Pomiar wyładowań niezupełnych (PD) i tangensa kąta strat na kablach SN — wykrywanie rozwijającej się wady zanim dojdzie do awarii

Poradnik o lokalizacji uszkodzenia kabla mostkiem Murraya oraz poradnik o lokalizacji uszkodzenia kabla metodą TDR omawiają, jak ustala się miejsce już zaistniałego uszkodzenia kabla. Ten artykuł omawia zasadniczo inny rodzaj diagnostyki: techniki wykrywające rozwijającą się wadę izolacji, zanim doprowadzi to do rzeczywistej awarii.

Czym jest wyładowanie niezupełne?

Wyładowanie niezupełne (PD) to małe wyładowanie elektryczne występujące w części izolacji — na przykład w pustce wypełnionej gazem, wokół zanieczyszczenia lub w miejscu ostrej koncentracji pola — bez przeskoku tego wyładowania przez pełną izolację między przewodnikiem a ziemią (stąd "niezupełne"). Takie pustki i koncentracje pola występują częściej w ręcznie wykonanych mufach kablowych i głowicach (zob. powiązany poradnik) niż w fabrycznie wytłaczanym materiale kablowym, przez co mufy i głowice są często najbardziej prawdopodobnym miejscem źródła PD. Z czasem utrzymująca się aktywność PD stopniowo niszczy izolację (elektryczne drzewienie, "treeing"), co ostatecznie może doprowadzić do całkowitego przebicia.

Pomiar PD według IEC 60270

IEC 60270 opisuje znormalizowaną metodę pomiaru wyładowań niezupełnych: poprzez sprzężenie pojemnościowe z obwodem wysokiego napięcia, z impedancją blokującą, mierzony jest pozorny ładunek każdego wyładowania, wyrażony w pikokulombach (pC). Pomiar ten może być wykonywany zarówno offline (kabel jest odłączany od napięcia i zasilany oddzielnie, zwykle ze źródła VLF), jak i online (kabel pozostaje w eksploatacji, z użyciem nieinwazyjnych czujników, takich jak wysokoczęstotliwościowy przekładnik prądowy, HFCT); przy prawidłowym układzie pomiarowym miejsce źródła PD wzdłuż kabla można ponadto ustalić za pomocą analizy różnicy czasu.

Tangens kąta strat VLF: uzupełniający, zbiorczo zorientowany wskaźnik

Obok pomiaru PD często mierzy się także tangens kąta strat (współczynnik strat dielektrycznych), zwykle z użyciem źródła o bardzo niskiej częstotliwości (VLF, zwykle około 0,1 Hz). Tangens kąta strat ocenia ogólne starzenie się izolacji jako całości, a nie poszczególne miejsca wad: pomiar jest zwykle wykonywany na kilku poziomach napięcia (na przykład 0,5×U0, 1,0×U0 i 1,5×U0, gdzie U0 to znamionowe napięcie fazowe względem ziemi), a wyraźny wzrost tangensa kąta strat przy rosnącym napięciu ("tip-up") wskazuje na początek aktywności PD w izolacji. Pomiar PD i tangensa kąta strat są więc często wykonywane razem: tangens kąta strat daje ogólny obraz stanu kabla, podczas gdy pomiar PD pozwala zlokalizować konkretną wadę.

Dlaczego jest to podejście predykcyjne, a nie reaktywne

Istotna różnica w porównaniu z metodami mostka Murraya i TDR polega na kolejności: te metody są stosowane po tym, jak kabel już uległ awarii, aby szybko znaleźć miejsce uszkodzenia w celu rozpoczęcia wykopów lub naprawy. Pomiary PD i tangensa kąta strat są natomiast wykonywane przed wystąpieniem awarii, jako okresowa diagnostyka na kablu, który wciąż w pełni funkcjonuje, aby wykryć rozwijającą się wadę i usunąć ją celowo (na przykład w konkretnej mufie) lub zaplanować wymianę, zanim ta wada doprowadzi do nieoczekiwanego wyłączenia.

Uwaga: interpretacja zmierzonego poziomu PD (w pC) jako "niepokojącego" lub "akceptowalnego" zależy w dużym stopniu od typu kabla, klasy napięcia i układu pomiarowego, i wymaga doświadczenia oraz danych porównawczych; nie istnieje bezwzględna wartość progowa w pC, jednakowo stosowana do każdego kabla i każdej metody pomiarowej.

Dlaczego trend jest ważniejszy niż pojedynczy pomiar

Jednorazowy, izolowany pomiar PD o podwyższonej wartości nie oznacza automatycznie ostrego ryzyka awarii — niektóre wady rozwijają się latami, inne szybciej. Rosnący trend z kolejnych, okresowych pomiarów tej samej mufy kablowej lub tego samego odcinka kabla jest znacznie silniejszym wskaźnikiem rzeczywiście postępującej wady niż pojedynczy zrzut stanu, i stanowi podstawę programu konserwacji predykcyjnej kabli średniego napięcia.

Znaczenie praktyczne

Przy okresowej ocenie stanu sieci kablowej średniego napięcia warto stosować pomiary PD i/lub tangensa kąta strat jako uzupełnienie zwykłych prób wytrzymałości napięciowej, zwłaszcza na starszych trasach kablowych lub w miejscach ze znanymi mufami i głowicami, oraz systematycznie rejestrować wyniki, aby trend z kolejnych pomiarów stał się widoczny, zamiast oceniać każdy pomiar w izolacji.

Częste błędy

1. Mylenie pomiaru PD z lokalizacją uszkodzenia kabla (mostek Murraya/TDR) — pomiar PD wykrywa jeszcze niezaistniałą, rozwijającą się wadę; mostek Murraya i TDR lokalizują już zaistniałe uszkodzenie.
2. Wykonywanie pomiarów PD lub tangensa kąta strat bez zarejestrowania pomiaru bazowego do późniejszego porównania trendu — bez danych porównawczych późniejszy pomiar jest trudny do zinterpretowania.
3. Traktowanie jednego podwyższonego pomiaru PD samego w sobie jako dowodu ostrego ryzyka awarii — rosnący trend z kilku pomiarów jest znacznie silniejszym wskaźnikiem niż pojedynczy pomiar.
4. Brak rozróżnienia między możliwościami pomiaru online i offline przy planowaniu pomiaru — kabel, którego nie można odłączyć od napięcia, wymaga techniki pomiaru online (na przykład HFCT), a nie układu offline VLF.

Powiązane materiały

• Lokalizacja uszkodzenia kabla mostkiem Murraya
• Lokalizacja uszkodzenia kabla metodą TDR (reflektometria w dziedzinie czasu)
• Materiał izolacyjny kabla (PVC/XLPE/EPR) i temperatura pracy
• Mufy kablowe — połączenia podziemne