Na przestrzeni ostatnich lat obserwujemy coraz więcej instalacji linii kablowych 110kV zarówno krótkich odcinków np. łączących transformator z rozdzielnią WN jak i dłuższych linii kablowych stanowiących skablowanie istniejących linii napowietrznych ew. instalowanie nowych odcinków. Tendencja ta jest spowodowana kilkoma czynnikami:
- Większe bezpieczeństwo przesyłu energii liniami kablowymi niż liniami napowietrznymi np. w miastach,
- Modernizacje istniejących linii napowietrznych tzw. wcinki,
- Spadek cen kabli jak i samych usług instalatorskich co za tym idzie inwestorzy coraz chętniej używają kabli zamiast linii napowietrznych,
- Integracja różnorodnych źródeł energii z istniejącą infrastrukturą za pomocą linii kablowych
Niestety na chwilę obecną jednak nie ma zunifikowanych wytycznych odnośnie wymagań co do badań odbiorczych linii kablowych WN i ich pełnego zakresu. Zakłady Energetyczne często mają własne wymagania, istnieją również normatywy harmonizujące oraz normy międzynarodowe. Powoduje to dość duże utrudnienia dla firm wykonawczych a szczególnie kosztorysantów tych firm, którzy nie będąc specjalistami w tej dziedzinie muszą założyć pewne koszty i wprowadzić je do budżetu danego projektu. Często bywa tak, że w projekcie nie jest wskazane wg. jakiego standardu czy normatywy mają być wykonane badania. Często spotykamy się z sytuacjami kiedy w projekcie jest wymóg badania odbiorczego w postaci próby napięciowej DC (napięciem stałym) potocznie nazwanym kenetracją (od nazwy urządzenia kenetron lub ABK-A). Koszty takiej prostej próby napięciowej są dużo niższe ale również próba nie przynosi żadnych korzyści a co więcej może spowodować awarię kabla później w eksploatacji. Związane jest to z zjawiskiem ładunku przestrzennego (ang. Space Charge) który może przyspieszyć degradację izolacji polietylenowej.
Drugą sprawą jest sam fakt, iż wiele firm zajmujących się budową linii kablowych nie posiada sprzętu do wykonania badań odbiorczych i badań po-naprawczych. Powód jest prosty: sprzęt ten jest relatywnie drogi w stosunku do cen usług badań po-montażowych (odbiorczych). Co więcej sprzęt ten wymaga obsługi oraz pewnej wiedzy odnośnie interpretacji danych pomiarowych. Czynniki te sprawiają, że firmy wykonawcze mają często trudności aby spełnić na czas oraz kwotowo wymagania które tak naprawdę często do końca nie są znane.
W 90% przypadków obecnie mamy do czynienia z takim zakresem badań po montażowych na nowych liniach kablowych 110kV:
Badania niskonapięciowe
- oględzinach zewnętrznych;
- pomiarze ciągłości żył głównych i powrotnych;
- sprawdzeniu kolejności podłączenia i oznaczenia faz;
- pomiarze rezystancji żył głównych i powrotnych;
- pomiarze pojemności faz;
- pomiar rezystancji izolacji głównej kabla przed i po próbie napięciowej
- próba napięciowa powłoki zewnętrznej z użyciem napięcia DC o wartości 10kV
Badania wysokonapięciowe
- Próba napięciowa
- Napięcie AC (ang. alternating current) napięcie przemienne o stałej amplitudzie w częstotliwości 20 – 300Hz
- Napięcie DAC (ang. damped alternating current) napięcie przemienne tłumione w częstotliwości 20-500Hz
- Pomiar WNZ (wyładowania niezupełne) wraz z identyfikacją WNZ oraz lokalizacją
Video przedstawiające badanie kabli wysokiego napięcia systemem HV DAC https://youtu.be/VcbLMeMDjgM
Zatem przyjrzyjmy się dokładniej badaniom wysokonapięciowym gdyż badania niskonapięciowe nie stanowią problemu i przeważnie firmy posiadają miernik rezystancji, urządzenie do badania pojemności oraz wymuszalnik prądowy wraz z pomiarem niskich rezystancji (mikroomomierze).
W pierwszej kolejności przytoczymy normatywy międzynarodowe i dokumenty harmonizujące tj:
IEC 60840 z 2011 (ang. International Electrotechnical Commission). Jest to norma która nie jest przetłumaczona na język polski nie mniej jednak wszyscy producenci kabli 110kV korzystają z niej jeśli chodzi o wykonywanie prób typu czy prób wyrobu. Pełna nazwa normy z ang. to (Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV (Um = 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) - Test methods and requirements) tłumacząć na język polski : Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć powyżej 30 kV do 150 kV metody badań i wymagania.
Tak więc bazując na tym międzynarodowym dokumencie również możemy uzyskać informację o metodzie prób napięciowych po instalacji. Tłumacząc paragraf 16.3 tego dokumentu odnoszący się do badań odbiorczych mamy następujące stwierdzenie: Próba napięciem a.c (alternating current) – napięcie przemienne powinna być ustalona pomiędzy właścicielem kabla oraz wykonawcą (instalatorem/wykonawcą) . Kształt napięcia powinien być istotnie (w dużym stopniu) sinusoidalny a częstotliwość tego napięcia powinna oscylować w granicach (20 Hz – 300 Hz). Napięcia prób podane są w tabeli 4 kolumna 10 i powinny być zadane przez 1 godzinę. Wartości napięć pokazane są w tabeli 1 w dalszej części tego dokumentu.
Dodatkowo istnieje zapis, że alternatywnie napięcie Uo (nominalne a w przypadku kabli 110kV to 64 kV wartości skutecznej) powinno być zadane przez 24 godziny. Tu rozumiemy próbę na jałowo bez obciążenia). W dokumencie nie ma informacji o badaniach diagnostycznych typu WNZ czy Tg delta dla badań odbiorczych po instalacji.
Następnym aktualnym dokumentem w którym możemy znaleźć informację o próbach napięciowych jest norma PN-HD 632 S3:2017- wersja angielska którą możemy zakupić na polskiej stronie Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN). W niniejszym dokumencie HD 632 w części 1 określono metody badań i wymagania dotyczące: osobno systemów kabli energetycznych, osobno kabli oraz osobno osprzętu kablowego. Część 1 dotyczy kabli do układania na stałe, na napięcie znamionowe powyżej 36 kV (Um = 42 kV) do 150 kV (Um = 170 kV) włącznie. W odpowiednich sekcjach części od 3 do 11 podano szczegółowo dodatkowe badania i wymagania, które mogą być niezbędne w związku z różną budową kabli i osprzętu oraz różnymi warunkami technicznymi sieci a nie zostały opisane w części 1.
Odnosząc się do tego dokumentu mamy następujące wymagania co do próby napięciowej (tłumaczenie z ang.): Napięcie próby powinno być podnoszone do wartości 2.5xUo i utrzymane przez 10 min. Jeśli użyty jest system rezonansowy a.c, częstotliwość napięcia powinna być utrzymana w zakresie (25Hz – 200 Hz).
Inną metodą jest próba napięciowa napięciem a.c. przez układ trzyfazowy w formie gwiazdy (połączony przez nieuziemioną 1 z faz) i przykładając wartość 1,7xUo do dwóch pozostałych . Długość próby 2x po godzinnie (zakładając zmianę fazy w układzie gwiazda). Jest to metoda raczej nie stosowana i często trudna do uzyskania (konfiguracja gwiazda).
Następną próbą opisaną w dokumencie jest próba napięciem oscylacyjnym tłumionym DAC (ang. oscillating voltage). Norma zaleca badanie do 3.0xUo a częstotliwość napięcia oscylacyjnego jest w granicach <200 Hz i ok.5 kHz>. Próba składa się z wyzwoleń napięcia (strzałów). Ilość wyzwoleń – 50 na każdą z faz .
Dokumentem w którym również opisane są metody badania kabli 110kV jest norma PN-EN 60060-3 2008 „Wysokonapięciowa technika probiercza część 3: Definicje i wymagania dotyczące prób w miejscu zainstalowania”. W tej normie nie mamy podziału na zakres napięciowy, opisane są źródła napięcia oraz wymagane parametry. W paragrafie nr 10 tej normy mamy opisany system oparty na napięciu oscylacyjnym gdzie istnieje informacja iż częstotliwość napięcia powinna być niższa niż 1000 Hz wartość napięcia dla próby powinna być ustalona przez właściwy komitet techniczny (cokolwiek ma to oznaczać), który może także określić kryteria przyjęcia dla odpowiednich aparatów wysokiego napięcia. W paragrafie nr 6 mamy opisaną metodę opartą na napięciu przemiennym. Zgodnie z zaleceniami normy częstotliwość napięcia a.c. powinna być w zakresie 10 Hz – 500 Hz jeśli komitet techniczny nie wprowadził innych ograniczeń. Kształt napięcia powinien być zbliżony do sinusoidy, o symetrycznym względem siebie półokresach. Dwa układy probiercze napięcia a.c. są opisane w podparagrafach 6.3.3.1 i 6.3.3.2 tj: Transformatorowy układ probierczy i szeregowy układ rezonansowy. Norma nie podaje wartości dla napięć probierczych dla kabli 110kV.
Reasumując informację zawarte w wyżej wymienionych normatywach jak i systemy komercyjnie dostępne w Polsce i na świecie mamy dwie możliwości odnośnie systemów probierczych:
- System rezonansowy oparty na napięciu a.c. (w formie transformatora zainstalowanego na pojeździe lub naczepie/przyczepie) wytwarzającego napięcie a.c. o stałej amplitudzie i kształcie sinusoidalnym o częstotliwości między 20 – 300 Hz wg. IEC 60840, między 25- 200 Hz wg PN-HD 632 s3 oraz 10 Hz – 500 Hz wg PN-EN 60060-3,
- System oparty o napięcie a.c. tłumione (oscylacyjno-tłumione) opisywane w normatywach jako napięcie DAC (ang. damped AC) w częstotliwości niższej niż 1000 Hz,
- Alternatywie możemy użyć próby na jałowo dla napięcia Uo -24 godziny
W każdym z powyżej przytoczonych przypadków (prób napięciowych) możemy wykonać próby na zmostkowanych 3 fazach L1L2L3 połączonych równolegle. Przytoczone normy nie specyfikują badań diagnostycznych.
Co do czasu i wartości napięcia probierczego w to mamy dwie możliwości również
- Dla napięć a.c. próba powinna trwać 1h dla napięcia 2.0xUo oraz 10min. dla wartości napięcia 2.5xUo.
- Dla napięć DAC (napięcie oscylacyjno-tłumione) próba powinna trwać 50xDAC (50 wyzwoleń napięcia DAC) dla napięcia 3.0xUo wg. PN-HD 632 s3
Jeśli w przypadku napięcia rezonansowego mamy odczynienia z prostą regułą: wyższe napięcie probiercze – to krótszy czas próby to już w przypadku napięcia oscylacyjnego tłumionego DAC nie jest to już ta kwestia tak prosta. W pierwszej kolejności częstotliwość nie jest zbieżna dla normy PN-HD 632 S3 a wytycznymi np. PN-EN 60060-3. Po drugie czas próby nie jest określony w sposób jednoznaczny.
Z pomocą przychodzi dokument (wytyczne) IEEE400.4 2015. „Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Rated 5kV and Above with Damped Alternating Current (DAC) Voltage”.
Nie jest to norma polska ale przewodnik amerykański wydany przez IEEE (Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników). IEEE jest organizacją typu non-profit skupiająca osoby zawodowo związane z elektrycznością i elektroniką, a także pokrewnymi dziedzinami. W dokumencie tym mamy opisaną metodę DAC wraz z parametrami i wytycznymi odnośnie wykonywania prób napięciowych. Parametry jak i wytyczne zawarte w tym dokumencie zostały ustalone na podstawie wieloletnich badań i doświadczeń środowisk naukowych oraz instytutów badawczych. Przytaczając zatem ten dokument, mamy następujące wymagania prób napięciowych odnośnie nowych kabli 110kV: Częstotliwość napięcia DAC powinna wynosić (20 Hz – 500 Hz). Ilość wyzwoleń napięcia DAC – 50xDAC, a wartość napięcia probierczego powinna wynosić 2.0xUo. Dokument również opisuje metody pomiaru WNZ oraz stratności dielektrycznej (Tg delta) przy wykorzystaniu napięcia DAC.
W zakładach energetycznych wymagania odnośnie prób napięciowych dla nowo zainstalowanych kabli 110kV są ustalane na podstawie własnych doświadczeń oraz bazują na informacjach zawartych w/w normach i dokumentach.
W tabeli 1 przedstawione są aktualne na dzień dzisiejszy wymagania co do prób napięciowych oraz zakresu diagnostyki. Oczywiście wybór sprzętu zależy od dostępności i ceny nie mniej jednak pokażemy również dlaczego warto korzystać z systemów DAC przy próbach napięciowych w dalszej części tego artykułu.
Tabela 1. Wytyczne zakładów energetycznych odnośnie próba napięciowych i diagnostyki linii kablowych 110kV
Jak wynika z tabeli 1, tylko w przypadku Energa Operator i Enea Operator mamy dokładnie sprecyzowany system pomiarowy i dodatkowo podany wykaz badań diagnostycznych. Na dzień dzisiejszy nie jesteśmy w stanie wskazać innych normatywów lub wytycznych w wymienionych zakładach energetycznych poza tymi które są oficjalnie dostępne w sieci internetowej. Niemniej jednak bazując na doświadczeniach zebranych z kilku ostatnich lat podczas badań odbiorczych wynika jasno, że sami wykonawcy, instalatorzy przekonali się o potrzebie zastosowania diagnostyki kabli 110kV (oprócz próby napięciowej dodatkowej). Firmy wykonawcze chcąc sprostać wymogom inwestorów starają się zapewnić pełen zakres badań odbiorczych a co za tym idzie zapewnić odbiorcę (inwestora), że linia kablowa wchodząca na majątek sieciowy jest w pełni sprawna i nie ukrywa żadnych błędów instalatorskich (montażowych). Podejście to wydaje się bardzo rozsądne a wykonanie dodatkowych badań wraz z próbą napięciową nie jest technicznie skomplikowane. Wiadomo powszechnie iż sama próba napięciowa jest próbą zero-jedynkową. Kabel może wytrzymać próbę lub ulec awarii podczas próby. W przypadku monitorowanej (przez pomiar WNZ) próby napięciowej, mamy dodatkową informację o stanie izolacji, muf czy głowic. Co za tym idzie nawet mimo udanej próby napięciowej (brak przebicia) jesteśmy w stanie określić poprawność montażu kabla jak i akcesoriów kablowych (muf i głowic). Jest to informacja istotna gdyż udokumentowane są przypadki gdy linia kablowa została dopuszczona do eksploatacji (po próbie napięciowej) ale uległa awarii np. 3 miesiące od załączenia. W takich przypadkach koszty naprawy i przestoju linii mogą być bardzo wysokie. Statystyki firmy Megger pokazują iż błędy w montażu muf oraz głowic kablowych w 90% przypadków są wykrywane na podstawie właśnie diagnostyki WNZ do 2.0xUo. Doświadczenia firmy Megger pokazują, iż wiele defektów w mufach kablowych czy głowicach ma zapłon powyżej wartości 1.6 – 1.8xUo i są wykrywane podczas podnoszenia napięcia probierczego a nie w samej fazie próby napięciowej. W odróżnieniu od punktowej lokalizacji WNZ w kablu integralny pomiar Tg delta wydaje się nieuzasadniony w przypadku nowych linii kablowych i przez firmy eksploatacyjne (energetyczne) niewymagany. W istocie jest to parametr diagnostyczny który bardziej sprawdza się na izolacjach zestarzałych i eksploatowanych przez długie lata jako wytyczna strat dielektrycznych. Istotną sprawą jest też fakt iż Tg dleta jest trudno mierzalny przy systemach rezonansowych a.c. (o stałej amplitudzie).
W tabeli 2 umieściliśmy podstawowe dane i możliwości dwóch systemów: rezonansowego opartego na napięciu a.c. i rezonansowego opartego na napięciu oscylacyjno –tłumionym DAC.
Tabela 2. Cechy systemów do prób napięciowych kabli WN: a.c. rezonansowego i DAC rezonansowego tłumionego.
|
Systemy rezonansowe a.c (20-300 Hz)
|
Systemy rezonansowe DAC (20-500 Hz)
|
|
Stała amplituda fali napięciowej oscylacyjnej sinusoidalnej
|
Tłumiona amplituda fali oscylacyjnej sinusoidalnej
|
|
Pomiar WNZ może odbywać się zgodnie z IEC 60270 [ kalibracja w pico-coulombach pC] ale częściej stosowane są systemy pomiaru metodą indukcyjna lub pojemnościową (czujniki) lokalnie na głowicach i mufach kablowych
|
Pomiar odbywa się zawsze metodą zgodną z IEC 60270 [kalibracja w pico-coulombach pC]. Pomiar WNZ jest zintegrowany w systemie i nie wymaga dodatkowych czujników, systemów pomiarowych. Możliwa precyzyjna lokalizacja WNZ na podstawie analizy TDR
|
|
W przypadku próby napięciowej na kablach powyżej 3-4 km potrzebne dodatkowe systemy (kaskada) i przerwy w próbie aby nie przegrzać transformatorów
|
Możliwość próby na kablach o długości nawet 20 km bez konieczności łączenia systemów. Brak konieczności przerw podczas próby na długich odcinkach kablowych.
|
|
Waga ok. 40 ton – jeden system pozwalający na wygenerowanie 128 kV (2.0xUo)
|
Waga ok. 1000 kg - jeden system pozwalający na wygenerowanie 128 kV (2.0xUo)
|
|
Instalacja systemu (ok. 8 godzin)
|
Instalacja systemu (ok. 1 godziny)
|
|
Cena systemów w zależności od producenta i dodatkowych opcji w zakresie 900 tyś Euro – 2 miliony Euro, dodatkowe koszty: w formie ciągnika siodłowego, generatora prądotwórczego dużej mocy, obsługi
|
Cena systemów w zależności od producenta i dodatkowych opcji w zakresie 600 kEuro – 1 milion Euro, dodatkowe koszty: samochód do przewozu furgon 3,5t DMC, zasilanie 230 VAC lub 400VAC z generatora min 3kVA.
|
|
Badania wg IEC, PN-HD, VDE, EN, IEEE
|
Badania wg IEC, PN-HD, VDE, EN, IEEE
|
Firma Megger Sp. z o.o oferuje pomiary odbiorcze na kablach WN (110kV i 220kV). Bazując na doświadczeniu i normatywach polskich i międzynarodowych do prób napięciowych kabli 110kV zalecamy system DAC.
Zalecane parametry próby napięciowej:
- 1/ częstotliwość fali: oscylacyjno-tłumionej w zakresie 20-500 Hz.
- 2/ pomiar WNZ do 2.0xUo (Uo-64kV wartość skuteczna)
- 3/ monitorowana próba napięciowa 1 godzinna dla 2.0xUo
Próba napięciowa DAC 2.0xUo na kablu 110kV z wykorzystaniem systemów marki Megger HV DAC 300.
W przypadku pytań prośba o kontakt:
Piotr Cichecki, Specjalista ds. Energetyki w firmie Megger