Замена традиционных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеет не только очевидные достоинства, но и определенные недостатки. Об этом рассуждает Юрий Анатольевич Лавров.

В настоящее время в отечественной электроэнергетике физический износ кабельного парка находится на уровне 70–80%, а удельная повреждаемость КЛ в среднем составляет от 4,5 до 7 случаев на 100 км/год. Относительно высокая повреждаемость кабельных линий (КЛ) и значительная протяженность РКС (которая, например, для таких городов-мегаполисов, как Москва, Санкт-Петербург и Новосибирск, составляет соответственно около 57, 44 и 3 тыс. км) заставляет обслуживающий персонал работать в аварийно-восстановительном режиме эксплуатации КЛ. Это практически исключает проведение плановых профилактических испытаний по своевременному выявлению электрически ослабленных мест в изоляции кабельной системы. Эксплуатационный персонал в ущерб плановым испытаниям и своевременной диагностике технического состояния КЛ вынужден отвлекать материальные и людские ресурсы на трудоемкие аварийно-восстановительные работы (в основном в неудобный зимне-весенний период) по ликвидации повреждений КЛ.

ПРЕИМУЩЕСТВА КПИ

Несколько облегчить ситуацию призваны кабели нового поколения, использующие в качестве изоляции сшитый полиэтилен (СПЭ), у которых есть неоспоримые преимущества по отношению к кабелям с бумажной пропитанной изоляцией (КБПИ). К основным преимуществам кабелей с пластмассовой изоляцией (КПИ) можно отнести:

• значительные строительные длины, что сокращает количество соединительных муфт и за счет нивелирования человеческого фактора на стадии монтажа косвенно повышает надежность эксплуатации КЛ;

• повышенная пропускная способность за счет увеличения сечения токопроводящей жилы кабеля однофазного исполнения до 630–1000 мм² и более высокой (на 15–20%) токовой нагрузки, обусловленной допустимой рабочей температурой СПЭ-изоляции до 90OС;

• высокая скорость монтажа и ремонтопригодность КПИ при использовании кабельной арматуры на основе термоусаживаемых композитных материалов;

• низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева, возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней и более экологичный монтаж и эксплуатация (за счет отсутствия свинца, масла, битума).

Следует добавить, что по заверениям зарубежных и отечественных предприятий-изготовителей поток отказа КПИ на один-два порядка меньше по сравнению с КБПИ. Именно поэтому кабели нового поколения являются столь привлекательными для эксплуатирующих организаций РКС. Однако к этим показателям надежности, как мне кажется, следует относиться не столь оптимистично, поскольку опыт наработки КПИ в отечественных РКС практически отсутствует, а распространение зарубежного опыта эксплуатации КПИ применительно к нашим условиям не совсем корректно. При чисто механическом подходе по замене КБПИ на КПИ без учета их конструктивных особенностей и специфики диэлектрической среды из СПЭ мы можем столкнуться в отечественных РКС с более высокими значениями потока отказов КПИ по отношению к декларируемым показателям.

НЕДОСТАТКИ

Опыт эксплуатации КБПИ в отечественных РКС, а также мониторинг различных аномальных режимов эксплуатации в городских кабельных сетях Барнаула и Новосибирска показал, что электрический пробой изоляции при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в 60–70% случаев самоликвидируется и эксплуатационный персонал эти аварийные режимы не фиксирует. Высокая «живучесть» КБПИ обусловлена спецификой диэлектрической среды. В рассматриваемом случае перемежающаяся дуга горит в замкнутом объеме изоляции в месте возникновения ОЗЗ и в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю, скорости восстановления электрической прочности в месте горения дуги и восстанавливающегося напряжения (зависящего от параметров сети) аварийный режим может самоликвидироваться.

Иная картина будет иметь место при внедрении в распределительную сеть КПИ. При электрическом пробое твердого диэлектрика кабель не сможет восстановить свою электрическую прочность, и любое ОЗЗ будет приводить к устойчивому аварийному режиму. В этом случае эксплуатационному персоналу каждое возникновение ОЗЗ в изоляционной системе КЛ необходимо будет устранять. Таким образом, наряду с неоспоримыми преимуществами КПИ имеют существенный недостаток, заключающийся в отсутствии эффекта самозалечивания СПЭ-изоляции. Именно это обстоятельство необходимо принимать во внимание, заблаговременно предусмотреть и создать такие условия эксплуатации КПИ, которые минимизировали бы их каскадный выход из строя.

ФАКТОРЫ НАДЕЖНОСТИ

На первый взгляд кажется странным поднимать вопрос о повышении надежности кабельных изделий с улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими показателями. Ведь очевидно, что всё новое должно быть лучше предыдущего. Что же касается электроэнергетики, то в этой достаточно ответственной и консервативной (в хорошем понимании этого слова) отрасли ко всему новому, как показала практика, следует подходить разумно и с осторожным оптимизмом.

На кафедре техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) на протяжении более двадцати лет одним из научных направлений являются исследования по анализу условий эксплуатации КЛ среднего и высокого напряжения в сетях различного назначения. Одним из главных выводов этих исследований является тезис о необходимости системного подхода на стадиях проектирования, разработки конструкции кабеля и эксплуатации для обеспечения требуемой надежности, экономичности и экологичности закрытых линий электропередачи. В настоящей статье делается попытка показать одну из сторон такого системного подхода, который желательно принимать во внимание проектным и эксплуатирующим организациям при внедрении КПИ на стадии сооружения новых и реконструкции существующих участков городских РКС.

К основным факторам, определяющим эксплуатационную надежность КПИ, можно отнести следующие:

• ресурс изоляционной системы КПИ;
• режим заземления нейтрали в РКС;
• уровни перенапряжений в РКС, возникающие при однофазных дуговых замыканиях (ОДЗ), грозовых перенапряжениях и коммутациях КЛ;
• температурный режим эксплуатации кабеля;
• необходимое сечение экрана;
• методы диагностики технического состояния КПИ;
• параметры испытаний и нормативно-¬техническая база по сооружению и эксплуатации КПИ.

Рассмотрим кратко влияние каждого из выше отмеченных факторов на эксплуатационную надежность КПИ.

РЕСУРС ИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КПИ

Под изоляционной системой понимается совокупность изоляции и полимерных электропроводящих экранов, внутри которых замыкается электрическое поле кабеля (рис. 1).

Рис. 1. Электрическая прочность изоляционной системы КПИ

Выбор допустимых средних напряженностей электрического поля в КПИ, исходя из длительно воздействующего рабочего напряжения, в первую очередь определяется процессом старения изоляции. Интенсивность деградации СПЭ-изоляции (под которой в дальнейшем будем понимать снижение электрической прочности изоляции при рабочем напряжении и перенапряжениях) определяет эксплуатационную надежность и срок службы КПИ.

Для кабелей различного конструктивного исполнения механизм старения изоляции различен и зависит от вида применяемого изоляционного материала. Например, одной из основных причин электрического старения кабелей с бумажной пропитанной изоляцией могут быть частичные разряды (ЧР), разложение молекул масла и бумаги в результате ионизации и электрохимических процессов. На электрическую прочность КПИ влияет существенно большее количество факторов, обусловленных как технологией изготовления, так и спецификой изменения физико-химических свойств СПЭ в процессе эксплуатации при термическом, механическом и электрическом воздействиях.

Монолитная полимерная изоляция в отличие от бумажной пропитанной изоляции является более чувствительной к разного рода посторонним микровключениям, пустотам, выступам на электропроводящих экранах и другим дефектам, которые повышают локальную напряженность электрического поля в толще твердого диэлектрика и создают предпосылки для образования триингов (проводящих каналов в СПЭ, которые в силу природы их образования можно разделить на триинги электрического происхождения (ЭТ) и водные триинги (ВТ) электрохимического происхождения). Не будем подробно останавливаться на механизмах влияния триингообразований на деградацию полимерной изоляции – это отдельный и довольно сложный вопрос, по которому в настоящее время имеются существенные наработки как у отечественных (например, у В.А. Канискина, СПбГПУ; С.М. Лебедева, Томский НИИ ВН; М.Ю. Шувалова, ВНИИКП и др.), так и у зарубежных исследователей.

Электрическая прочность КПИ на переменном и импульсном напряжениях зависит от различных взаимосвязанных факторов, которые условно можно разделить на две группы: технологически обусловленные и эксплуатационные факторы. К первой группе относятся технологические дефекты на стадии изготовления КПИ: воздушные и инородные включения, микровыступы проводящих элементов в изоляцию, неоднородность структуры СПЭ, внутренние (остаточные) механические напряжения в изоляции. Ко второй группе относятся: механические напряжения, которые могут появиться в СПЭ-изоляции на стадии монтажа КПИ; термическое старение СПЭ-изоляции; время зарождения и скорость развития триингов; воздействие импульсных перенапряжений с крутыми фронтами.

Следует отметить, что в отличие от «мягкой» бумажной пропитанной изоляции СПЭ более чувствителен к воздействию высокочастотных перенапряжений. При резком вводе энергии в твердый диэлектрик происходит разрыв на молекулярном уровне связей между молекулами углерода и водорода в местах повышенной напряженности электрического поля – например, на кончике триинга, где напряженность электрического поля на два-три порядка может превышать среднюю напряженность (рис. 1). Это приводит к изменению структуры и физико¬-механических свойств СПЭ и возникновению внутри него новых микрополостей, которые способствуют дальнейшему развитию ЭТ в толще твердого диэлектрика в виде дендрита (древовидного образования, имеющего повышенную проводимость и приводящего к прогрессирующему разрушению диэлектрика).

Очевидно, что постоянное совершенствование технологии изготовления КПИ, а также демпфирование влияния (за счет грамотного проектирования и эксплуатации) второй группы факторов позволят более «экономно расходовать» ресурс изоляционной системы КПИ и довести его фактическую наработку до нормативного срока службы (30 лет).

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В РКС

При поэтапной замене кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на КПИ в распределительных кабельных сетях будут эксплуатироваться в одной электрически связанной схеме кабели с различными механизмами пробоя и деградации электрической изоляции. На рис. 2 в качестве примера приведена потенциально возможная схема участка РКС при постепенной замене кабелей традиционного исполнения с большим сроком эксплуатации на кабели нового поколения.

В процессе эксплуатации КЛ, наряду с механическими и тепловыми воздействиями, подвергаются перенапряжениям с различными амплитудно-временными параметрами. За рубежом кабельные сети эксплуатируются в основном с заземленной нейтралью. И при возникновении режима ОЗЗ поврежденный фидер отключается с переводом потребителя на резервное электроснабжение, т.е. изоляционная система «здоровых» фаз КПИ не находится длительное время под линейным напряжением.

В зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю отечественные РКС эксплуатируются с неэффективно заземленной либо изолированной нейтралью и при возникновении в них режима ОЗЗ изоляция «здоровых» фаз КПИ будет длительно (до 4–6 часов) подвергаться воздействию номинального напряжения. Учитывая этот фактор, конструкция отечественных КПИ была адаптирована к условиям эксплуатации в российских РКС за счет увеличения толщины изоляции, например, для кабеля номинальным напряжением 10 кВ с 3,4 мм до 4,0 мм. Таким образом, за счет снижения средней напряженности электрического поля в изоляционной системе КПИ несколько увеличили инкубационный период зарождения триингов и время его развития, которые, собственно, и определяют электрическую прочность и остаточный ресурс КПИ. Следует также обратить внимание на следующее. Согласно [1], в зависимости от значения емкостных токов замыкания на землю, возникшие в РКС режимы ОЗЗ на начальной стадии, вследствие заплывания канала электрического пробоя, могут самоустраняться через несколько периодов промышленной частоты либо перейти в режим устойчивого горения дуги длительностью в единицы и десятки секунд с последующим переходом в режим глухого металлического замыкания. На начальном этапе ОДЗ повторные пробои в дуговом промежутке происходят при напряжении 0,6–1,0 Uфm и в дальнейшем, с науглероживанием канала электрического пробоя, снижаются до 0,6–0,8 Uфm. Возникающие в переходном и установившемся режимах ОДЗ перенапряжения не превышают 2,3–2,5 Uфm.

Такие амплитудно-временные параметры перенапряжений в комбинированной РКС могут сопровождаться не только каскадным выходом из строя на участке электрически связанной сети нескольких КБПИ с ослабленной изоляцией, но и ускоренной деградацией изоляционной системы КПИ. Устранить этот неблагоприятный фактор можно при использовании в РКС низкоомного резистивного заземления нейтрали, когда при возможности обеспечения резервного питания поврежденный кабель практически сразу же отключается.

Следует отметить, что здесь акцент делается на низкоомное заземление нейтрали. Применение высокоомного заземления в РКС не актуально, поскольку перенапряжения в кабельных сетях при ОДЗ, как правило, не превышают уровня 2,5 Uфm, т.е. уровня, отвечающего первичному зажиганию дуги 2,3–2,5 Uфm при оснащении нейтрали сети резисторами, способствующими после погасания дуги разряду емкости сети и снижению напряжения на аварийной фазе к моменту возможного повторного зажигания до значения, не превышающего напряжения при первичном зажигании дуги.

Рис. 2. Потенциально возможная схема участка РКС при постепенной замене кабелей традиционного исполнения с большим сроком эксплуатации на кабели нового поколения

Основным моментом при одновременной эксплуатации в комбинированной РКС кабелей с различной диэлектрической средой является не ограничение перенапряжений, а устранение самого факта длительного воздействия на фазную изоляцию КПИ линейного напряжения и перенапряжений при ОДЗ. В этом случае увеличивается наработка КПИ за счет более «экономного расхода» ресурса электрической прочности изоляционной системы кабеля.

В практике эксплуатации РКС резистивное заземление до настоящего времени широкого применения не нашло. Это обусловлено в том числе отсутствием общей методики по определению необходимых параметров резистора (величины сопротивления и его энергетических характеристик), принципов организации и функционирования релейной защиты для новых и реконструируемых участков сети. На современном этапе развития РКС при их постоянно расширяющейся конфигурации, внедрении КПИ с повышенной пропускной способностью, резервировании большинства потребителей, наличии большого количества исследований по различным режимам заземления нейтрали имеются хорошие перспективы для успешного внедрения резистивного заземления нейтрали. Не стоит сбрасывать со счета и применение нейтрали, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР). Однако эксплуатация комбинированных кабельных сетей (содержащих КБПИ и КПИ) при оснащении их нейтралей ДГР может быть оправдана лишь при автоматическом регулировании степени компенсации емкостного тока ОЗЗ, когда при электрическом пробое кабелей с бумажной пропитанной изоляцией высока вероятность самоустранения горения дуги. В этом случае длительность перенапряжений минимальна, уровень перенапряжений отвечает первичному зажиганию дуги 2,4–2,5 Uфm, а переход перемежающегося характера горения дуги в металлическое замыкание практически невозможен.

При отсутствии такого регулирования неминуемо будет наблюдаться, во-первых, высокая аварийность физически изношенных КБПИ в основном из-за многоместных повреждений при ОДЗ, во-вторых, при переходе ОДЗ в металлические замыкания «здоровые» фазы КПИ могут длительно (до нескольких часов) находиться под воздействием линейного напряжения. Последний фактор приводит к увеличению средней напряженности электрического поля в СПЭ-изоляции и созданию благоприятных условий для развития триингов в электрически ослабленных местах, локально распределенных по толщине изоляции и длине кабеля. Таким образом, при поэтапном внедрении в РКС кабелей с изоляцией из СПЭ нельзя чисто механически заменять кабели традиционного исполнения на КПИ. Необходимо по возможности создавать для них более мягкие условия эксплуатации, связанные с уменьшением амплитудно¬временных параметров перенапряжений при возникновении ОЗЗ и ОДЗ. В этом случае время зарождения и скорость роста водных или электрических триингов в СПЭ-¬изоляции будет снижена, а фактическая наработка КПИ увеличена.

ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Выше отмечалось, что электрическая прочность КПИ резко снижается при многократном воздействии высокочастотных перенапряжений. В городских РКС грозовые перенапряжения, воздействующие на КПИ, могут иметь место лишь при воздействии грозовых волн на обмотку высшего напряжения трансформатора (рис. 2) за счет емкостных и индуктивных связей между обмотками высшего (ВН) и низшего напряжения (НН) трансформатора.

Согласно [2] наиболее опасные воздействия на оборудование со стороны обмотки НН возникают при воздействии срезанных волн, когда первый (максимальный) пик трансформируемой грозовой волны определяется емкостными связями (емкостями обмоток ВН и НН, а также емкостью между этими обмотками). Для ВЛ110 кВ практически все волны будут срезанными, для которых трансформатор, в сущности, представляет собой емкостный делитель с коэффициентом деления в диапазоне Кт = 0,3–0,5. Учитывая реальные амплитуды срезанных волн (отвечающих вольт-секундной характеристике линейной изоляции ВЛ), Кт и низкое эквивалентное волновое сопротивление кабелей, примыкающих к шинам главной понижающей подстанции (ГПП), уровни грозовых перенапряжений, воздействующих на КПИ, будут составлять единицы процентов от амплитуды воздействующей волны и не превышать 30–40% импульсной прочности КПИ. Очевидно, что при отсутствии связи КПИ с ВЛ посредством понижающего трансформатора грозовые перенапряжения на КПИ не будут воздействовать. Таким образом, при внедрении КПИ в РКС грозовые перенапряжения во внимание можно не принимать.

В следующем номере журнала Юрий Лавров остановится на воздействии на КПИ коммутационных перенапряжений, тепловом режиме эксплуатации, особенностях диагностики технического состояния и испытаниях кабелей с пластмассовой изоляцией.

КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Согласно [1] зарегистрированные в РКС перенапряжения, обусловленные коммутациями выключателями, имеют незначительный уровень – 2,1–2,3Uфm. Однако в настоящее время на смену масляным выключателям приходит новая коммутационная техника, использующая в качестве дугогасительной среды элегаз или вакуум. Применение вакуумных выключателей (ВВ), обладающих повышенным коммутационным ресурсом, для эксплуатационного персонала, несомненно, благое дело. Но при коммутациях КЛ с помощью ВВ в зависимости от параметров и конструктивного исполнения сети могут возникать высокочастотные (ВЧ) перенапряжения за счет повторных зажиганий дуги в диэлектрическом промежутке между расходящимися контактами. Амплитуду таких перенапряжений можно ограничить с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), но убрать с помощью ОПН сам факт воздействия ВЧ-перенапряжений, снижающих ресурс электрической прочности КПИ, невозможно. Поэтому актуально при внедрении КПИ в принципе отстроиться от воздействия таких перенапряжений, которые также опасны для витковой изоляции электродвигателей (ЭД) и силовых трансформаторов.

В городских РКС основные коммутации приходятся на кабельные линии, примыкающие к ГПП или РП, и реже на ЭД, установленные, например, на перекачивающих насосных станциях. При их отключении с помощью ВВ на изоляцию КПИ могут воздействовать ВЧ-перенапряжения. При этом инициализация таких перенапряжений зависит от характеристик вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) ВВ и параметров сети. Вероятность повторных зажиганий между расходящимися контактами ВДК зависит от исхода «соревнования» после погасания дуги между растущей электрической прочностью межконтактного промежутка на размыкающихся контактах и переходным восстанавливающимся напряжением на контактах выключателя. Определяющей характеристикой коммутационной способности ВВ является начальная скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка, которая зависит от конкретного предприятия-изготовителя и находится в диапазоне:

Uэл.пр.(t) = k(t + t0),

где t0 = 100…200 мкс – время между началом расхождения контактов и моментом прохождения тока промышленной частоты в ВВ через нулевое значение;

k = 30…80 кВ/мс – скорость роста электрической прочности межконтактного промежутка. Численные исследования показали, что для исключения повторных (многократных) зажиганий дуги между расходящимися контактами ВДК должны иметь скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в зависимости от схемы сети не менее 60–100 кВ/мс.

Приведем в качестве примера результаты исследований по условиям эксплуатации КПИ, обеспечивающих связь между перекачивающей насосной станцией ПНС-11 и подстанцией «Воинская» (рис. 1). Параметры схемы следующие: для связи ПС «Воинская» с ПНС-11 для основного питания используются два КПИ однофазного исполнения фирмы Nexans напряжением 10 кВ (тип кабеля 3хNA2ХS(F)2Y-1х500-RM/70-10, длина КПИ – 2952 м); РУ 6,10 кВ состоит из двух рабочих секций 6 кВ (№ 1, № 2), секции резервного питания 6 кВ (№ 3) и вводной секции 10 кВ (№ 4); двухсекционное РУ 6 кВ ПНС-11 укомплектовано ячейками, в которых установлены ВВ, и предназначено для питания нагрузки – ЭД насосов, понижающих трансформаторов 6/0,4 кВ, регуляторов частоты, трансформаторов 6/0,4 кВ собственных нужд. Режимы работы ПНС-11 на первой секции шин: подключены через кабельные вставки с бумажной пропитанной изоляцией длиной 60 м двигатели от 1 до 3, на второй секции аналогично; в целом на станции максимальное количество одновременно работающих двигателей – 6 (остальные находятся в резерве).

Расчеты при варьировании скорости восстановления электрической прочности (СВЭП) показали, что при коммутации КПИ длиной 2,95 км никаких опасений не должно возникать, поскольку частоты восстанавливающегося напряжения на расходящихся контактах ВДК относительно небольшие и повторные пробои в ВДК не возникают (рис. 2, а и б). Частота восстанавливающегося напряжения на контактах (ВНК) определяется наложением на промышленную частоту ВЧ-составляющей, обусловленной параметрами коммутируемого кабеля и эквивалентного кабеля остальных присоединений, а также составляющей средней частоты, в основном определяемой индуктивностью источников питания и емкостью всех кабелей. При уменьшении длины КПИ на порядок за счет увеличения частоты ВНК в ВДК происходят повторные пробои между расходящимися контактами и на КПИ уже воздействуют ВЧ-перенапряжения (рис. 2, в и г).

Исследования показали, что для рассматриваемой схемы электроснабжения ПНС-11 с помощью КПИ предельная СВЭП ВДК должна быть не менее 30 кВ/мс. На подстанции в ячейках КМ-1КФ установлены ВВ типа ЗАН5 фирмы Siemens, обладающие СВЭП ВДК в среднем не менее 40–50 кВ/мс. Таким образом, при отключении ВВ со стороны ПНС-11 КПИ относительно большой протяженности на кабель не будут воздействовать ВЧ-перенапряжения и выдвигать какие-либо требования к параметрам ВВ нет необходимости.

Несколько иная картина наблюдается при отключении ВВ высоковольтных ЭД, присоединенных к первой и второй секции шин через кабели с бумажной пропитанной изоляцией длиной 50–60 метров. В этом случае высокая частота восстанавливающегося напряжения на расходящихся контактах ВДК способствует превышению ВНК над СВЭП и возникают повторные пробои, инициирующие ВЧ-перенапряжения, воздействующие на изоляции ЭД и КПИ (рис. 3). В этом случае ОПН, установленный в ячейках, не защищает ЭД. При установке же ОПН на двигателе за счет изменения вида кривой ВНК повторных пробоев между расходящимися контактами ВДК не наблюдается.

Следует отметить, что, если определяющая характеристика коммутационной способности ВВ (начальная СВЭП межконтактного промежутка) будет отвечать требованиям международного стандарта IEEE Std C37.013 и составлять не менее 425 кВ/мс, то при коммутации ВВ кабелей на них не будут воздействовать практически в любых схемах их эксплуатации ВЧ-перенапряжения, снижающие со временем электрическую прочность КПИ.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Пропускную способность КПИ определяет тепловой режим эксплуатации, который существенно зависит от условий прокладки кабелей по трассе, в частности:

• от удельного термического сопротивления окружающей среды (на воздухе или в земле);
• от способа прокладки отдельных фаз (горизонтальная с расстоянием между кабелями «в свету», равным диаметру кабелей, или треугольником вплотную);
• от наличия рядом расположенных соседних цепей КЛ и других факторов.

Выбор оптимального способа прокладки КПИ и обеспечение приемлемого теплового режима эксплуатации КЛ является довольно ответственным этапом на стадии сооружения кабельной линии.

В настоящее время в сетях среднего напряжения кабели нового поколения составляют примерно около 2% от всего кабельного парка отечественных РКС. Из-за малого опыта проектировщики иногда принимают недостаточно правильные решения на стадии сооружения КЛ по условиям их прокладки, что может привести к повреждению изоляции кабелей в самом начале эксплуатации.

Это обусловлено следующим обстоятельством. На практике наиболее распространенными конструкциями являются КПИ однофазного исполнения (ОИ), что предопределяет большие строительные длины, легкость монтажа и возможность выполнения кабелей с большими номинальными сечениями жилы. Однако однофазная конструкция КПИ накладывает определенные ограничения на способы их прокладки в отличие от кабелей традиционных трехфазных конструкций с бумажной пропитанной изоляцией. Например, в [2] оговариваются допустимые температурные условия эксплуатации кабеля при различных способах его прокладки, а в [3, 4, 5] подчеркиваются особенности прокладки подводных кабелей и прокладки КПИ в местах, требующих их механической защиты с помощью труб, – при пересечении инженерных сооружений, автомобильных дорог, при естественных препятствиях и т.п.

Невыполнение регламента прокладки КПИ в последних случаях может привести по крайней мере к двум негативным явлениям: к тепловому разрушению кабеля при его эксплуатации в номинальном режиме либо локальному снижению электрической прочности СПЭ-изоляции на участке кабеля, заключенного в защитную трубу из магнитного материала. Очевидно, что комбинированное воздействие электрического и нерасчетного теплового полей при наложении длительных и возможных ВЧ-перенапряжений может привести на особых участках прокладки КПИ к преждевременному развитию в СПЭ-изоляции электрически ослабленных мест. Анализ технологических нарушений при прокладке КПИ показывает, что причиной теплового разрушения кабелей является их перегрев либо в местах пересечения с автодорогами, либо при проходе сквозь стены, т.е. на непротяженных участках трассы, где зачастую кабели прокладываются пофазно в защитных стальных трубах. В рассматриваемых случаях к теплу, выделяемому в жиле и экране, добавляется тепло, инициируемое вихревыми токами в стальной незаземленной трубе. Суммарное воздействие этих тепловых полей приводит к локальному разогреву кабеля и при длительном воздействии к разрушению защитной оболочки и снижению электрической прочности основной изоляции. Как показывают расчеты, в рассматриваемых случаях для предотвращения существенного повышения температуры кабелей необходимо снижать номинальный рабочий ток почти в два раза, что на практике неприемлемо. В [4] на основе экспериментальных данных и мультифизического численного моделирования было показано:

• пофазная прокладка КПИ ОИ в стальных трубах недопустима из-за появления дополнительного источника тепла в виде вихревых токов в стальной трубе, что приводит к увеличению температуры в конструкции выше допустимой и выходу кабеля из строя;
• если это не требуется по условиям механической прочности, то следует по возможности избегать прокладки кабелей в трубах из ферромагнитных материалов, а применять неметаллические трубы (например, асбоцементные или пластмассовые);
• при необходимости стальные трубы могут быть применены, но при условии расположения в них трех фаз одной цепи КЛ треугольником вплотную и расчета пропускной способности КЛ в целом, исходя из локально повышенного значения температуры кабелей в контейнере из магнитного материала.

ВЫБОР СЕЧЕНИЯ ЭКРАНОВ

Вопрос термической устойчивости экранов остро стоял для КПИ первого поколения, в конструкции которых экраны представляли собой медную ленту толщиной 0,15–0,25 мм. В электрических сетях номинальным напряжением 110 кВ и выше (с эффективно заземленной нейтралью) при электрическом пробое КПИ в зависимости от мощности подстанции по экрану кабеля протекали токи КЗ в десятки кА, которые приводили к повреждению (выгоранию) экрана на значительной длине. Для локализации места повреждения экрана предлагалось использовать дополнительный проводник, который располагался в непосредственной близости от трех фаз КЛ (например, в центре фаз, расположенных треугольником вплотную), а необходимое сечение проводника определялось мощностью подстанции и временем отключения короткого замыкания в конкретной сети [6, 7]. Очевидно, что эксплуатация КПИ с дополнительным проводником была связана с определенными трудностями. В конструкциях КПИ второго поколения наряду с совершенствованием в технологии изготовления изоляционной системы было увеличено сечение экрана, который выполнялся уже из определенного количества медных проволок, поверх которых навивалась медная лента.

В сетях среднего напряжения (с неэффективно заземленной нейтралью) при пробое КПИ по экрану кабеля протекает емкостной ток замыкания на землю, составляющий в зависимости от конфигурации сети и степени компенсации единицы ампер. В рассматриваемом случае вопрос термической стойкости экранов не стоит. Проблема сохранения целостности экранов может иметь место при возникновении двух однофазных коротких замыканий, когда в контур протекания токов КЗ включаются экраны. В этом случае расчетным путем увеличивают сечение экрана до необходимой величины.

В настоящее время номенклатурный ряд сечений жил КПИ, выпускаемых отечественными предприятиями-производителями, находится в интервале 50–800 мм2 с соответствующим интервалом сечений экранов 16–50 мм2. По специальному заказу производители могут изготовить КПИ с увеличенным до 70–95 мм2 сечением экрана. На практике имеют место случаи, когда выбирают необоснованно высокие значения сечений экранов, что может привести к необоснованному удорожанию строительства КЛ. По состоянию на 01.01.2007 г., средняя цена 1 км фазы КПИ с сечением токопроводящей жилы 500 мм2 и сечением экрана 50 мм2 составляет 650 тыс. руб. Этот же кабель, но с увеличенным до 70 мм2 сечением экрана стоит 730 тыс. руб./км. Таким образом, уже на стадии проектирования себестоимость строительства КЛ для заказчика может увеличиться. Эти цифры свидетельствуют о необходимости тщательного определения расчетным путем для конкретной проектируемой схемы величин токов КЗ, протекающих по экранам кабелей, и далее по номограммам, приведенным в каталогах предприятий-изготовителей КПИ, следует определить требуемое сечение экрана.

Рис. 2. Кривые скорости восстановления электрической прочности на межконтактном промежутке (а, в) и уровни перенапряжений на КПИ (б, г) при отключении КЛ вакуумным выключателем со стороны ПНС¬11: СВЭП – 40 кВ/мс, длина КПИ 2,95 км (а, б) и 0,295 км (в, г)

Рис. 3. Процессы на ВДК (а), двигателе (б) и КПИ (в) при отключении ВВ электродвигателя (ОПН установлен в ячейке, Lкаб = 65 м, СВЭП – 90 кВ/мс)

КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА

Учитывая отсутствие эффекта самозалечивания изоляционной системы КПИ, представляется актуальным своевременное выявление электрически ослабленных мест.
После диагностического обследования и всестороннего анализа основных количественных характеристик диагностируемых параметров (напряжения зажигания частичных разрядов (ЧР), выделяемая ЧР энергия, tg и т.д.) эксплуатационному персоналу необходимо выдать следующую информацию: максимально достоверный прогноз остаточного ресурса кабеля; рекомендации по дальнейшим условиям эксплуатации кабеля; сроки проведения последующего диагностического обследования; какие в будущем должны быть параметры профилактических испытаний диагностируемого кабеля.

При каждом электрическом пробое изоляции кабеля возникает аварийный режим эксплуатации и необходимость монтажа соединительной муфты, поэтому для КПИ особенно важно отслеживать динамику деградации изоляции и своевременно предупреждать их выход из строя. В настоящее время применительно к КПИ нет единой точки зрения на алгоритм и методику проведения неразрушающих методов профилактических испытаний и диагностического обследования. Актуально применение для КПИ щадящих методов профилактики и диагностики, поскольку использование «жестких» методов может усугубить фактическое состояние СПЭ-изоляции и снизить его наработку.

Сегодня у эксплуатационного персонала РКС появляется уникальная возможность осуществлять мониторинг «текущего здоровья» КПИ с самого начала его ввода в эксплуатацию. Зарубежный и относительно небольшой отечественный опыт эксплуатации КПИ среднего напряжения показал, что снижение электрической прочности СПЭ-изоляции зависит не только от исходного качества кабелей (которое может несколько отличаться у разных предприятий-изготовителей), но и от конкретных условий эксплуатации (квалификации монтажного персонала; способа прокладки кабеля в специальных местах; амплитудно-временных параметров воздействующих перенапряжений; режима заземления нейтрали, параметров диагностических и профилактических испытаний).

Таким образом, имея, с одной стороны, на основе постоянного мониторинга информацию о том, каким эксплуатационным воздействиям подвергается кабель с самого начала его эксплуатации, а с другой стороны, на основе диагностического обследования информацию о фактическом состоянии его «здоровья», можно с достаточным основанием прогнозировать реальный остаточный ресурс кабеля.

Следует отметить, что определение остаточного ресурса КПИ, работающего в полевых условиях, задача достаточно сложная и не имеющая однозначного решения. Это связано с многообразием эксплуатационных факторов, воздействующих на КПИ, и определенными трудностями по выявлению наиболее информативных параметров, адекватно отражающих процессы деградации СПЭ-изоляции. Очевидно, что только при комплексном подходе, аккумулирующем все информационно-значимые факторы, возможно достоверно оценить оставшийся ресурс электрической прочности КПИ.

Современное развитие микропроцессорной техники создает хорошие предпосылки для соединения в единый автоматизированный комплекс системы мониторинга аварийных событий и online-диагностики, который позволит по сравнению с периодическими обследованиями оперативно получать информацию о состоянии изоляционной системы КПИ, своевременно реагировать и давать возможность эксплуатационному персоналу превентивно принимать меры по предотвращению выходя кабеля из строя. К сожалению, эффективное использование online-диагностики ограничено недостаточно полными разработками по определению критериев признаков дефектов, их пороговых (количественных) значений, а также алгоритмов по оценке динамики развития выявленных дефектов. Вместе с тем научный прогресс в области выявления основных факторов деградации СПЭ-изоляции позволяет надеяться, что в ближайшем будущем будут разработаны формализованные критерии оценки фактического состояния изоляционной системы КПИ, представляющие собой физико-математические модели исправного, дефектного (но работоспособного) и аварийного (требующего замены) кабеля.

ИСПЫТАНИЯ

В настоящее время для КПИ нет четко прописанных рекомендаций по испытанию кабелей после монтажа и проведению профилактических испытаний в процессе эксплуатации кабелей. Тем не менее, в каталогах и инструкциях по эксплуатации отечественных и зарубежных предприятий-изготовителей даются рекомендации по испытанию КЛ после их монтажа. Согласно этим данным, после полного монтажа КЛ рекомендуется провести испытания КПИ напряжением 3U0 частотой 0,1 Гц в течение 15 минут, или постоянным напряжением 4U0 в течение 15 минут, или переменным номинальным напряжением U0 в течение 24 часов, приложенным между жилой и металлическим экраном (где U0 – номинальное напряжение кабельной линии). Для сравнения в [8] рекомендуется проводить приемосдаточные испытания КПИ выпрямленным напряжением 6U0 в течение 10 минут.

После присыпки мелким грунтом или песчано-гравийной смесью защитная оболочка КПИ должна быть испытана постоянным напряжением 10 кВ, приложенным между металлическим экраном и заземлителем в течение 10 минут.

Основным назначением испытания кабеля повышенным выпрямленным напряжением является доведение ослабленного места в них до пробоя с целью предотвращения аварийного выхода КЛ в эксплуатации. Согласно [8] в процессе эксплуатации длительность приложения полного испытательного напряжения составляет 5 минут, а периодичность проведения профилактических испытаний и уровень испытательных выпрямленных напряжений зависят от времени эксплуатации и технического состояния кабеля. Следует отметить, что в настоящее время нет единой точки зрения на уровень испытательного выпрямленного напряжения, поскольку после успешно проведенных испытаний мы можем нанести в виде остаточных явлений «травму» СПЭ-изоляции и тем самым способствовать снижению ее электрической прочности.

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА

Нормативно-техническая документация (НТД) по кабельным линиям на основе кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (КБПИ) имеет довольно хорошую проработку. Вместе с тем в силу относительной новизны разработка единой и гармонизированной с международными стандартами НТД для КПИ практически отсутствует, имеются лишь разрозненные инструкции различных предприятий-изготовителей по сооружению и эксплуатации КПИ, что влияет на надежность функционирования электросетевого комплекса напряжением до 35 кВ. Отрадно, что в настоящее время под эгидой ОАО РАО «ЕЭС России» при участии, в том числе и кафедры ТЭВН НГТУ начаты разработки стандартов организации «Силовые кабельные линии напряжением 0,4–35 кВ. Условия создания. Нормы и требования» и «Силовые кабельные линии напряжением 0,4–35 кВ. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования», которые устанавливают единые нормы и требования для КЛ среднего напряжения и обязательны для применения в электрических сетях ОАО РАО «ЕЭС России», научно-исследовательскими, проектными, ремонтными, строительно-монтажными и наладочными организациями.

Необходимость разработки этого стандарта обусловлена, во-первых, переходом кабельного производства в ближайшие несколько лет практически полностью на выпуск КПИ. Во-вторых, на базе отраслевых стандартов может быть разработан национальный стандарт по кабельным линиям, отсутствие которого способствует допуску в эксплуатацию кабелей ненадлежащего качества. Последний момент особенно важен, поскольку сертификация КПИ в России проводится не на соответствие национальному стандарту, а на соответствие ТУ предприятия-изготовителя по заявленным им параметрам.

ВЫВОДЫ

1. В условиях рыночных отношений, а также физического и морального износа отечественного кабельного парка одной из главных задач системы электроснабжения потребителей является сохранение ее устойчивого функционирования. Эта задача может быть решена при техническом перевооружении РКС на основе внедрения современных видов электрооборудования и кабелей нового поколения с улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими показателями.

2. При поэтапном внедрении в РКС кабелей новых конструкций нельзя чисто механически подходить к замене кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с пластмассовой изоляцией. Повышение эксплуатационной надежности КПИ должно рассматриваться с позиций системного подхода, когда на стадии проектирования и эксплуатации новых и реконструкции существующих электросетевых объектов следует учитывать основные факторы, определяющие эксплуатационную надежность КПИ. В частности, необходимо обратить внимание на:

• оптимальный выбор режима заземления нейтрали;
• предотвращение возникновений в сети высокочастотных перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями;
• рациональный выбор способов прокладки КПИ и сечения экранов;
• необходимость комплексной диагностики технического состояния КПИ и выбор оптимальных (неразрушающих) параметров профилактических испытаний.

В заключение хотелось бы отметить, что основная цель статьи – высказать свою точку зрения на особенности проектирования и эксплуатации кабелей нового поколения при их внедрении в отечественные РКС, поскольку неверно принятые решения могут привести к повышению аварийности КПИ. Из-за ограниченного формата каждая из затронутых в статье проблем обозначена лишь в информативном плане и требует в дальнейшем более детального рассмотрения.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка сшитых кабельных марок полиэтилена можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок сшитых кабельных марок полиэтилена в России».

ЛИТЕРАТУРА

1. Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.В. Диагностика и мониторинг кабельных сетей среднего напряжения // Электротехника. – 2000. – № 11.
2. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20, 35 кВ. Технические условия. ТУ 16.К71-335-2004. (ОАО ВНИИКП).
3. Кадомская К.П., Кандаков С.А., Лавров Ю.А. Подводные кабельные линии. Экологические аспекты проектирования // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 4.
4. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Кандаков С.А. К вопросу об условиях прокладки кабелей с пластмассовой изоляцией в электрических сетях среднего напряжения // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6.
5. Инструкция по прокладке кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20 и 35 кВ. RUKAB/ID 23-2-019 (ABB-Москабель).
6. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Хорошева О.М. Анализ эффективности мер по ограничению токов в экранах при коротких замыканиях высоковольтных кабелей с пластмассовой изоляцией // Электротехника. – 1988. – № 12.
7. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Хорошева О.М. Анализ величин токов, протекающих по экранам кабелей высокого напряжения с пластмассовой изоляцией в нормальных и аварийных режимах // Электротехника. – 1989. – № 1.
8. СО 34.45.-51.300-97 (РД 34.45-51.300-97) Объем и нормы испытаний электрооборудования. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002 г.

Юрий Лавров, к.т.н., заведующий кафедрой техники и электрофизики высоких напряжений Новосибирского государственного технического университета