3. ПРОЖИГАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ

 

3.1. Требования к методике и основные этапы процесса прожигания

 

Основным назначением прожигания дефектной изоляции является снижение переходного сопротивления в месте дефекта, что позволяет применять методы, обеспечивающие быстрое и точное ОМП. Для большей части эффективных методов ОМП требуется, чтобы переходное сопротивление в месте повреждения было снижено до десятков или даже долей единиц Ома. Кроме того, для наиболее результативного применения индукционного метода весьма желательно «перевести» однофазное повреждение в двухфазное. Все это достигается путем прожигания изоляции в дефектном месте с помощью специальных установок.

Прожигание производится за счет энергии, выделяющейся в канале пробоя. При этом происходит обугливание изоляции в месте повреждения и снижение переходного сопротивления. Следует отметить, что прожигание также позволяет непосредственно и просто выявлять повреждения в концевых разделках и на вскрытых кабелях по нагреву, появлению дыма и запаха гари.

Стоимость, габариты и масса устройства для прожигания являются определяющими для всего комплекса аппаратуры, используемой в процессе поиска мест повреждения кабелей. На прожигание приходятся в большинстве случаев и основные составляющие затрат труда и времени при ОМП кабелей. Методы и устройства для прожигания должны удовлетворять следующим требованиям:

1) обеспечивать обугливание и разрушение изоляцион­ного материала в месте повреждения. Кроме того, для применения большинства методов ОМП (импульсных, индукционных и т. д.) необходимо создание проводящего мостика за счет выплавления металлических частиц из жилы и оболочки и снижение переходного сопротивления до единиц и долей Ома. Для применения же акустического метода необходимо разрушить проводящий мостик или исключить его образование;

2) оказывать минимальное воздействие на неповрежденную изоляцию;

3) предусматривать минимальные значения капитальных и эксплуатационных затрат;

4) иметь минимальные габариты и массу;

5) обеспечивать безопасные условия эксплуатации. Как будет видно из дальнейшего, оптимальный режим прожигания реализуется при последовательном чередовании ступеней прожигания. Каждая ступень должна обеспечивать выделение максимальной энергии за минимальное время в поврежденном месте изоляции и обеспечивать наивысший КПД прожигания

,                                      (3.1)

где W_пр – энергия, выделяемая в месте повреждения; W_п – потери энергии в элементах схемы.

Основным видом изоляции силовых кабелей является бумажно-масляная изоляция. Ряд характерных свойств этой изоляции и вызывает необходимость в создании специальных устройств, обеспечивающих более или менее длительное выделение энергии в месте повреждения. B других видах изоляции (полиэтилен, поливинилхлорид и т. п.) условия прожигания существенно легче. Поэтому рассмотрим прожигание бумажно-масляной изоляции. Изоляция трехжильных кабелей напряжением 1…10 кВ должна отвечать следующим требованиям:

 

Номинальное напряжение кабеля, В…….	1	6	10
Толщина изоляции жилы, м……………...	0,75…0,85	2	2,75
Толщина поясной изоляции, м…………..	0,5…0,6	0,95	1,25

 

Толщина изоляции жилы кабелей 35 кВ с отдельно освинцованными жилами составляет 9…11 мм.

Изоляция состоит из лент кабельной бумаги толщиной 
0,12 мм (реже 0,17 мм) и шириной около 15 мм, накладываемых с зазором 0,2…0,3 мм таким образом, чтобы оче­редной слой перекрывал зазоры предыдущего. Например, изоляция жил кабеля 
6 кВ состоит из 18…20, а поясная – из 7…8 лент. Для придания кабелю жесткой округлой формы перед наложением металлической защитной оболочки используются бумажные заполнители. Бумажная изоляция под вакуумом пропитывается маслоканифолевым составом.

Электрическая прочность неповрежденной изоляции кабеля 
6 кВ составляет 200…250 кВ, испытательное постоянное напряжение – 35…40 кВ. Поэтому повреждаются в подавляющем большинстве случаев явно дефектные места, причем протяженность дефектного участка измеряется долями  миллиметра, реже – миллиметрами. Первоначальный пробой кабельной изоляции лишь иногда носит характер радиального, т. е. проходящего по кратчайшему пути между жилой и оболочкой или между жилами. Поскольку напряженность электрического поля в кабеле имеет как радиальную, так и тангенциальную составляющую, путь пробоя обычно существенно длиннее кратчайшего расстояния между электродами. При пробое за счет тепловой энергии происходит разложение пропитывающего состава, сопровождающееся газовыделением. При этом, с одной стороны, вытесняется пропиточный состав с трассы пробоя, что снижает электрическую прочность, с другой стороны, поднимается давление в образующихся полостях, повышающее эту прочность. После пробоя давление снижается и полость начинает заполняться пропитывающим составом. Вследствие этого повторный пробой по сравнению с первым происходит обычно при несколько меньшем напряжении. При жирной пропитке напряжение пробоя может даже немного повыситься. Движение частиц массы способствует также некоторому смещению трассы пробоя. Многократное повторение пробоев приводит к образованию более или менее устойчивого разрядного канала. Эту стадию процесса целесообразно назвать начальным этапом прожигания.

Место повреждения на этом этапе можно представить схемой замещения, изображенной на рис. 3.1, а, где С – емкость кабеля; Р_р – разрядник, напряжение пробоя которого соответствует напряжению пробоя разрядного канала; r_д – сопротивление, условно отражающее выделение активной энергии при разряде емкости кабеля на разрядный канал; U_o и r_о — напряжение и внутреннее сопротивление источника, подключенного к КЛ.

 

 

в

 

Рис. 3.1. Схема замещения КЛ на различных этапах прожигания

по­врежденной изоляции: а, б, в – начальный, промежуточный

и заключительный этапы соответственно

Как показывают исследования, при пробое, сопротивление канала значительно меньше волнового сопротивления кабеля. Поэтому после пробоя изоляции заряженного кабеля происходит процесс колебательного разряда с затратами энергии на активные потери в разрядном канале и кабеле. Коэффициент затухания силового кабеля a = (2,5…5) 10^-4 с^1/2/км. С учетом указанного значения a и опытных данных практически полное затухание процесса колебательного разряда для кабелей длиной от 0,1 до 5 км

наступает через 50…300 мкс. Активными потерями в жилах и изоляции кабеля управлять не представляется возможным, но в схеме замещения ту часть активной энергии, которая выделяется в разрядном канале, можно всегда эквивалентировать потерями в таком сопротивлении r_п, при разряде емкости С на которое выделится столько же тепла, сколько в действительных условиях.

При достаточно длительном повторении пробоев раз­ложение пропиточного состава вблизи разрядного канала приводит к осушению прилегающей к нему области, что вызывает обугливание стенок канала. Схема замещения для этого промежуточного этапа прожигания приведена на рис. 3.1, б, где r_ш – сопротивление, шунтирующее разрядный канал; r_э = r_оr_ш / (r_о + r_ш) – эквивалентное сопротивление схемы. По мере обугливания стенок канала и прилежащей области изоляции значение сопротивления r_ш снижается. При прожигании на промежуточном этапе используются энергия разряда и тепло, выделяемые в сопротивлении r_ш (в обугленной изоляции).

Дальнейшее обугливание приводит к прекращению разрядов и образованию более или менее устойчивого проводящего мостика. Схема замещения для этого заключительного этапа прожигания представлена на рис, 3.1, б, где r_{п, м} – сопротивление проводящего мостика между жилой и оболочкой (или между двумя жилами) кабеля.

Для использования индукционного метода определения места повреждения, как уже отмечалось, требуется снижение значения r_{п, м} до единиц и даже долей единицы Ома. Для удовлетворения последнего требования недостаточно полного обугливания канала. Необходимо создание не угольного, а металлического проводящего мостика между жилой и оболочкой кабеля (либо между двумя жилами). Это достигается за счет выплавления с поверхностей жилы и оболочки металлических частиц, постепенно заполняющих разрядный канал. Выплавление происходит при токах в несколько десятков ампер.

3.2. Прожигание изоляции от источника постоянного

напряжения

 

Идеальный источник постоянного напряжения. Анализ удобно проводить с помощью схем замещения, представленных на рис. 3.1. На начальном этапе прожигания (рис. 3.1, а) процесс протекает следующим образом. От источника U_o емкость кабеля заряжается с постоянной времени r_oС. Напряжение, приложенное к изо­ляции, изменяется по закону:

                                (3.2)

до напряжения пробоя U_пр разрядного канала (разрядника). После пробоя емкость кабеля разряжается через место дефекта. Приближенно (без учета индуктивности кабеля) можно записать:

.                             (3.3)

 

Рис. 3.2. Изменение напряжения на разрядном канале при прожигании от идеального источника постоянного напряжения: а – Uпр = 0,95Uo;   б – Uпр = 0,43Uo

Внутреннее сопротивление источника составляет кОмы, а чаще – многие десятки кОм. Сопротивление r_п < 50 Ом, поэтому r_о> r_п и заряд емкости кабеля происходит во много раз дольше, чем разряд. Изменение напряжения в месте пробоя в начальный период прожигания показано на рис. 3.2, а. В цепи источника питания протекает ток

 

.         (3.4)

 

В месте пробоя протекает ток

.                            (3.5)

 

В начальный период прожигания напряжение пробоя мало отличается от ЭДС источника. Пусть для определенности U_пр =
 = 0,99U_о. Тогда согласно уравнению напряжение, приложенное к изоляции, достигает напряжения пробоя разрядного канала через время t’= 5 r₀С.

За один цикл заряда источник расходует энергию

.        (3.6)

Часть ее преобразуется в тепло, выделяющееся во вну­треннем сопротивлении источника:

,                         (3.7)

а часть расходуется на заряд емкости кабеля

.             (3.8)

Из последнего выражения следует, что независимо от сопротивления источника обе указанные части энергии равны друг другу. Энергия, запасенная при заряде, в процессе разряда переходит в тепло практически за время t” ³ 5r_пС. Действительно, с учетом значенияi_пр 

.                         (3.9)

 

Таким образом, при безындукционном источнике на начальном этапе процесса прожигания полезно используется не более половины энергии источника, т. е. КПД (h) составляет около 50 %.

Аналогично при U_пр = 0,9U_o получаем t' = 2,2r_оС и h = 44,4 %. Период повторения разрядов на начальном этапе прожигания определяется внутренним сопротивлением источника и емкостью кабеля и составляет (3…5)r_оС. Время разряда во много раз меньше периода повторения.

Отношение времени заряда ко времени разряда называют скважностью, которая определяется как

.                                        (3.10)

Если принять переходное сопротивление в момент пробоя 
r_п = 30 Ом, то для установки с внутренним сопротивлением r₀ =
 = 300 кОм скважность l = 10⁴, т. е. лишь в одну десятитысячную часть времени процесса прожигания происходит выделение энергии в месте пробоя. Иными словами, в этих условиях активная часть процесса составляет примерно 1 с за 3 ч прожигания.

В процессе повторения пробоев происходит постепенное обугливание разрядного канала и прилегающих к нему участков изоляции. Это приводит к снижению разрядного напряжения. При том же самом источнике прожигания увеличивается частота пробоев (рис. 3.2, б). Пусть U_пр = 0,43U_о, тогда время t’ = r₀С и частота пробоев увеличивается в 3-4 раза. Обугливание стенок разрядного канала приводит также к снижению его сопротивления, которое становится сравнимым с внутренним сопротивлением источника, и начальный этап прожигания уже переходит в промежуточный (рис. 3.1, б).

Напряжение на разряднике:

.                          (3.11)

Пока r_ш >> r₀, процесс прожигания мало отличается от описанного выше. Когда шунтирующее разрядный канал сопротивление становится сравнимым с r₀, следует считаться с двумя явлениями. С одной стороны, протекание тока через стенки разрядного канала сопровождается выделением существенной части энергии, идущей на дальнейшее обугливание изоляции. С другой стороны, максимальное напряжение на разрядном канале снижается и при том же источнике может оказаться ниже разрядного напряжения. В самом деле, например, при r_ш = 0,2r₀ напряжение на разрядном канале снижается в 6 раз.

В этих условиях КПД прожигания начинает существенно снижаться. При отсутствии разрядов в установившемся режиме КПД составит

.                                  (3.12)

 

В случае r_ш = 0,2r₀ значение H = 16,6 %. Единствен­ным способом повышения эффективности прожигания является уменьшение внутреннего сопротивления источника, т. е. замена источника прожигания. При r_ш = r₀ значение H = 50 %. Кроме того, максимальное напряжение на разрядном канале увеличивается до U₀/2. Если это значение оказывается выше напряжения пробоя канала, то возникают разряды, а следовательно, КПД прожига дополнительно возрастает.

Из изложенного вытекает необходимость изменения параметров источника прожигания в процессе самого прожигания, поскольку выполнение источника высокого напряжения с малым внутренним сопротивлением затруднено ввиду весьма боль­шой массы такого источника. Практически после снижения напряжения разряда, обеспеченного установкой высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением, следует подключить другой источник с меньшим напряжением и соответственно меньшим внутренним сопротивлением. При этом возрастает КПД прожигания и уменьшается скважность разрядов, т. е. процесс прожигания ускоряется.

Дальнейшее разрушение изоляции при прожигании приводит к прекращению разрядов и образованию в месте повреждения относительно устойчивого проводящего мостика. Схема замещения этого заключительного этапа прожигания показана на рис. 3.1, в. Проанализировав этот этап аналогично предыдущему, получим

.                            (3.13)

Зависимость  графически представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость КПД прожигания от относительной проводимости

разрядного канала

 

Идеальный источник с последовательно включенной индуктивностью. Для увеличения эффективности прожигания на постоянном токе предложено включать дроссель между источником постоянного напряжения Uo и поврежденным кабелем. Схема прожигания для рассматриваемого случая показана на рис. 3.4.

 

 

б

 

 

Рис. 3.4. Схемы прожигания изоляции от идеального источника с последовательно включенным дросселем:

а – исходная схема; б – схема замещения

 

При включении такой схемы могут возникнуть три режима: колебательный (r_о < 2 ÖL/C); критический (r_о = 2 ÖL/C); апериодический (r_о > 2 ÖL/C). Характер изменения токов и напряжений в схеме показан на рис. 3.5.

 

б

 

 

Рис.3.5. Изменение напряжения на кабеле и тока в контуре

в схеме рис. 34:  а – b > w_о;  б – b < w_о

 

Наиболее эффективен для прожигания колебательный режим, так как в этом случае (рис. 3.5, б) напряжение на кабеле может достигать двойного напряжения источника, причем напряжение изменяется с частотой , с этой же частотой изменяется и ток в контуре

,                    (3.14)

,                                      (3.15)

где  – собственная частота контура; b = r_o/2L – декремент затухания; a = arcsin b/w₀. Потери в таком контуре:

,               (3.16)

а энергия прожигания принимается равной энергии, запасаемой емкостью,

.         (3.17)

Выражение для КПД прожигания можно представить в следующем виде:

,                  (3.18)

где

.        (3.19)

Напряжение на кабеле достигает наибольшего значения к моменту wt_m = p+a, тогда выражение  после преобразований будет иметь вид

 

.                           (3.20)

Для реальных установок  добротность  контура (рис.3.4, б) 
Q_o = w₀L/r_o >> 5. В этом случае a < 6°, a W_п* £ 0,177. Соответственно КПД прожигания h ³ 84 %.

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6. Принципиальные схемы прожигания изоляции с помощью

выпрямительных установок:  a – однополупериодное выпрямление;

б – двухполупериодное выпрямление; в – трехфазное выпрямление;

г – трехфазное выпрямление с последовательно включенным дросселем

 

С повышением добротности контура до десяти КПД увеличивается до 92 % (при отсутствии дросселя максимальный КПД не превышает 50 %). Разряды будут следовать через время t_m»p/w = = 1/(2f). Если частота коле­баний f = 50 Гц, то t_m £ 0,01 с, т. e. прожигание будет эффективным.

Принципиальная схема прожигания изоляции с помощью выпрямительных установок показана на рис. 3.6. При прожигании дефектной изоляции кабелей от выпрямительных установок необходимо учитывать индуктивность рассеяния питающего трансформатора.

 

3.3. Прожигание изоляции на переменном напряжении

 

Нерезонансное прожигание (рис. 3.7) производится с помощью повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого присоединяется непосредственно к поврежденной жиле и оболочке (или другой поврежденной жиле), а первичная – к сети промышленной частоты.

На рис. 3.7: Трп – трансформатор повышающий; L и r₀ – индуктивность рассеяния и активное сопротивление трансформатора Трп, приведенные ко вторичной обмотке; С – емкость КЛ; r_п – переходное сопротивление разрядного канала; L_К и r_К – индуктивность и активное сопротивление кабеля; r_п,м – сопротивление проводящего мостика в месте дефекта.

 

 

Рис. 3.7. Схемы нерезонансного прожигания:

a – принципиальная; б – замещения для начального и;

в – заключительного этапов

 

Амплитуда напряжения на кабеле (разряднике Рр)

 

,              (3.21)

 

где  w = 2pf — круговая  частота;  Imax – амплитуда тока в LCr_o –контуре (рис. 3.7, б).

Значительная удельная ёмкость силовых кабелей приводит к необходимости потреблять большие токи Imax для обеспечения достаточного напряжения U_c, max.

Так, трансформатор напряжением Umax = 50 кВ при L =
= 200 Гн и r₀ = 10 кОм обеспечит на трехжильном кабеле 6 кВ сечением 70 мм² и длиной 3 км напряжение U_c,max ⁼ 2,66 кВ, что составляет лишь 5,3 % напряжения источника при потреблении мощности20 кВ^.А.

Для кабелей длиною более 0,5 км нерезонансное про­жигание на начальном этапе совершенно непригодно. Для коротких кабелей оно может быть оправдано лишь при отсутствии выпрямителей. От того же трансформатора, что и в предыдущем примере, на кабеле того же типа, но длиною 0,4 км можно обеспечить около 50 % напряжения источника при потреблении 27 кВА.

Практически при прожигании на переменном токе сначала медленно с помощью регулировочных устройств поднимают напряжение на первичной обмотке прожигающего трансформатора. Поэтому до первого пробоя напряжение на разрядном канале можно рассматривать как установившееся. Первый пробой происходит в момент, соответствующий приближению напряжения на разрядном канале к максимальному. Разряд по характеру и длительности соответствует рассмотренному выше случаю при анализе схемы рис. 3.1.

Повторные процессы заряда емкости кабеля после быстрых разрядов происходят аналогично процессу включения rLC-цепи на синусоидальное напряжение.

На принужденную синусоидальную составляющую напряжения с частотой w накладываются еще две свободные составляющие. В случае r_о ³ 2ÖL/C они имеют апериодический характер с разными постоянными времени. При r_о < 2ÖL/C колебательные составляющие с частотой w_о = Ö1/LC – r_o/4L² сдвинуты между собой по фазе на некоторый угол a, но затухают с одинаковой постоянной времени.

Максимальное напряжение на разрядном канале зависит от момента включения (момента предыдущего пробоя) и соотношения между частотами w и w_о.

В тех случаях когда w >> w_о, возникают перенапряжения и вероятность пробоя разрядного промежутка увеличивается.

Снижение частоты w_о при прочих равных условиях увеличивает скважность разрядов. Если к этому добавить практическую невозможность обеспечения стабильного значения угла a, соответствующего значительным перенапряжениям, то становится очевидной нецелесообразность нерезонансного прожигания на начальном этапе повреждения изоляции.

На заключительной стадии процесса прожигания (рис. 3.7, в), когда поврежденный участок изоляции представляет собой проводящий мостик, условия для прожигания на переменном токе улучшаются. При этом удовлетворяется соотношение

.                                      (3.22)

Коэффициент полезного действия при прожигании можно считать равным отношению активной мощности P_пм, выделяемой в месте повреждения, к суммарной активной мощности Р_å источника

.                   (3.23)

 

Обычно удается обеспечить h = 20…40 %. Условие  для кабелей длиной более 0,3 км выполняется при  < 100 Ом, а для кабелей длиной более 2 км – при  < 15 Ом.

Нерезонансное прожигание целесообразно использовать только на последнем этапе прожигания изоляции КЛ ограниченной протяженности.

Резонансное прожигание на промышленной частоте. Использование явления резонанса на промышленной частоте для прожигания дефектной изоляции кабелей было предложено в [3]. В нашей стране этот способ начал применялся с 1960 г. [4]. При резонансном способе прожигания емкостное сопротивление кабеля компенсируется внешним индуктивным сопротивлением, что позволяет значительно снизить мощность источника, а при последовательном включении индуктивности – значение питающего напряжения. При работе резонансных установок по мере снижения переходного сопротивления в месте повреждения происходят шунтирование емкости кабеля и частичное расстройство резонансного контура, в результате чего напряжение на кабеле уменьшается. Когда возникает устойчивый проводящий мостик, то резонансный контур полностью расстраивается. При этом ток через место повреждения резко уменьшается, а возникающий проводящий мостик не разрушается.

Максимальное резонансное напряжение не должно превышать испытательного переменного напря­жения, например 16… 25 кВ, применяемого на кабельных заводах для испытания изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением 6…10 кВ соответственно.

Резонансные установки, используемые для прожигания дефектной изоляции кабелей, можно разделить на две характерные группы: резонансные трансформаторы и установки с регулируемыми дросселями. Резонансные трансформаторы могут работать в режимах резонанса токов и резонанса напряжений. Установки с регулируемыми дросселями также работают в первом или втором из названных режимов, но при последовательном или параллельном подключении дросселя к прожигаемому кабелю. Ниже будет рассмотрена работа в этих режимах.

Способ резонанса напряжений. Полная схема замещения установки для прожигания, работающей в данном режиме, приведена на рис. 3.8, а. На схемах рис. 3.8 указаны: r_м – активное сопротивление дросселя; L – индуктивность дросселя, r_ст – активное сопротивление, учитывающее потери в стали дросселя; С – емкость КЛ (и балластного конденсатора); r_к – активное сопротивление, учитывающее потери в поврежденном кабеле; r_п – переходное сопротивление в месте повреждения в момент разряда; В – ключ, замыкающийся при u_c =U_пр (имитирует пробой); u – синусоидальное напряжение на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора; U – действующее значение того же напряжения.

 

 

Рис. 3.8. Схемы замещения и векторная диаграмма для установки, работающей в режиме резонанса напряжений:

а, б – схемы замещения; в – векторная диаграмма

 

Полная разветвленная схема замещения (рис. 3.8, а) приведена к последовательной эквивалентной схеме (рис. 2.28, б) со следующими параметрами:

;           (3.24)

 ;                                 (3.25)

.                                    (3.26)

 

Тогда напряжение на кабеле

.            (3.27)

В условиях резонанса собственная частота контура равна частоте питающего напряжения, т. е.

.                               (3.28)

При этом wL_э = 1 / (wС_э) и ток в цепи увеличивается до I = U / r_э. Векторная диаграмма при резонансе напряжений дана на рис. 3.8, в.

Если воспользоваться понятиями характеристического сопротивления r = ÖL_э/С_э = l/wC_э = wL_э и добротности Q = r/r_э контура, то можно записать

.                                 (3.29)

Реактивная и активная мощности в контуре связаны через добротность

т. е. добротность является одним из основных параметров, определяющих работу резонансной установки.

Как показано:

,                      (3.30)

где r_ш – шунтирующее сопротивление стенок разрядного канала (должно быть включено в схеме рис. 3.9, а параллельно сопротивлению r_к).

На рис. 3.9 показаны зависимости добротности всего контура прожигания от емкости кабеля С и сопротивления r_ш (отношения r_ш/r) при собственной добротности дросселя Q_д = 25. При изменении отношения r_ш/r от 10 до 1 добротность контура уменьшается почти  в 10 раз и резонансное прожигание переходит в прямое дожигание от источника, питающего резонансный контур. Однако при шунтирующих сопротивлениях r_ш = r мощность, выделяемая в канале, оказывается недостаточной. Указанным обстоятельством можно объяснить малое распространение резонансных устройств за рубежом.

 

 

Рис. 3.9. Зависимости добротности резонансного контура

от шунтирующего сопротивления (а) и емкости кабеля (б)

 

На рис. 3.10 показаны кривые изменения напряжения на кабеле в различных режимах работы резонансной установки.

Способ резонанса токов. Полная схема замещения установки, работающей в режиме резонанса токов, дана на рис. 3.11, а, где приняты такие же обозначения, как и на рис. 3.8, а. Для резонансного трансформатора, работающего в режиме резонанса токов, L = Ls₂ +L_м  – индуктивность, обусловленная потоком рассеяния вторичной обмотки и потоком взаимоиндукции; и = u_м – напряжение, создаваемое во вторичной обмотке потоком взаимоиндукции. Полную разветвленную схему замещения (рис. 3.11, а) приведем к параллельной эквивалентной (рис. 3.11, б). Эквивалентное сопротивление r_э', учитывающее потери в параллельном резонансном контуре, определяется как

,                        (3.31)

где

,

 

r_и – составляющая, зависящая от активных потерь в изоляции; r_ш – активное сопротивление, шунтирующее разрядный канал.

Для параллельного резонансного контура напряжение на емкости равно напряжению источника питания. При этом емкостный ток I_с = Ub_с превышает полный ток трансформатора:

,                         (3.32)

где g = 1/r_э; b_L= 1/wL; b_C= 1/wC – соответственно активная, индуктивная и емкостная проводимости контура.

Как показано ранее, выражение для добротности в случае резонанса токов совпадает с выражением для последовательного контура. Энергетические и временные соотношения при резонансе токов также аналогичны соотношениям при резонансе напряжений. Хотя схемы одинаковы с точки зрения процесса прожигания, режимы работы питающих их трансформаторов существенно отличаются. При резонансе напряжений с пробоем изоляции трансформатор переходит из режима нормальной нагрузки в режим х.х. При резонансе токов с пробоем изоляции трансформатор переходит в режим КЗ, который постепенно возвращается в нормальный режим (по мере раскачки контура). Это существенно снижает КПД резонансной установки, работающей в режиме резонанса токов.

Сравнительная оценка систем прижигания. Как отмечалось выше, для обеспечения необходимого переходного сопротивления в месте повреждения кабеля используются различные системы прожигания. Под системой прожигания подразумеваются не отдельные устройства, а совокупность методов и средств, обеспечивающих конечный результат прожигания (от одиночных разрядов до устойчивого проводящего металлического спая).

Приведенные выше соотношения позволяют объективно оценить любые из рассмотренных систем прожигания, провести количественную оценку различных вариантов и выбрать наиболее эффективный. Необходимо отметить, что КПД прожигания не только отражает степень использования потребляемой из сети электроэнергии (это в целом ряде случаев несущественно), но, в первую очередь, показывает, какая часть энергии выделяется в месте повреждения и какая – в самой установке. Последняя же составляющая энергии определяет массу и размеры установки. Мощность прожигания прежде всего характеризует скорость процесса, т. е. определяет производительность труда при выявлении мест повреждения.

 

Рис. 3.10. Кривые изменения напряжения на кабеле при резонансном

прожигании: а – включение при точной настройке и  б – при расстройке контура: в – режим прожигания

 

 

 

Рис. 3.11. Схемы замещения и векторная диаграмма

для установки, работающей в режиме резонанса токов:

а, б – схемы замещения; в – векторная диаграмма

 

Наиболее эффективно прожигание от идеального источника постоянного напряжения с последовательно включенной индуктивностью. Здесь в широком диапазоне пробивных напряжений обеспечивается высокий КПД прожигания. В реальных условиях роль идеального источника постоянного напряжения играет мощный емкостный накопитель энергии с трехфазной выпрямительной установкой.

Из-за более длительного накопления энергии в дросселе установки постоянного тока с индуктивным накопителем энергии менее ее эффективны, так как для них также требуется коммутационная аппаратура, рассчитанная на полное напряжение прожигающей установки.

Худшие показатели реальных установок выпрямленного напряжения (особенно однополупериодных) обусловлены тем, что накопление энергии происходит путем заряда емкости кабеля импульсами тока в проводящие части периодов.

Устройства переменного тока, в том числе и резонансные, эффективны только при сниженных значениях относительного пробивного напряжения. В этих условиях они могут конкурировать с однополупериодными выпрямительными установками.

Опыт эксплуатации убедительно подтверждает приведенные выше теоретические выводы. Наибольший эффект дают прожига-тельные установки, использующие трехфазное, а также двухполупериодное выпрямление. Установки со специальной последовательно включенной на выходе катушкой индуктивности, предложенные в [5], пока серийно не выпускаются. Роль катушки индуктивности в определенной степени играет индуктивность рассеяния трансформатора выпрямителя. Это относится к мощному источнику без специальной батареи накопительных конденсаторов.

Прожигание на постоянном токе применяют как в России, так и за рубежом. В России результаты использования резонансных установок хуже, чем трехфазных и двухполупериодных выпрямительных устройств.

Опыт применения установок с индуктивным накопите­лем еще мал. Задачей ближайшего будущего является выпуск серийных устройств постоянного тока с трехфазным выпрямителем и последовательным дросселем.

 

3.4.  Режимы и приемы прожигания

 

Допустимые напряжения при прожигании бумажно-масля-ной изоляции. Для правильного выбора максимальных напряжений и режимов прожигания большое значение имеют возможные перенапряжения на неповрежденной изоляции. Электрическая прочность исправных кабелей с бумажно-масляной изоляцией во много раз превышает рабочее напряжение.

Начальная ионизация в слабонеравномерном электрическом поле для бумажно-масляной изоляции возникает при напряженности E_н = 12 кВ/мм в случае напряжения переменного тока и 
E_н = 40…60 кВ/мм при напряжении постоянного тока. Начальная ионизация даже на переменном токе (100 всплесков в секунду) не будет опасной, и изоляция с такой ионизацией может работать тысячи часов. В случае постоянного тока постоянная времени начальной ионизации – около сотен секунд, т. е. в тысячи раз менее интенсивна. Критическая ионизация, воздействие которой даже в течение долей секунды снижает напряжение начальной ионизации, а за несколько секунд может привести к пробою, в случае напряжения переменного тока возникает при Е_кр = 30 кВ/мм.

Применяемые в современных условиях уровни испытательных напряжений для кабелей 6 кВ составляют 40…50 кВ напряжения постоянного тока и 16 кВ напряжения переменного тока. Размеры изоляции (2,95 мм для кабелей 6 кВ) приводят к напряженностям, в 2…3 раза меньшим, чем соответствующие начальной ионизации в исправной изоляции. Ниже приведены значения напряжений, которые могут вызвать начальную ионизацию для исправных кабелей различных номинальных напряжений:

 

Номинальное напряжение кабеля, кВ	1	6	10
Переменное испытательное напряжение, кВ	15	35	48
Постоянное испытательное напряжение, кВ	48	118	160

 

Превышение испытательных напряжений вдвое еще не приводит к начальной ионизации. Если к этому добавить, что напряжение критической ионизации на переменном токе в 2,5 раза выше, чем начальной, то можно сделать следующий важный вывод: при напряжениях, которые практически могут возникнуть в процессе прожигания, нельзя повредить исправную изоляцию кабеля. По-иному обстоит дело с концевыми разделками кабельных линий. Например, исправная концевая разделка кабельной линии 6 кВ может быть перекрыта по поверхности при выпрямленном напряжении 60…80 кВ. Кроме того, на кабельной линии в момент прожигания одного дефектного места может возникнуть и другое, электрическая прочность которого лишь на несколько киловольт выше испытательного напряжения.

Одновременное отыскание двух и более мест повреждения значительно сложнее, чем раздельное. Поэтому целесообразно ограничить максимально допустимое напряжение при прожигании величиной выпрямленного напряжения

,                       (3.33)

где U_исп – испытательное напряжение.

Точное определение соответствующего этой величине переменного напряжения затруднительно. Однако ори­ентировочно можно принять

,                            (3.34)

где k – коэффициент запаса, учитывающий большую интенсивность ионизации в случае переменного напряжения.

При выборе значения k надо иметь в виду следующее. Во время прожигания от источника выпрямленного напряжения к изоляции в период заряда практически прикладывается не постоянное, а сравнительно медленно изменяющееся монополярное переменное напряжение. Поскольку постоянная времени заряда составляет 0,05…1 с, то эквивалентная этому процессу частота – от единиц до десятка герц. Во время разряда фактически прикладывается также переменное напряжение в виде затухающих колебаний частотой от 20 кГц до 1 МГц длительностью в несколько периодов этих колебаний. При прожигании от источника переменного напряжения процесс разряда идентичен указанному выше, а частота заряда – 50 Гц.

Вблизи напряжения начальной ионизации повышение ее интенсивности на порядок соответствует повышению напряжения на несколько киловольт. Поэтому ориентировочно примем k =
 = 1,3…1,4. Тогда для кабелей 6 кВ получим:

Это значение примерно вдвое ниже напряжения на­чальной ионизации и, следовательно, безопасно для не­поврежденной изоляции. Превышение отмеченных выше уровней напряжений при прожигании можно исключить за счет рационального конструирования прожигательных установок и правильного выбора режимов прожигания.

На рис. 3.12 показана схема замещения для началь­ного этапа прожигания с питанием от источника постоянного напряжения. Рассмотрим, при каких условиях на емкости кабеля (конденсаторе С) могут возникнуть напряжения, превышающие U₀. Одним из таких условий являются колебания r₀LC – контура. Колебания возникают, если r_о < 2 ÖL/C.

Колебания контура можно ориентировочно представить также в виде r₀ £ (14…100) кОм. В реальных условиях это соотношение довольно часто выполняется. Следовательно, при заряде напряжение на изоляции может составить (1,5…1,75)U₀. Поэтому испытание изоляции, а иногда и определенную часть начального этапа процесса прожигания целесооб­разно вести при включенном последовательно с источником резисторе r_доб, сопротивление которого (десятки кОм) должно удовлетворять условию

 

.                                 (3.35)

 

После снижения пробивного напряжения до U₀(l,4…l,6) резистор r_доб следует закоротить.

Рис. 3.12. Схема замещения для анализа перенапряжений

в процессе прожигания

 

Другой причиной повышения напряжения на изоляции может быть погасание дуги в месте пробоя при значитель­ном положительном напряжении на конденсаторе коле­бательного разрядного СL_пr_п – контура. Как показывают испытания и многолетний опыт эксплуатации, дуга в месте пробоя гаснет, как правило, в момент приближения к нулевому значению напряжения на кабеле, т. е. при пробое происходит полный разряд. Но при «заплыва­ющих» пробоях иногда, а не часто, как указано, например, в [6], могут возникнуть специфические условия. Они заключаются в том, что дуга гаснет при значительном положительном напряжении U_ост  на разрядном промежутке, а следовательно, и на конденсаторе С. 
В повторном процессе (если он имеет колебательный характер) кабель зарядится до еще большего отрицательного напряжения: – – U_о-(+U_ост). Если пробивное напряжение разрядного промежутка также возрастает, а погасание дуги вновь произойдет в положительный полупериод собственных колебаний разрядного контура, то возможно дальнейшее повышение напряжения на изоляции. 
В подавляющем большинстве случаев сам разрядный промежуток исключает повышение напряжения, являясь как бы ограничивающим разрядником.

Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы:

1. В качестве выпрямительной установки для первой части начального процесса прожигания следует использовать испытательные установки с добавочным резистором сопротивлением в несколько десятков кОм.

2. Максимальное напряжение прожигательных выпрямительных установок должно быть не выше 0,5…0,7 U_исп.

3. Длительное прожигание (более 20…30 мин), не сопровождающееся существенным снижением пробивного напряжения, производить не следует.

При прожигании с помощью резонансных установок любых типов максимальное напряжение на кабельной изоляции превышает напряжение на вторичной обмотке трансформатора в Q раз (Q – добротность резонансного контура). Следовательно, амплитуда выходного напряжения трансформатора резонансной установки должна удовлетворять условию

.            (3.36)

Приемы прожигания. Обобщение опыта работы инженеров и мастеров, специализирующихся на прожигании изоляции КЛ с целью определения места повреждения, подкрепленное детальным анализом процесса прожигания, позволяет рекомендовать ряд прогрессивных приемов ведения этого процесса.

Чередование ступеней прожигания. В процессе прожигания необходимо по мере снижения напряжения пробоя переходить на следующую ступень прожигания. Как только по параметрам установки представляется возможность включить на параллельную работу (или отдельно) более мощную ступень, это надо немедленно выполнять. Под более мощной ступенью понимается установка с меньшим внутренним сопротивлением и большим током.

Очень часто переход на более мощную ступень прожигания приводит сначала к «заплыванию», т. е. к подъему пробивного напряжения. При этом следует вернуться к предыдущей ступени более высокого напряжения, а затем после снижения напряжения пробоя переходить на следующую ступень.

«Задерживаться» на какой-либо ступени нецелесообразно. Дело в том, что «заплывание», т.е. притекание в разрядный канал пропитки из соседней с каналом области изоляции, ограничено, а прожигание до малых сопротивлений без захвата и осушения определенного объема прилегающей изоляции невозможно. При неизменных порциях энергии, подаваемой в разрядный канал, процесс захвата соседних участков изоляции протекает медленнее, чем при чередовании ступеней.

Рекомендуется на промежуточном этапе прожигания создавать последовательно с разрядным каналом дугу на штанговом переключателе установки. Для этого необходимо изолированной от высокого напряжения штангой при включенной установке медленно размыкать выключатель, слегка изменяя расстояние между подвижным и неподвижным контактами, но не допуская погасания дуги.

 

 

Рис.3.13. Принципиальные схемы прожигания:

а – для разрушения металлического спая; б – для перевода однофазного

замыкания в двухфазное; УВВ – выпрямительная высоковольтная

установка; В – выпрямитель; Р_р – разрядник; С_б – балластный конденсатор; ВГ – газотронный выпрямитель

 

Разрушение металлического спая. Если на КЛ было замыкание на землю, т. е. через место повреждения достаточно длительно протекал ток 10 А и более, то в этом месте образуется металлический спай между жилой и оболочкой. При некоторых методах определения места повреждения (например, акустическом) необходимо этот спай разрушить. Во многих случаях, хотя далеко не всегда, это достигается с помощью устройства, питающегося от выпрямителя В (рис. 3.13, а).

Значение емкости конденсатора С_б должно быть не менее 1…1,5 мкФ, пробивное напряжение разрядника Р_р – около 
20…25 кВ. Бросок тока при пробое разрядника в этом случае достигает сотен ампер и под действием динамических усилий спай в кабеле может быть разрушен. Повторение пробоев для разрушения спая следует вести 10…20 мин. Если за это время не удается добиться желаемого результата, то дальнейшие попытки нецелесообразны.

Перевод замыкания жилы на оболочку в замыкание между жилами. Применение индукционного метода дает хорошие результаты при отыскании мест замыкания между жилами трех- или четырехжильного кабеля. Довольно часто в Московской кабельной сети Мосэнерго однофазное замыкание кабеля 6…10 кВ удается перевести в междужильное путем применения методики прожигания, предложенной В. М. Бронштейном. Схема цепи прожигания показана на рис. 3.13, б.

В период прожигания изоляции жилы А с помощью выпрямителя ВГ, обеспечивающего напряжение 5…10 кВ и ток 1…3 А, 
к этой жиле через разрядник Р_р подключают импульсную установку, состоящую из емкости двух неповрежденных жил В и С относительно оболочки, балластного конденсатора Cб (необязателен) и выпрямителя высокого напряжения УВВ (на полное испытательное напряжение).

Емкость периодически заряжается до напряжения пробоя разрядника Р_р, которое устанавливается равным 20…25 кВ, и импульс тока разряда разрушает образующийся под влиянием тока от выпрямителя ВГ проводящий мостик в разрядном канале. Периодическое создание и разрушение проводящего мостика увеличивает объем разрушения изоляции. Напряжение на других жилах кабеля в переходном режиме увеличивает вероятность перехода пробоя с этих жил на поврежденную. При возникновении пробоя невозможно поднять напряжение от установки УВВ и прекратить срабатывание разрядника. Однофазное замыкание удается перевести в междуфазное не во всех случаях.

Прожигание изоляции для ОМП акустическим методом. Для применения акустического метода отыскания МП вида жила – оболочка необходимо ограничивать ток прожигания. При токах через МП более нескольких ампер возможно металлическое спаивание жилы с оболочкой, что исключает применение акустического метода. Разрушение же металлического спая, как отмечено выше, возможно далеко не всегда. Поэтому при использовании акустического метода ОМП последние ступени прожигать не следует. С другой стороны, целесообразно ограничиваться только первой ступенью прожигания, так как с увеличением объема разрушения изоляции увеличивается часть энергии разряда, создающая акустический эффект.

«Заплывающие» пробои. Если повторение пробоев в течение десятков минут не приводит к снижению пробивного напряжения, то можно заключить, что пробой происходит в соединительной муфте (гораздо реже подобные явления возникают в концевых муфтах). Сначала необходимо убедиться визуальным осмотром, что нет повреждения концевой разделки (муфты) на противоположном от места подключения установки конце КЛ. После этого следует прекратить прожигание и определять МП комбинацией колебательного и акустического разрядов.

 

3.5. Передвижные установки для прожигания

 

В настоящее время установки, применяемые в кабельных сетях для ОМП, монтируются на шасси микроавтобусов либо обычных автобусов. Основ­ной объем установок занимают устройства для прожигания дефектной изоляции и создания искрового разряда при акустическом методе ОМП.

В этих же передвижных установках расположены приборы для неавтоматической локации, приборы, использующие метод колебательного разряда, индукционные кабелеискатели и универсальные приемники (для индукционного и акустического поиска), приборы для контактного метода. Установки оснащены специальными барабанами для присоединения к жилам измеряемого кабеля, контуру заземления, питающей сети 380 или 220 В. Имеются также коммутационная и управляющая аппаратура и измерительные приборы контроля режимов испытания и прожигания.

В передвижных установках обеспечиваются условия безопасности с помощью блокировочных контактов, ограждений и других средств. Подавляющее большинство прожигательных устройств обеспечивает прожигание вы­прямленным током. При этом обязательно применяется несколько ступеней напряжения и тока. На последних ступенях, т. е. ступенях низкого напряжения, иногда используют переменный ток (нерезонансное прожигание) промышленной или повышенной (около 1000 Гц) частоты.

Широко используется параллельная работа двух ступеней прожигания, когда переход на следующую ступень осуществляется автоматически.

Приведем данные ряда прожигательных установок. Установка для прожигания изоляции кабелей типа ВТ5000 фирмы Seba dynatronic (ФРГ) имеет шесть ступеней прожигания на выпрямленном токе

 

Напряжение, кВ	14	8	4	1,2	0,22	0,06
Ток, А	0,5	0,8	1,5	6,0	30,0	110

Рис. 3.14. Схема параллельной работы двух прожигательных установок:

1 – выключатель; 2 – диодный столб; 3 – установка HPG70;

4 –  установка ВТ5000

 

Выходная мощность на каждой ступени – около 7 кВ·А. Установки ВТ5000 и HPG70 на 70 кВ и ток 0,05 А могут использоваться параллельно по схеме, приведенной на рис. 3.14. Выключатель 1 отключен. Диодный столб 2 выполнен на полное напряжение (70 кВ) установки 3 и на максимальный ток (110 А) уста­новки 4. Этот столб обеспечивает параллельную работу обеих установок. При пробое от высоковольтной установки может происходить автоматический подхват дуги установкой с большим током. Установка ВТ5000 имеет шесть быстродействующих электромагнитных переключателей ступеней прожигания. При устойчивом режиме прожигания от установки ВТ5000 включается выключатель.

Фирма Baltou (Бельгия) выпускает прожигающую установку типа EDC6000. Установка имеет четыре сту­пени прожигания на выпрямленном напряжении 24, 12, 6, 3 кВ и одну ступень прожигания на переменном напряжении 500 В. Длительная мощность прожигания составляет на постоянном токе 6 кВт на каждой ступени и 4,5 кВ·А на переменном токе. Питание установки производится от сети 220 ±22 В. Основным элементом установки является трансформатор с магнитно-шунтовым устройством, обеспечивающим стабилизацию выходного тока на всех ступенях прожигания. Трансформатор имеет девять вторичных обмоток: восемь одинаковых для питания мостового выпрямителя (3 кВ; 
0,25 А) и одну (500 В; 9 А) используемую для прожигания на переменном токе. Выходные цепи выпрямителей с помощью переключателя соединяются последовательно, смешанно и параллельно, обеспечивая на выходе установки напряжения 24, 12, 6 и 3 кВ.

Мощность прожигательных установок на выпрямленном напряжении (мало изменяющаяся при переходе от одной ступени к другой) для КЛ напряжением до 15 кВ, используемых в России, Англии и США, составляет 10 кВ·А, в ФРГ и Бельгии 5…7 кВА. Опыт эксплуатации и анализ параметров установок показывает, что оптимальное значение мощности – 6…8 кВ-А. При этом максимально должны учитываться приведенные выше соотношения, связывающие КПД и сопротивление проводящего мостика в МП.