КАБЕЛИ 6–35 КВ С ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Факторы эксплуатационной надежности

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

В крупных городах и промышленных центрах с высоким уровнем энергопотребления и плотности нагрузки кабели среднего напряжения являются основным функциональным звеном в системе электроснабжения потребителей.
В условиях рыночных отношений для предотвращения значительных финансовых потерь надежность и низкие затраты на эксплуатацию являются главными требованиями к распределительным кабельным сетям (РКС). Одной из мер повышения надежности является замена традиционных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такая замена 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 городов­мегаполисов, как Москва, Санкт­Петербург и Новосибирск, составляет соответственно около 57, 44 и 3 тыс. км) заставляет обслуживающий персонал работать в аварийно­восстановительном 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 аварийно­восстановительные работы (в основном в неудобный зимне­весенний 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 СПЭ­изоляции до 90^OС;
• 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).

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 СПЭ­изоляции. 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 технико­экономическими 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 разумнои 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 нормативно­техническая база по сооружению и эксплуатации 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

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 амплитудно­временными 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 U_фm и в дальнейшем, с науглероживанием канала электрического пробоя, снижаются до 0,6–0,8 U_фm. Возникающие в переходном и установившемся режимах ОДЗ перенапряжения не превышают 2,3–2,5 U_фm.
Такие амплитудно­временные 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 U_фm, т.е. уровня, отвечающего первичному зажиганию дуги 2,3–2,5 U_фm 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 U_фm, а переход перемежающегося характера горения дуги в металлическое замыкание практически невозможен.
При отсутствии такого регулирования неминуемо будет наблюдаться, во­первых, высокая аварийность физически изношенных КБПИ в основном из­за многоместных повреждений при ОДЗ, во­вторых, 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 СПЭ­изоляции 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 амплитудно­временных параметров перенапряжений при возникновении ОЗЗ и ОДЗ. В этом случае время зарождения и скорость роста водных или электрических триингов в СПЭ­изоляции 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 К_т = 0,3–0,5. Учитывая реальные амплитуды срезанных волн (отвечающих вольт­секундной характеристике линейной изоляции ВЛ), К_т 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.

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. – С. 48–51.
2. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник. – Новосибирск: Изд­во НГТУ, 2004. – 368 с.