Badanie kabla VLF — dlaczego kabel średniego napięcia bada się przy 0,1 Hz zamiast przy częstotliwości sieciowej po ułożeniu lub naprawie

Przewodnik o pomiarze wyładowań niezupełnych (PD) i tan-delta opisuje pomiar diagnostyczny, który ocenia stan kabla średniego napięcia bez celowego obciążania izolacji do granicy wytrzymałości. Ten artykuł opisuje inny rodzaj badania na tym samym kablu: badanie kabla VLF (very low frequency) — próbę wytrzymałości elektrycznej (withstand test), wykonywaną po ułożeniu, naprawie lub montażu mufy lub głowicy kablowej, aby potwierdzić, że kabel jest w stanie wytrzymać podwyższone napięcie przez określony czas bez przebicia. Wiodącą wytyczną międzynarodową w tym zakresie jest IEEE 400.2, opisująca badanie i diagnostykę VLF dla kabli średniego napięcia z izolacją wytłaczaną.

Dlaczego nie badać po prostu przy częstotliwości sieciowej

Najbardziej oczywistym sposobem zbadania kabla byłoby przyłożenie podwyższonego napięcia przy normalnej częstotliwości sieciowej (50 Hz) — porównywalnie do normalnej eksploatacji, lecz na wyższym poziomie. Problemem jest obciążenie pojemnościowe: długi kabel średniego napięcia ma znaczną pojemność, a prąd potrzebny do naładowania i rozładowania tej pojemności przy częstotliwości sieciowej (reaktywny prąd ładowania) rośnie proporcjonalnie do częstotliwości. Dla wystarczająco długiego kabla transformator probierczy przy 50 Hz musiałby mieć niepraktycznie dużą i ciężką moc, aby dostarczyć samego tego prądu ładowania — nieodpowiednie dla przenośnego, polowego zestawu badawczego.

Zasada: to samo napięcie, znacznie niższa częstotliwość

Przykładając napięcie probiercze przy silnie obniżonej częstotliwości — powszechnie stosuje się 0,1 Hz, czyli 500 razy niższą niż częstotliwość sieciowa — potrzebny prąd ładowania (a więc i potrzebna moc badania) dla tej samej pojemności kabla maleje proporcjonalnie. Umożliwia to zastosowanie kompaktowego, przenośnego zestawu badawczego, który mimo to jest w stanie doprowadzić kabel o znacznej długości do odpowiedniego napięcia probierczego. Przy tej niskiej częstotliwości izolacja kabla jest nadal obciążana porównywalnym natężeniem pola elektrycznego, co przy częstotliwości sieciowej — to napięcie, a nie sama częstotliwość, obciąża materiał izolacyjny.

Powszechnie stosowane przebiegi

IEEE 400.2 uznaje kilka typów przebiegu napięcia probierczego VLF:

• Sinusoidalny VLF: gładkie, sinusoidalne napięcie przy 0,1 Hz — najbliższe kształtowi normalnego napięcia roboczego, ale zwykle wymaga najcięższego sprzętu badawczego. Tradycyjnie stosowane do kabli do około 69 kV; edycja z 2024 r. rozszerzyła zakres wytycznej na kable o napięciu znamionowym od 5 kV wzwyż, znosząc wcześniejszą stałą górną granicę.
• Kosinusoidalno-prostokątny VLF: przebieg szybko przełączający się między dwiema biegunowościami i utrzymujący między przełączeniami niemal stałe napięcie, co pozwala zestawowi badawczemu obejść się znacznie mniejszą mocą niż przy czysto sinusoidalnym przebiegu.
• Tłumione napięcie przemienne (damped AC, DAC): wyładowanie rezonansowe dające krótkotrwały, tłumiony przebieg sinusoidalny, często łączony z równoczesnym pomiarem wyładowań niezupełnych.

Napięcie i czas trwania badania

Próba wytrzymałości elektrycznej VLF jest zwykle wykonywana przy napięciu probierczym rzędu 2,5 do 3 razy znamionowego napięcia fazowego kabla względem ziemi, przez okres od 15 do 60 minut (przy 30 minutach jako powszechnej wartości domyślnej) — wystarczająco długo, aby doprowadzić do przebicia marginalną wadę powstałą podczas ułożenia lub naprawy (uszkodzoną izolację, zanieczyszczenie, nieprawidłowo zmontowaną mufę lub głowicę kablową), zanim kabel zostanie oddany do eksploatacji, bez niepotrzebnego obciążania zdrowej izolacji prawidłowo ułożonego kabla.

Uwaga: dokładne napięcie probiercze, czas trwania i przebieg wynikają z odpowiedniej normy, poziomu napięcia i typu izolacji konkretnego kabla oraz z tego, czy chodzi o badanie po nowym ułożeniu, czy po naprawie (dla której zwykle obowiązuje niższe napięcie probiercze niż dla nowego ułożenia); ten artykuł opisuje zasadę, a nie gotową tabelę badań dla każdego kabla.

Znaczenie praktyczne

Po naprawie kabla średniego napięcia (na przykład po zlokalizowaniu i usunięciu uszkodzenia kabla, zobacz przewodnik o lokalizacji uszkodzeń mostkiem Murraya) nowo zamontowana mufa lub głowica kablowa musi zawsze zostać sprawdzona próbą wytrzymałości elektrycznej VLF przed ponownym oddaniem kabla do eksploatacji — naprawa, która wizualnie wygląda poprawnie, może nadal zawierać ukrytą wadę montażową, która ujawnia się dopiero pod podwyższonym napięciem probierczym.

Typowe błędy

1. Ponowne oddanie kabla do eksploatacji po naprawie bez próby wytrzymałości elektrycznej — wizualnie poprawnie wyglądająca mufa lub głowica kablowa może zawierać ukrytą wadę montażową, która przebija się dopiero przy podwyższonym napięciu.
2. Zastosowanie napięcia probierczego lub czasu trwania z normy dla nowego ułożenia do sytuacji naprawy, lub odwrotnie — obie sytuacje mają zwykle różne, specjalnie do nich przeznaczone poziomy badania.
3. Mylenie próby wytrzymałości elektrycznej VLF z diagnostyką PD lub tan-delta — próba wytrzymałości elektrycznej wykazuje, że izolacja wytrzymuje określone napięcie przez określony czas, ale w przeciwieństwie do pomiarów PD lub tan-delta nie dostarcza ilościowego trendu stanu izolacji w czasie.
4. Nieuwzględnianie już podłączonego osprzętu kabla (muf, głowic kablowych) podczas badania VLF — badany jest cały łańcuch kabla i osprzętu, więc słaby punkt w osprzęcie może spowodować, że skądinąd zdrowy kabel nie przejdzie badania.

Powiązane

• Pomiar wyładowań niezupełnych (PD) i tan-delta na kablach SN
• Stożek naprężeniowy przy głowicy kabla średniego napięcia
• Mufy kablowe — podziemne połączenia i naprawy kabli
• Lokalizacja uszkodzeń kabla mostkiem Murraya