Экспериментальная оценка возможности контроля состояния изоляции силового кабеля по спектру электромагнитных помех в радиочастотном диапазоне

Полагая, что силовой кабель под нагрузкой представляет собой практически линейную систему, действия электрического и магнитного полей рассматривают отдельно, используя принцип наложения. Учитывают воздействие электрического поля на свободные заряды в диэлектрике, приводящее к возникновению токов утечки, и поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе, влияющие на появление токов смещения. Анализируют явления, обусловленные магнитным полем: увеличение электрического сопротивления токопроводящих жил кабеля за счёт поверхностного эффекта; появление электродинамических усилий; магнитные потери в металлических оболочках кабеля.

Однако, на наш взгляд, процессы, происходящие в изоляции силового кабеля, необходимо рассматривать как результат воздействия единого электромагнитного поля, не разделяя его на электрическую и магнитную составляющие [1]. Данные процессы влияют на степень старения изоля ции в условиях эксплуатации силовых кабелей [2].

Частичные разряды, происходящие во включениях в изоляции, например в газовых включениях или по водным триингам, генерируют импульсные электрические сигналы. Данные сигналы распространяются по электрически связанным цепям и излучаются в виде электромагнитных волн в окружающую среду. Вопрос зависимости частотных характеристик сигналов частичных разрядов от дефектов в изоляции является дискуссионным. Как правило, частичные разряды в бумажно-масляной изоляции имеют короткую длительность и как следствие широкий частотный диапазон, перекрывающий практически все частоты до 1 ГГц.

Электропроводность технических диэлектриков обусловлена наличием небольшого числа свободных зарядов, связанных с наличием примесей, либо продуктов окисления, возникающих в результате нагрева и старения изоляции в процессе эксплуатации. В режиме холостого хода при пере-

♦Исследования проведены с применением оборудования лаборатории электромагнитной совместимости ЮжноУральского государственного университета, приобретённого в рамках национального проекта «Образование».

менном напряжении сила, действующая на данные заряды, определяется интенсивностью электрического поля. В нагрузочных режимах работы силового электрического кабеля при протекании по жилам переменного тока на заряды в диэлектрике действуют электрическое и магнитное поля, обусловленные данным током. Результат их совместного действия, как известно, определяется результирующей силой, которую иногда также называют силой Лоренца [3]:

F = ^ + ?(v5), (1) где F - результирующая сила; q - алгебраическая величина движущегося заряда; Ё - напряжённость электрического поля; v - скорость движения заряда; В - магнитная индукция поля, в котором движется заряд.

Для экспериментальной оценки влияния электромагнитного поля на интенсивность и спектральный состав утечек в изоляции кабеля в радиочастотном диапазоне нами были проведены исследования на действующих кабелях в городских электрических сетях. Исследования проводились в ячейках 6 кВ трансформаторных подстанций на заземляющем проводнике, идущем от оболочки силового кабеля (рис. 1). Использовалось поверенное оборудование: измерительный приёмник для измерения различного рода электромагнитных помех ESPI 3 ROHDE&SCHWARZ в диапазоне до 3 ГГц; антенна магнитная активная ЕМСО 6507, диапазон частот 1 кГц-30 МГц; антенна электрическая активная, ЕМСО 3301 В, диапазон частот 1 кГц - 30 МГц; измеритель и анализатор электрического и магнитного полей EFA-300 NARDA в диапазоне частот 1 - 32000 Гц; поглощающие клещи MDS-21, предназначенные для измерения мощности индустриальных радиопомех в сетях электропитания в радиочастотном диапазоне. Поглощающие клещи, охватывающие провод, содержат ферритовые поглотители энергии радиопомех. Спектрограммы снимались многократно при различном состоянии силового кабеля:

кабель отключен; кабель под напряжением без нагрузки; кабель под напряжением и нагрузкой.

Отдельные результаты исследований на одном из кабелей марки ААШв сечением 3x120 мм2 и длиной 660 м приведены на спектрограммах рис. 2-5.

Анализ экспериментальных спектрограмм (рис. 2-5) показал изменение мощности помех, снятых с заземляющего проводника КЛ, обусловленных как внешними источниками, так и утечками в изоляции (спектром частичных разрядов) от действия электрического и магнитного полей. Так, отмечается всплеск на частотах 9-20 МГц при включении кабеля под напряжение, кроме того наблюдается всплеск на 162 МГц. При нагрузке на кабеле в 40 А проявляются всплески на 460 и 591 МГц. Проводя анализ спектрограмм необходимо учитывать естественный шум, обусловленный радио- и телевизионными станциями, сотовую связь (она ярко проявляется на спектрограммах рис. 2-5 в районе 900 МГц). Практически во всех снятых спектрограммах наблюдалась разница спектров при включении кабеля под напряжение на холостом ходу и подключении кабеля под нагрузку.

Предположим, что в исходном состоянии к жилам кабеля приложено напряжение, но нагрузка отсутствует. Тогда под действием напряжённости поля на заряд будет действовать сила, определяемая равенством:

F_E=Eq. (2)

Под действием этой силы свободные заряды в изоляции кабеля начинают перемещаться вдоль силовых линий напряжённости поля. Направления перемещения зарядов можно представить в виде элементарных проводников, по которым протекает ток утечки 7у.

Если по жилам кабеля протекает ток нагрузки, создающий вращающийся магнитный поток, то на элементарный проводник с током утечки будет действовать сила Ампера, определяемая равенством [3]:

Р_К=В1₃Ц, (3)

Рис. 1. Схема экспериментальных исследований

Рис. 2. Спектрограмма № 1, фон в ТП, наводки на клещах (клещи без провода)

Рис. 3. Спектрограмма № 2, КЛ без напряжения

где /э - длина элементарного проводника, равная расстоянию между жилами.

Вторая составляющая силы Лоренца (1), действующая на каждый заряд со стороны магнитного поля, и сила Ампера, действующая на элементарные проводники с током утечки, имеют одинаковую природу, так как упомянутые токи представляют собой направленное движение зарядов, на которые воздействует магнитное поле, обусловленное током нагрузки.

Для оценки степени разрушающего воздействия, связанного с воздействием на свободные заряды магнитного поля от тока нагрузки, рассмотрим сравнение по выделяемым активным мощностям как основополагающим в развитии пробоя диэлектрика и характеризующим рассеивание энергии электрического и магнитного полей в диэлектрике. Рассчитаем и проанализируем количественные выражения выделяемых активных мощностей за счёт воздействия кругового вращающе- Серия «Энергетика», выпуск 11

гося магнитного поля на свободные заряды в диэлектрике и за счёт электропроводности и диэлектрических потерь, обусловленных электрическим полем.

Ток утечки между двумя жилами кабеля, протекающий под действием номинального линейного напряжения, можно рассчитать:

^УФ — ^ном ® ^ф ’ (4)

где о = 2 тг/ - угловая частота.

Тогда сила Ампера, действующая на элементарные проводники, по которым протекает ток утечки, обусловленный линейным напряжением между двумя соседними жилами, составит

F>^=Bl₃I^. (5)

Определим мощность, выделяемую при совершении работы по перемещению свободных зарядов (элементарных проводников с токами утечки) под действием магнитного поля.

Рис. 4. Спектрограмма № 3, КЛ под напряжением без нагрузки

Рис. 5. Спектрограмма № 4, КЛ под напряжением, нагрузка 40 А

Так как токи утечки протекают вдоль силовых линий напряжённости электрического поля, то длина элементарного проводника с током утечки равна толщине изоляции. Вектор магнитной индукции при этом перпендикулярен вектору напряжённости поля и направлению протекания тока утечки. Сила по перемещению зарядов направлена по правилу левой руки, то есть вдоль оси кабеля. Для определения данной мощности можно провести аналогию с определением электромагнитной мощности при вращательном движении ротора электрической машины, определяемой по рекомендациям [4]:

^ЭМ ~ ® ^ЭМ ’ (6) где о - угловая скорость вращения ротора; Мэм -электромагнитный момент.

Значение электромагнитного момента определяется произведением силы Ампера F_A, действующей на проводники обмотки ротора, на радиус ротора:

^эм

где D_p - диаметр ротора.

Тогда выражение электромагнитной мощности можно представить в виде

Таким образом, мощность, выделяемая при совершении работы по перемещению свободных зарядов под действием магнитного поля, равна произведению длины перемещения, частоты сети и силы, воздействующей на заряды.

Поскольку перемещение зарядов осуществляется вдоль длины кабеля под действием силы Ампера, то

Pa=VFa-          (9)

Мощность, выделяемая активной составляющей тока утечки в промежутках между жилами, можно рассчитать по формуле:

P^^UI^tgS.         (10)

Таким образом, наличие нагрузки в жилах кабеля приводит к созданию кругового вращающегося магнитного поля, вызывающего магнитные потери в оболочке кабеля и к дополнительному воздействию на изоляцию.

Разрушающее воздействие на диэлектрик магнитного поля, вероятно, схоже и соизмеримо с действием электрического поля и, следовательно, связано с усилением электрохимических процессов, приводящих к изменениям в структуре диэлектрика и развитию пробоя. Наличие магнитного поля увеличивает износ изоляции в рабочих режимах на несколько процентов по сравнению с износом от действия электрического поля [1]. При этом, за время действия устройств релейной защиты при протекании токов двух и трёхфазного короткого замыкания, кабель будет испытывать разрушающее воздействие от магнитного поля, соизмеримое с действием электрического поля. Изгиб кабеля или наличие реактивной составляющей нагрузки кабеля приведёт к изменению взаимного расположения вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции, что повлияет на изменение значений токов утечки как между фазами, так и между жилами и оболочкой и изменит соотношение разрушающего воздействия на изоляцию электрического и магнитного полей.

Для оценки возможности контроля состояния изоляции, используя метод регистрации спектра электромагнитного поля, дистанционным способом оценивалось электромагнитное поле непосредственно в трансформаторной подстанции и на удалении в 10 м от неё. Измерения проводились над сборными шинами, делая попытку установить суммарные импульсы частичных разрядов всех отходящих силовых кабелей данной трансформаторной подстанции, некоторые результаты приведены на рис. 6-8.

На рис. 8-9 представлены спектрограммы над кабельной линией (типа ААБл 3x150 мм2) и дефектной муфтой (типа ЗСТП - 10/120-240), смонтированной на данном кабеле, при токе в 40 А.

RBW    9 kHz Delta

МТ     100 ms

Рис. 6. Спектрограмма электрического поля на улице

RBW 9 kHz Datta 4 мт юо ms               is. *>е аг

Рис. 7. Спектрограмма электрического поля над сборными шинами 6 кВ в трансформаторной подстанции

Частота, Гц

Рис. 8. Спектрограмма магнитного поля над кабелем в диапазоне частот 5-5000 Гц

9 S

к 3

Частота, Гц

Рис. 9. Спектрограмма магнитного поля над муфтой в диапазоне частот 5-5000 Гц

Анализ спектрограмм рис. 6-7 показал, что использование методик оценки ресурса изоляции силового кабеля по спектру электромагнитного излучения при контроле непосредственно на трансформаторной подстанции, а не над местом дефекта рис. 8-9, затруднено ввиду короткой длительности импульса помех от разрядов в изоляции, внешних и внутренних помех в электрической сети, затухания сигналов в длинных сетях. Отсутствуют статистические массивы данных, определяющие связь спектра электромагнитного поля с видом дефекта в изоляции.

Выводы

• 1.    Проведенные экспериментальные исследования показали, что электромагнитная обстановка вблизи силовых кабелей напряжением 6-10 кВ определяется широкополосным излучением: от гармоник частоты электропитания и от утечки по изоляции КЛ.

• 2.    Теоретические и экспериментальные исследования показали необходимость учёта совместного воздействия переменного электрического и магнитного полей на процессы, происходящие в изоляции силового кабеля.

• 3.    Необходимо проведение дальнейших ресурсных исследований по определению влияния

• 4.    Предполагается продолжить исследования по выявлению связи между интенсивностью и спектральным составом внешнего электромагнитного поля силового кабеля и возможными дефектами изоляции. Указанные массивы должны включать в себя следующие данные: физические характеристики спектрального состава в широком диапазоне частот магнитного и электрического полей; составляющие векторов напряжённости поля по координатам х, у, z.

магнитной составляющей электромагнитного поля на состояние изоляции силового кабеля.