z polyetylenu, zesítěného polyetylenu, plastových a dalších druhů silových kabelů. Porovnáním výsledků měření lze rozlišit nový kabel od poruchového kabelu a vysoce zestárnutého kabelu. Měření ztrátového činitele d se sinusovým průběhem o velmi nízké frekvenci je možné použít jako diagnostickou metodu zkoušení izolace kabelů a kabelových systémů. Kabely lze zkoušet na základě programu preventivní údržby – po zkoušce je lze vrátit zpět do provozu. Nízkofrekvenční měření ztrátového činitele tg d lze uplatnit při posuzování nutnosti výměny kabelu nebo znovuobnovení jeho izolačních schopností. Na zkoušený kabel nebo kabelový systém je připojen nízkofrekvenční zkušební generátor se sinusovým průběhem [5], který je schopen měřit ztrátový činitel tg d při nízké frekvenci. Oba konce kabelu jsou odpojeny a přístupny pro měření. Měří se ztrátový činitel (tg d) při jmenovitém napětí silového kabelu U0, ztrátový činitel při dvojnásobku jmenovitého napětí 2U0 a získá se rozdíl ztrátových činitelů D tg d = tg d (2U₀) – tg d (U₀). Získané údaje je možné použít jako podklad pro hodnocení stavu izolace kabelu kategoriemi: dobrý, defektní nebo vysoce zestárnutý. Tato diagnostická metoda vykazuje nejlepší výsledky při srovnání naměřených hodnot s hodnotami získanými při předcházejícím měření na stejném zařízení nebo kabelu. Mezi velké výhody patří skutečnost, že jde o diagnostickou nízkofrekvenční zkoušku, jejíž výsledky lze sledovat v čase. Oproti tomu výsledkem nízkofrekvenční střídavé napěťové zkoušky izolace kabelového systému je pouze informace typu „vyhověl“, „nevyhověl“ [6]. Stav izolace kabelového systému je možné vyhodnotit jako: dobrý, defektní a vysoce zestárnutý. Izolační systém kabelu je možné monitorovat z časového hlediska, a je tedy možné i sledovat vývoj izolačního systému. Zveme Vás k návštěvě stánku č. C 20 (Křižíkův pavilon) v průběhu veletrhu AMPER 2001, kde si budete moci zmiňovaná zkušební zařízení High voltage prohlédnout. Literatura: [1] Reid, R. – Vitner, P.: Vysokonapěťová zkušební zařízení 0,1 Hz se sinusovým průběhem. Elektro, 1999, č. 7-8, s. 22-24. [2] Werelius, P.: Power Cable Diagnostics by Dielectric Spectroscopy. In: Paper presented at Panel on Diagnostic Measurement Techniques for power Cables at the 1999 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference. New Orleans, April 11-16, 1999. [3] IEEE P400.2 Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF). [4] Bach, R. – Kalkner, W. – Oldehoff, D.: Verlustfaktormessung bei 0.1 Hz. Elektrizitaetswirtschaft, Jg. 92, 1993, H. 17/18. [5] Eager, G. S. – Katz, C. – Fryszczyn, B. – Densley, J. – Bernstein, B. S.: High Voltage VLF Testing of Power Cables. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12(2), 1997, pp. 565 – 670. [6] Vitner, P.: Zkoušení silových kabelů střídavým napětím o nízké frekvenci se sinusovým průběhem – zkušenosti z praxe. Elektro, 1999, č. 12, s. 18-20. EN-CENTRUM, s. r. o. Radlická 2 / schránka 69 150 23 Praha 5 tel.: 02/57 32 25 38 fax: 02/51 56 46 34 e-mail: encentrum@iol.cz http://www.encentrum.cz