Новые методы предотвращения аварий в изоляции высоковольтного оборудования шельфовых объектов и судов

Большинство аварий в электроэнергетических системах связано с нарушением электрической изоляции электрооборудования и кабеля, то общепринятым методом предотвращения аварийных ситуаций являются планово-предупредительные осмотры оборудования и замеры характеристик изоляции. Однако возможности проведения планово-предупредительных осмотров и замеров характеристик изоляции электрооборудования с отключением напряжения зачастую ограничены по времени проведения и по объему работ. Увеличение времени на подобное обслуживание приводит к простою технологического оборудования, снижает прибыль, и при этом не может дать абсолютную гарантию того, что при подаче высокого напряжения не проявится какой-либо внутренний дефект и не возникнет предаварийная ситуация.

Другим распространенным методом контроля состояния изоляции в электроэнергетической системе при поданном высоком напряжении, рекомендованным Морским Регистром, является контроль токов утечки (токов нулевой последовательности). Особенность данного метода в том, что контроль тока утечки может указать непосредственно на начало аварийной ситуации, но не может предотвратить эту ситуацию. Реализация метода контроля изоляции по току нулевой последовательности выполняется несколькими способами, по уже состоявшемуся частичному ухудшению состояния изоляции на каком-либо участке силовой электрической цепи. Кроме того, данный метод обладает зависимостью от емкости сети относительно корпуса и индуктивности подключенного электрооборудования, а достаточно частые переходные процессы при изменении нагрузки, при переключениях потребителей с заметной индуктивностью и т.п. приводят к перекосу фазных токов и напряжений, влияющих на измеряемую величину токов нулевой последовательности. Это требует отстройки от срабатывания защитной аппаратуры при временных перекосах в фазных векторах токов и напряжений.

Таким образом, вышеозначенные методы контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования не могут в полной мере выполнить задачу технической диагностики и указать обслуживающему персоналу на возможность развития предаварийной ситуации.

Избежать подобных недостатков помогает метод контроля состояния высоковольтной изоляции по частичным разрядам (ЧР), который находит все более широкое применение в сетях за рубежом. ЧР позволяют анализировать ситуацию при работе оборудования при поданном рабочем напряжении и наблюдать изменения во времени процесса развития разрушающих явлений в твердой изоляции.

Физика частичных разрядов

Частичный разряд (ЧР) – это искровой разряд очень маленькой мощности, который образуется в толще твердой изоляции или на ее поверхности в оборудовании высокого (среднего) напряжения (свыше 3 кВ). Периодически повторяющиеся частичные разряды с течением времени разрушают материал изоляции, приводя в конечном итоге к ее пробою. Обычно разрушение изоляции под действием частичных разрядов происходит неравномерно по структуре изоляции электротехнического изделия, и может скрытно развиваться в течение многих месяцев и даже лет. На скорость процесса могут повлиять как локальные условия для конкретного элемента изоляции, так и процессы, происходящие в сети.

Интенсивность ЧР в твердой изоляции значительно изменяется под воздействием внутренних для изоляции факторов:

• напряженности электрического поля;

• температуры материала изоляции;

• влажности материала изоляции;

• деполимеризации структуры материала изоляции.

Интенсивность ЧР в твердой изоляции также зависит от воздействия внешних разрушающих изоляцию факторов:

• растрескивание под действием вибрации и других механических воздействий;

• загрязнение или разъедание поверхностных слоев.

При этом основной фактор, способствующий разрушению изоляции - проникновение воды между молекулами основного материала (данный процесс особенно заметен в полиэтиленовой изоляции кабелей). Молекулы воды могут втягиваться в материал изоляции под влиянием переменных температур при эксплуатации.

При выполнении регламентного обслуживания и испытаний оборудования важно учитывать то обстоятельство, что многократные испытания оборудования повышенным напряжением (электрической прочности изоляции) постепенно приводят к увеличению количества и мощности ЧР, тем самым работы, направленные на предупреждение аварийных ситуаций, со временем могут спровоцировать эти аварийные ситуации.

Диэлектрическую изоляцию рассматривают как биполярную, с хаотично расположенными электрическими диполями разной природы. Изоляция при изготовлении включает в себя микрогранулы, полимерные молекулы и микропоры газовых включений.

При наличии внешнего электрического поля диполи диэлектрика выстраиваются в направлении внешнего поля (происходит электронизация), а среда дополнительно поляризуется. Пробой диэлектрика возможен при условии, когда напряженность внешнего поля на участке цепи становится больше суммарной напряженности поля диполей. Частичный разряд при номинальном напряжении возникает в местах изоляции с большой плотностью энергии электрического поля, то есть в местах неоднородностей изоляции, в том числе в газовых включениях.

Ток в газе подчиняется закону Ома (Рисунок 1), но сопротивление газа является нелинейным и зависит от плотности энергии электрического поля в месте разряда. На участке ВС число распадов начинает преобладать над числом восстановлений молекул. Увеличение плотности электрического поля приводит к изменению физических свойств газов и изменению его агрегатного состояния.

Рисунок 1. Ток в газе при изменении напряжения

На участке СЕ энергии электрического поля в месте разряда становится достаточно для перехода газа в другое агрегатное состояние – в плазму. На этом участке сопротивление уменьшается и локальный микроток резко нарастает.

Разряд, как явление, является вторичным от напряженности поля, и возникает на участке потока электрического поля с более высокой плотностью энергии поля.

Энергия теплового поля в месте разряда является результатом активации энергетических уровней атомов, в результате чего и происходит нагрев среды от освободившейся энергии. Поэтому в точке возникновения разряда происходит нагрев изоляции и насыщение ее углеродом, содержащимся в материале изоляции. Каждый последующий разряд в этом месте происходит уже при меньших затратах энергии из-за увеличения электропроводности пути разряда. Во времени этот процесс идет достаточно медленно, месяцы и даже годы, но в конечном итоге приводит к пробою изоляции.

Любой разряд сопровождается электромагнитным излучением в высокочастотном диапазоне. Примерный вид импульса ЧР и его анализируемые параметры приведены на рисунке 2, а на рисунке 3 приведены амплитуды регистрируемых в изоляции кабеля ЧР в зависимости от удаленности от регистратора.

Рисунок 2 – Нарастание и затухание ЧР во времени

Рисунок 3 - Изменение формы импульса ЧР в зависимости от удаленности от регистратора

На рисунке 3 представлены:

1 – зарегистрированный импульс вблизи регистратора

2 - зарегистрированный импульс на середине кабеля

3 - зарегистрированный импульс на противоположном от регистратора конце кабеля

В опубликованной работе ООО «ТестСервис» [1] приведена упрощенная модель кабеля (рисунок 4) и показано влияние инородного включения в материал изоляции, а пример распределения поля приведен на рисунке 5 (цветом выделена область напряженности поля вокруг инородного включения).

Рисунок 4 - Модель кабеля с включением в толще изоляции

1 – инородное включение;

2 – экран; 3 – полупроводящий полиэтилен;

4 – полиэтиленовая изоляция;

5 – токопроводящая жила;

6 – полупроводящий полиэтилен.

Рисунок 5 - Распределение силовых линий электрического поля при высокой диэлектрической проницаемости среды включения

Таким образом, наличие включений в толще изоляции приводит к локальному увеличению индукции электрического поля и, следовательно, к увеличению плотности энергии электрического поля. Увеличение индукции электрического поля эквивалентно росту разности потенциалов в этом месте.

При плотности энергии электрического поля равной критическому значению, происходит частичное разрушение структуры молекул, сопровождающееся выделением энергии в виде электромагнитного излучения, тепла, роста давления, механического воздействия на границы объема включения.

Регистрация частичных разрядов, оценка их мощности и повторяемости, а также локализация места их возникновения, позволяет на ранней стадии выявить развивающиеся повреждения изоляции.

Применявшийся ранее метод акустического сканирования изоляции трансформаторов и высоковольтных изоляторов воздушных линий совершенно неприменим во внутренних помещениях работающих морских объектов ввиду недоступности большинства оборудования и кабеля для подобных исследований, поэтому для регистрации ЧР на подобных объектах могут быть применены исключительно электрические типы датчиков. Излучение электромагнитной энергии в основном идет в радиочастотном диапазоне, поэтому значительных практических успехов достигли разработчики, использовавшие высокочастотный радиодиапазон. Примеры датчиков приведены в таблице 1.

Таблица 1 – виды датчиков – регистраторов ЧР

Сравнительная чувствительность датчиков в зависимости от частотного диапазона приведена на рисунке 6

Рисунок 6 – Сравнительные характеристики датчиков ЧР в радиочастотном диапазоне

На рисунке 6 представлены:

80 pF Coupling capacitor конденсатор связи 80 пФ (датчик типа СС)

500 pF Coupling capacitor конденсатор связи 500 пФ (датчик типа СС)

HFCT High current ferrite trans ферритовый трансформатор (датчик HFCT)

HRCT High current Rogowski coil катушка Роговского (датчик HRCT)

PD Pulse spectrum спектр ЧР

Измерения, выполненные фирмой HVPD [2] подтвердили, что при смещении точки нейтрали к фазе А и повышении напряжения на фазах В и С, на одной фазе В наблюдался частичный разряд до 1600 пКл, который отсутствовал при рабочем напряжении в симметричной трехфазной системе. Пять месяцев спустя в месте регистрации ЧР на линии был обнаружен ток утечки, что указывает на возможность использования такого способа измерений для получения предварительного предупреждения о слабых местах в сети.

Внешний вид датчиков типа RFCT (HFCT) и СС российского производства приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Примеры датчиков ЧР трансформаторного и емкостного типа

Следует отметить, что так как ЧР нельзя оценить прямым измерением, для величины ЧР согласно ГОСТ Р 55191-2012 [3] применяется термин «кажущийся заряд», при этом его единица измерения указывается в кулонах. При оценке состояния изоляции высоковольтного оборудования, на заводе-изготовителе обычно проводят измерения максимального значения кажущегося заряда, что является основной контрольной характеристикой.

При проведении измерения частичного разряда на вращающихся машинах, помимо первоначально полученных данных о ЧР в изоляции, очень важно накапливать получаемые данные, чтобы быть уверенным, что уровни частичного разряда не ухудшаются со временем. Например, если машина имеет высокий уровень ЧР с самого начала использования, а во время последующей эксплуатации этот уровень не изменяется, то такой результат менее опасен, чем случай, когда машина начинает эксплуатироваться при низком начальном уровне, но в процессе работы уровень ЧР в ее изоляции стремительно нарастает. Также возможен случай, когда в начальный период эксплуатации электрической машины уровень ЧР в ее изоляции может снижаться, что обычно связано с окончательной полимеризацией и просушкой изоляции при работе.

Критерии состояния изоляции в соответствии с уровнем ЧР

Основными документами, которыми руководствуются при измерениях ЧР в высоковольтном оборудовании, являются стандарты ГОСТ Р 55191-2012 и ГОСТ IEC/TS 60034-27-2-2015 [4], при этом вопросы нормирования амплитуды и (или) мощности импульсов ЧР в данных стандартах и любых других не рассматриваются. Определяющим фактором ухудшения изоляции в соответствии с положениями данных ГОСТов является так называемый «тренд» - нарастание уровня ЧР во времени. Тем не менее, для оценки возможности наступления предаварийной ситуации, необходимо хотя бы приблизительно знать предполагаемые величины (амплитуды) ЧР при различных состояниях оборудования. Такие сведения приведены в таблице 2 (исходя из сведений СТО 1.1.1.01.0069-2013 [5], являющимся ведомственным стандартом для электрооборудования атомных станций).

Таблица 2 Оценки последствий для зарегистрированного уровня ЧР в высоковольтном электрооборудовании

Диагностируемый объект	Техническое состояние		Степень развития дефекта	Величины максимальных амплитуд частичных разрядов, пКл
Трансформатор силовой (сухой)	Норма (с незначительными отклонениями)		Возможен малозначительный дефект	до 1000
	Со значительными отклонениями		Возможен значительный дефект	1000 - 5000
	Ухудшенное		Возможен критический дефект	5000 – 25000
Кабель (с полиэтиленовой изоляцией)	Норма	Без отклонений	Нет дефектов	до 1200
		С незначительными отклонениями	Возможен малозначительный дефект	1200-7500
	Со значительными отклонениями (область риска)		Возможен значительный дефект	7500-15000
	Ухудшенное (область предельного риска)		Возможны критические дефекты	свыше 15000
Генератор	Норма		Нет дефектов	до 4000
	Ухудшенное		Возможны дефекты	свыше 4000
Измерительный трансформатор	Норма		Нет дефектов	до 20
	Ухудшенное		Возможны дефекты	свыше 20

Во всех случаях использования системы контроля состояния изоляции по ЧР, необходима настройка фильтров передачи сигналов от датчиков и калибровка контроллеров обработки сигналов по амплитудам и фазам сигналов ЧР. Это должно выполняться непосредственно на объекте, так как состав электрооборудования и структура электрораспределительной сети обуславливают особенности применения данной системы.

Общепризнанным недостатком системы контроля изоляции по ЧР является невозможность использования этого метода совместно с частотно-регулируемыми приводами электрических машин ввиду чувствительности датчиков ЧР к помехам, наводящимся в обмотках электрических машин, управляемых частотными преобразователями. Тем не менее, по мере совершенствования частотных преобразователей и при накоплении опыта использования UHF-датчиков, встраиваемых непосредственно в обмотки электрических машин, а также при совершенствовании алгоритмов цифровых фильтров сигналов ЧР, данный недостаток должен быть преодолен.

Предложения АО «Новая ЭРА» для морских платформ и крупных судов

Несмотря на очевидные достоинства контроля состояния изоляции методом ЧР, и появлением в последнее время ведомственных нормативных документов для оценки изоляции оборудования по ЧР, нормативная база для строительства морских объектов – Правила Российского морского регистра судоходства – до настоящего времени не учитывает подобную методику. Рекомендации РМРС ограничиваются контролем токов утечки, что, как говорилось выше, не может служить средством предупреждения аварийных ситуаций, а может лишь сократить нежелательные последствия уже случившихся пробоев изоляции.

На протяжении ряда лет АО «Новая ЭРА» совершенствует производимое электрооборудование напряжением 6-10 кВ для электроэнергетических систем морских буровых платформ, судов с электродвижением, других крупных морских объектов. Результатом работы предприятия в области передовых методов предупреждения аварийных ситуаций явилась разработанная система технической диагностики морского высоковольтного оборудования, в состав которой входят в том числе технические средства (датчики и контроллеры) для измерения и обработки ЧР. Данная система позволяет контролировать ЧР как в кабелях, так и в статорных обмотках электрических машин, трансформаторов, и в изоляции распределительных устройств. АО «Новая ЭРА» предлагает использовать подобную систему для всех проектирующихся морских объектов с уровнем напряжения 6-10 кВ, при этом для повышения чувствительности системы рекомендуется предусматривать встраивание UHF датчиков ЧР в обмотки генераторов и электрических машин, что должно быть согласовано с изготовителями этих агрегатов еще на стадии проектирования.

На рисунке 8 представлен пример встраивания датчиков RFCT в ячейку РУ-6 кВ производства АО «Новая ЭРА», а на рисунке 9 – результат измерений ЧР в кабелях, подключенных к этой ячейке.

Рисунок 8 – датчики RFCT в ячейке РУ-6 кВ производства АО «Новая ЭРА»

Рисунок 9 – регистрация ЧР в кабеле, подключенном к РУ-6 кВ

Заказчикам и проектировщикам морских объектов следует задуматься о применении современных методах контроля состояния изоляции по ЧР для обеспечения безаварийного функционирования высоковольтного электрооборудования. Также хочется надеяться, что подобные методы найдут отражения в Правилах Российского морского регистра судоходства в самое ближайшее время.

Литература

1. Сидельников Л.Г., ООО «ТестСервис», г. Пермь, МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ В ИЗОЛЯЦИИ

2. Измерение частичных разрядов под рабочим напряжением в сетях с нейтрализатором замыкания на землю (GFN) Malcolm SELTZER-GRANT, HVPD Ltd – UK и Klaus WINTER, Swedish Neutral AB – Sweden

3. ГОСТ Р 55191-2012 (МЭК 60270:2000) Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов

4. ГОСТ IEC/TS 60034-27-2-2015 Машины электрические вращающиеся. Часть 27-2. Измерения частичного разряда на изоляции статорной обмотки включенных в сеть вращающихся электрических машин

5. СТО 1.1.1.01.0069-2013 Правила организации технического обслуживания и ремонта системы и оборудования атомных станций. Стандарт организации АО "Концерн Росэнергоатом"