Która z tych metod jest dla mnie najlepsza do badania kabli?

Jest to często zadawane pytanie. Odpowiedź jest prostsza niż się to wydaje. Jeżeli można najpierw odpowiedzieć na inne pytanie: jakiego typu wyniki pomiarów chcemy uzyskać oraz jak zamierzamy je wykorzystać? Dopasowanie metody pomiarowej i uzyskanych wyników do zamierzanych czynności naprawczych. Zbyt często ludzie wykonują pomiar bez wcześniejszego zastanowienia na temat dalszych działań w oparciu o uzyskane wyniki. Pomiary są czasochłonne i drogie, należy upewnić się, czy uzyskane wyniki będą użyteczne i możliwe do wykorzystania. Na przykład: jeżeli wykonujemy pomiary wyładowań niezupełnych bezpośrednio na zakopanym kablu i widzimy miejsca niepokojących wyładowań. Co robimy z tymi wynikami? Jesteśmy przygotowani do kopania dołu, gdzie przypuszczamy, że jest defekt, wycięcia podejrzanego odcinka kabla i następnie wykonania dwóch kolejnych pomiarów wyładowań w obu kierunkach z miejsca wycięcia, aby się upewnić, że uszkodzenie zostało wycięte? Czy nie byłoby łatwiej, szybciej i dużo taniej wykonać próbę wytrzymałości napięciem VLF? Jeżeli istnieje osłabienie izolacji, wtedy próba VLF spowoduje przebicie, następnie odnajdujemy miejsce uszkodzenie przy użyciu tradycyjnych metod lokalizacji, dokonujemy naprawy i uruchamiamy kabel. Jeżeli dany kabel jest newralgiczny i nie możemy ryzykować jego uszkodzenia podczas pomiarów, wtedy wykonanie próby wytrzymałości VLF nie jest właściwym podejściem. Jeżeli pomiary wyładowań niezupełnych mają być użyte do oceny wielu kabli, według stopnia zaawansowania wyładowań niezupełnych, w celu sporządzenia listy od najgorszych kabli do najlepszych, aby ustalic kolejność wymiany lub możliwych napraw, używanie pomiarów tangensa delta (tgδ) do wykonania tych samych porównań mogłoby być dużo łatwiejsze, tańsze i tak samo efektywne. Jeżeli kabel jest nowo zainstalowany, jego izolacja jest prawdopodobnie dobra. Badanie wyładowań niezupełnych (wnz) może być użyte do ujawnienia problemów w akcesoriach lub próba wytrzymałości napięciem wolnozmiennym (VLF) do przebicia wadliwych akcesoriów.

Każda metoda oferuje użyteczne informacje. W celu wybrania prawidłowego podejścia, lub wielu podejść, należy najpierw zdecydować jak planujemy wykorzystać zgromadzoną informację.

Dalej podano krótkie objaśnienia trzech metod pomiarowych. Którą zastosować, gdzie i kiedy.

Test wysokim napięciem wolnozmiennym AC (VLF) jest używany do wykonania próby wytrzymałości. Przyrząd VLF jest relatywnie niedrogi, bardzo łatwy w użyciu i całkiem przenośny, w zależności od modelu. Systemy VLF są dostępne od 20kV do 200kV z różnymi mocami wyjściowymi. Mają wyjście od 0,1Hz do 0,01Hz i są specyfikowane przez wartość pojemności obciążenia, jakie mogą badać. Dostępne są modele, które mogą badać kable do 50km. Norma IEEE400.2-2004 (PN-EN 60060-3.2008) definiuje metody pomiarowe VLF oraz poziomy napięć i czasy trwania dla każdej klasy kabla średniego napięcia.

Próba przyrządem VLF spowoduje przebicie w miejscu defektu, wystarczająco groźnego, aby powodował wyładowania niezupełne pod napięciem próby. Wystarczająco długi czas próby pozwala na narośnięcie wady, aż do wystąpienia calkowitego przebicia. Znalezienie miejsca uszkodzenia za pomocą konwencjonalnych lokalizatorów uszkodzeń, naprawę, i ponowny test w celu sprawdzenia naprawy i odnalezienia następnych defektów. Jeżeli nie ma następnych defektów, wtedy jesteśmy pewni, że ten kabel będzie dobry przez lata. Jeżeli występuje kilka miejsc przebić w izolacji, wtedy zaleca się wstrzymanie dalszych pomiarów i oznaczenie kabla do wymiany w najbliższym czasie. Jeżeli kabel jest w kanale i wszystko, co jest konieczne to znalezienie, który odcinek jest wadliwy, wtedy próba VLF jest najlepszym sposobem. Nie ma potrzeby używania dużo droższej i skomplikowanej metody detekcji wyładowań niezupełnych (wnz), dopóki nie interesuje nas gdzie precyzyjnie jest uszkodzenie, ponieważ i tak zamierzamy wymienić cały odcinek kabla. Jeżeli celem jest badanie wielu kabli, ale bez ryzyka ich uszkodzenia, wtedy VLF nie jest wskazane. Należy wtedy użyć wnz lub tgδ do oceny stopnia zaawansowania degradacji kabli w celu pomocy w ustaleniu kolejności wymiany, naprawy lub innych pomiarów. VLF jest używany, jako źródło napięcia dla tych testów diagnostycznych. Bardzo dobrym zastosowaniem pomiarów VLF jest weryfikacja integralności AC kabla po naprawie. Również, po instalacji jest oczywiste użycie VLF. Kabel jest już pozbawiony energii, próba jest weryfikacją instalacji i możliwych błędów w jakości wykonania. Badanie wnz jest dużo bardziej skomplikowane, dużo droższe i niepotrzebne w tej sytuacji. Badanie kabli farm wiatrowych jest doskonałym przykładem gdzie należy stosować próbę wytrzymałości VLF.

Badanie Tangensa Delta, często pokazywane, jako tgδ, dostarcza użytkownikowi ocenę kondycji całego kabla. Nazywane jest również pomiarem Współczynnika Stratności lub Kąta Strat. Pomiar jest wykonywany na kablu w celu poznania kondycji kabla od jego początku do końca. Badanie nie pokazuje indywidualnych defektów wzdłuż kabla, pokazuje tylko stan całego kabla. Pomiar jest relatywnie prosty do wykonania i wyniki nie są skomplikowane w analizie. Jest to pomiar kabla odłączonego od zasilania z obu końców. Źródło VLF jest używane do dostarczenia regulowanego napięcia pomiarowego, natomiast pomiary wykonuje przyrząd tgδ (TDB-60F5). Pomiar jest najbardziej użyteczny, jako pomiar porównawczy, gdzie wiele kabli jest testowanych, ocenianych od złego do dobrego lub Wysoce Zdegradowany, Lekko Zdegradowany, Dobry. Niektórzy oceniają kable przez Wymaga Interwencji, Wymaga Dalszych pomiarów i Nie Wymaga Działań. Ocena ta pomaga użytkownikowi w ustaleniu kolejności wymiany kabli, naprawy, wstrzykiwania silikonu lub możliwości jakie inne pomiary mogą być użyteczne.
Jeżeli kabel ma stan idealny, wtedy symuluje kondensator. Dla idealnej izolacji, prąd pojemnościowy o 90° wyprzedza przyłożone napięcie. Im bardziej zdegradowana jest izolacja tym bardziej kąt jest mniejszy od 90°, ponieważ składowa rezystancji jest dodawana do obwodu. Ten właśnie kąt jest mierzony.

VLF jest używany jako źródło napięcia, zazwyczaj do 2U₀ lub o dwukrotnej wartości znamionowego napięcia linii do ziemi. W miarę, jak napięcie jest zwiększane, wykonywanych jest 5 lub 6 punktów pomiarowych. Wartości zmierzonych tgδ jest ważna, ale kształt krzywej w miarę zwiększania napięcia jest jeszcze ważniejszy. W doskonałych kablach wykres jest płaski, wskazujący, ze nie ma istotnych wad; kabel jest dobry. Jeżeli kabel jest lekko zdegradowany, wtedy wykres będzie lekko unosił się w miarę wzrostu napięcia. Kabel nie jest czystym kondensatorem, ponieważ ma składową czynną z powodu defektów. Im jest gorzej, tym silniejszy jest trend wzrostu wykresu.

Pomiar jest używany do zapewnienia porównania kilku lub wielu kabli w celu wybrania pierwszego do naprawy. Jest użyteczny do badań kabli w kanałach i wymiany najgorszych, ponieważ jest to proste do wykonania. Jeżeli kabel jest zakopany bezpośrednio w ziemi i nie jest łatwa jego naprawa i pomiar VLF nie jest preferowany, ponieważ może spowodować uszkodzenia, wtedy pomiar tangensa delta lub wyładowań niezupełnych jest lepszym wyborem.

Badanie wyładowań niezupełnych kabli odłączonych jest używane do identyfikowania lokalizacji defektów oraz ich stopnia zaawansowania. Badania wnz, a w szczególności analiza wyników jest dużo bardziej skomplikowana niż to co tu jest opisane. Należy przyznać, że technologia badań wnz kabli rozwinęła się do punktu, gdzie jest całkiem dokładna w określeniu lokalizacji oraz stopnia zaawansowania skaz w kablu. To co jest opisane powinno być wystarczające, aby wiedzieć wystarczająco dużo o badaniach wnz w celu podjęcia decyzji odnośnie wyboru metod pomiarowych.
W przeciwieństwie do badań tgδ, które klasyfikuje jakość całego kabla, wnz daje nadzieję pokazania poszczególnych lokalizacji wyładowań niezupełnych. Po zidentyfikowaniu, użytkownik może podjąć decyzję, czy poziom wyładowań jest akceptowany, czy nie. Ta interpretacja i niejednoznaczność jest sztuką, która czyni badania wnz trudniejszymi w porównaniu z innymi metodami. Nie można powiedzieć, że nie ma wartości, bo ma, ale w wyborze innych metod, łatwych w stosowaniu, znaczenie uzyskanych danych oraz koszt muszą być wyważone w stosunku do uzyskanych danych.

wnz jest wyładowaniem niezupełnym w inkluzjach gazowych, kieszeniach wilgoci, lub kilku innych defektach, które tworzą niedoskonałości materiału izolacyjnego. Przy oddziaływaniu napięcia, defekty rozładowują energię. Jest to wyładowanie niezupełne, ponieważ jest ono zlokalizowane w ograniczonej przestrzeniu izolacji i nie stanowi w izolacji bezpośredniego mostka między przewodem pod napięciem i ziemią, które tworzyłoby całkowite przebicie materiału. Jeżeli umożliwimy trwanie tych wyładowań, będą się one rozszerzać w materiale, dopóki izolacja nie zostanie osłabiona wystarczającą, aż napięcie spowoduje całkowite przebicie. Badanie wnz nie tylko lokalizuje defekty, ale również mierzy ich stopień zaawansowania, poprzez dołożenie regulowanego napięcia wyższego od napięcia pracy, pokazuje również przy jakim poziomie napięcia wnz pojawiają się i przy jakim poziomie gasną. Jest to bardzo użyteczna informacja, aby pokazać jak blisko napięcia pracy mogą wystąpić potencjalne przebicia.

Czy badania wnz mają sens, powinna być znana metoda naprawy kabla. Jeżeli badanie jest używane do porównania wielu kabli i wydania pieniędzy na naprawę lub wymianę pierwszego najgorszego, wtedy pomiar tanδ jest lepszym wyborem, ponieważ jest tańsze, łatwiejsze do wykonania i mniej interpretacyjne. Jednakże, należy pamiętać, że pomiar tgδ pokazuje ogólną jakość izolacji. Nawet, jeżeli wygląda ona dobrze, mogą istnieć jeden lub dwa defekty, które mogą przebić, ale nie mają one wpływu na wartość tgδ dla całej długości kabla. Jeżeli zastosowanie danego kabla jest newralgiczne, wtedy może być pożądany pomiar wnz w celu odnalezienia potencjalnych miejsc uszkodzeń. Należy jednak stwierdzić, że jezli budżet na naprawę jest ograniczony i będzie zużyty na najgorsze kable i nie obejmie umiarkowanie lub lekko pogorszonych kabli, wtedy samodzielny pomiar tgδ jest wystarczający. Jak wspomniano wcześniej, analiza całej pracy, metody naprawy, dostępnych pieniędzy oraz czasu, muszą być wykonane przed podjęciem świadomej decyzji co do tego, która procedura pomiarowa jest najlepsza.

Widoczny obok zrzut z ekranu jest przykładem, jak wyglądają pomiary oraz analiza wnz. Może to wyglądać skomplikowanie, i jest, w porównaniu z metodą tgδ, ale po nauczeniu się, dostarcza ona wartościowych danych. Pokazane są lokalizacja oraz amplituda wnz oraz, nawet do pewnego stopnia, typ defektu może być poznany. Zrozumienie co wynika z wyświetlanych danych, wymaga dużej ilość wiedzy i umiejętności interpretacji w celu najlepszego wykorzystania wyników pomiarów.

Badanie wnz jest użyteczną metodą określania jednego aspektu stanu kabla. Jest najlepszą metodą w pewnych okolicznościach. Koszt pomiaru, wiedza operatora, łatwość pomiaru i zdolność do interpretowania wyników wszystkie odgrywają rolę w tym, czy będzie oba wykonywana, czy jakaś inna. Być może będzie użyta ona łącznie z tgδ. W niektórych systemach VLF, zawarte są obie te funkcje.

Próba wytrzymałości VLF jest użyteczna do spowodowania przebicia w miejscu defektu izolacji, zazwyczaj miejsca łączenia lub zaciski. Jest korzystna do badań kabli odłączonych od zasilania po instalacji, po naprawie lub, gdy newralgiczny kabel może być dostępny, jeżeli użytkownik jest przygotowany do wykonania naprawy lub wymiany kabla. VLF powoduje bardzo małe uszkodzenia w kablu podczas wystąpienia łuku. Konwencjonalne metody lokalizacji uszkodzeń są używane do zlokalizowania miejsca przebicia. Próba wytrzymałości VLF jest najłatwiejsza, najmniej kosztowna i najbardziej rozstrzygającą metodą badawczą. Systemy VLF, w zależności od zakresu napięcia, są teraz przenośne i przystepne cenowo. Dostępne są rozmiary od 20kV - 200kV. Firma High Volatge Inc. wysłała już blisko 1000 systemów do ponad 70 krajów. Istnieje wiele norm określających badania VLF: IEEE 400.2, VDE 0276, CENELEC HD 620/621 i IEC 60060-3 (PN-EN 60060-3:2008).

Tangens Delta VLF jest bardzo użyteczną metodą do oceny poziomu degradacji kabla. Większość użytkowników ma badać wiele kabli i oceniać je według poziomu degradacji. Po wykonaniu, użytkownik ma uszeregowaną listę kabli od których ma rozpocząć wymianę, naprawę, wstrzykiwanie, oraz/lub wykonać inne badania, które mogą być użyteczne. Chociaż jednym z ograniczeń jest to, że kabel tego samego typu powinien być użyty w obwodzie pomiarowym, jest nadal bardzo użyteczną metodą.

Wyładowanie Niezupełne VLF jest najnowszą metodą obecnie dostępną. Badania wnz były robione od wielu dekad, ale zazwyczaj przez producenta przy częstotliwości sieciowej. Odkryto, że detekcja wnz przy 0,1Hz jest wystarczająco podobna, do tej przy 50Hz i jest generalnie akceptowana. Nawet, jeżeli nie jest to dokładanie to samo, nie ma to znaczenia, szukamy miejsc niepokojących wyładowań. Wraz z pojawieniem się przenośnych i niedrogich systemów VLF, jest teraz możliwe wykonywanie pomiarów w terenie. Chociaż interpretacja wyników, szczególnie na akcesoriach, może być czymś problematycznym, jest ona ciągle użyteczna do badań mających na celu odnalezienie osłabień w systemach kablowych bez powodowania ich uszkodzeń.

Wszystkie trzy metody badań dostarczają użyteczną, chociaż różną informację. Żadna nie pasuje do każdej sytuacji. Żadna nie może dostarczyć wszystkich potrzebnych informacji o systemie kablowym. Analiza wszystkich trzech technologii i danych, które one dostarczają powinna być przeprowadzona przed podjęciem decyzji. Koszt pomiaru, koszt zakupu sprzętu, łatwość pomiaru, łatwość interpretacji, konieczne umiejętności operatora, dostępność sprzętu, konstrukcja kabla, dane wymagane do podjęcia decyzji odnośnie konserwacji kabla oraz, czy przebicie kabla podczas próby jest dopuszczalne, wszystkie te aspekty są istotne w wyborze, co jest najlepsze dla danego systemu kablowego w danej sytuacji.
Nie należy wierzyć żadnemu sprzedawcy, jeżeli przekonuje, że tylko ich metoda jest znacząca. Wszystkie trzy działają, należy tylko wybrać jedną właściwą dla danej sytuacji lub wszystkie z nich.

Wiele prac zostało napisanych o wszystkich trzech metodach pomiarowych. Bardzo dobrym źródłem informacji, która pomaga podsumować tematy jest praca NEETRAC przy Georgia Tech. Umieszczono wnioski z pięciu lat studiów w celu dostarczenia obszernych i bezstronnych ocen wszystkich trzech metod. Faza 2 ma być początkiem dalszych badań. Na stronach Internetowych jest kilka artykułów oraz prezentacji PowerPoint ich autorstwa i dostępnych do zaimportowania www.neetrac.gatech.edu