Анализ повреждаемости кабельной сети г. Бишкек

В статье рассматривается анализ повреждаемости кабельной сети 6(10) кВ в городе Бишкек. Описывается, что основным типом повреждений являются замыкания одной фазы на землю, возникающие из-за пробоя изоляции. Подробно анализируются причины, ведущие к повреждениям, такие как некачественное техническое обслуживание и несоблюдение сроков. Сделан анализ текущего состояния силовых кабельных линий распределительной сети. Изучены характеры и виды повреждений высоковольтных кабельных сетей г. Бишкек. Выявлены факторы, влияющие на повреждаемость кабельных линий. Также исследуются методы прогнозирования отказов и пути повышения надежности кабельных линий.

Такырбашев Б.К., к.т.н., доцент кафедры «Электроэнергетика» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова
Элсуйор Эрик уулу, аспирант кафедры «Электроэнергетика» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова
Тайчабаров У.М., начальник службы кабельных линий Бишкекского ПЭС

Анализ повреждаемости кабельной сети 6(10) кВ в городе Бишкеке представляет собой важную и актуальную задачу, которая требует комплексного подхода и глубокого понимания как технических, так и социальных аспектов функционирования электрических сетей. В условиях современного мира, где надежность электроснабжения является одним из ключевых факторов для обеспечения стабильного функционирования экономики и социальной сферы, исследование проблем, связанных с повреждаемостью кабельных линий, становится особенно значимым. Кабельные сети 6(10) кВ играют важную роль в распределении электроэнергии, обеспечивая надежное и безопасное электроснабжение как для промышленных, так и для бытовых потребителей. Однако несмотря на достижения в области технологий и материалов, повреждения кабельных линий остаются одной из основных проблем, с которыми сталкиваются энергетические компании. Основным типом повреждений, как показывает практика, являются замыкания одной фазы на землю, возникающие в результате пробоя изоляции. Эти инциденты могут приводить к серьезным последствиям, включая отключения электроэнергии, повреждение оборудования и даже угрозу безопасности для людей. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью выявления и анализа причин, ведущих к повреждениям кабельной сети. В частности, некачественное техническое обслуживание, несоблюдение сроков проведения профилактических работ и недостаточная квалификация персонала могут существенно увеличивать риск возникновения аварийных ситуаций.

В рамках исследования был проведен детальный анализ этих факторов, что позволило не только понять текущее состояние кабельной сети, но и выработать рекомендации по улучшению ее эксплуатации. Важным аспектом работы стало изучение методов прогнозирования отказов, которые могут помочь в своевременном выявлении потенциальных проблем и минимизации их последствий. Применение современных технологий, таких как мониторинг состояния кабелей и использование аналитических инструментов, позволяет значительно повысить уровень надежности кабельных линий. Рассмотрен опыт других регионов и стран, который может послужить основой для внедрения эффективных решений в Бишкеке.

Статистика повреждаемости кабельных линий также освещена в работе. Анализ данных о частоте и характере повреждений позволяет выявить тенденции и закономерности, что, в свою очередь, может помочь в разработке более эффективных стратегий по управлению рисками. Важно отметить, что статистические данные не только отражают текущее состояние дел, но и служат основой для прогнозирования будущих событий, что является ключевым элементом в управлении электрическими сетями. Кроме того, в работе рассмотрены методы повышения надежности кабельных сетей. Это включает в себя как технические решения, такие как модернизация оборудования и улучшение изоляционных материалов, так и организационные меры, направленные на повышение квалификации персонала и улучшение системы управления техническим обслуживанием. Важно понимать, что комплексный подход к решению проблемы повреждаемости кабельных сетей может значительно снизить риски и повысить уровень надежности электроснабжения.

Не менее важным аспектом является анализ социально-экономических последствий, связанных с повреждениями кабельной сети. Отключения электроэнергии могут негативно сказаться на жизни граждан, привести к экономическим потерям для бизнеса и создать дополнительные нагрузки на сис темы жизнеобеспечения. Поэтому понимание этих последствий и разработка мер по их минимизации также освещены в данной работе. В ходе работы рассмотрены ключевые аспекты, такие как типы и причины повреждений, методы прогнозирования отказов, статистика повреждаемости, методы повышения надежности и социально-экономические последствия. Все эти элементы в совокупности помогают не только глубже понять проблему, но и выработать практические рекомендации для повышения надежности и безопасности кабельных сетей в Бишкеке.

АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Кабельные линии напряжением 6(10) кВ являются самыми распространенными видами линий электропередачи в городе Бишкек. Протяженность кабельных линий в настоящее время составляет более тысячи километров. Режим заземления нейтрали — изолированная.

Большинство эксплуатируемых трехжильных кабелей имеют изоляцию из бумаги, пропитанной маслом, либо пластмассовую изоляцию, небольшая часть кабелей — одножильные с изоляцией из сшитого полиэтилена. Кабели, проложенные в земле, дополнительно защищены металлической броней. Многолетний анализ показал, что с каждым годом увеличивается повреждаемость кабельных линий. По отчетным данным за 2022 год в Национальной электрической сети Кыргызстана (НЭСК) произошло 51 аварийное отключение на каждые 100 км кабельных линий г. Бишкек. В среднем при нормальной эксплуатации на каждые 100 км кабельных линий происходит 20–30 аварий в год. Удовлетворительным состоянием электрических сетей считается, когда количество аварийных отключений за год не превышает 40 отключений на 100 км кабельных линий [1].

У воздушных линий этот показатель в 1,5–2 раза меньше, чем у кабельных.

По результатам многолетнего мониторинга выявлены следующие причины повреждений кабельных линий:

• заводской брак, неправильная прокладка кабеля в траншее;
• механические повреждения из-за раскопок вблизи трассы пролегания кабельных линий;
• внутренние перенапряжения в сети;
• длительная перегрузка кабеля по току;
• неправильный монтаж соединительных и концевых муфт кабеля, коррозия кабельной оболочки, старение изоляции.

Вследствие вышеописанных причин в кабельных сетях происходят однофазные замыкания на землю. Однофазный малый ток замыкания на землю, проходя через поврежденную изоляцию «фаза-земля», нагревает возможное место повреждения, затем постепенно разрушает изоляцию жил соседних фаз [2]. В результате происходит пробой изоляции с переходом на межфазное короткое замыкание кабеля.

Задача заключается в анализе текущего состояния кабельных сетей г. Бишкека, уменьшении аварийных отключений и обеспечении селективности автоматического отключения кабеля от сети при его повреждении.

Питание в кабельные сети г. Бишкека поступает от 25 подстанций 110 кВ и от 17 подстанций 35 кВ. Из них шесть подстанций 110 кВ и десять подстанций 35 кВ переведены в режим низкоомного резистивного заземления нейтрали, а оставшаяся часть подстанций работает в режиме изолированной нейтрали. По данным учета аварийных отключений автоматизированной системы планирования и ремонта (АСПР) НЭСК в сетях 6(10) кВ Бишкекского ПЭС за 9 месяцев 2023 года произошло 608 аварийных отключений, из них 60% аварийных отключений из-за повреждения кабельных линий. Характер повреждения кабелей по работе защиты МТЗ и МТО линий показывает, что из-за однофазного замыкания на землю повышается напряжение между фазами, в дальнейшем постепенно переходящее в межфазное короткое замыкание. Анализ аварийных отключений в сетях 6(10) кВ показал, что, в основном, повреждения происходят на участках кабельной сети, где отсутствует резистивное заземление нейтрали, то есть в сетях с изолированной нейтралью.

Многолетний мониторинг и анализ подтвердили, что при заземлении нейтрали через низкоомный резистор повреждаемость значительно ниже, чем в сетях с изолированной нейтралью.

В городе Бишкек в настоящее время находится в эксплуатации: КЛ 110 кВ —10 км; КЛ 35 кВ — 73,0 км; КЛ 6–10 кВ — 1005 км.

Около 45% кабельной сети находится в эксплуатации более 30 лет. Кабельные линии практически отработали свой ресурс и не соответствуют современным требованиям: имеют низкую пропускную способность, а также несоответствие категории по изоляции кабеля номинальному напряжению промышленной частоты между проводником и землей или металлическим экраном, используемым в конструкции кабеля. В настоящее время городские сети, имеющие напряжение 6 кВ, планомерно переводятся на рабочее напряжение 10 кВ, что позволяет снижать технические потери в сетях и улучшать качество электроснабжения потребителей. Вместе с тем кабельные линии 6/10 кВ, проложенные в 50–80-х годах прошлого века, выполнены кабелем с бумажной изоляцией и требуют срочной замены, так как изоляция не выдерживает работы на напряжении 10 кВ. В связи с этим часть кабельной линии по проекту «Реабилитации сетей г. Бишкека» в 2012–2014 годах была заменена на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена. Проложены кабельные линии 6/10 кВ марки NA2(FL)2Y1×400mm² — 75 648 м и 35 кВ NA2(FL)2Y1×400mm² — 9828 м с изоляцией категории «А» производства Турции.

Помимо этого, требуется обновление и модернизация кабельных сетей в следующих объемах: КЛ 35 кВ — 41,07 км (56,2%); КЛ 6/10 кВ — 445,1 км (44,3%).

Текущее состояние кабельных сетей (по состоянию на 2022 год) позволяет обеспечить передачу электроэнергии потребителям в объеме 2 млрд 738 млн кВт·ч. Однако высокий уровень износа кабельных линий в ближайшее время не позволит осуществлять надежную передачу электрической энергии потребителям без надлежащего проведения глубокой модернизации действующих кабельных линий, ввода новых и автоматизации диагностики.

Помимо этого, компании испытывают дефицит финансовых средств на приобретение необходимых современных кабельных муфт и кабельной продукции, обеспечивающих высокую надежность и эффективность кабельной сети.

Дополнительным фактором, влияющим на надежность кабельной инфраструктуры, является выбор трасс прокладки кабельных линий. Из-за плотности укладки существующих коммуникаций в г. Бишкек выбор трасс для новых КЛ происходит по принципу «оставшегося свободного пространства». Как следствие, часто не соблюдаются нормативные расстояния до смежных коммуникаций и других объектов и при проведении, к примеру, работ по ремонту теплотрассы в ходе раскопок повреждается и кабельное хозяйство (рисунок 1). В местах, где кабельные линии проходят рядом с деревьями, из-за роста корней происходят смещения грунта и самих кабелей, что в отдельных случаях приводит к их излому, появлению трещин изоляции, что становится причиной повреждения КЛ. На рисунке 2 показано место повреждения кабеля в результате микротрещины изоляции.

В городе Бишкек проложены однофазные силовые кабели 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена (производства Турции) общей длиной 76 км. Недостатком данных кабелей оказался выбор класса изоляции «А». По требованию стандарта IEC 60502-2 кабели классом изоляции «А» при замыкании на землю одной фазы должны отключаться в течение менее одной минуты [3]. Однако при однофазном замыкании на землю в кабельных сетях с изолированной нейтралью по проекту предусмотрена защита кабельных линий только на сигнал. Еще один недостаток — выбрано уменьшенное сечение экрана кабеля. Рекомендуется принять сечение экрана F_э ≥ 50 мм² [4].

В этом случае заземляется экран кабеля со стороны источника питания, а другой конец экрана со стороны потребителя подключается к ОПН. Многолетние наблюдения показали, что при ОЗЗ в кабельных сетях с изолированной нейтралью происходило большое количество перенапряжений, которые разрушали изоляцию во многих местах. Для уменьшения дуговых и феррорезонансных перенапряжений в сетях 6(10) кВ на секциях шин 6(10) кВ десяти подстанций были подключены высоковольтные низкоомные резисторы сопротивлением 50(100) Ом, через фильтр масляный заземляемый однофазный (ФМЗО). Низкоомные заземления нейтрали полностью исключают явления феррорезонансных перенапряжений в сети и гарантированно уменьшают любые перенапряжения до величины 1–2,2U_ф.

Низкоомное резистивное заземление нейтрали позволяет выстраивать эффективную защиту кабельных линий от однофазных замыканий на землю. В результате установки высоковольтных низкоомных резисторов аварийные отключения кабельных линий сократились на 60%.

ПУТИ УМЕНЬШЕНИЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

Выбор трасс вновь строящихся и реконструируемых кабельных линий в г. Бишкек осуществляется совместно с МП «Бишкек Главархитектура». При этом рекомендуется выбирать оптимальные трассы КЛ с учетом затрат на эксплуатационно-ремонтные работы согласно требованию главы 2 п. 2.3.25, 2.3.30 «ПУЭ» [5]. Однако напоминаем, что в настоящее время питающие центры кабельной сети, такие как подстанции 35/6(10) кВ, подстанции 110/6(10) кВ в объемах 47% и 76% соответственно не переведены в режим низкоомного резистивного заземления нейтрали.

Исходя из этого, в дальнейшем рекомендуется выбирать кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена только категории «С», так как в сетях 6–35 кВ однофазные замыкания на землю могут существовать длительное время. В этом случае в сетях с изолированной нейтралью, согласно ПУЭ, защиту ОЗЗ рекомендуется выполнять с действием на сигнал.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики кабелей с изоляцией различных категорий и рекомендуемые номинальные напряжения для их применения в соответствии со стандартом IEC 60502-2 [3].

Номинальные напряжения U₀/U(U_m) кабелей, которые рассматриваются в стандарте IEC 60502-2, следующие: U₀/U(U_m) = 3,6/6 (7,2) кВ — 6/10 (12) кВ — 8,7/15 (17,5) кВ — 12/20 (24) кВ — 18/30 (36) кВ.

Символы, применяемые в обозначении напряжения кабелей U₀/U(U_m): U₀ — номинальное напряжение промышленной частоты между проводником и землей или металлическим экраном, учитываемое при изготовлении кабеля; U — номинальное напряжение промышленной частоты между проводниками, учитываемое в конструкции кабеля; U_m — максимальное значение самого высокого напряжения в системе, при котором еще может использоваться оборудование.

Номинальное напряжение кабеля должно соответствовать эксплуатационному режиму в системе, в которой используется кабель. Для облегчения выбора кабеля все системы разделяются на три категории:

• категория A включает те системы, в которых любой фазный проводник, соприкасающийся с землей или с заземленным проводником, должен отключаться от сети за время менее одной минуты;
• категория B включает те системы, где в течение короткого времени кабели могут эксплуатироваться с одной заземленной фазой (по требованию стандарта IEC 60183 это время не должно превышать одного часа; для кабелей, подпадающих под этот стандарт, может допускаться и более длительный период, однако в любом случае не превышающий 8 часов; полная продолжительность коротких замыканий за год не должна превышать 125 часов);
• категория C включает все системы, которые не относятся к категориям A и В.

Необходимо понимать, что в системе изолированной нейтрали, в которой замыкания на землю не устраняются автоматически в течение короткого времени, создается дополнительная нагрузка на изоляцию кабеля, что сокращает срок службы кабеля. По этой причине там, где имеются проложенные кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена производства Турции, были случаи повреждения кабельных линий в сетях с изолированной нейтралью, не имеющих защиты от однофазных замыканий на землю.

Учитывая вышеизложенное, предлагается переход от режима изолированной нейтрали к режиму с низкоомным заземлением нейтрали и переводом защиты ОЗЗ на немедленное отключение кабельной линии. Установка резистора нейтрали увеличивает чувствительность защит однофазного замыкания на землю кабельной сети.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Межфазные замыкания кабельных сетей можно разделить на два вида. Первый — повреждения с переходным сопротивлением, близким к нулю. Такие повреждения появляются вследствие протекания большого тока короткого замыкания в месте повреждения, из-за чего происходит спайка жил между собой или через оболочку. Также может происходить обгорание кабеля на участке обрыва.

Второй вид — с переходным сопротивлением от нескольких сотен Ом до десятка кОм. Данный вид повреждений характерен для ситуации, когда между жилами имеется большое переходное сопротивление и их замыкание возможно только на относительно высоком напряжении через оболочку или образовавшуюся электрическую дугу.

Такой вид повреждения, как обрыв жилы, возникает в результате перемещения слоев почвы в местах установки муфт. При этом происходит вытягивание жил кабеля. Для такого повреждения характерно высокое сопротивление изоляции жилы и высокое напряжение пробоя между отрезками жилы. Также обрыв жил происходит из-за сильного короткого замыкания.

Механические повреждения и обрыв кабеля (повреждения механизмами и приспособлениями защитных покровов, оболочек и непосредственно жил кабеля при производстве работ) возникают в результате производства земляных работ в охранных зонах кабельных линий. Это одно из следствий несоблюдения необходимых нормативных расстояний при параллельной прокладке и пересечениях КЛ и других инженерных коммуникаций. В этом случае основной причиной повреждений являются нарушения правил техники безопасности (ПТБ) при производстве работ в охранных зонах КЛ. Доля подобных технологических нарушений составляет до 6,2% от общего количества аварийных отключений КЛ 6/10 кВ.

Повреждения КЛ 6/10–35 кВ возникают в процессе эксплуатации по нескольким причинам.

Основными причинами аварийных отключений КЛ 6/10–35 кВ являются длительный сверхнормативный срок их эксплуатации, разрушение защитных покровов агрессивными грунтами по трассе КЛ и «старение» защитных покровов и оболочек кабеля. В результате многолетних наблюдений основными причинами старения кабелей стали: окисление алюминиевой оболочки, стекание масла в концевых муфтах, длительная работа в режиме перегрузки из-за малого сечения токопроводящих жил кабеля.

Еще одной причиной являются повреждения КЛ при подвижках грунта, которые происходят в период оттаивания почвы после зимы и в период наибольших летних температур из-за пересыхания почв и ухудшения условий охлаждения КЛ.

Дефекты при изготовлении кабеля, которые не были выявлены при испытаниях КЛ перед включением (обычно выявляются при испытании КЛ повышенным напряжением перед вводом в эксплуатацию), составляют незначительную долю.

Несоблюдение действующих норм и правил при проектировании и строительстве кабельных линий также приводит к повреждению кабеля. К примеру, в среднем на 1 км трассы КЛ приходится до пяти поворотов под прямым углом. При этом могут не соблюдаться радиусы поворота, также могут допускаться нарушения при формировании подложки из мягкого грунта.

Повреждения КЛ 6/10–35 кВ в муфтах возникают по нескольким причинам:

• длительный срок эксплуатации;
• низкое качество кабельной арматуры;
• дефекты муфт, возникшие из-за несоблюдения технологии при их монтаже, в том числе монтаж муфт при повышенной влажности;
• подвижка и осадка грунта.

Повреждения в концевых муфтах возникают в основном из-за ослабления контактов (дефект болтового контактного соединения), осушения изоляции на вертикальных участках КЛ в РУ 6/10 кВ, низкого качества кабельной арматуры, несоблюдения технологии при монтаже концевых заделок.

Классификация аварийных отключений в кабельных сетях 6/10–35 кВ г. Бишкек на основании данных за 2022 год и 9 месяцев 2023 года в процентном соотношении от общего количества выглядит следующим образом:

• механические повреждения КЛ от 2,5% до 6,4%;
• повреждения на целых участках КЛ от 44,7% до 62,1%;
• повреждения в монтажных муфтах от 2,2% до 15,7%;
• повреждения в ремонтных муфтах от 22,3% до 42,6%;
• повреждения в концевых муфтах от 1,6% до 20,8%.

С 2006 года наблюдается стойкий рост повреждений на целых участках КЛ 6/10–35 кВ. В 2006 году диапазон повреждений за 12 месяцев составлял:

• в целых местах КЛ от 24,1% до 36,0%;
• в ремонтных муфтах от 49,6% до 64,6%.

В 2022 году за 12 месяцев:

• в целых местах КЛ от 44,7% до 62,1%;
• в ремонтных муфтах от 10,5% до 43,2%.

Стабильный рост повреждений на целых участках КЛ почти на 100% однозначно свидетельствует об износе и старении оборудования и необходимости проведения масштабной реконструкции кабельных сетей с применением новых технологий и с учетом перспективного роста потребления электроэнергии.

Данный вид повреждений обусловлен механическими повреждениями защитного покрова кабеля при прокладке, старением, химическим воздействием почвы. Сопротивление замыкания зависит от удельного сопротивления земли в месте замыкания и сопротивления растекания заземляющего устройства в месте заземления оплетки кабеля.

Повреждения кабельной оболочки возникают с течением времени и могут вызвать повреждения кабеля, в частности из-за проникновения влаги и повреждений изоляции.

Замыкания на землю чаще всего происходят изза низкоомного замыкания на землю одной фазы.

Характер и вид повреждений определяется следующим образом. После выполнения всех мер безопасности при работах в действующих электроустановках приступают к определению вида и характера повреждения. С помощью мегомметра и омметра производят измерения на незаземленном кабеле между жилами и каждой жилой и оболочкой, и землей. Данными измерениями выявляются повреждения однофазные и межфазные с сопротивлением от 0 до сотен кОм [1].

Методика поиска повреждений кабеля в нестандартных ситуациях предполагает при анализе повреждаемости кабелей установить характеристики дефектов и определить дальнейшие действия. В ходе предварительной локализации дефекта определяется место дефекта с точностью до одного метра, чтобы по возможности ограничить объем экскавации грунта и минимизировать время ремонта.

Далее следует анализ повреждения, идентификация кабелей и более точная локализация.

На рисунке 3 приведены результаты анализа многолетней эксплуатации высоковольтных кабельных линий, показано сравнение причин их повреждаемости.

Статистика мест повреждения кабельных линий за 9 месяцев 2023 год представлена на рисунке 4.

Считаем, что основными причинами высокого показателя количества аварийных отключений в кабельных сетях являются:

• физический износ оборудования;
• низкая пропускная способность, не отвечающая современному уровню и ежегодному росту потребления электроэнергии;
• значительное опережение темпов старения оборудования над темпами реконструкции сетей (для достижения паритета необходимо ежегодно проводить реконструкцию в количестве 25–30 км);
• перевод оборудования на рабочее напряжение 10 кВ при использовании кабелей предназначенных для сетей 6 кВ;
• недостатки релейной защиты.

Результаты анализа причин повреждения кабельных линий показывает, что наибольшая их доля возникает из-за механических повреждений. При эксплуатационно-ремонтных работах высоковольтных кабельных линий необходимо уделять особое внимание предотвращению механических повреждений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Джумаева Д.Д., Тоиров О.З., Дархонова Ш., Бойкаров С. Анализ видов и причин повреждения высоковольтных кабелей горного производства // Universum: технические науки, 2023, № 5(110). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/15474.
2. Дмитриев М.В. Кабельные линии высокого напряжения. СПб: Изд-во Политех-ПРЕСС, 2021. 688 с.
3. IEC 60502-2. Силовые кабели с экструдированной изоляцией и арматура на номинальное напряжение от 1 кВ (U_m = 1,2 кВ) до 30 кВ (U_m = 36 кВ). Редакция 2.0 2005-03. URL: https://vestplast.com/upload/cabel_standarts/IEC%20605022.pdf.
4. Дмитриев М.В. Выбор сечения экранов однофазных силовых кабелей // КАБЕЛЬ-news, 2009, № 5. С. 68–73.
5. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Минэнерго СССР. 6-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985. 640 с.