Кабельные сети класса 110 кВ все чаще вытесняют воздушные линии электропередач, особенно в больших городах, крупных предприятиях и других объектах, при этом резко возрастают требования обеспечения надежности электроснабжения ответственных потребителей. В настоящее время в эксплуатации находятся кабели с бумажно-пропитанной изоляцией с соответствующими муфтами. Вводятся также кабельные линии с полиэтиленовой изоляцией, с муфтами, изготовленными на основе технологии пластмасс.

Обеспечение надежности таких линий требует проведения периодических испытаний их изоляции повышенным напряжением постоянного тока, что связано с возможностью повреждения изоляции испытательными напряжениями. Испытание при «инфранизких частотах» также является разновидностью разрушающих испытаний изоляции кабелей. В связи с этим особенно актуальными являются измерения характеристик изоляции кабелей при рабочих переменных напряжениях, которые могут быть отнесены к категории неразрушающих испытаний.

Среди них особенно выделяются методы измерения характеристик частичных разрядов, однако их применение для протяженных линий является неэффективным вследствие затухания высокочастотных сигналов по длине кабеля.

Альтернативным и, фактически, основным в эксплуатации для диагностики кабельных сетей 110 кВ является метод измерения tgδ изоляции.
На данное время измерения tgδ проводятся по прямой и обратной схемах к напряжению 10 кВ с помощью мостов Р5023, «Вектор» или СА7100. Значительное повышение информативности данного метода могло бы обеспечить  повышение напряжения измерения tgδ к номинальному уровню:
110/v3 кВ = 63,5 кВ. Для этого используют отдельные образцы так называемых образцовых (как правило, газонаполненных) конденсаторов. Однако они недостаточно исследованы по стабильность характеристик, не имеют государственной метрологической аттестации.

В связи с этим, фактически, единственную возможность для диагностирования кабелей класса 110 кВ по емкости и tgδ изоляции при рабочем напряжении дает использование недавно разработанных мобильных эталонных трансформаторов напряжения ЗТН-110 класса точности 0,1 вместе с мостами СА7100. Такие трансформаторы имеют опыт эксплуатации в составе мобильных поверочных лабораторий   класса 110 кВ (МПЛ-110), прошли государственную метрологическую аттестацию. Габаритные размеры трансформатора ЗТН-110 составляют 275x465x1060 мм, масса - 100 кг.

Проведен анализ погрешностей измерения параметров кабельных сетей с помощью предлагаемого метода показал, что с учетом поправок на погрешность трансформатора ЗТН-110 суммарная погрешность измерения емкости кабеля будет составлять ±0,1%, а tgδ соответственно ±0,001 относительных единиц. Данный уровень погрешностей является достаточным для эффективной диагностики состояния изоляции кабельных сетей при их эксплуатации. Как методы диагностирования состояния могут быть применены: анализ изменения tgδ в зависимости от значения напряжения измерения; сопоставление изменений емкости, тангенса угла потерь при изменении времени эксплуатации и другие.

Для питания схем измерения tgδ кабельных сетей 110 кВ номинальным напряжением могут быть использованы повышающие трансформаторы напряжения ПТН-110, разработанные в составе поверочных лабораторий МПЛ-110. Такие трансформаторы характеризуются первичным напряжением 220 В, вторичным напряжением - 63,5 кВ (есть возможность модификации вторичного напряжения до 63,5 кВ х 1,2=76,2 кВ), мощностью 25 кВ*А.
Габаритные размеры трансформатора ПТН-110 составляют 295x470x1080 мм, масса - 110 кг.

Проанализируем энергетические характеристики оборудования, необходимого для питания кабелей класса 110 кВ номинальным напряжением. Как типичное погонное значение емкости кабеля может быть принято величина 0,1 мкФ/км.

Значение типичной длины кабеля примем для вариантов таблице:

о Вариант 1 - кабельная вставка длиной L1= 0,1 км.
о Вариант 2 - кабельная линия предприятия L2 = 1 км.
о Вариант 3 - кабельная линия городской сети L3 = 7 км.

Таблица
Характеристики оборудования, необходимого для питания кабелей класса 110 кВ номинальным напряжением

Соответственно емкость фазы кабеля составит Сф=0,01 мкф; 0,1 мкф; 0,7 мкф. При этом емкостное сопротивление фазы будет составлять (Xс = 1/ωС, где ω
- угловая частота переменного тока, равная - 314,16 радиан в секунду): 318309; 31831; 4547,3 Ом.

Необходимая реактивная мощность для питания кабеля номинальным напряжением (Uфн = 63,5 кВ будет составлять Q = Uфн²/Xс, соответственно, 12,7; 127; 886,5 кВ*А. Для первого варианта мощность повышающего трансформатора ПТН-110 будет достаточной. Для второго и третьего вариантов необходимо введение компенсирующих индуктивных высоковольтных реакторов со значением индуктивности L = XC/U = 101,3 Гн (второй вариант) и 14,5 Гн (третий вариант) *).

Производство индуктивного реактора для второго варианта показало, что он может быть изготовлен в виде цилиндрической катушки (без магнитной сердцевины) и реализован в виде заполненной трансформаторным маслом конструкции в бакелитовом корпусе диаметром 0,5 м и высотой 0,8 м с массой около 150 кг. Данное решение для реактора может быть использовано в качестве типового. При этом оценка характеристик реактора для третьего варианта показывает, что он может быть реализован в виде двух параллельно включенных типовых реакторов.

Для первого варианта мощность повышающего трансформатора ПТН-110 будет достаточной. Для второго и третьего вариантов необходимо введение компенсирующих индуктивных высоковольтных реакторов со значением индуктивности L = XC/U = 101,3 Гн (второй вариант) и 14,5 Гн (третий вариант) *.

Необходимую активную мощность Р для питания кабелей номинальным напряжением 63,5 кВ определим исходя из оценки суммы тангенсов углов потерь кабельных сетей и реакторов, что оценочно составляет   tgδΣ = 0,05, при этом Р =   tgδΣ *Q. Исходя из полученных значений Р (см. таблицу) видно, что для второго варианта с применением компенсирующего реактора, для питания схемы достаточно будет одного трансформатора типа ПТН-110, в то время как для третьего варианта таких трансформаторов необходимо два (при их параллельном включении).

Тогда количество единиц комплектного оборудования класса 110 кВ для питания схем измерения tgδ кабелей будет составлять:

о для варианта 1 -> 2 единицы (ЗТН-110 + ПТН-110);
о для варианта 2 -> 3 единицы (ЗТН-110; ПТН-110; 1 реактор);
о для варианта 3 -> 5 единиц (так же + дополнительный ПТН-110 и реактор).

В таблице также приведено значение суммарной массы комплектного высоковольтного оборудования, необходимого для создания мобильной лаборатории измерения емкости и tgδ кабельных сетей 110 кВ.
Конструкция малогабаритного вводу класса 110 кВ уже отработана в мобильной поверочной лаборатории МПЛ-110 и его масса составляет около 25 кг.

Следовательно, лаборатория для диагностики изоляции кабельных сетей класса 110 кВ на основе нового отечественного оборудования может быть создана на основе автомобиля грузоподъемностью 800-900 кг.

*Возможно подключение компенсирующих реакторов на первичной стороне повышающего трансформатора, однако это практически не изменяет общие массо-габаритные показатели оборудования, и, кроме того, приводит к искажению формы высокого напряжения, которое противоречит требованиям ГОСТ 1516.