ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 1.04 3.09
Középfeszültségű kábelek öregedési vizsgálatai Műanyag és papírszigetelésű kábelek diagnosztikai rendszerei Tárgyszavak: öregedésvizsgálat; kábel; műanyag szigetelés; papírszigetelés; diagnosztika.
A hálózatok fenntartásához és tervezéséhez lehetőleg pontosan és kis költségekkel meg kell határozni a kábelrendszerek öregedésének állapotát. Ezeket a vizsgálatokat eddig nagyrészt a hálózatból kiemelt mintadarabokon, laboratóriumi mérésekkel lehetett elvégezni. A különféle szigetelésű kábelek öregedési folyamatainak megismerése, az eltérő leromlási folyamatok mechanizmusának megismerése alapján a helyszíni mérések is kellő tájékozódást tesznek lehetővé.
Műanyag szigetelések öregedése A műanyag szigetelésű, középfeszültségű kábelek szigetelésének dielektromos átütési szilárdsága az anyag természetes öregedése következtében, az idő függvényében folytonosan csökken. Az öregedési folyamat függ az alkalmazott műanyagoktól, a felhasznált anyagok tisztaságától, a gyártási eljárástól, a kábel szerkezetétől, a működés közben fellépő peremfeltételektől (maximális terhelőáramok, túlfeszültségek) és a víz hatásától. A kábel szigetelése ideális gyártási és működési körülmények esetén is öregszik. A szigetelés dielektromos átütési szilárdságának időfüggése: t · EN = állandó, ahol E a szigetelésnek a villamos térerősséggel kifejezett szilárdsága és N az élettartam-tényező, amely a szigetelés anyagától és kivitelétől függ. Az egyenletet kettős logaritmikus koordinátarendszerben ábrázolva lineáris öregedési jelleggörbe adódik (1. ábra).
Gyorsuló öregedés Különböző szerkezetű polietilénnel szigetelt kábelekkel szerzett tapasztalatok során tisztázták az öregedés második, gyorsuló szakaszát (2. ábra). Egy
bizonyos ti időpontig az anyag természetes öregedési folyamata zajlik, majd egy gyorsuló öregedési szakasz következik, amely a tb időpontban a szigetelés tönkremenéséhez és a szigetelés átütéséhez vezet. Az üzemi tapasztalatok és a laboratóriumi vizsgálatok szerint az öregedési folyamat nedvesség, magasabb hőmérséklet és váltakozó villamos térerősség hatására gyorsabbá válik, és nagyon rövid idő alatt a kábel átütéséhez vezethet.
log E
log t
1. ábra A szigetelés villamos szilárdsága az életkor függvényében
log E
megindul a gyorsuló öregedés
a minimálisan elfogadható, maradó villamos szilárdság elérése
log t ti
tb
2. ábra Gyorsuló öregedés a ti időpont után A sok intézményben, évek során végzett vizsgálatok folyamán az átütésre vonatkozó alábbi fogalmi megkülönböztetések alakultak ki: – Water trees: a szigetelésben, víz jelenlétében, váltakozó villamos tér hatására kialakuló diffúz, fácska alakú struktúrák gyűjtőfogalma.
– Vented trees: a félvezető felületének hibahelyéről (érdesség, idegen részecskék) kiinduló, a szigetelőbe a tér irányában belenövekvő fácskák. – Bow trees: a szigetelő belsejében lévő hibahelyről (idegen részecske, üreg, az extrudálás során előzetesen hálós szerkezetűvé alakult résztartomány) kiinduló, a villamos térrel párhuzamosan, mindkét irányban szimmetrikusan növekvő struktúrák. – Electrical tree: a szigetelőben lévő üregekből vagy intenzív vented, ill. bow tree következtében kialakuló struktúrák. A fenti jelenségek hatására a legtöbb polimer szigetelőben bekövetkezhetnek öregedési jelenségek. A kialakult struktúrák permittivitása (εr) valamivel nagyobb a tiszta polietilénnél, és vezetőképességük is kis mértékben eltérő; ez némiképp különböző veszteségi tényezőjükben (tan δ) nyilvánul meg. Ezek a struktúrák külső elektromos térben a tértöltés kialakulását is befolyásolják.
Olajos papírszigetelésű kábelek Az olaj/tapadószer–papírszigetelésű középfeszültségű kábelek öregedési folyamatai teljesen eltérnek a műanyag szigetelésű kábelekétől. Az impregnált papírszigetelésű kábelekben alkalmazott szigetelőanyagok tisztaságának és feldolgozásuk gondosságának döntő szerepe van. A szigetelőben levő idegen anyagok hatására a veszteségi tényező (tan δ) jelentősen nő, és mivel a veszteségek következtében a szigetelés melegszik, ez az átütési jelenségek, így a részkisülések kezdeti térerősségét és a villamos átütési szilárdságot is csökkenti. Már a gyártásnál is gondosan ügyelni kell arra, hogy a szigetelésből, a papírból és az impregnáló anyagból eltávolítsák a nedvességet, és használat közben is meg kell akadályozni nedvesség bediffundálását a szigetelésbe. A kábelen kívül az összekötő karmantyúk és a végelzárók is kritikus elemek. A papírszigetelésű kábeleknél az a veszély is fennáll, hogy a szigetelés nagy termikus igénybevétele esetén az impregnáló anyag olyan mértékben tágul, hogy az ólomköpeny kitágul. Az alakváltozás lehűlés után is megmarad. Ennek következtében a szigetelésben hólyagok képződhetnek. Ezekben a hólyagokban nagy dielektromos igénybevétel esetén ionizáció és előkisülések léphetnek fel, amelyek az impregnáló anyagot és a papírt is károsíthatják, és a veszteségi tényező is jelentősen megnő. Mivel az elosztóhálózatokban termikus túlterhelés szinte soha nem következhet be, és a megfelelő konstrukció következtében a hólyagok keletkezésének veszélye is elhanyagolható, így az alapvető veszély nedvesség behatolása a szigetelésbe, amely közvetlenül növeli a veszteségi tényezőt (tan δ).
Az öregedési állapot diagnosztizálása A hálózat üzemben tartójának az ellátás biztonsága és a beruházások tervezése érdekében ismernie kell a hálózat állapotát, azt, hogy vannak-e a hálózatban kritikus öregedési állapotú kábelek, és ezek az öregedés mely állapotát érték el? Ezeket a kérdéseket eddig csak roncsolásos vizsgálattal, a hálózatból kivett, 10 m hosszú kábeldarab laboratóriumi vizsgálatával lehetett megválaszolni. A kábelek állapotának roncsolásmentes, helyszíni vizsgálatára az utóbbi években több eljárást dolgoztak ki. Részkisülések mérésével a szigetelés egyes hibái meghatározhatók. A szigetelés általános öregedési állapotának meghatározására a szigetelés polarizációs jellemzőinek megváltozásán, a tértöltéssel kapcsolatos jellemzők és a veszteségi tényező (tan δ) változásán alapuló eljárások alkalmazhatók. A szigetelés állapota elvben az idő- vagy a frekvenciatartományban vizsgálható. Az eredmények a másik tartományba is átalakíthatók, bár az ehhez szükséges összefüggések még nem teljesen tisztázottak. Az ismert vizsgálati eljárások, amelyek alapján a kereskedelemben kapható műszerek működnek az alábbiak szerint rendszerezhetők. Időtartománybeli módszerek • Izoterm relaxációsáram-analízis (IRC-analízis). A vizsgálandó kábelt pl. 30 percen át 1 kV egyenfeszültséggel feltöltik, majd rövid ideig (5 másodpercig) rövidre zárják. Ezt követően 30 percig mérik a lecsengő depolarizációs áramot. Az áram változását három, exponenciálisan lecsengő függvénnyel közelítik. Ebből egy úgynevezett A öregedési tényezőt (A-tényezőt) vezetnek le. E tényező nagysága az öregedési állapot minősítésének alapja. • Visszatérő feszültség módszere (CD-eljárás). Ezzel az eljárással a visszatérő feszültségnek a rákapcsolt vizsgáló−töltő egyenáramtól való függését értékelik. A kábelt tipikusan 5 percig formálják változtatható, töltő egyenárammal, majd 2 másodpercig rövidre zárják, ezt követően pedig 10–40 percig mérik a visszatérő feszültséget. Általában 0,5/1,0/1,5 és 2,0 U0 töltőfeszültségszinteket alkalmaznak. Az 1,0 · U0 és 2,0 · U0 töltőfeszültséggel meghatározott visszatérő feszültség maximális értékéből meghatározzák az L-tényezőnek nevezett linearitási tényezőt. A linearitástól való eltérés az öregedés mértéke. • Depolarizációs töltés mérése (CDA-eljárás). Ennél az eljárásnál a kábel szigetelését lassú impulzus-egyenárammal többször, rövid időre előterhelik. A depolarizációs töltés és a teljes töltés arányát mérik 1 kV és 10 kV töltőfeszültség-amplitúdóval. Ebből az arányból az öregedési állapotra lehet következtetni.
Frekvenciatartománybeli módszerek Sok vizsgálat igazolta azt, hogy az 50 Hz-en mért veszteségi tényezőből nem lehet lényeges következtetéseket levonni, továbbá a helyszínen végzett mérés műszakilag csak nehézkesen megvalósítható. Ezzel szemben a kisfrekvenciákon (pl. 0,1 Hz-en) mért veszteségi tényező (tan δ) erősen függ az öregedés által okozott változásoktól. A szigetelés állapota minősítésének alapja az 1,0 · U0 és 2,0 · U0 mérőfeszültséggel, 0,1 Hz-en meghatározott veszteségi tényező (tan δ).
Olajos papírszigetelésű kábelek mérései Az olajos papírszigetelésű kábelek károsodásának legnagyobb kockázata a nedvesség, amelytől közvetlenül függ a veszteségi tényező (tan δ). Ezért a veszteségi tényező mérése az öregedési állapot meghatározásának alapvetően a legjobb módszere. Alaposabb minősítés lehetséges a veszteségi tényezőt különböző frekvenciákon és feszültségeken meghatározva, amit a korszerű műszerek és módszerek egyszerű módon lehetővé tesznek.
Kombinált módszerek Műanyag szigetelésű kábelek szokványos műszerekkel végzett mérései kimutatták, hogy nem minden mérőrendszer szolgáltat a kábel öregedési állapotáról közvetlenül összehasonlítható eredményeket. Ezért a Programma Electric vállalat IDA 200 típusjelzésű műszert fejlesztett ki, amely a fentebb említett mérési módszereket kombinálva alkalmazza, és így a vizsgált kábel öregedési állapotáról, roncsolás és sérülés nélkül megbízhatóbb eredményeket szolgáltat. A mérendő kábelt a hálózatról lekapcsolva csatlakoztatni kell a mérőrendszerhez, amely előállítja a szinuszos mérőfeszültséget, és automatikus mérési sorozat keretében 0,01 Hz és 500 Hz közötti frekvenciákon, különböző feszültségekkel méri a C kapacitás valós és képzetes összetevőjét, valamint a veszteségi tényezőt (tan δ). Az olaj–papírszigetelésű kábelek (pl. PPb típusjelű) jellemzőinek meghatározásához max. 200 V mérőfeszültség elegendő. A műanyag szigetelésű kábelek (XLPE, PE, EPR típusok) méréséhez a kábel névleges feszültségéig terjedő mérőfeszültségeket alkalmaznak. Kétszáznál több, különféle típusú kábelen végzett mérések szerint korreláció van a meghatározott átütési szilárdság (azaz a kábelszigetelés megmaradt átütési szilárdsága) és az IDA200 műszerrel meghatározott jellemző értékek között. A C és tan δ értékek, valamint a mérőfeszültség és -frekvencia mért összefüggései alapján következtetni lehet a vizsgált kábel öregedésének állapotára.
Műanyag szigetelésű kábelek mérései az IDA200 műszerrel A műanyag szigetelésű kábeleken általában a C valós és képzetes öszszetevőjét, továbbá az ε permittivitás ε’ és ε” összetevőjét szokás mérni 0,25 · U0; 0,5 · U0; 0,75 · U0, majd még egyszer 0,5 · U0 feszültséggel, a műszerrel lehetséges legnagyobb (~ 500 kHz) frekvencia és 0,1 Hz között. Amennyiben már kis mérőfeszültségen (pl. 0,5 · U0 értéken) rendellenességek mutatkoznak, akkor nagyobb feszültségekkel már nem folytatják a vizsgálatot, hogy ne kockáztassák a kábel átütését. Az öregedés mértékét és jellegét elsődlegesen az ε”, valamint az ε’ és a tan δ mérőfeszültségtől és f mérőfrekvenciától való függése alapján lehet meghatározni. Papírszigetelésű kábelek mérései az IDA200 műszerrel PPb kábelek szigetelésöregedésének mértékeként a szigetelés nedvességtartalma (mc) határozható meg. A nedvességtartalomból az alábbiak szerint lehet a szigetelés állapotára következtetni: – száraz: mc ≤ 0,5% – közepes: 0,5% < mc ≤ 2% – nedves: mc > 2%.
A maradék élettartam meghatározása Mint más mérési eljárásnál, itt is igaz, hogy a mérések alapján nem lehet a kábel években kifejezett, várható élettartamát közvetlenül megadni, hanem csak a kábel négyfokozatú, kvalitatív minősítését lehet elvárni. Minél nagyobb a megfelelő mérőrendszerrel szerzett tapasztalat, annál megbízhatóbb az öregedés állapotának megítélése. Ebben az esetben a mérési eredmények alapján következtetni lehet arra, hogy a kábel átütésének nagy a valószínűsége, és ezért a következő években a beruházási vagy felújítási tervek keretében célszerű a kábel cseréje. (Pálinkás János) Zimmerli, R.: Alterungsverhalten von Mittelspannungskabeln. = Bulletin SEV/VSE, 93. k. 21. sz. 2002. okt. 11. p. 33–36. Plath, Kalkner, Krage: Vergleich von Diagnosesystemen zur Beurteilung des Alterungszustandes PE/VPE-isolierter Mittelspannungskabel. = Elektrizitätswirtschaft, 96. k. 20. sz. 1997.
