Középfeszültségű kábelhálózat rendelkezésre állásának vizsgálata a polietilén szigetelés öregedése

Átírás

1 ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK Középfeszültségű kábelhálózat rendelkezésre állásának vizsgálata a polietilén szigetelés öregedése Tárgyszavak: kábel; kábelhálózat; öregedés; rendelkezésre állás; szigetelésdiagnosztika. A rendelkezésre állásra alapozott költségvizsgálat A teljes villamosenergia-hálózat értékének 80%-át a középfeszültségű kábelhálózat teszi ki. Így a még megbízható, üzemképes kábelek cseréje jelentős többletköltségeket okoz, azonban a már elöregedett kábelek hibái az energiaellátás kimaradásával járó veszteségeket okozhatnak. A kábelek állapotának, öregedési folyamatának, hibáinak intelligens módszerekkel végzett meghatározása a költségek optimálását teszi lehetővé (1. ábra). A 20 kv-ig terjedő feszültségtartományban a költségek cél a hálózati költségek csökkentése az üzemeltető tőke- és üzemi költségei kiindulási helyzet új, intelligens módszerek alkalmazása az összes költség minimuma rendelkezésre állás az ellátás megszakadása következtében az ügyfeleknél felmerülő költségek 1. ábra A hálózat rendelkezésre álláson alapuló költségei

2 leggyakrabban alkalmazott polietilén szigetelésű kábelek célra vezető karbantartási stratégiájának kidolgozásához az ilyen kábelek bonyolult leromlási folyamatának jellemzőit kell megismerni. A kábel állapota A polimer szigetelésű kábel villamos szilárdsága a működése közben ható térerősség, maradék nedvesség és hőmérsékleti igénybevétel következtében idővel csökken, aminek következménye az átütés valószínűségének növekedése. A kábel állapotát megadó paraméter a k U 0 maradék villamos szilárdság a névleges fázis föld feszültség többszöröse. Ez a kábel reális élettartamáról, az üzem közben fellépő igénybevételtől függő, elhasznált élettartamról tájékoztat. A 2. ábra használt 20 kv-os VPE-kábelek (térhálós polietilén szigetelésű) mért maradék villamos szilárdságát mutatja az években megadott üzemidő függvényében. Látható, hogy a kábel reális élettartama nincs korrelációban a névleges élettartammal, a tényleges üzemidővel. A tapasztalatok szerint pl. 12 év működés után még 2 U 0 és 15 U 0 közötti maradék villamos szilárdságokat mértek; ez csak az egyes kábelrendszerek különböző öregedési és károsodási történetével magyarázható maradó maradó villamos villamos szilárdság, szilárdság, kv kv lineáris trend üzemidő, üzemidő, év év U 0 maradó villamos v szilárdság, s z ág, U 0 2. ábra Üzem közben öregedett, VPE-szigetelésű, 20 kv-os kábelek maradó villamos szilárdsága az üzemidő függvényében

3 A kábel öregedése és meghibásodásai A középfeszültségű kábelszakaszok karbantartásának, felújításának tervezésére a kábel névleges kora nem alkalmas, ezért a tönkremenetel valószínűségének megismeréséhez az egyes kábelek állapotát mérésekkel kell meghatározni. Két alapvető meghibásodási mechanizmust, a szigetelés öregedését és sérülését (betegségét) különböztetik meg. Az öregedés fogalmához tartozik a dielektrikum teljes térfogatában, homogén eloszlásban fellépő valamennyi negatív változása, amelyek következménye a villamos szilárdság globális, irreverzibilis csökkenése. Az okok hosszabb ideig zajló, a részben kristályos polimer molekuláris szerkezetét megváltoztató elektrokémiai és elektrofizikai folyamatok. Lényegében ezek közé tartoznak az oxidáció és a nagy energiájú, szabad töltéshordozók (polimergyökök képződése és karbonilcsoportok keletkezése) hatásai. A meghibásodást a szigetelés sérülésével magyarázva a dielektrikumot csak helyileg, pontszerűen károsító jelenségek írhatók le. Ebbe a csoportba tartozik valamennyi részkisülés-jelenség, valamint a szerelés vagy fektetés közben keletkezett mechanikai hibák. Gyakorlati működés közben öregedett polimerben a lokális és a globális folyamatok komplex módon szuperponálódnak. A szigetelőképesség és az élettartam összefüggése A 3. ábrán felismerhető, hogy a szigetelés állapotváltozásának, fizikai kémiai mechanizmusainak okozati elhatárolása lehetővé teszi plauzibilis, állapotorientált karbantartási stratégia kidolgozását. A polimer szigetelésű kábel maradék villamos szilárdsága az élettartam növekedésével csökken. Karbantartás nélkül ez a kábel nagy költségeket okozó meghibásodásához vezetne. Ennek oka lehet helyi károsodás (a t A,S időpontban) vagy a globális öregedés (a t A,A időpontban). Ha a maradék villamos szilárdság (a t D1 és a t D4 időpontokban) egy meghatározott karbantartási szint alá csökken, akkor e csökkenés okának felismerése szükséges és költségoptimális karbantartási tevékenység megválasztásához ad kulcsot. Ha az ok pl. egy helyi gyengepont (a t D1 időpontban meghatározva), akkor a műszaki és gazdasági szempontból ésszerű tennivaló a sérült (rövid) kábelszakasz javítása. Ezzel elérhető lenne a még nem károsodott szigetelés további működéshez szükséges, megfelelő villamos szilárdsága. Ezzel szemben a t D4 időpontban a szigetelés térfogatában, a globális öregedés következtében egyenletesen, olyan mértékben csökkent a maradék villamos szilárdság,

4 hogy a kábel elérte élettartama végét. Ebben az esetben csak a teljes kábelszakasz cseréjével állítható helyre az üzemképes állapot. Így az öregedés és a károsodás megkülönböztetése a kábel cseréje vagy a javítás közötti választás alapja, ami egy kábelszakasz élettartamának maximális kihasználását teszi lehetővé. szigetelőképesség helyi károsodás globális öregedés karbantartási szint üzemi terhelés t D1 t D2 t D3 t D4 t D0 t A,S t A,A üzemidő javítás csere 3. ábra A szigetelőképesség függése az üzemidőtől t A,S : a szigetelés károsodása által okozott üzemzavar időpontja; t A,A : a szigetelés öregedése által okozott átütés időpontja; t D0 -tól t D4 -ig: a karbantartás elvégzésének időpontjai Az öregedési és a sérülési jelenségek alapvetően különböző természete eltérő értékelési módszereket kíván. Kábelszigetelés általános állapotát egyetlen mérési vagy diagnosztikai eljárással nem lehet teljes mértékben meghatározni. Legalább két, egy globális és egy lokális módon értékelhető diagnosztikai eljárás szükséges. Dielektromos vizsgálatok globális értékelés A kábelszigetelés teljes térfogatára érvényes, globális jellegű tájékoztatást ma csak a dielektromos eljárások adhatnak. Ezek fontosabb jellemzőit az 1. táblázat szemlélteti. A jelenlegi ismeretek szerint csak az IRCelemzés alkalmas üzemben volt, műanyag szigetelésű, középfeszültségű kábelek globális öregedési állapotának roncsolásmentes vizsgálatára. IRC-Analyse: Isothermal Relaxation Current Analysis

5 Dielektromos eljárások 1. táblázat Dielektromos veszteségi tényező, tan δ 1) Mérés a frekvenciatartományban U m (0,1 Hz) 2 U 0 A dielektromos veszteségek nem választhatók szét Víz és párhuzamos impedanciák befolyásolják Empirikus értékelési paraméterek, amelyek kopolimerekhez nem használhatók IRC-elemzés mérés az időtartományban U F 1 kv DC roncsolásmentes víz és párhuzamos impedanciák nem befolyásolják anyagtudományilag megalapozva 1) δ: a hatásos és a meddőáram aránya Az IRC-elemzés a helyszínen alkalmazható, dielektromos vizsgálati eljárás, amelynek alapja a dielektrikum térfogatának állandó hőmérsékleten, 30 percig, 1 kv stabilizált egyenfeszültséggel végzett formálása után a relaxációs áram mérése. A kis formálófeszültség nem okozhat károsodást. A rövidzárlatban meghatározott i(t) áram időfüggésének matematikai elemzése alapján adódik az exponenciálisan lecsengő részáramok összege. Az egyes τ n időállandók és a n amplitúdók a kábelszigetelés térfogatában levő csapdaállapotok térbeli eloszlásától és energiaszintjeitől függenek. Így a relaxációs áram időfüggése alapján következtetni lehet a lezajlott öregedési mechanizmusokra, ez pedig lehetővé teszi az öregedés diagnózisának anyagszerkezet-tudományi megalapozását. A relaxációs áramok mért időfüggését sajátos neuronhálózat dolgozza fel, és a kábel szigetelésének állapotát újszerű, öregedett, öreg vagy kritikus osztályba sorolással minősíti. PE/VPE szigetelésű kábelek minősítéséhez feleslegesek referenciamérések, és a kábel kiindulási állapotának ismeretére sincs szükség. A neuronhálózat súlyozásai tartalmazzák a kábelre jellemző öregedési állapot ismérveit. A kábel vizsgálatának második lépése a maradék villamos szilárdság prognosztizálása. Ennek kiindulási alapja a kábel szerkezete és az alkalmazott karmantyús kábelkötések száma. Az IRC-mérésekkel, empirikus módon meghatározott, a tényleges maradék villamos szilárdság értékeket tartalmazó, saját összehasonlító adatbankok adatai alapján egy fuzzy-algoritmus U PRO = m U 0 prognózisértéket határoz meg. Jó referenciaértékek esetében az U PRO értéke jó korrelációban van a roncsolásos eljárással meghatározott maradék villamos szilárdsággal, és a gyakorlott felhasználó számára nagyon megbízható kritériumot szolgáltat valamely kábelszakasz öregedési állapotának átfogó megítélésé-

6 re. Az IRC-elemzés során a maradék villamos szilárdság prognosztizálása tehát alapvető módon függ a rendelkezésre álló referenciaadatoktól. A Nyugat-Európában (kb ig) alkalmazott, grafitos külső vezetőrétegű és a jelenleg használatos, háromszorosan extrudált VPE-kábelekre megbízható adatokat tartalmazó referencia-adatbankok ismertek. Ezek adatai azonban a diagnózis megbízhatóságának romlása nélkül nem használhatók különleges (pl extrúziós, leválasztható kivitelű külső vezetőrétegű stb.) PE/VPE kábelszerkezetekre. Lokális értékelés Részkisülésmérés A kábelek szigetelési károsodásait vagy hibáit lokálisan értékelő eljárások a 0,1 Hz-es VLF feszültségvizsgálat és a részkisülésmérés. A részkisülésmérés azonban polimer szigetelésű, középfeszültségű kábeleken csak a szerelvények potenciális hibáinak korai felismerésére és értékelésére korlátozódik, mivel a polietilén olyan érzékeny a részkisülésekre, hogy mérhető nagyságú részkisülések fellépése után rendkívül rövid időn belül átütés következhet be. 0,1 Hz-es VLF-mérés A 0,1 Hz-es VLF-mérést új kábelek fektetése vagy javítása után használják. Ezt a vizsgálatot általában a névleges feszültség háromszorosával (3 U 0 ) végzik, és hiba észlelése esetén roncsoló jellegű eljárás; már használt kábelek esetén a vizsgálófeszültség célszerűen 1,7 U 0. A kábelek állapotának eredményes diagnózisához tehát az öregedés és a károsodás mechanizmusainak különálló elemzése, és a kábelek állapotának meghatározásához legalább két megfelelő mérési módszer alkalmazása szükséges. Globális diagnózishoz az IRC-eljárás, lokális értékeléshez a 0,1 Hz-es VLF-eljárás alkalmas (4. ábra). Helyszínen végzett vizsgálatok során a kábelre ható, a szigetelés öregedését vagy károsodását okozó terhelő paraméterek nem ismertek, a kétféle hatás azonban szuperponálódhat. Az ismeretlen öregedési fokú szigetelés károsításának elkerülése érdekében először mindig a globális öregedési állapotot kell meghatározni az IRC-elemzéssel, mivel a 30 percen át VLF: Very Low Frequency

7 csak 1 kv egyenfeszültséggel végzett formálás biztosan kizárja a kábel károsodását. 1. globális minősítés 2. lokális minősítés IRC újszerű öregedett 3 U 0 VLF nem bírta ki kibírta öreg kritikus 1,7 U 0 javítás működés csere 4. ábra Műanyag szigetelésű középfeszültségű kábelek állapotorientált karbantartásának koncepciója Az ezt követő lépések a szigetelés így meghatározott öregedési állapotától függenek. Ha a szigetelés kritikus minősítésű, akkor a kábelszakasz üzemzavarának valószínűsége nagy, és gyors intézkedés szükséges (a kábelszakasz cseréje vagy igénybevételének csökkentése). A 3. ábrában ez a t D4 pontban következik be. Ilyenkor a VLF-mérés már nem adhat újabb információkat, sőt a kábelszakasz végleges átütését okozhatja. Ha az IRC-elemzés újszerű, öregedett vagy öreg eredményt ad, akkor a kábelszakasz alapvetően üzemképes. A helyi károsodási fok meghatározására ilyenkor 0,1 Hz-es VLF-vizsgálat végezhető. A károsodások elkerülése érdekében az öreg minősítésű kábelszakaszok mérésére 1,7 U 0 vizsgálófeszültséget célszerű használni. Ha a kábel e mérés során átüt, akkor ez a 3. ábra t D1 pontjának megfelelő helyi gyengepontot jelent. Ilyen esetben indokolt a kábelszakasz javítása, mivel így a használhatósági idő maximálható.

8 Tapasztalatok Egy német energiaszolgáltató vállalat tapasztalatai szerint az IRCelemzés jó alapot ad a hálózati erőforrások kezelésére. Az 19-ig alkalmazott eseményorientált karbantartás nem adott megfelelő eredményeket, a kábelhibák száma 1998-ig folyamatosan nőtt. A vállalat vezetése a korábbi tapasztalatok alapján potenciálisan veszélyeztetett PE/VPE kábelszakaszokat választotta ki az állapotorientált karbantartáshoz. A kiválasztás alapjai a korábbi hibaesemények voltak, amelyek feltűnő módon egyes gyártási éveket, egyes kábelszerkezeteket és egyes gyártó cégeket emeltek ki. Az IRC-elemzésen alapuló, állapotorientált karbantartási gyakorlat egyértelmű eredménye a hálózatban fellépő zavarok számának csökkenése. A kábelek globális öregedési állapotának IRC-elemzéssel végzett meghatározása és a bekövetkezett kábelhibák számának csökkenése közötti összefüggést az 5. ábra szemlélteti. Az energiaszolgáltató vállalat 2002-ben majdnem elérte a 315 km-es kábelhálózatban az évenként és kilométerenként 0,01 hibát. Az ábrán felismerhető a évben növekvő számú hiba, amely a dinamikusan öregedő kábelhálózat rutinszerű öregedés-diagnózisának fontosságára hívja fel a figyelmet. szám IRC-elemzések kábelhibák év 5. ábra. Az IRC-elemzések és a kábelhibák kapcsolata. A nyilak az elemzések és a hibák számának trendjét mutatják

9 A kritikus állapotúnak minősített kábelszakaszokkal kapcsolatos tapasztalatok szerint ezek a következő két évben nagy valószínűséggel tönkremennek, míg a VLF-vizsgálat alapján újszerű vagy öregedett minősítésű kábelszakaszok legalább három éven át hiba nélkül működnek. Így tehát a globális öregedési állapotot az IRC-elemzéssel roncsolásmentesen meghatározó, és a lokális károsodási fokot a VLF-vizsgálat eredményeivel kombináló karbantartási stratégia alapján egy adott kábelszakasz következő évekre vonatkozó működési kockázata empirikus alapon becsülhető. Összeállította: Pálinkás János Irodalom Kranz, H-G.; Hoff, G.; Schmidt, G.: Asset-Management in PE/VPE-Mittelspannungskabelnetzen. = Bulletin SEV/VSE, sz. p Hoff, G.; Kranz, H-G. stb.: Erfahrungsbericht zur zustandsorientierten Instandhaltung eines polymerisolierten 20 kv-kabelnetzes mit der IRC-Analyse. = Elektrizitätswirtschaft, sz. p