ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ Електротехнически Факултет Катедра „Електроенергетика“

Маг. инж. Руслан Мардик Папазян

ТЕХНИКИ ЗА ЛОКАЛИЗАЦИЯ

НА РАЙОНИ С ВЛОШЕНИ ИЗОЛАЦИОННИ КАЧЕСТВА

ПО ПРОДЪЛЖЕНИЕ НА КАБЕЛИ

ЗА СРЕДНО НАПРЕЖЕНИЕ

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т на дисертация за признаване на придобита в чужбина

образователна и научна степен "ДОКТОР"

Област: 5. Технически науки Професионално направление: 5.2. Електротехника, електроника и автоматика

Научна специалност: Електротехнически материали и кабелна техника

Научен ръководител: Проф. д-р инж. Роланд Ерикссон (Швеция)

СТОКХОЛМ, 2005 г.

1

Дисертационният труд е защитен на 27 Май 2005 година в зала Е1 на

Кралския Технологичен Институт (KTH Royal Institute of Technology), Стокхолм, Швеция от 10:00 часа на адрес Линдстедсвеген 3, Стокхолм, Швеция, протокол QC 20101012, публикуван под номер Trita-ETS, ISSN 1650-674X; 2005:03; ISBN: 91-7178-044-0

Рецензент/опонент: 1. Проф. д-р инж. Фред Стииннис (Холандия)

Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на Електротехнически Факултет на ТУ-София, Блок: 12 Етаж: 2 Кабинет: 12222.

Автор: маг. инж. Руслан Папазян Заглавие: Техники за локализация на райони с влошени изолационни

качества по продължение на кабели за средно напрежение Тираж: 25 броя Отпечатано във Венс-7 – София

2

I. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема Основи на проекта Силовите кабели са основен актив в услугите за доставка на

електроенергия. Освен това повредите на кабелите са една от главните причини за прекъсване на електрозахранването [1].

Подземният пренос на електрическа енергия датира от края на XIX век и става още по-разпространен през последните години. Фактори като повишена експлоатационна надеждност, по-скъпоструващи права на преминаване, екологични и естетически ограничения, както и усъвършенствана кабелна конструкция и производствени технологии би следвало да са причина тази тенденция да продължи.

Повече от 70 години хартията, импрегнирана с маслено-смолни съединения или само с масло, преобладава като изолационен материал при производството на кабели, въпреки че кабели с каучукова изолация също са използвани до известна степен.

През 60-те години на миналия век употребата на екструдирани полимерни материали, както термопластични, така и термореактивни, се развива с бързи темпове. Оттогава най-значимият материал е полиетиленът, чист или вулканизиран, но употребата на етилен-пропиленов каучук също се развива. Сега е широко прието, че омреженият полиетилен (XLPE) за момента е най-добрата изолация за приложения при кабели за високо променливотоково напрежение. Освен с отличните си електрически свойства той се отличава също с термичните и механичните си характеристики.

Деградация на кабелната изолация Въпреки предимствата на изолациите от импрегнирана хартия и

полимери, и двата изолационни материала могат да бъдат засегнати от една и съща основна причина за стареене и повреди – проникването на влага.

Явлението има своите специфични особености за всеки тип изолация: при изолацията от импрегнирана хартия влагата е една от най-честите причини за влошаване на изолационните свойства и преждевременно стареене. При това не е необходимо влагата да прониква в изолацията отвън поради повреда на оловния защита. Стареенето (естествено, термично) на самата целулоза може да произвежда известно количество вода, което след това действа като катализатор за допълнително влошаване [4].

Първоначалната широка употреба на полиетилена като изолация за силови кабели е обещаваща и предизвикателна дейност. С въвеждането на полиетиленовите кабели в края на 60-те години на миналия век се приема, че кабелите с този тип изолация ще имат много дълъг експлоатационен живот. Това има своите основания за известно време, тъй като полиетиленът има

3

изключително висока присъща диелектрична якост, ниска диелектрична проницаемост, незначителни диелектрични загуби, добра топлопроводимост и очевидна водонепроницаемост. Скоро след въвеждането му обаче започва докладването на пробиви в кабелите.

Основната причина за тези преждевременни откази са дифузни структури в изолацията, с храстовидна или ветрилообразна форма, свързани с локални отлагания на вода. Те са наречени „водни дендрити“ и както скоро се открива, причината за тази специфична деградация е комбинираното действие на водата и променливотоковото електрическо напрежение. Установява се, че конструкцията на кабелите и особено защитните екрани имат голямо влияние върху податливостта на полимерната изолация към влошаване поради водни дендрити. Графитните и лентовите защитни екрани са особено пагубни за експлоатационните качества на кабелите по отношение на водните дендрити [2], [3].

Диагностични методи Могат да се използват различни диагностични измервания на изолацията

на кабелите за високо напрежение. Сред тях централно място заемат откриването и локализирането на частични разряди и измерванията на диелектричните загуби и капацитета. Диелектричните измервания могат да бъдат извършени във времевата или в честотната област. Понастоящем съществуват налични на пазара диагностични средства за измервания в честотната област на капацитета и загубите (tanδ) като функция на честотата. Измерванията във времевата област са представени посредством поляризационните/деполяризационните токове и възстановяващото се напрежение като функция на времето.

Този тип методи са в основата на настоящия проект. В Катедрата по електротехника на Кралския технологичен институт (KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden) е разработен метод с използване на нискочестотна диелектрична спектроскопия за неразрушаваща диагностика на кабели за средно напрежение [2] – [5]. Изследвани са също методи за откриване на частични разряди [6]. Чрез извършване на измерване с диелектрична спектроскопия може да се получи средната степен на деградация на изолацията. По отношение на XLPE кабелите има случаи, когато това не е достатъчно. Водните дендрити често са локално явление и не засягат цялата дължина на изолацията, което е особено вярно за по-новите кабелни конструкции [3]. Същото се отнася за изолацията от импрегнирана хартия, тъй като данните показват, че дори локално увреждане на иначе хомогенно остаряла изолация дава резултати от измерванията с диелектрична спектроскопия, които могат да се интерпретират като „хартия с висока обща деградация, причинена от водата“ [7], [8].

4

Цел на дисертационния труд, основни задачи и методи за изследване Целта на проекта е разработването на неразрушаващ диагностичен метод

за локализиране на деградация на изолацията, базиран на метода на рефлектометрията във времевата област (TDR).

За постигането на тази цел трябваше да бъдат изпълнени редица предпоставки. Следователно целите на проекта могат да бъдат обобщени, както следва:

Основни цели: • Разработване на TDR система (системи) за измервания на силови

кабели. • Разработване на процедура на измерване за локализиране на

деградация на изолацията по дължината на силовия кабел. Задачи за постигане на целта: • Разработване на методи за извличане на високочестотните

характеристики на силовите кабели. • Оценка на влиянието на конструктивните параметри на кабела върху

високочестотните параметри. • Характеризиране на невлошена кабелна изолация във високочестотната

област и оценка на техническите възможности за локализиране на малки диелектрични промени.

• Характеризиране на влошена кабелна изолация във високочестотната област за диагностични цели.

Освен това общото познаване на свойствата на разпространение на вълните на силовите кабели представлява значителен интерес за различни приложения. Например диагностика на частични разряди [14], [15], [105], предаване на данни по енергийни мрежи [16], анализ на преходни процеси [17] и изследвания на електромагнитната съвместимост (EMC) [18].

Научна новост Разработени са методи на измерване за локализиране на влошени зони по

дължината на силови кабели за средно напрежение. За локализиране на водни дендрити в XLPE кабели са извършени TDR измервания преди, след и по време на прилагането на високи променливотокови напрежения. Ефектите от високите натоварвания върху реалната част на диелектричната проницаемост на кабела (ε') във влошената от водата изолация съответстват на промени в характеристичния импеданс и скоростта на разпространение на вълните в кабела. Разработен е метод за извличане на локалните вариации в скоростта и

5

локализиране на влошените зони дори при наличието на шум и значително затихване на сигнала. Постигнато е също локализиране на проникването на вода при кабелите с хартиена изолация. Разработени са импулсен генератор и измервателна система за TDR измервания по време на прилагането на високи променливотокови напрежения.

Представени са два метода за извличане на високочестотните характеристики на силовите кабели. Единият от тях се основава на метода на TDR измерванията, а в другия се използват S-параметрите, измерени в честотната област. И двата метода за високочестотно характеризиране във времевата и честотната област са разработени по-рано за приложение при свръхвисокочестотни вериги [19] – [21]. Малко методи съществуват обаче за високочестотно характеризиране на кабелите за високо напрежение [14], [22] и [46]. Представените методи съставляват напредък при методите за високочестотно характеризиране, специално предназначени за енергийни кабелни мрежи.

Изяснено е влиянието на спиралната конструкция на металния екран и заобикалящата среда върху свойствата на разпространение на вълните на кабела. Това представлява усъвършенстване на високочестотния модел на силовия кабел, описан в [10].

В допълнение, методите за извличане на параметри са използвани за високочестотно характеризиране на деградацията на силови кабели – тема, която е обхваната в ограничено количество литература [23], [24].

Авторът е отговорен за Статии I, III, V и VII. В Статия II авторът е извършил анализа на чувствителността и е извлякъл и разработил двуетапната процедура за извличане на параметри, основана на формулировките, предоставени от д-р П. Петерсон и д-р Х. Един. Процедурите за оптимизация, използвани при извличането, са оригинален принос на автора. В Статия IV числените модели са разработени от автора. При разработването на FDTD модела и при анализа на данните е предоставено съдействие от д-р П. Померенке. Д-р П. Петерсон е допринесъл при разработването на аналитичния кабелен модел. В Статия V измерванията, симулациите и обработката на данните са извършени от автора. Проектирането на импулсния генератор и защитната/филтриращата верига за TDR измерванията под напрежение е направено от г-н Кенет Йохансон, „Ей Би Би Корпърит Рисърч“ (ABB Corporate Research), Вестерос, Швеция. В Статия VI авторът е отговорен за TDR измерванията и оценката на съдържанието на влага въз основа на тези измервания. В Статия VII проектирането и конструирането на съединителната връзка са принос на автора. Полевите измервания са извършени в сътрудничество с д-р Х. Един.

6

Практическа приложимост Многобройни са възможностите запрактическо приложение и

продължаване на работата по методите за локализация. Списъкът по-долу представя основните въпроси, които трябва да бъдат разгледани, за да се получи по-пълно разбиране на постигнатите практически резултати и също да се осигури усъвършенствано прилагане на метода по време на експлоатация и под напрежение.

Метод за локализиране Разработен е метод, който дава профила на локалните промени в

скоростта на разпространение на вълните и е демонстриран върху значително влошени кабели с водни дендрити. Едно възможно продължение на работата би могло да бъде изследването на кабели с различни условия на стареене от водни дендрити и различно водно съдържание на водните дендрити. За силно влошени кабели в [94] е предположено, че не може да се наблюдава честотна зависимост по време на фазово синхронизирани TDR измервания. Честотната зависимост обаче може да бъде изследвана за кабели с по-къси водни дендрити и по-ниско водно съдържание. Фазовата зависимост е друга тема за по-нататъшни изследвания.

Приложения в полеви условия Разработената TDR система за прилагане под напрежение е проектирана

за импулсни напрежения до 1 kV. Тази амплитуда на напрежението се счита достатъчна за измервания на кабели с дължина от няколко километра. Показано е също, че откритите промени в изолацията с водни дендрити по време и след прилагането на високи напрежения са относително малки. Един от начините за увеличаване на отклика от зоната с водни дендрити по време на прилагането на високи натоварвания е да се повиши приложеното напрежение до работното напрежение U0. Понастоящем амплитудата на напрежението е ограничена до под 0,75U0 поради ефектите от свързването между силовия кабел и измервателното оборудване (фиг. 7.9). Решението би могло да бъде в подобренията на конструкцията на измервателната система и прилагането на нови методи на свързване, по-подходящи за измерванията в неавтономен режим [13].

Апробация Резултати, включени в дисертацията, са докладвани като публикации в

три научни журнала с impact factor между 1.774 и 3.5 и включени в сборници на 8 международни конференции. Списък на журналите и конференции може да се намери в „Публикации“.

7

Публикации Основните резултати от дисертационния труд са публикувани в 12 статии

в съавторство и една самостоятелна публикация. 5 са включени следните в списания с Impact factor: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Trans. on Power Delivery, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, 8 от тях са включени в сборници от международни конференции: Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’05), June 13-15th 2005, Trondheim, Norway; 8th International Conference on Electric Distribution CIRED 2005, 6–9 June, 2005, Turin, Italy; 2004 Conference on Precision Electromagnetic Measurements, 27 June-2 July 2004, London, UK; Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’03), June 11-13th 2003, Tampere, Finland; 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM 2003), June 01-05th 2003, Nagoya, Japan; Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’01), June 11-13th 2003, Stockholm, Sweden

Структура и обем на дисертационния труд Дисертационният труд е с обем 114 страници, които включват въведение,

осем глави, заключение, списък на основните приноси, списък на публикациите по дисертацията и използвана литература, като изключват приложените седем научни статии, на които се базира труда. Основният текст е структуриран като самостоятелна информация, включваща всички ключови резултати и заключения. За допълнителна информация, както и подробности за извличането на уравненията и методите за обработка на данните читателят може да направи справка в приложените статии. Списък на цитираната литература е от 105 заглавия. Работата включва общо 71 фигури и 15 таблици.

Означенията на формулите, фигурите и таблиците и цитираната литература в автореферата съвпадат с тези в дисертационния труд.

8

II. СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМА Чрез локализиране и замяна на най-силно влошените зони би се удължил

оставащият експлоатационен живот на цялата изолационна система, което би спестило време за цялостна подмяна на кабела и би повишило надеждността на кабелната линия при минимални разходи за кабелния оператор. Този подход би бил особено ценен, ако се извършва Целенасочена техническа поддръжка по отношение на надеждността (Reliability Centered Maintenance, RCM) [9]. Разходите за замяна могат да бъдат илюстрирани с пример от анализа на групата XLPE кабели, инсталирани в периода 1965 – 1975 г. в Швеция, които са доста податливи на повреди, свързани с водни дендрити. Пресметнато е, че от първоначално инсталираната дължина от 2 500 км около 50% все още са в експлоатация. Цялостната подмяна на тези кабели би струвала 500 милиона шведски крони [3].

По тази причина в катедрата в КТН са започнати изследвания на високочестотни диагностични методи с крайна цел локализиране на деградация на изолацията. В настоящата дисертация са представени разработените методи за измерване, базирани на метода на рефлектометрията във времевата област (Time Domain Reflectometry, TDR). Обхватът на проекта също включва разработването на кабелен модел, базиран на характеризиране на полупроводимите слоеве на XLPE кабелите [10], и изследвания на разпространението на вълните при трифазни кабели [11]. Теоретичните концепции за разпространение на вълните в дисперсионни среди също са изследвани като част от общата тема на проекта [12]. Инициират се постоянни проучвания за изследване на методите за свързване на сигнали за TDR измервания на кабели които не са под напрежение [13]. ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НА ОБЗОРА И ИЗГОТВЯНЕ НА КЛАСИФИКАЦИЯ

Обобщава Глава 4 от дисертационен труд

Целта на настоящата работа е разработването на измервателни системи с използването на TDR и анализатор на вериги (Network Analyzer, NA), формулирането на методи за определяне на високочестотните параметри на кабелите и измерването на свойствата на изолацията. В настоящата глава са представени два метода за определяне на високочестотните кабелни параметри. Първият от тях използва TDR измервания и анализира разпространението на кратки импулси по кабела. Вторият метод се основава на измервания на S-параметрите с NA. Обсъдена е също приложимостта на

9

всеки от тези методи. След това е демонстриран методът за измерване на S-параметрите за характеризиране на остаряла изолацията с водни дендрити.

В тази глава са представени резултатите, докладвани в Статии I - III.

ГЛАВА 3. КОНЦЕПЦИИ ЗА ЛОКАЛИЗИРАНЕ НА ДЕГРАДАЦИЯ НА ИЗОЛАЦИЯТА

Обобщава Глава 6 от дисертационен труд. Номерацията на подзаглавия отговарят на еквивалента в дисертационен труд.

Рефлектометрията (TDR) би открила отраженията, идващи от промени в изолацията, но тя също така регистрира отраженията, свързани с геометричните нееднородности по дължината на кабела и в някои случаи, с вариациите в заобикалящата среда. За да се направи разграничение между ефектите от деградацията на изолацията и всички други влияния, е предложена процедура за измерване. Стига се до заключението, че може да се сравнят TDR измерванията преди и след настъпването или предизвикването на промени в остарелите участъци. По този начин сигналите от влошената изолация могат да се разграничат от другите отражения, които са постоянни. Ще бъдат обсъдени различни подходи за установяване на вида и локализиране на такива промени. Разгледани са също някои специфики на TDR измерванията в полеви условия.

Уточнено е, че TDR е чувствителна предимно към вариациите в реалната част на комплексната диелектрична проницаемост (ε'). Тези промени на ε' влияят върху характеристичния импеданс на кабела и скоростта на разпространение на вълната. Разработени са методи за локализиране на двата ефекта в присъствието на електромагнитен шум и значително затихване на сигнала. Предложена е възможността за откриване на локални промени в скоростта на разпространение на вълната като метод за локализиране на стареене на изолацията.

В тази глава са обобщени резултатите, представени в Статии V - VII.

6.2. Диференциални TDR измервания За да се направи разграничение между ефектите от деградацията на

изолацията и всички други влияния, е предложена процедура за измерване. Тя се основава на ефекта от стареенето на изолацията върху високочестотните кабелни свойства. Достига се до извода, че може да се сравнят TDR измерванията преди и след настъпването или предизвикването на промени в остарелите участъци. По този начин сигналите от влошената изолация могат да бъдат разграничени от постоянните отражения, свързани с геометрията, и отраженията от други промени в материала, несвързани с

10

влошаване на изолацията, които също са незасегнати от въздействието на високо напрежение. С други думи, разликата между TDR измерванията би съдържала информация само за отражението, свързано със стареенето на изолацията; оттук методът се нарича диференциална рефлектометрия (Differential TDR).

Ще бъдат обсъдени различни подходи за предизвикване и локализиране на тези промени. Показано е, че както изолацията от омрежен полиетилен (XLPE), така и изолацията от импрегнирана хартия се ползват от този подход.

6.2.1 Изолация от XLPE Начинът за разграничаване на ефектите от деградацията от водни

дендрити и всички други влияния се основава на зависимите от напрежението свойства на водните дендрити [3]. За изолацията с водни дендрити комплексната относителна диелектрична проницаемост нараства с приложеното напрежение и също се променя от продължителното прилагане на високи напрежения [2], фиг. 6.3. Затова ще бъдат изучени два подхода на TDR измервания. В единия от тях се сравняват резултатите от TDR преди и след прилагането на високо напрежение, с регистриране на всеки хистерезисен ефект. В другия се оценяват TDR резултатите, получени при преминаване през нулата (0° ел. градуса) и максимума (90° ел. градуса) на приложеното напрежение, като по този начин се анализира нелинейната зависимост на параметрите от големината на напрежението, фиг. 6.4.

Фиг. 6.3 Пример за измервания на тангенса на ъгъла на диелектричните

загуби върху кабел с водни дендрити при напрежения със стойност до работното напрежение U0 при 1 Hz. Зависимостта на tanδ от напрежението е индикация за водни дендрити. Повтарящите се измервания при идентични нива на напрежението показват също ефект от хистерезисен тип за кабелните параметри на значително влошената изолация.

11

Фиг. 6.4 TDR измервания, извършени по време на прилагането на

променливотокови високи напрежения.

6.2.2 Изолация от импрегнирана хартия Концепцията на диференциалната рефлектометрия може да се

демонстрира за този тип кабелна изолация чрез извършване на TDR измервания през времеви интервали по време на процеса на локално проникване на вода. Като се анализират измененията в характерната картина на TDR през целия процес на проникване, може да се определи мястото на промените в параметрите, илюстрирано на фиг. 6.5.

Фиг. 6.5 Сравнение на две рефлектограми, направени преди и след започването на проникване на вода в място, което съответства на 46 – 49 ns върху TDR отразения сигнал. Фигурата съдържа резултатите от първото и последното измерване, представени на фиг. 8.7 (а).

12

ГЛАВА 4. ПРИЛОЖНИ ОБЕКТИ - ИЗМЕРВАТЕЛНИ СИСТЕМИ НА TDR

Обобщава Глава 7 от дисертационен труд. Номерацията на подзаглавия отговарят на еквивалента в дисертационен труд.

В тази глава са представени намерените резултатите в Статии I, V и VII.

7.1 Автономни измервателни системи Използван е наличен на пазара импулсен генератор (ИГ), който

произвежда сигнал с амплитуда до 5 V, широчина на импулса 10 ns и време на нарастване 200 ps.

Използвани са три различни конфигурации. На Фиг. 7.1 е представена конфигурация, която е най-подходяща за прецизни измервания и характеризиране на кабелните параметри. Използван е делител на мощност за трипътно съгласуване, където преобладаващото отражение идва от интерфейса между измервателната система с импеданс 50 Ω и силовия кабел с вълнови импеданси в границите на 25 Ω. Всички други отражения от несъгласуване, дължащи се на отклонения в импедансите на ИГ и осцилоскопа от 50 Ω, също ще бъдат анулирани. Недостатък на тази конфигурация е фактът, че делителят на мощност допринася за затихването на сигнала чрез своето 6 dB-поглъщане, намалявайки по този начин чувствителността на откриване.

Фиг. 7. TDR конфигурация за прецизно характеризиране на кабели.

Модифицирана конфигурация е представена на Фиг. 7.2. Импедансът на осцилоскопа е настроен на 1 MΩ и 13 pF, и е използвана несъгласувана 3-пътна връзка. Предимството на тази конфигурация в сравнение с Фиг. 7.1 е, че в измервателната система не настъпва значимо затихване на TDR сигнала. При тази установка отражението от несъгласуване, от точката на свързване към силовия кабел, се разпространява обратно до ИГ. Ако импедансът на ИГ се отклони от стандарта 50-Ω, ще се получи многократно отражение. Освен това, капацитетът от 13 pF на сигналния анализатор води до изкривявания в регистрирания TDR сигнал.

13

Фиг. 7.2 Измервателна установка с намалено затихване на сигнала в измервателната система.

Използвана е също трета конфигурация, Фиг. 7.3. Недостатъкът на изкривяването на сигнала от осцилоскопа се разрешава с помощта на неговата настройка на 50 Ω. Освен това измервателната система има импеданс 25 Ω (две паралелни коаксиални линии от 50 Ω), докато силовите кабели в това изследване имат характеристични импеданси в обхвата 21 – 23 Ω. Следователно отраженията, които произхождат в рамките на силовия кабел, биха били добре съгласувани, когато пристигнат в точката на свързване към измервателната система. Недостатък на системата е, че стойността на отражението в точката на свързване между измервателната система и силовия кабел не може да бъде измерена, т.е. характеристичният импеданс на силовия кабел не може да бъде точно определен.

Фиг. 7.3 Измервателна установка, най-подходяща за силов кабел с характеристичен импеданс в границите на 25 Ω.

7.2 Измервателна система под напрежение

7.2.1 Конструкция на измервателната система Конструирана е система за TDR измервания по време на прилагането на

високи променливотокови напрежения, Фиг. 7.4. Тя е предназначена главно за използване с диагностични високи напрежения с различни амплитуди и честоти, а не е оптимизирана за използване в полеви условия под работни напрежения на кабелите. Затова TDR системата се нарича „под напрежение“.

14

Фиг. 7.4 TDR система за фазово-разрешени измервания по време на прилагането на високи променливотокови напрежения.

Важна характеристика на системата под напрежение е, че TDR измерванията трябва да бъдат синхронизирани с приложеното променливотоково напрежение. Причината е, че синусоидалното напрежение, с период от порядъка на милисекунди, ще се вижда като постояннотоково отместване за TDR измерването, което е с продължителност от порядъка на микросекунди. Следователно TDR сигналът следва да бъде синхронизиран с фазата на променливия ток, така че да се определи натоварването на напрежението върху изолацията в момента на TDR измерването. Чрез извършване на TDR в максимума или прехода през нула на променливотоковото напрежение, изолацията е характеризирана при минимума и съответно максимума на приложеното напрежение. Фазовото синхронизиране се постига чрез синхронизиране на задействането на ИГ с подаването на променлив ток с високо напрежение. ИГ и измервателното оборудване са свързани към страната с високо напрежение чрез свързващи кондензатори. Могат също да се добавят допълнителни вериги за защита на чувствителното оборудване и филтриране на честотата на променливотоковото напрежение. Източникът на синусоидално напрежение е свързан чрез усилвател за високо напрежение с максимална стойност 20 kVpeak.

ИГ произвежда сигнал с амплитуда до 1000 V. Конструкцията на ИГ може да се види на Фиг. 7.5. Най-общо тя се състои от 4 секции. Секция (1) е зарядната част и се прилага постояннотоково напрежение до 2 kVdc. Секция (2) се състои от реле, което задейства процеса на разреждане, където

15

задействането се управлява външно за целите на фазовата синхронизация. Секция (3) се състои от голям брой последователно и паралелно свързани диоди. Тази конструктивна характеристика е специално създадена, за разрешаване на проблема с несъгласуването между силовия кабел с произволен импеданс и измервателната система. Когато импулсът достигне точка 1 на свързването към силовия кабел и се отрази обратно, диодната група (D) ще представлява отворен край. Следователно, импедансът на ИГ ще се определя от регулируемия резистор (R) в секция (4). Стойността на съпротивлението му може да бъде избрана така, че да се съгласува с тази на силовия кабел, като по този начин се анулират всички многократни отражения.

Фиг. 7.5 Схема на импулсен генератор за прецизно съгласуване с произволния импеданс на силовия кабел (Zсилов кабел = Zимпулсен генератор) с помощта на регулируемия резистор в (4).

Произведеният от ИГ сигнал може да се види на Фиг. 7.6 (a). Следва да се отбележи, че формата на сигнала във времевата област, определена от широчината на импулса и времето на нарастване, е проектирана за честотна лента до приблизително 70 MHz, фиг. 7.6 (b). Причината за това е влиянието на заобикалящата среда за честотите над този праг.

16

Фиг. 7.6 Изходен сигнал на импулсния генератор (a) и честотно съдържание (b).

7.2.2 Свързване на системата към силовия кабел Силовият кабел за средни напрежения се среща както с еднофазна, така и

с трифазна конструкция. За последния TDR импулсът може да се приложи между две фази (1), както и между едната фаза и общия метален екран (2), фиг. 7.7. За всяка конфигурация всички останали проводници са свързани към земята на измервателната система. Многофазното разпространение в контекста на силовите кабели е разгледано също в [15].

Фиг. 7.7 Конфигурации на TDR измервания върху трифазни силови кабели.

Едно от предизвикателствата при извършване на TDR измервания с високо напрежение е свързването на измервателната система към изследвания кабел. Целта на връзката е да се осигури най-малко изкривяване на високочестотния сигнал, приложен към силовия кабел. Често срещан начин на свързване към кабел е измерването в който и да е край на силовия кабел, при което за нормалната работа се изисква поставянето на крайни

17

муфи за високо напрежение, фиг. 7.8. Обаче конструкцията на кабелната крайна муфа за високо напрежение, осигуряваща значително електрическо разстояние между кабелния проводник и металния екран, е неподходяща за високочестотни измервания, тъй като тази конструктивна характеристика би въвела високо индуктивен път за високочестотния сигнал. За подобряване на преноса на TDR сигнала към кабела, металният екран се свързва към измервателната система с помощта на лист от алуминиево фолио, който следва да се постави възможно най-близо до крайната муфа, без да води до пробив. Това, от друга страна, може да предизвика разряди поради увеличените натоварвания в точките с намалени електрически разстояния. Тези разряди могат да повлияят на TDR измерването и е важно да не се бъркат с отраженията, свързани с изолацията, фиг. 7.9.

Фиг. 7.8 Пример за конструкция на крайна муфа за високо напрежение и разстояния между проводниците.

Фиг. 7.9 Ефект на свързването на оборудването към силовия кабел. Резултати от TDR измерванията при 0,75 U0 и 0° и 90° на променливотоковото напрежение. В точката на свързване между кабела и измервателната система се появява отражение (0,34 – 0,36 μs). При 0,5 U0 този ефект липсва и затова това ниво на напрежението е избрано за следващите измервания за локализация. ГЛАВА 5. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА ПРОВЕРКА

Обобщава Глава 8 от дисертационен труд. Номерацията на подзаглавия отговарят на еквивалента в дисертационен труд.

В тази глава са представени намерените резултати в Статии V и VI.

18

8.1. Локализиране на остарели участъци с водни дендрити по кабели с изолация от XLPE

Всяко от следващите TDR измервания е с нискочестотна филтрация до 70 MHz, за да се изключи влиянието на артефактите, например ефектите на заобикалящата среда. Също така е от ключово значение да се приложи осредняване на TDR измерванията. В представения случай всяко измерване е средната стойност от 512 сигнала. По този начин влиянието на шума и нестабилността на импулсния генератор е намалено значително и измерванията на сигнали в границите до 1 mV са възможни дори в полеви условия със значително електромагнитно замърсяване.

Ще бъдат демонстрирани две концепции за локализиране на промени в ε'(ω) посредством TDR измервания: 1) локализиране на отраженията, предизвикани от промяната в Zc(ω) и 2) локализиране на местни изменения на скоростта.

8.1.1 Локализиране на промените в Zc(ω) Тази концепция е демонстрирана чрез диференциални TDR измервания

преди и след прилагането на високи напрежения. Използвана е измервателната система, показана на фиг. 7.3. Приложени са еднофазни измервания, установка (2), фиг. 7.8.

Характерът на отраженията при TDR, фиг. 8.1, разкрива многобройни съединения по дължината на стария участък на кабела. Отражението от тях доминира в сигнала до 8 μs. Отражението от далечния край е 16 μs.

Фиг. 8.1 Характер на отраженията при TDR (горна диаграма) за XLPE

кабел 24 kV от 70-те години на миналия век с лентова/графитна

19

конструкция на изолационния екран. На долната диаграма е дадена разликата между измерванията преди и след прилагането на високо напрежение. Дължината на кабела с неговите стари (С) и нови (Н) участъци е представена на чертежа най-долу.

Анализът на сигнала на диференциалната TDR, Фиг. 8.1, показва промяна

след прилагането на високо напрежение в зоната 6,5 – 7 μs. Локализираното отражение съответства на промяна на ε' от 9,7%. Сигналите в началото (0 – 2 μs) на отклика при диференциалната TDR могат да бъдат приписани на артефактите на измерването. Сигналът в края на диференциалния сигнал е предизвикан от незначителна промяна във времето на разпространение, която е оценена на Δt = 0,02 μs за наблюдаваната промяна на ε'.

Като се вземе предвид скоростта от 147 m/μs, зоната, съответстваща на 6,5 – 7 μs, е разположена на приблизително 470 – 510 m от измервателния край, фиг. 8.1. Това съответства на положението, където са настъпили няколко дефекта, свързани с водни дендрити, и затова част от кабела е заменена. Направено е заключението, че сигналът, локализиран чрез диференциалната TDR процедура, е предизвикан от промени в зоната с водни дендрити след прилагането на високи напрежения.

Точността на локализирането се определя от горната честота на измерванията, която е 70 MHz със съответстваща дължина на вълната 2 m. Обаче за кабели за разпределителни мрежи с дължини от порядъка на няколко километра, честотното съдържание на TDR сигнала може да бъде допълнително намалено поради високото затихване на сигнала. Следователно на практика може да се очаква точност на локализиране в рамките на диапазона от 5 до 7 m при кабелни дължини в границите на 1 км.

8.1.2 Локализиране на вариациите в v(ω) На Фиг. 8.2 е показано измерване върху влошен XLPE кабел 24 kV с

водни дендрити, дълъг 170 м, преди и след прилагането на високи напрежения. Участъците, означени с A, са от 70-те години на миналия век, а участък B – нов кабел от 2002 г. Извършени са измервания от двете страни за прецизно картографиране на профила на кабела. Отраженията от съединенията към участък B са при 1,4 µs и 2,0 µs за измерванията от страна (I). Съответните положения за измерванията от страна (II) са при 0,4 µs и 1,0 µs.

Ефектът от промените поради водни дендрити може да се наблюдава във времевото отместване на отражението от отворения край (при 2,4 μs). Промени в затихването на сигнала също могат да бъдат открити. Намаляването на затихването обаче е по-голямо от очакваната промяна на скоростта, съответстваща на същата вариация на ε', фиг. 6.6. Предполага се, че промените в полупроводниковия слой и другите влияния върху

20

измерването допълнително влияят на затихването на сигнала (вж. Статия V, фиг. 8).

За подпомагане на локализирането на участъка (участъците), който е предизвикал наблюдаваното отместване, е използвана изчислителната процедура, пояснена в Статия V, която дава профила на промяната на скоростта по дължината на кабела. Както е обсъдено в раздел 6.4, отраженията от геометричните нееднородности са използвани като референция за точното определяне на мястото, където са настъпили промените в скоростта.

Извършени са измервания при прехода през нулата (0°) и при върха (90°) на синусоидата на високото напрежение, и е използвана идентична процедура за локализиране на промените в скоростта. Следва да се отбележи важна разлика в сравнение с измерванията преди и след прилагането на високо напрежение. Докато в първия случай целият TDR сигнал е повлиян след прилагането на високо напрежение, в случая с напрежение са повлияни само сигналите с честотно съдържание над приблизително 20 MHz, фиг. 8.3. Стойността на честотата, над която могат да се наблюдават промените, е установена итеративно.

Фиг. 8.2 TDR измервания от двете страни на кабела.

С помощта на гореспоменатите методи за измерване е измерен профилът

на локалната скорост, фиг. 8.4, с използването на метода за обработка на сигнали, представен в Статия V. Сравнени са промените в скоростите след прилагането на високи напрежения и при 90° на приложеното високо напрежение. На фиг. 8.4 е показано равномерно увеличаване на скоростта в участъка с водни дендрити, докато скоростта в новия участък е най-малко

21

засегната. Началната скорост е v = 147 m/μs. Промяната в локалната скорост на разпространение на вълната съответства на промяна на ε' от 7%. Зависимостта между наблюдаваните вариации в ε' и съдържанието на водни дендрити е представена в Статия V.

Чувствителността на откриване и локализиране на отместване на скоростта (Δν) зависи от времето на дискретизация (Δtosc) на използвания осцилоскоп (раздел 3.3.3). Може да бъде използвана следната зависимост за определяне на минималната дължина и промяна на ε', необходими, за да бъдат открити от оборудване с време на дискретизация Δtosc

(8.1)

Скоростта като функция на диелектричната проницаемост може да бъде

получена от уравнения (3.5), (3.6) и (6.1). Приблизителната зависимост v = 1 / √(LC) може също да се използва, за да се определи, че промяна от 7% в ε' съответства на промяна от 3,4% в скоростта на разпространение на вълната. Ако разгледаме осцилоскоп с Δtosc = 0,2 ns, промяна на скоростта може да се открие, когато настъпи промяна от 7% в ε' в кабелен участък с минимална дължина 8,4 cm.

( ) osctl

D³¢DD en

*

22

Фиг. 8.3 TDR измервания при 0° и 90° на променливия ток с високо

напрежение (страна II). Измерванията са извършени при 10 Hz и 0,5U0. Нивото на високото напрежение е избрано така, че да се избегне при интерфейса между измервателната система и силовия кабел. Времевото отместване може да се наблюдава само за честоти над 20 MHz.

23

Фиг. 8.4 Профили на локалната скорост на базата на измерванията

преди, след и при 0° и 90° на приложеното високо напрежение. Извършени са измервания от двете страни, с резултати от 0,7 до 2,5 µs, измерени от страна I и от 0 до 0,7 µs – от страна II. Взети са проби от водни дендрити от 7 места, разположени на равни разстояния по дължината на остарелите кабелни участъци (Статия V).

8.1.3 Влияние на прилагането на високо напрежение върху високочестотните свойства на изолацията с водни дендрити

Водните дендрити повишават високочестотните ε' и ε'' на изолацията [23], [24], Статия III. В настоящото изследване промените в Zc(ω) и ν(ω), предизвикани от прилагането на високи напрежения, се дължат на понижаването на ε'. Предложено обяснение може да бъде намерено, като се използват резултатите от [94] и [95]. Наблюдавано е, че зарядите се улавят във върховете на водните дендрити по време на прилагането на натоварвания с високо напрежение, като натрупването на заряди се изменя с фазата на приложеното напрежение [94]. Този ефект би намалил мобилността на зарядите и способността им да следват полето на високочестотните сигнали, съдържащи се в TDR импулса.

Улавянето на зарядите следователно може да доведе до по-ниска високочестотна ε' и това явление се наблюдава при извършване на фазово синхронизирани TDR измервания под напрежение, напр. при 0° и 90° електрически градуса на високото напрежение.

Следва също да се отбележи, че тук са представени фазово синхронизирани TDR измервания при 10 Hz на приложеното високо напрежение. Извършени са също измервания при 1 и 3 Hz, без забележима

24

разлика в резултатите. Наблюдавана е също липса на зависимост от честотата на натрупването на заряди при изолация с големи водни дендрити в [94].

След прилагането на променливотокови напрежения и късо съединение на кабела, остатъчният заряд все още присъства, ако зарядите са уловени във водни дендрити със значителна дължина [95]. Затова съответстващото понижение на високочестотната ε' е измерено след прилагането на високи напрежения.

В случая на по-къси водни дендрити, където се предполага, че не се получава значително натрупване на заряди, продължителното прилагане на напрежение също води до свързване на порите, образуващи водните дендрити [52]. Това последователно увеличава абсорбцията на вода в изолацията и води до увеличено затихване на високочестотния сигнал след прилагането на напрежение, фиг. 4.15.

8.2 Локализиране на проникването на вода в импрегнирани кабели

8.2.1 Експериментален метод За експеримента е избран участък с дължина 2,8 m от кабел 10 kV с

изолация от импрегнирана хартия, изведен от експлоатация през 1998 г. след 17 години работа. В този експеримент е използвана установката на TDR измерване, показана на фиг. 7.1 и фиг. 7.8 (2).

По-голямата част от дефектите, причиняващи повишено съдържание на влага в изолацията, се намират в кабелните съединения, където водата може да проникне през недостатъчно или влошено уплътнение. Независимо от това, повредите на оловната обвивка също могат да доведат до локално проникване на влага в хартиената изолация. За симулиране на проникването на вода поради повредена оловна обвивка е изградена специална експериментална установка. За участъка с дължина 2,8 m от импрегнирания кабел е направен отвор, широк 4 мм в оловната мантия около кабела на разстояние 1 m от измервателния край. След това изолацията е изложена на влажна среда посредством херметизирана пластмасова тръба, пълна с вода, както е показано на фиг. 8.5.

25

Фиг. 8.5 Експериментална установка за изследване на проникването на

вода.

8.2.2 Резултати от измерванията и анализ На Фиг. 8.6 е показан запис на отразения сигнал на изпитвания кабел. Тъй

като скоростта на разпространение на вълната на напрежение, 151,6 m/µs, и положението на проникването на вода са известни, е възможно да се изчисли положението на зоната на осцилограмата, където се очаква да се появи отразеният сигнал [15], [49]. Тази зона е наречена „Разглеждан прозорец“.

Фиг. 8.6 Отразен сигнал от импрегнирания кабел.

За целите на локализирането на водното увреждане са приложени също диференциални TDR измервания. Това включва извършване на TDR измервания преди започването на проникване на вода и след това анализиране на разликата между началната TDR крива и измерванията по време на проникването на вода.

На Фиг. 8.7 а) са показани резултатите от приблизително 25-дневни TDR измервания, направени на разглеждания прозорец. На фигурата е представена промяната на отразения сигнал спрямо часовете след

26

започването на проникване на вода. Очевидна е стабилна тенденция на промяна дори без изчисляване на разликите между началната и следващите рефлектограми. На фиг. 8.7 б) са представени изчислените разлики спрямо часовете на проникване на вода. Максимумът на отразения сигнал съответства на изменението на импеданса.

Фиг. 8.7 РАЗГЛЕЖДАН ПРОЗОРЕЦ: а) Промени в импулсния отклик; б)

Промени в изчислената разлика между началния и измерения по време на проникването на вода импулсен отразен сигнал.

Допълнително може да се определи промяната на εr в зоната на

проникване на вода, като се използва (4.9), където ε1 = 3,9 е диелектричната проницаемост на изолацията от импрегнираната хартия.

Ако приемем, че промяната на импеданса в зоната на проникване на вода е предизвикана от промяната на проницаемостта и като се използват уравнения (3.16), (4.8) и (4.9), може да се определи водното съдържание за този участък. Изчислено е, че максималното отражение е предизвикано от промяна от 14,1% в проницаемостта, която отговаря на водно съдържание 6,6%.

За същия образец е направена нискочестотна диелектрична спектроскопия. Резултатите са показани на фиг. 8.8.

27

Фиг. 8.8 Резултати от измерването на тангенса на ъгъла на

диелектричните загуби по време на проникването на вода.

8.2.3 Връзка между диелектричната спектроскопия и резултатите от TDR измерванията

Симулацията на проникване на влага в импрегнираната кабелна изолация (Статия VI) показва, че този процес е сравнително бавен първоначално, но скоростта се увеличава, когато водата проникне по-дълбоко в изолацията. Освен това влажната зона изглежда доста тясна, т.е. проникването на вода може да се разглежда като локална повреда.

Спектроскопията в честотната област позволява откриване на промени в свойствата на изолацията, в частност, диелектричните загуби и проводимостта, чието увеличение се дължи основно на овлажняването на кабелната изолация. Независимо от това, чувствителността на този метод намалява с нарастващата дължина на кабела, поради намаляващото отношение на количество на повредената изолация в сравнение с количеството на тази, която е незасегната.

От друга страна, с помощта на TDR положението на повредата може да бъде определено заедно с промяната на относителната диелектрична константа. Както може да се види на фиг. 8.8, локална промяна в диелектричната константа от 2,3% след 250 часа проникване на вода не може ясно да се открие с диелектрична спектроскопия. Обаче с използването на TDR тази промяна лесно се различава, като по този начин се увеличава чувствителността на откриването на проникване на вода. Следователно използването на TDR и измерванията в нискочестотния спектър позволява по-доброто разграничаване между повишението на съдържанието на влага, дължащо се на локална повреда и на общото стареене на импрегнираната изолация.

28

НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ И ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ Разработени са неразрушаващи диагностични методи и подход за

локализиране на влошаване на изолацията по дължината на силови кабели за средно напрежение. Методите се основават на сравнение на отразените сигнали от нееднородности при рефлектометрия TDR преди и след настъпването или предизвикването на промени в остарелите участъци. По този начин сигналите от влошената изолация могат да бъдат разграничени от другите отражения, които са постоянни. Подходът се нарича диференциална рефлектометрия във времевата област (Differential TDR). Методът на измерване за локализиране на участъци с водни дендрити в кабели с изолация от омрежен полиелитен (XLPE) се основава на ефектите от прилагането на напрежение върху капацитивната част на диелектричната проницаемост (ε') на изолацията в зоната с водни дендрити. TDR измерванията локализират ефекта на промените на ε' чрез промяна на характеристичния импеданс Zc(ω) и скоростта на разпространение на вълните ν(ω). Показано е също, че изменението на скоростта на разпространение ν(ω) са най-малко чувствителни към артефактите на измерването. Когато къс кабелен участък е засегнат от водни дендрити, единственият наблюдаван ефект биха били отраженията, предизвикани от промяната на Zc(ω). За по-дълги влошени участъци дори да не могат да се локализират отражения, ефектът от промяната на ν(ω) е интегриран по дължината и може да се наблюдава отместване във времето на пристигане на отражението от отворения край. С помощта на обработка на сигнала се изследва дали отместването е предизвикано от местна деградация от водни дендрити и се локализира положението ѝ. Ключова характеристика за обработката на сигнала е използването на отраженията от геометричните нееднородности по кабела. Постигнато е също локализиране на промените на импеданса, свързани с проникването на вода в кабели с изолация от импрегнирана хартия, с помощта на подхода на диференциалната TDR. Количествено е оценено за кабелите с изолация от импрегнирана хартия степента на проникване на вода чрез сравняване на TDR измерванията по време на процеса на локално проникване. Точността на локализиране на мястото на дефекта се оценява на 5 - 7 m за кабели с дължина от около 1 km.

Сравнени са два метода за определяне на параметрите на разпространение на електромагнитни вълни в електропроводни линии, които са разработени за прилагане върху силови кабели. В първия от тях се използват TDR измервания и се анализира разпространението на вълни на напрежение с малка продължителност по кабела. В него се дава комплексната константа на разпространение в честотния обхват 1 MHz – 300 MHz. Вторият метод се основава на измерванията на S-параметрите с анализатор на вериги. С метода се извличат комплексната константа на разпространение и характеристичният импеданс, както и разпределените параметри LCRG на

29

телеграфните уравнения за честотите между 300 kHz и 300 MHz. Наблюдавано е, че и за двата метода на измерване калибрирането на измервателната система, свързана към силовия кабел, има доминиращо влияние върху точността на определяне на параметрите. Установено е, че методът с използване на TDR е най-подходящ за оценка на параметрите на дълги кабелни електропроводни линии, особено в полеви условия. Методът с измерване на S-параметрите е приложим за пълното и точно характеризиране на по-къси кабелни образци с достъп до двата края. Счита се също, че представените методи за определяне на вълновите параметри на електропроводни линии имат по-широко приложение в областта на електроенергетиката, като изследвания за локализиране на частични разряди, анализ на преходни процеси, предаване на данни по енергийни мрежи и изследвания на електромагнитната съвместимост. Методът за определяне на S-параметрите е използван за високочестотно характеризиране на образец от XLPE кабел с водни дендрити. Направено е заключението, че параметрите на разпространение на вълните на кабела се променят след продължителното прилагане на номинални напрежения. Показано е също, че високочестотните характеристики се променят в зависимост от водното съдържание във водните дендрити.

Установено е, че характеристиките на разпространение на вълните на кабела над приблизително 70 MHz могат да бъдат значително повлияни от заобикалящата среда и начина на полагане на силовите кабели. Предимно се променя затихването на сигнала, докато скоростта на разпространение на вълната не се променя значително. Показано е, че изменението се поражда от спиралната структура на металния екран на кабела. За потвърждение на експерименталните наблюдения са използвани двуизмерно, с помощта на FEM, и триизмерно, с помощта на FDTD, числено моделиране, и аналитично моделиране на основата на модален анализ на разпространението на вълните. Установено е, че вариациите в затихването на кабела са най-чувствителни към стъпката на усукване и геометричното разположение на екрана. Промените в относителната диелектрична проницаемост на заобикалящата среда също оказват влияние върху затихването на сигнала, което позволява видът на заобикалящата среда да бъде определен от измерванията. Усукването на металния екран допълнително увеличава електрическата дължина на кабела поради по-високата специфична индуктивност. Това увеличение е под 2% в представения случай за типични конструкции на силови кабели.

30

СПИСЪК НА ПУБЛИКАЦИИТЕ ПО ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД 1. (Статия IV) R. Papazyan, P. Pettersson, D. Pommerenke, Wave propagation

on power cables with special regard to metallic screen design, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 14 (2), 2007, 409-416, Journal ISSN: 1070-9878, Impact factor 1.774

2. (Статия V) R. Papazyan, U. Gäfvert, R. Eriksson and K. Johansson, Techniques for Localization of Water-treed Regions along Medium-Voltage Power Cables, IEEE Trans. Power Delivery, submitted April 2005, (bibliographically approved), Journal ISSN: 0885-8977, Impact factor 3.35.

3. (Статия VI) R. Neimanis, R. Eriksson, R. Papazyan, Diagnosis of moisture in oil/paper distribution cables. Part II: water penetration in cable insulation - experiment and modelling, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 19, January 2004, pp. 15-20., Journal ISSN: 0885-8977, Impact factor 3.35

4. (Статия II) R. Papazyan, P. Pettersson, H.Edin, R. Eriksson, U. Gäfvert, Extraction of the High Frequency Power Cable Characteristics from S-parameter Measurements, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.11, June 2004, pp. 461-470., Journal ISSN: 1070-9878, Impact factor 1.774

5. (Статия I) R. Papazyan, R. Eriksson, Calibration for Time Domain Propagation Constant Measurements on Power Cables, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 52, April 2003, pp. 415-418., Journal ISSN: 0018-9456, Impact factor 2.794

6. R. Papazyan, R. Eriksson, High Frequency Measurements on Medium Voltage Cables For Localisation of Degraded Regions, Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’05), June 13-15th 2005, Trondheim, Norway

7. R. Papazyan, H. Edin, R. Eriksson and H. Flodqvist, Detection and Localization of Water-treeing for Condition Based Replacement of Medium-voltage Cables, 8th International Conference on Electric Distribution CIRED 2005, 6–9 June, 2005, Turin, Italy.

8. R. Papazyan, D. Pommerenke, R. Eriksson, Modeling the wave propagation properties of power cables using numerical simulations, 2004 Conference on Precision Electromagnetic Measurements, 27 June-2 July 2004, London, UK, pp. 412-413

9. (Статия VII) R. Papazyan, H. Edin, Design and application of a coupling connection for high frequency and high voltage diagnostic measurements on power cables, Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’03), pp. 183-90, June 11-13th 2003, Tampere, Finland

10. R. Papazyan, Time and frequency domain measurement methods for extraction of the power cable propagation constant, Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’03), June 11-13th 2003, Tampere, Finland

11. (Статия III) R. Papazyan, R. Eriksson, High Frequency Characterisation of Water-treed XLPE Cables, 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM 2003), pp. 187-90, June 01-05th 2003, Nagoya, Japan.

31

12. R. Papazyan, R. Neimanis, Detection and localisation of water ingress in mass impregnated cables, Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’01), pp.29-36, June 11-13th 2003, Stockholm, Sweden.

13. G. Mugala, R. Papazyan, P. Nakov, High frequency characterization of medium voltage cables using Time Domain Reflectometry techniques, Nordic Insulation Symposium (NORD-IS’01), pp. 211-218, June 11-13th 2003, Stockholm, Sweden.

32

SUMMARY Techniques for Localization of Insulation Degradation along Medium-Voltage

Power Cables

Ruslan Papazyan

Time Domain Reflectometry (TDR) has been used for localization of transmission line discontinuities in diverse applications. Various challenges have to be addressed when applying TDR for localization of insulation degradation in power cables. The dominant problem is that TDR detects reflections coming from insulation changes, but it also records reflections related to geometrical irregularities along the cable length and, in some cases, surrounding medium variations. It is realized that one can compare TDR measurements before and after changes have occurred or have been induced in the aged sections. Thus the signals from the deteriorated insulation can be distinguished from other reflections that are constant.

The measurement technique to localize water-treeing in cross-linked polyethylene (XLPE) insulation is based on the voltage nonlinearity of water trees. TDR measurements have been performed before, after and during the application of high AC voltages. The high stresses affect the cable characteristic impedance and speed of wave propagation in the water-treed region. The possibility to detect local changes in the velocity of wave propagation has been presented as a technique for localization of insulation ageing. Localization of impedance changes related to water treeing and water ingress in mass impregnated paper insulated cables has also been achieved.

To characterize the power cables in the high frequency domain two parameter extraction methods have been developed. The first one uses TDR measurements and analyses short pulse propagation along the cable. The second one is based on the S-parameter measurements in the frequency domain. The methods extract the complex propagation constant and the characteristic impedance, as well as the LCRG Telegrapher's Equation parameters for the frequencies between 300 kHz and 300 MHz.

The dependence of the high frequency power cables properties on the metallic screen design and cable surrounding medium has been studied. The cable characteristics are modeled using time- and frequency-domain numerical simulations. This is required due to the complex spiralized structure of the outer metallic screen. It is established that this screen design causes a dependence of the cable characteristics on the surrounding medium.