Metodika napěťové nedestruktivní zkoušky elektrických zařízení VN Ing. Mečislav Hudeczek, PhD. Ing. Jaroslav Brychcy HUDECZEK SERVICE, s. r. o. Albrechtice. 1.
Úvod
Nutnost zajištění spolehlivého chodu elektrických kabelů roste s jejich zajišťováním plnění požadavků ne bezpečnost a smluvních vztahů vůči odběratelům. Tím se vysvětluje i odůvodněnost značné potřeby diagnostiky, neboť porucha mající za následek vyřazení kabelů z provozu, jež zajišťuji svoji funkci mnohdy bezpečnost a chod celých oblastí, může mít nedozírné následky. Tomu pak odpovídá i nutnost využívání nejvhodnějších diagnostických systémů pro zajištění jejich bezporuchovosti. Provozně technická pravidla, ve kterých jsou pevně stanoveny zkušební postupy a to především u velkých provozních organizací, nařizuji jednotnost provádění diagnostických měření na kabelech a strojích. Ve většině doporučení metody diagnostiky kvality izolace jsou založené na zkouškách zvýšeným napětím – destruktivní metody technické diagnostiky. V mnoha výrobních i nevýrobních organizacích provozované kabely mají provozní věk dvacet pět let a více. Jsou na konci své technické životnosti a přes to jsou nadále provozovány s malou vyhlídkou na výměnu za nové z titulu značných ekonomických nákladů. V těchto provozně technických pravidlech jsou také stanoveny lhůty diagnostiky dielektrika jednotlivých izolačních systémů. V mnoha případech diagnostika izolačního systému strojů a kabelů je prováděna v jednoročních intervalech. V těchto krátkých lhůtách dochází při používáni diagnostických metod izolačních systému založených na měření napětím vyšším než jmenovitým - destruktivně k umělé degradaci stávajícího izolačního systému a v mnoha případech dochází k poškození kabelu nebo vinutí stroje což musí být nahrazeno novým izolačním systémem. Někteří provozovatele riziko zničení provozovaného kabelu degradační zkouškou neprovádějí a tím obcházejí riziko jeho umělého zničení ale se zároveň vystavují riziku , že dojde k přirozenému poškození kabelu v době kdy je to nejméně vhodné. Další možnosti je použit metody, která má velmi dobrou vypovídací schopnost při diagnostických měřeních na úrovní jmenovitých napětí. 2.
Nedestruktivní zkoušky izolace kabelů
Základem pro posouzení stavu elektrické izolace kabelů je metoda Prof. dr hab. inž. Tadeusza Glinki ze Slezské univerzity v Gliwicích – Polsko. Princip metody zjišťování opotřebení elektrické izolace podle prof. Glinky je založen na zjištění nabíjecího proudu ip v závislosti na čase při skokovém připojení napětí U a časovém průběhu zotaveného napětí na izolaci po krátkodobém uzemnění, byla–li předem izolace elektricky nabitá. Schéma měřícího obvodu je na obr. 1.
Obr. 1. Schéma zapojení pro měření izolace stejnosměrným napětím, Z – vysokonapěťový zdroj, V1 - elektrostatický voltmetr
Postup měření Stanovení charakteristiky R60= f(U), pokud je to možné v rozsahu napětí 0-2UN. R60 [MΩ] = U [kV] / I [µA].
Nabití izolačního systému na hodnotu napětí U0=UN (do ustáleného stavu), následné odpojení napájecího napětí a zkratování izolačního systému na čas tz, po té rozpojení izolačního systému a odečtení hodnot zotaveného napětí na izolačním systému. Výsledkem je průběh zotaveného napětí v závislosti na čase Uod= f(t). Obraz časového průběhu únikového proudu ip po skokovém zapnutí, na úplně vybitém izolačním systému, stejnosměrného napětí o hodnotě U0=UN Naměřené hodnoty Níže je uveden konkrétní příklad diagnostiky VN kabelu v průmyslovém závodě. Rozvodna R3, 22 kV, kobka č.9, Kabel ANKTOPV 3 x 240 mm2, fáze L1 Charakteristika odporu izolace R60= f(U), napěťová zkouška U [kV]
0
3
6
10
I [µA]
0
65
72
93
R60 [MΩ]
0
46
83
10 8
Nejvyšší použité napětí při měření bylo 10 kV, tj. 0,5 Un Průběh zotaveného napětí Uod= f(t) po nabití izolačního systému na U0=10 kV a rozpojení zkratovaného systému Doba trvání zkratu na nabitém systému tz= 10s. t [s]
0
15
30
Uod [V]
0
39
33
Průběh zotavení je nedostatečný. Doba zotavení tod= 15 s. Průběh únikového proudu ip= f(t), skok napětí z 0V na U0= 10 kV t [s] ip [µA]
15
30
45
60
140
130
128
125
Průběh únikového proudu je nedostatečný. Součinitel absorpce izolačního systému ip15/ip60= 1,12 Odpor izolace R60= f(U) 120
R 60 [M Ω]
100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 U [kV]
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
Zotavené napětí Uod= f(t) 45 40 35 Uod [V]
30 25 20 15 10 5 0 0
15
30
45
60
t [s]
Unikový proud ip
ip [mA]
139
129
119 0
15
30
45
60
75
90
t [s]
Sestavení parametrů izolačního systému: Parametry izolačního systému Kabel 1
Jmenovité napětí kabelu [kV
2
Průrazné napětí [kV
3
Odpor R60/UN [kΩ/V] při 10 kV
22 ~ 23 3,5 doba zkratu tZ [s]
4
Zotavení napětí
Uod max/U0 doba zotavení tod [s]
3.
5
Součinitel absorpce izol. systému ip15/ip60
6
Výchylky únikového proudu pro [µΑ]
10 kV
10 0,004 15 1,12 100 - 180
Shrnutí
Parametry izolačního systému fáze L1 zjištěné pro napětí 22 kV, tj.: zotavené napětí a součinitel absorpce jsou neuspokojivé. Izolační systém kabelu fáze L1 je ve stavu havarijním. Přestože, hodnoty průrazného napětí zjištěné z výsledku naměřených hodnot a charakteristiky R60= f(U) jsou velmi malé tj. 23,8 kV kabel byl nadále provozován . Při kontrole kabelu standardní destruktivnís metodou zajisté by došlo k průrazu izolace a zničení kabelu.
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
Foto č. 1.: Nedestruktivní diagnostika kabelu na elektrostatickém filtru teplárenského komínu.
4.
Foto č. 2.: Nedestruktivní diagnostika kabelu na vývodu 6 kV.
Další příklad měření kabelů
Rozvodna R 6kV, 62 CCA kobka č.62 CCA8(1), vypínač dmychadla 30 chlazení fluidní vrstvy D12 - KLB53 AN001 Kabel: 6 - CYKCYm 3 x 95 mm2, 90m. Naměřené hodnoty kabelu dne 10.5.2006 od 1630 hod., teplota okolí 21,6 °C:
FÁZE L1 Charakteristika odporu izolace R60= f(U), napěťová zkouška U [kV]
1,29
2,32
3,09
4,25
5,1
6,17
2
4
7,5
15
25
35
645
580
412
283
204
176
I [µA] R60 [MΩ]
Pužité napětí při měření bylo 6,17 kV. Průběh zotaveného napětí Uod= f(t) po nabití izolačního systému na Uo = 6,17kV a rozpojení zkratovaného systému Doba trvání zkratu na nabitém systému tZ= 10s.
t [s]
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
Uod [V]
0
1020
940
890
860
-
-
-
-
-
-
-
Průběh únikového proudu ip= f(t), skok napětí z 0V na U0= 6 kV t [s] ip [µA]
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
37
35
35
35
35
35
35
35
35
35
35
35
Sestavení parametrů izolačního systému: Parametry izolačního systému Izolace fáze 1 Jmenovité napětí kabelu [kV]
7,2
2 Průrazné napětí [kV]
7,2
3 Odpor R60/UN [kΩ/V] při 10 kV
při 6 kV
29,38 doba zkratu tZ [s]
4 Zotavení napětí
10
Uod max/U0
0,170
doba zotavení tod [s]
15
5 Součinitel absorpce izol.systému ip15/ip60 6
1
Výchylky unikového
6 kV
0,0000
proudu pro [µA]
Závěr: Parametry izolačního systému fáze L1 zjištěné při napětí 6,17 kV jsou neuspokojivé . Měřením bylo zjištěno, že kabel ve fázi L1 je nevyhovující. Pracovníci provozovatele provedli odpojení přechodové skříně u napájeného elektromotoru a měření v 1830hod. téhož dne bylo zopakováno. Níže viz tabulkové výsledky. Charakteristika odporu izolace R60= f(U), napěťová zkouška U [kV]
1,33
2,17
3,15
4,22
5,16
6,29
I [µA]
0,1
0,2
0,3
0,5
0,8
1
13300
10850
10500
8440
6450
6290
R60 [MΩ]
Doba trvání zkratu na nabitém systému tZ= 10s. t [s]
0
Uod [V]
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
1300 1500 1510 1570 1620 1620 1620 1610
Průběh únikového proudu ip= f(t), skok napětí z 0V na U0= 6 kV t [s] ip [µA]
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
3,5
2,2
1,8
1,6
1,5
1,3
1,3
1,3
1,3
1,2
1,2
1,2
Sestavení parametrů izolačního systému:
Parametry izolačního systému Izolace fáze 1 Jmenovité napětí kabelu [kV]
7,2
2 Průrazné napětí [kV]
10
3 Odpor R60/UN [kΩ/V] při 10 kV
při 6 kV
1048,33 doba zkratu tZ [s]
4 Zotavení napětí
Uod max/U0 doba zotavení tod [s]
5 Součinitel absorpce izol.systému ip15/ip60 6
Výchylky unikového proudu pro [µA]
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
10 0,270 75 1,5
6 kV
0,0000
Závěr: Parametry izolačního systému fáze L1 zjištěné při napětí 6,29 kV jsou dobré . Grafické zobrazení: Odpor izolace R60= f(U)
800 720 640 560 480 400 320 240 160 80 0
R60 [M?]
R60 [M?]
Odpor izolace R60= f(U)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
15000 13500 12000 10500 9000 7500 6000 4500 3000 1500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
U [kV]
U [kV]
Zotavené napětí Uod= f(t)
Zotavené napětí Uod= f(t) 1200
2000
1000
1500 Uod [V]
Uod [V]
800 600 400
1000 500
200 0
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
20
40
60
80
t [s]
ip [mA]
ip [mA]
40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 20
40
120
140
160
180
200
Unikový proud ip
Unikový proud ip
0
100
t [s]
60
80
100
4 3,6 3,2 2,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 0
20
40
t [s]
60
80
100
t [s]
Výše uvedené grafy jednoznačně zobrazují podstatu metody nedestruktivní diagnostiky izolačních systémů. 5.
Statistické vyhodnocení účinnosti nedestruktivní napěťové zkoušky
V letech 2007 až 2010 byla provedena diagnostická měření vysokonapěťových kabelů a zařízení v těchto podnicích: 1.
ČEZ, a.s. - VE Štěchovice - VE Kamýk - VE Lipno - VE Vrané nad Vltavou - Elektrárna Tisová - Teplárna Dvůr Králové
2.
ARCELORMITTAL Ostrava, a.s.
3.
EUROVIA Jakubčovice, s.r.o.
4.
ROCKWOOL, a.s.
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
5.
KAMENOLOMY ČR, s.r.o.
Množství provedených zkoušek v jednotlivých letech jsou uvedeny v následující tabulce a zobrazeny v grafu. Rok Počet proměřených žil [ks]
2007
2008
2009
2010
119
180
380
198
Histogram četností měření VN kabelů 380 400
Četnost měření (ks)
350 300 250
198
180 200
119 150 100 50 0 2007
2008
2009
2010
Rok
Vyhodnocení četnosti měření v jednotlivých letech provádění napěťových zkoušek VN kabelů nedestruktivní metodou. Z celkového počtu 877 žil, na nichž byla provedena napěťová nedestruktivní zkouška, bylo dle analýzy parametrů izolačního systému konstatováno, že: 1)
65 kusů žil kabelů odpovídající 7,41 % z celkového množství bylo ve stavu výborném.
2)
728 kusů žil kabelů odpovídající 83,01 % z celkového množství bylo ve stavu vyhovujícím pro provoz.
3)
84 kusů žil kabelů odpovídající 9,58 % z celkového množství bylo ve stavu zcela nevyhovujícím pro provoz vysokonapěťového zařízení.
U kabelů se zjištěnou nízkou hodnotou izolačního stavu bylo zákazníkovi doporučeno vadné či opotřebované kabely ihned vyměnit za nové a provézt opětovné měření na již nových kabelových svazcích. Ve všech případech, kdy byly provedeny výměny vysokonapěťových kabelů, bylo dalším měřením konstatováno zlepšení izolačních vlastností izolace vysokonapěťových kabelů.
HUDECZEK SERVICE s. r. o.
