Выход из строя концевых кабельных муфт в РУ-35кВ

Независимая экспертиза.

Суть проблемы

При подготовке подстанции к отключению по указанию диспетчера распределительных сетей был обнаружен сильный запах гари в помещении РУ 35 кВ второй очереди, при осмотре помещения рядом с ячейкой № 15 (ввод на трансформатор Т-4) были обнаружены следы оплавления кабельной линии (расплавленные капли сшитого полиэтилена и бирки кабеля). Руководителем группы электроподстанций было принято решение отключить ячейку № 15 и вывести из работы Т-4. Подстанция была обесточена со стороны распределительных сетей, затем электроснабжение было восстановлено. Далее был включен трансформатор Т-3 на холостой ход и была включена основная нагрузка. Таким образом, питание потребителя было восстановлено в полном объеме.
Ввиду того, что произошло полное выгорание муфты фазы В выдвигается гипотеза, что имело место локальное разрушение термоусаживаемой трубки муфты, появление токов утечки, нарастание тока при перекрытии экрана кабеля, присоединенного к заземляющему контуру и формирование устойчивого тока замыкания на землю.

---

Поставленные на экспертизу вопросы

1. Определить причины, факторы и обстоятельства в прошлом, повлекшие к замыканию в сети 35 кВ и выходу из строя кабельных муфт Raychem POLT-42E/ 1XO-L16 и другого оборудования ячейки № 15 РУ 35 кВ представленного на исследование комплектного распределительного устройства трансформаторной подстанции.
2. Установить, вследствие чего возникли данные причины, факторы и обстоятельства: заводской брак/ некачественный монтаж/ условия эксплуатации/ некачественная электрическая энергия/ действие непреодолимых сил или иное?
3. Установить и указать в настоящем на ответственных лиц с юридической точки зрения, если такие имеются, за выход из строя представленных на исследование объектов.

---

Методы исследования

Аналитический, документальный, органолептический, фотографический, инструментальный.

---

Процесс исследования

Произошедшие события соответствуют предоставленным графикам тока ячейки № 15 РУ 35 кВ подстанции и напряжения на шинах 35 кВ.

Графики тока (сверху) ячейки № 15 РУ 35 кВ

и напряжения (снизу) на шинах 35 кВ подстанции

Из графиков видно, что одной из фаз (фазы В) снизился с 19 до 4 А, далее примерно в 02.10 снизился до 3 А и держался на данном уровне до момента времени 05.16, когда токи всех трех фаз стали равными нулю, поскольку произошло отключение ячейки № 15. Напряжение на шинах 35 кВ при этом держалось на уровне 35 кВ, однако в промежуток времени с 05.20 до 05.40 оно было равным нулю, затем вновь приняло стабильное, близкое к номинальному, значение (произошло отключение и возобновление питания подстанции). Указанные факты характеризуют однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью. Данное замыкание произошло в результате повреждения кабельной муфты фазы В в ячейке № 15. Состояние кабельной муфты фазы В в ячейке № 15 доказывает, что причина замыкания на землю крылась именной в ней. ⬇

Поврежденная кабельная муфта фазы В в ячейке № 15 РУ 35 кВ подстанции

Поскольку ячейка № 15 питает трансформатор № 4, муфта фазы В в ячейке полностью разрушена и кабельную перемычку фазы В от ячейки до трансформатора необходимо менять (нет запаса длины кабеля для монтажа новой муфты в ячейке), для исследования была демонтирована муфта фазы В со стороны трансформатора, которая является аналогичной по марке и конструкции.
В соответствии с предоставленным журналом событий, на подстанции в 14.58 в ячейке № 12 РУ 35 кВ произошло срабатывание ступеней 1 и 4 МТЗ (фазы 2, 3). Графики токов и напряжений представлены на рисунке. ⬇

Графики токов и напряжений на подстанции

На осциллограммах ячейки № 12 (см. рисунок сверху) видно, что напряжение фазы В до момента срабатывания защит было значительно ниже нормального действующего значения 20 кВ (амплитуда на уровне 10 кВ, действующее значение 7 кВ), а напряжения фаз А и С стали равны номинальному линейному (амплитуда на уровне 50 кВ, действующее значение 35 кВ).
При этом токи фаз имели примерно одинаковые значения (действующее значение на уровне 177 А), т. е. нагрузка была симметричной, а ток замыкания на землю еще не успел ощутимо возрасти до установившегося значения.
Осциллограммы трансформатора напряжения в ячейке 3 РУ 35 кВ (см. рисунок снизу) более наглядно показывают характер изменения фазных напряжений в результате пробоя муфты: до повреждения все три фазных напряжения имеют нормальное действующее значение 20 кВ (амплитуда на уровне 30 кВ), после пробоя напряжения неповрежденных фаз А и С принимают действующее значение линейного напряжения 35 кВ (амплитуда на уровне 50 кВ), а напряжение поврежденной фазы В снижается до амплитуды 10 кВ (действующее значение 7 кВ).
Указанные факты, а также сам характер повреждения концевой муфты фазы В ячейки № 12 (рисунок) позволяют заключить, что в этом случае также имело место ОЗЗ, которое, однако, не вызвало значительных повреждений. В данном случае величина тока поврежденной фазы В, обусловленного током нагрузки и емкостным током ОЗЗ, была достаточно высока для срабатывания защиты (как минимум 200 А), что позволило избежать повреждений. Увеличение значения тока фазы В обусловлено увеличением нагрузки в дневное время по сравнению с ночным (как в первом случае).
Муфта кабельной перемычки фазы В на силовой трансформатор № 4 из ячейки № 12, на которой виден отчетливый прогар термоусаживаемой трубки вблизи выхода экрана кабеля и белые следы воздействия частичных разрядов (см. рисунок) была демонтирована для проведения исследования в экспертной организации и обозначена экспертами как образец № 1. ⬇

Муфта фазы В ячейки № 12 РУ 35 кВ подстанции

В связи с тем, что наиболее частой причиной выхода из строя кабельных муфт по статистике являются дефекты их монтажа, необходимо проверить эту причину в данном случае. В рамках исследования первоначально было произведено вскрытие образца № 2 с целью проверки качества монтажа данной муфты. ⬇

Муфта фазы В трансформатора № 4 подстанции (Образец № 2)

При вскрытии образца проверялось выполнение пунктов монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09, которая была предоставлена в материалах для исследования вместе с паспортом муфты, имеющим штамп контроля производителя.
Вскрытие образца № 2 показало следующее:
1. На рисунке проволоки экрана, отогнутые на наружный покров, расположены неравномерно (Нарушение пункта А2 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09, стр.3). Это приводит к увеличению воздушных зазоров внутри муфты.⬇

Неравномерное расположение проволок экрана кабеля

2. На рисунке на поверхности изолирующей части видны различные углубления. (Нарушение пункта А3 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). Они могут способствовать возникновению частичных разрядов и развитию электрических триингов. ⬇

Углубления на поверхности изоляции

3. На рисунке расстояние между наконечником и изоляцией составляет 10 мм, что создает излишние пустоты внутри муфты (Нарушение пункта А4 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). ⬇

Воздушный зазор между изоляцией и наконечником

На краях изоляции видны сколы и заусенцы, появившиеся при разделке во время монтажа. Указанные дефекты также приводят к возникновению частичных разрядов по причине неоднородности электрического поля, развитию триингов и деградации изоляции.
4. На рисунке подмотка черной лентой заполнения пустот и выравнивания напряженности электрического поля заходит на полупроводящий слой на 10 мм, а на изолирующий слой на 15 мм. (Нарушение пункта А6 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). Данное нарушение также способно привести к недостаточной степени выравнивания напряженности электрического поля в месте среза полупроводящего слоя изоляции кабеля. ⬇

Подмотка лентой заполнения пустот

5. На рисунке отсутствует дополнительная подмотка наконечника красной герметизирующей лентой. ⬇ (Нарушение пункта 7 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.5). Возможные последствия – неоднородность электрического поля и частичные разряды. 

Нарушение монтажа кабельного наконечника

(нет подмотки наконечника, зазор между изоляцией и наконечником)

Таким образом, при вскрытии образца № 2 кабельной муфты фазы В трансформатора № 4 подстанции выявлена неквалифицированная установка кабельной муфты – пустоты, недостаточная обработка поверхностей элементов (см. рисунок), разрезы, неровности на поверхностях элементов муфт, надломы изоляции жил, недостатки и пропуски в наложении элементов, в их присоединении друг к другу, воздушные зазоры внутри муфты.
Данные недостатки монтажа приводят к развитию электрических триингов и дальнейшей деградации изоляции.
Образец муфты № 1 представлен на рисунке. ⬇

Демонтированная муфта фазы В ячейки № 12 РУ 35 кВ подстанции

(Образец № 1) и прогар термоусаживаемой трубки

Вскрытие образца № 1 показало следующее:
1. На рисунке проволоки экрана на наружном покрове также расположены неравномерно (Нарушение пункта А2 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). ⬇

Неравномерное расположение проволок экрана

На рисунке видны облом проволоки экрана и разрушение полупроводящего слоя. ⬇
Такие дефекты резко увеличивают неоднородность электрического поля. Более того, увеличивается сопротивление заземляющего проводника.

Облом проволоки экрана и разрушение полупроводящего слоя

2. На рисунке на поверхности изолирующей части видны неровности различной глубины (Нарушение пункта А3 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). ⬇

Неровности на поверхности изоляции

На рисунке видны следы не удаленного полупроводящего слоя и неровности поверхности изоляции. ⬇

Следы проводящего материала и неровности на поверхности изоляции

3. На рисунке расстояние между наконечником и изоляцией составляет
7 мм (Нарушение пункта А4 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). На краях изоляции видны сколы и заусенцы. Отсутствует дополнительная подмотка наконечника красной герметизирующей лентой (Нарушение пункта 7 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.5). ⬇

Воздушный зазор между изоляцией и наконечником (1) и отсутствие красной герметизирующей ленты (2)

4. На рисунке подмотка черной лентой заполнения пустот и выравнивания напряженности электрического поля заходит на полупроводящий слой на 11 мм, а на изолирующий слой на 13 мм (Нарушение пункта А6 монтажной инструкции ESD-3824-RU-11/09 стр.3). ⬇

Нарушение параметров подмотки лентой заполнения пустот

По аналогии с предыдущим образцом, данное нарушение способно привести к недостаточной степени выравнивания напряженности электрического поля в месте среза полупроводящего слоя изоляции кабеля.
6. На следующем рисунке на расстоянии от верхнего края изоляции 302 мм и 12 мм от полупроводящего слоя видимое повреждение изоляции круглой формы диаметром 9 мм, возникшее в результате пробоя, а также близлежащие неровности изоляции (углубления). ⬇

Повреждение изоляции в результате пробоя

в месте нахождения крупного дефекта поверхности

Дальнейшее разрушение изоляции (прогар) произошло в области данного дефекта.
Таким образом, после вскрытия образца № 1 кабельной муфты фазы В ячейки № 12 РУ 35 кВ подстанции выявлена неквалифицированная установка кабельной муфты – разрезы, неровности на поверхностях элементов муфт, надломы изоляции жил, недостатки и пропуски в наложении элементов, в их присоединении друг к другу.
Указанные недостатки привели к возникновению частичных разрядов высокой интенсивности внутри образца № 1 кабельной муфты, что привело к пробою и оплавлению изоляции, образованию прогара термоусаживаемой трубки, а далее – к нарастанию тока утечки через заземляющий проводник муфты.
Следует отметить, что явление трекинга в данном случае место не имело, поскольку трекинг – это протекание тока утечки по электропроводному загрязнению поверхности кабеля (муфты), которое в данном случае отсутствовало. При этом повреждение развивалось бы со стороны проводящего кабельного наконечника.
Таким образом, наличие в обеих рассмотренных кабельных муфтах условий, благоприятных для возникновения частичных разрядов и близость проводящего экрана кабеля, соединенного с контуром заземления, привели к нарастанию тока замыкания на землю.

---

Результаты исследования

ОТВЕТЫ НА ПОСТАВЛЕННЫЕ ВОПРОСЫ
На основании проведенного исследования можно дать следующие ответы на поставленные вопросы:
Вопрос №1: «Определить причины, факторы и обстоятельства в прошлом, повлекшие к замыканию в сети 35 кВ и выходу из строя кабельных муфт Raychem POLT-42E/ 1XO-L16 и другого оборудования ячейки № 15 РУ 35 кВ представленного на исследование комплектного распределительного устройства трансформаторной подстанции»
Ответ на вопрос №1: «Две рассмотренные кабельные муфты Raychem POLT-42E/ 1XO-L16 вышли из строя по причине воздействия тока однофазного замыкания на землю, который возник вследствие образования частичных разрядов и токов утечки, в свою очередь возникших в силу изменения электрического поля и деградации изоляционной системы кабельной муфты. Термическое повреждение другого оборудования ячейки № 15 при инциденте произошло в результате горения поврежденной муфты, которое было прямым следстmaslovвием однофазного замыкания на землю».

Вопрос №2: «Установить, вследствие чего возникли данные причины, факторы и обстоятельства: заводской брак/ некачественный монтаж/ условия эксплуатации/ некачественная электрическая энергия/ действие непреодолимых сил или иное?».
Ответ на вопрос №2: «Причины выхода из строя указанных кабельных муфт возникли вследствие некачественного их монтажа. Выходу из строя другого оборудования ячейки №15 при инциденте 22.01.2020 в результате термического воздействия также послужил некачественный монтаж кабельной муфты».

Вопрос №3: «Установить и указать в настоящем на ответственных лиц с юридической точки зрения, если такие имеются, за выход из строя представленных на исследование объектов».
Ответ на вопрос №3: «За некачественный монтаж муфт несет ответственность организация, непосредственно осуществлявшая данный монтаж. За термическое повреждение другого оборудования ячейки № 15 РУ 35 кВ подстанции при инциденте (трансформатор тока, опорный изолятор, ограничители перенапряжений, межфазные изоляционные панели) ответственность также лежит на организации, осуществлявшей монтаж муфт, поскольку данное повреждение является прямым следствием пробоя муфт».

---

Эксперты
Иванченко В.И., Маслов А.Ю., Шерстобитов Ю.В.,