КАБЕЛИ 6–35 КВ С ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Особенности проектирования и эксплуатации

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

Замена традиционных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена без учета их конструктивных особенностей может привести не только к повышению надежности кабельных линий и снижению затрат на эксплуатацию, но и к проблемам.
В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 6(42), 2006) Юрий Анатольевич Лавров рассказал о преимуществах и недостатках кабелей с полиэтиленовой изоляцией (КПИ),а также начал рассмотрение основных факторов, определяющих их эксплуатационную надежность. Сегодня – продолжение материала.

КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

U_эл.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

• 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. 1. Схема электроснабжения ПНС­11 с помощью КПИ 10 кВ

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 ПНС­11: 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, L_каб = 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, tgd 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

• 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.

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.