Диагностика и тестване на кабели

Процедурата по тестване и диагностика на кабели е сред най-важните фактори в поддръжката на електрическото и електронно оборудване. Валидирането на надеждността на опроводяването гарантира безопасността на персонала и заобикалящата среда. Поради тази причина изпитването на кабели стриктно следва действащата нормативна уредба, приложимите стандарти и изисквания.

Тъй като основното предназначение на кабелите е да провеждат електрически ток и рискът, свързан с това е доста висок, е важно електроинженерите да се придържат към установените стъпки в процеса на изпитване.

Tехнологии за диагностика и изпитване

Технологиите за тестване и диагностика обикновено се категоризират в две групи. Първата категория включва техники за оценка на общото състояние на една кабелна система. Въпреки че могат да се използват различни техники, общият подход е да се измерват загубите на електрически ток в рамките на дадена кабелна верига.

Втората категория включва техники за оценка на локализирани дефекти в кабелната верига. Тези техники може да включват тест за издръжливост по метода на изключване на най-слабото място или измерване на локализирани електрически разряди в системата.

Тестовете за диагностика на една електрическа верига може да се извършват с цел да се верифицира изправността на нова или възстановена верига и възможността за безопасно въвеждане в експлоатация. Те може също да имат за цел да оценят изправността на веригата и по този начин да се определи вероятността за повреда в близко бъдеще в една остаряла инсталация. В този случай тестването може да бъде част от цялостна програма за управление на активите в електрическата система или средство за минимизиране на повредите в силно критични или проблемни вериги.

Въпреки че целите на изпитването изглеждат ясно дефинирани, може да се окаже трудно да се установи как точно ефективно да се използват технологиите за изпитване и диагностика. Причините за това могат да бъдат наличието на много различни технологии за диагностично тестване, тяхното прилагане в различни етапи на експлоатация, сложността на веригите, множеството разклонения или типове кабели – всеки със свой собствен механизъм на стареене, и др. Понякога са необходими множество диагностични техники за откриване на различни проблеми, а някои методи не са общоприети.

Независимо от обстоятелствата диагностичното тестване на електрическата система трябва да се разглежда като процес (непрекъснат или планиран), а не като еднократно събитие. Веригите трябва да бъдат проучени, за да се избере подходяща техника на изпитване, която да съответства на конкретните компоненти. За някои приложения е най-добре да се започне с лесна за прилагане технология, предоставяща обща информация, която да се използва за избор на техника за по-детайлен анализ. В много случаи е желателно периодично да се прилагат диагностични технологии през целия експлоатационен живот на веригата, за да се установи как веригата изпълнява функцията си с течение на времето.

Рефлектометрията във времевата област (TDR) локализира и характеризира промените в импеданса в кабелната верига. TDR работи на принципа на радарните системи. Импулс с висока честота се изпраща по кабела. Докато импулсът се движи по протежение на веригата, всяко прекъсване в импеданса ще отрази част от сигнала обратно към източника. Отразените части от импулса ще бъдат положителни или отрицателни в зависимост от това дали импендансът е по-висок или по-нисък от характерния импеданс на кабела.

Измерването на частични разряди (PD) открива локализирани дефекти, главно под формата на кухини в кабела или в допълнителните компоненти. Методът е приложим за всички видове кабели, въпреки че неговата полезност може да бъде ограничена, когато се извършва върху кабели, устойчиви на частичен разряд, или върху кабели с изолация от импрегнирана хартия, които също имат значителна устойчивост на частичен разряд.

Диелектричната спектроскопия предоставя информация за честотните спектри. Съществуват два начина за определяне на спектъра на диелектричните загуби. Първият метод е чрез спектроскопия на честотната област (Frequency Domain Spectroscopy – FDS), като се използва източник на променлива честота, конвенционално измерване на тока и изчисляване на фазовия ъгъл. Вторият метод е чрез спектроскопия на времевата област (Time-Domain Spectroscopy – TDS), като при нея се измерва постоянният ток като функция от времето и след това се извършва трансформиране на честотната област.

Анализ на процесите на стареене и възникване на повреди

Проводниците в една система за захранване дефектират тогава, когато локалните електрически натоварвания са по-големи от локалната диелектрична устойчивост на диелектричния материал(и). Физиката дефинира диелектричната сила като максималното електрическо поле от изолационния материал, което чистият материал може да издържи при идеални условия без влошаване на изолационните му свойства. Теоретичната диелектрична якост на материала е свойство, което се измерва с използване на чисти материали при идеални лабораторни условия. В случай на повреда електрическото поле освобождава свързаните електрони.

Надеждността, а също така и честотата на повредите в цялата система, зависят от разликата между локалното натоварване и локалната устойчивост. Неизправности по диелектричния материал водят до пробив или възникване на дъга. Дъга може да възникне между две диелектрични повърхности, като кабелната изолация, а също така дъга може да се появи на мястото на свързване на кабелите. Повредата може да възникне в резултат на нормално приложено напрежение с честота на тока 60 Hz или при преходно напрежение като при превключване например.

С течение на времето и стареенето на проводниците общата диелектрична устойчивост се влошава. С времето могат да се появят изменения, които да повишат локалното натоварване и да изменят механичната якост на изолацията на проводниците. Това може да бъде следствие от повишаване на температурата на проводника, съдържание на влага в изолацията, замърсители и поява на кухини. Тези проблеми имат тенденцията да се задълбочават с течение на времето.

Стареенето на кабелите се проявява по редица начини. За да се дефинира точно процесът на влошаване на надеждността на кабелите, трябва да се вземат предвид много фактори, като например напрежение, термично натоварване, поддръжка, възраст на системата, технология на системата на опроводяване и условия на околната среда.

Освен това скоростта на стареене се изменя с времето – процесът се ускорява. С увеличаване на електрическото натоварване, издръжливостта или времето до отказ намалява. Тази зависимост не е линейна. Изследванията сочат, че повишаването на натоварването с 10% ще доведе до 60% намаляване на издръжливостта. Тази закономерност е показателна за това защо се обръща толкова сериозно внимание на чистотата на диелектричните системи, т.е. избягването на проникване на замърсявания, които често катализират и усилват процеса на стареене.

Кабел, в който има изолиран замърсител, може да има ниска степен на общо стареене и високо ниво на локално стареене в зоната на замърсителя. Следователно зоната, непосредствено заобикаляща замърсителя, изпитва двойно по-голямо натоварване. Въпреки това в кабели с множество места на намалена устойчивост на диелектрика, разпределени по дължината на цялата изолация, е по-вероятно да има средно ниво на общо стареене. Разграниченията могат да изглеждат произволни, тъй като повредата винаги ще възникне в най-слабата точка. Това обаче оказва голямо влияние върху възможността за възстановяване на системата. В случай на изолиран дефект, ремонт след повреда ще доведе до система с диелектрична якост, която много често е доста висока. Ако повредата се дължи на повсеместно влошаване на състоянието на кабелната изолация, тогава няма да има голяма полза от опити за възстановяване и поправка, тъй като останалата част от системата е незначително по-здрава от най-слабата дефектирала част.

При контролирани лабораторни изпитвания на диелектричната якост и устойчивост се проявяват значително разсейване или случайност на резултатите. Освен това разсейването се засилва, когато изпитванията се провеждат при по-слабо контролирана среда на кабелната система. Важно е електроинженерът да има предвид това, тъй като диагностичните тестове определят дали в електрическата верига има слаби места. Кабелната система ще започне да дефектира много преди средната диелектрична якост на системата да спадне под нивото, необходимо за оперативна пригодност.

Не само при диелектричната сила се проявява статистическо разсейване. Това е обичайно за всички физически характеристики на системата, които се измерват при диагностични тестове. Обяснението на тази закономерност е, че стареенето на системата настъпва с различна скорост в различни точки по дължината на кабелите. Често разширяването на кривата на разпределение е по-значително от намаляването на медианата. Има едно много съществено следствие, а именно, че многократните измервания на една и съща кабелна система, със същата медиана и разсейване, се очаква да дадат различни резултати по различно време. След значителен период на стареене кривата на разпределението има склонността отново да се стеснява около медианата и разпределението да стане много по-строго. За нуждите на анализа най-често се използва нормално разпределение.

Причини за стареене и повреда на кабелите

Изключително важна задача на диагностичните изпитвания е да се оцени нивото на ефективност и да се разбере механизмът на дефектиране. Ако разгледаме специфичния механизъм на възникване на неизправност, стигаме до заключението, че прекомерното електрическо натоварване или общото влошаване на изолацията може да възникне в резултат на няколко типа причини.

Несъвършенствата в производството имат свойството да повишават локалното натоварване и да доведат до първоначална повреда или до ускорено стареене. Такива производствени дефекти могат да бъдат кухини, наличие на замърсители в изолацията, некачествено приложена защитна обвивка, неравности по повърхността на обвивката, некачествено прилагане на изолацията.

Освен производствените дефекти друга съществена причина за повреда и стареене е неправилната работа на електротехниците, инсталиращи кабелните проводници. Неподходящото боравене може да увеличи локалното натоварване и това да доведе или до преждевременна повреда, или да влоши степента на стареене. Работата по свързването крие редица рискове, като недобро отрязване, замърсяване, липсващи връзки или компоненти, недобро напасване на елементите.

Агресивната среда също влияе неблагоприятно на диелектричната якост на материала. Въздействието й може да бъде локално или повсеместно, в зависимост от това по какъв начин са разпределени вредящите условия на средата, които могат да включват въздействие на химикали, течове на трансформаторно масло, наводнения, химически разливи, корозия. Влажната среда също понижава диелектричната якост и увеличава локалното натоварване.

Прегряването е друг проблем, който благоприятства отслабването на свойствата на диелектрика. Въздействието може да бъде в рамките на ограничена локална отсечка от дължината на проводника (локално), ако неблагоприятната термична среда е с локално проявление, например в случай на непосредствена близост до друга електрическа верига на късо разстояние. Може да бъде обаче и повсеместен проблем на кабелната система, например при прекомерно висок ток по проводника за определени работни условия.

Определено механично въздействие може да бъде пагубно за устойчивостта на диелектрика. Въздействието може да бъде ограничено до къси отсечки от дължината, ако механичното напрежение е локално. То може да бъде предизвикано от щети по време на транспортиране (обикновено е локално), прекомерно напрежение на опън или радиален натиск (локално проявени или общо за системата) и др.

Водата, проникнала в изолационния слой, компрометира диелектричната якост и повишава натоварването в зоната около проникването. Тя може да навлезе при нарушаване на целостта на изолацията или металната обвивка или просто да постъпи през полимерните материали.

Дефекти, които могат да възникнат в кабели с изолация от екструдиран материал, включват неравности и издатини, кухини, пукнатини, разслояване, прекъсвания на екрана на проводника, проникване на вода и др. При кабели с оловна обвивка и изолация от хартия областите, в които има недостатъчно количество масло поради миграцията му и проникването на вода, също могат с течение на времето да дефектират.