82
Испытания кабелей 6–500 кВ
в полимерных трубах
УДК 621.315.21
Дмитриев
М
.
В
.,
к.т.н., доцент Санкт-
Петербургского
политехнического
университета
За
последние
годы
прокладка
кабельных
линий
6–500
кВ
в
полимерных
трубах
получила
значительное
распространение
.
Такое
решение
позволяет
минимизи
-
ровать
объем
земляных
работ
,
выполнить
пересечение
различных
коммуника
-
ций
и
преград
,
обеспечить
механическую
защиту
кабелей
.
Однако
,
как
показал
опыт
эксплуатации
,
полимерные
трубы
имеют
существенный
недостаток
—
они
мешают
выявить
наличие
повреждений
у
наружной
оболочки
кабелей
и
опреде
-
лить
точное
расположение
этих
дефектов
вдоль
трассы
линии
.
Ключевые
слова
:
кабельная линия, кабель
в трубе, сшитый полиэти-
лен, оболочка кабеля, ис-
пытания оболочки, поиск
повреждения оболочки
ВВЕДЕНИЕ
При строительстве кабельных линий (КЛ) классов 6–500 кВ в настоя-
щее время, в основном, применяют кабели с изоляцией из сшитого по-
лиэтилена (СПЭ). Наиболее распространены следующие конструкции
таких кабелей:
– однофазная для сетей 6–500 кВ (рисунок 1а);
– трехфазная для сетей 6–35 кВ (рисунок 1б).
Для всех кабелей, имеющих СПЭ-изоляцию, важным элементом
конструкции является внешняя оболочка, обычно выполняемая из по-
лиэтилена или ПВХ. Толщина оболочки, как правило, составляет от
4 до 6 мм, а ее основная функция — герметизация кабеля с целью
исключения проникновения воды в СПЭ. Следует понимать, что для
герметизации может применяться и ряд других способов, однако они
не являются основными, а лишь дополняют собой оболочку кабеля.
Повышенное внимание к защите кабеля от проникновения воды
связано с тем, что молекулы воды, оказавшись между молекулами
СПЭ, искажают электрическое поле и с течением времени приводят
к возникновению в изоляции дефектов, которые называются водными
триингами и способны довести изоляцию до полного пробоя. По этой
причине важно периодически проверять целостность оболочки, свое-
временно выявлять все факты ее повреждения, находить расположе-
ние дефектов вдоль трассы линии и устранять их.
Возможность корректного проведения испытаний и оперативного
поиска мест повреждения оболочки в значительной степени зависит
от условий прокладки кабеля. Известно, что при прокладке на воздухе,
где кабель окружен диэлектрической средой, даже серьезные повреж-
дения оболочки могут остаться незамеченными, тогда как при проклад-
ке в земле подобных проблем не возникает в силу проводящих свойств
грунта и присутствующей в нем влаги. Однако, к сожалению, нигде в пу-
бликациях и нормах не указывается на то, что проблемы, аналогичные
воздушной диэлектрической среде, возникают и при прокладке кабе-
лей в земле в полимерных трубах.
кабельные линии
Рис
. 1.
Конструкция
кабелей
с
СПЭ
-
изоляцией
:
а
)
однофазный
кабель
;
б
)
трехфазный
кабель
жила
экран
изоляция
оболочка
повреждение
оболочки
а)
б)
83
Рис
. 2.
Варианты
размещения
кабелей
в
трубах
:
а
)
трехфазный
кабель
;
б
)
три
однофазных
в
общей
трубе
;
в
)
три
однофазных
в
отдельных
трубах
АВС
А
В
С
А
В
С
а)
б)
в)
Рис
. 3.
Прокладка
кабеля
в
полимерной
трубе
в
грунте
:
а
)
труба
размещена
на
дне
траншеи
;
б
)
труба
затяну
-
та
в
грунт
методом
ГНБ
H
2
H
1
H
1
б)
а)
В новой статье рассмотрено, почему размещение
кабелей в полимерных трубах серьезно мешает как
выявлению фактов повреждения внешней оболоч-
ки кабелей, так и поиску конкретных мест трассы,
где эти повреждения произошли. Таким образом,
статья призвана обратить внимание читателей на
то, что носящее массовый характер применение по-
лимерных труб при строительстве КЛ удобно и вы-
годно монтажным организациям и производителям
труб, но для служб эксплуатации сетевых компаний
может превратиться в неразрешимую проблему ис-
пытаний оболочки с вытекающими отсюда негатив-
ными последствиями для основной СПЭ изоляции
кабелей.
ПРОКЛАДКА
КАБЕЛЕЙ
В
ТРУБАХ
Применение труб для прокладки КЛ регламентиру-
ется многими документами, например, относительно
новым СТО [1], где трубы рассмотрены в п. 8.6. Есть
целый перечень случаев, когда размещение кабелей
в трубах напрямую предписывается той или иной
из действующих норм: например, организация за-
хода кабелей в кабельные помещения распредели-
тельных устройств станций и подстанций; создание
трубных блоков при совместной прокладке большого
числа кабелей; выполнение пересечения различных
коммуникаций. Традиционно в сетях 6–35 кВ про-
кладка всех трех фаз выполняется в общей трубе
(рисунки 2а и 2б). Для сетей 110–500 кВ, напротив,
используется пофазное размещение в трубах, рас-
положенных в грунте пучком (рисунок 2в) или же на
удалении друг от друга.
Асбестовые и металлические трубы имели ряд
серьезных недостатков, которые ограничивали их
использование для прокладки кабелей — например,
они не являлись гибкими, и поэтому могли приме-
няться лишь на прямых участках трассы. Асбестовые
трубы кололись, оказывали абразивное действие на
внешнюю оболочку кабеля при его протяжке, не по-
зволяли выполнить герметичное стыкование труб во
избежание их заиливания. Что касается металличе-
ских труб, то они имели высокий вес и стоимость,
подвергались коррозии. Появление гибких полимер-
ных труб, лишенных многих недостатков, присущих
асбесту и металлу, открыло проектным и монтажным
организациям широкие возможности для приме-
нения таких труб при строительстве КЛ, причем не
только в рамках исполнения требований норматив-
ных документов, но и далеко за их пределами.
Строительство КЛ 6–500 кВ
в полимерных трубах вклю-
чает в себя несколько после-
довательных этапов. В пер-
вую очередь, отдельные тру-
бы (обычно длиной до 12–
13 м) сваривают друг с другом
встык для образования еди-
ного монолитного канала не-
обходимой
протяженности.
Далее подготовленный таким
образом трубный канал (кана-
лы) размещают в грунте, по-
сле чего в него затягивают кабели. В нашей стране
наиболее распространены два способа размеще-
ния полимерных труб в грунте:
– открытый на дне траншеи (рисунок 3а);
– закрытый методом горизонтально-направленного
бурения (ГНБ, рисунок 3б).
Траншейная трубная прокладка (рисунок 3а) на-
ходит весьма широкое применение из-за того, напри-
мер, что при этом снижаются требования к качеству
подготовки дна траншеи и к грунтам, используемым
для обратной засыпки. Кроме того, считается, что
в процессе эксплуатации труба обеспечит опреде-
ленную механическую защиту кабелей в случае ве-
дения рядом с трассой «неосторожных» земляных
работ. Глубины расположения труб обычно состав-
ляют
H
1
> 0,7 м для кабелей 6–35 кВ и
H
1
> 1,5 м для
кабелей 110–500 кВ.
Широкое распространение метода ГНБ (рису-
нок 3б) при прокладке КЛ объясняется тем, что при
ГНБ удается свести к минимуму объем земляных
работ и связанных с ними согласований в различ-
ных инстанциях. Сейчас протяженность единичных
ГНБ-участков достигает 300–500 метров, и факто-
рами, сдерживающими дальнейший рост протя-
женности, пожалуй, являются только ограничение
строительной длины кабеля и необходимость ор-
ганизации ровных площадок вне труб для монтажа
соединительных муфт. Для ГНБ характерны глубины
H
1
> 0,7÷1,5 м и
H
2
>3÷10 м.
На торцах трубных участков согласно СТО [1]
устанавливают:
№
4 (55) 2019
84
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Рис
. 4.
Успешные
испытания
оболочки
кабеля
:
а
)
оболочка
не
имеет
повреждения
в
грунте
;
б
)
оболочка
повреждена
в
сухой
трубе
Рис
. 5.
Неуспешные
испытания
оболочки
кабеля
:
а
)
оболочка
повреждена
в
грунте
;
б
)
оболочка
повреждена
в
трубе
с
водой
U
И
жила
экран
I
И
=
0
I
ОПН
=
0
U
И
I
И
=
0
сухая труба
I
ОПН
=
0
б)
а)
I
И
>
0
U
И
U
И
I
И
>
0
труба с водой
I
И
>
0
б)
а)
– расширительные воронки, защищающие оболоч-
ку кабеля от воздействия острой кромки трубы;
– уплотнители, предотвращающие заиливание тру-
бы с кабелем и обеспечивающие тем самым воз-
можность беспрепятственного извлечения кабеля
из трубы с целью его ремонта или полной замены.
ИСПЫТАНИЯ
ОБОЛОЧКИ
КАБЕЛЯ
Проверка целостности внешней оболочки кабелей
проводится в рамках приемо-сдаточных испытаний
КЛ, а также периодически в процессе эксплуатации.
Проверка осуществляется на отключенной КЛ, где
после разземления экрана на него подается посто-
янное испытательное напряжение 10 кВ на время
1 мин. Ранее в статье [2] было показано, что если
кабели однофазные и у них в экранах установлены
ОПН с рабочим напряжением 8–9 кВ, то отключать
такие ОПН на время испытаний не требуется — это
существенно сокращает время подготовки схемы.
Если испытательная установка, подающая на
экран напряжение, зафиксирует отсутствие испыта-
тельного тока (
I
И
= 0, рисунок 4а), то персонал сдела-
ет вывод о том, что и оболочка кабеля, и экранные
ОПН не имеют опасных повреждений. Однако при
наличии трубных участков трассы подобный вывод
может оказаться неверным.
Если кабель имеет трубные участки, то отсут-
ствие испытательного тока
I
И
= 0 не обязательно
будет озна чать, что оболочка кабеля не имеет кри-
тичных повреждений. Дело в том, что полимерные
трубы изолируют кабель от окружающего грунта,
и даже при наличии заметных повреждений оболоч-
ки испытательный ток не сможет выйти с экрана ка-
беля в грунт (рисунок 4б).
Возможность для тока
I
И
выйти с экрана кабеля
через поврежденную оболочку в грунт возникает тог-
да, когда кабель проложен непосредственно в грунте
(рисунок 5а), или же когда кабель проложен в тру-
бе, которая внутри является влажной в степени, до-
статочной для обеспечения связи места поврежде-
ния хотя бы с одним из торцов трубы (рисунок 5б).
В обоих этих случаях персонал зафиксирует испыта-
тельный ток
I
И
> 0 и сделает вывод о необходимости
выхода на трассу КЛ с приборами, позволяющими
установить конкретное место, где имеется повреж-
дение оболочки кабеля.
ЗАПОЛНЕНИЕ
ТРУБЫ
ВОДОЙ
Согласно нормативным документам [1] полимер-
ные трубы герметизируются по торцам для исклю-
чения заиливания, но на практике это также при-
водит к замедлению процесса заполнения трубы
грунтовыми водами или даже делает такое запол-
нение невозможным. Учитывая изложенное, с вы-
сокой вероятностью на момент проведения при-
емо-сдаточных испытаний КЛ труба будет иметь
количество воды, недостаточное для обеспечения
выхода тока с экрана кабеля через поврежденную
оболочку в грунт. Поэтому персонал зафиксирует
I
И
= 0, линия будет признана годной к эксплуатации,
а монтажная организация получит подписанный акт
выполненных работ, хотя сдала в эксплуатацию ли-
нию с повреждением оболочки (оно возникло или
при производстве кабеля на заводе, или в процессе
его монтажа).
При размещении труб в грунте, еще до момента
затяжки в них кабелей, в трубы непременно попада-
ет некоторое количество грунта и воды, которые по-
сле протяжки кабеля и герметизации торцов оказы-
ваются навсегда закрыты внутри трубы. Если в трубу
попало достаточное количество воды, чтобы ее тор-
цы надежно смачивались, то, конечно, факт повреж-
дения оболочки будет установлен на стадии приемо-
сдаточных испытаний (рисунки 6а и 6б), и устранять
его придется монтажной организации за свой счет.
Если воды недостаточное количество (рису-
нок 7а), то в рамках приемо-сдаточных испытаний
факт повреждения оболочки установить не удастся,
но, строго говоря, в этом случае нет и какой-то осо-
бой опасности проникновения воды в СПЭ-изоляцию.
В процессе эксплуатации, даже если заполнение
трубы и будет происходить, то из-за отсутствия пере-
пада высот оно будет проходить равномерно вдоль
всей трубы, а значит, хотя опасность для кабеля
и возрастает, но и условия для обнаружения фак-
та повреждения оболочки также будут улучшаться.
Следовательно, рано или поздно, при очередной
проверке оболочки факт ее повреждения все же
85
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
а)
а)
а)
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
I
И
>
0
труба с водой в траншее
труба с водой в ГНБ
I
И
=
0
I
И
=
0
сухая труба в траншее
вода внизу ГНБ-трубы
Рис
. 6.
Установленные
повреждения
оболочки
кабеля
в
трубе
:
а
)
случай
траншеи
;
б
)
случай
ГНБ
Рис
. 7.
Неустановленные
повреждения
оболочки
кабеля
в
трубе
:
а
)
случай
траншеи
;
б
)
случай
ГНБ
Рис
. 8.
Процедура
поиска
места
повреждения
оболочки
кабеля
в
трубе
:
а
)
исходная
труба
;
б
)
первое
секциони
-
рование
трубы
;
в
)
второе
секционирование
трубы
установят (рисунок 6а). Увы, устранять поврежде-
ние энергетикам придется за свой счет, ведь с даты
начала эксплуатации КЛ могут пройти многие годы,
и гарантийные обязательства завода и монтажной
организации успеют прекратиться.
Гораздо более серьезные последствия возник-
нут в ситуации ГНБ (рисунок 7б), где после завер-
шения монтажа в силу перепада высот значитель-
ный объем воды оказался «заперт» в нижней части
загерметизированной трубы. Поскольку концы труб
водой не смочены, то
I
И
= 0, и поэтому приемо-сда-
точные испытания КЛ будут успешными. Далее по
мере эксплуатации КЛ может получиться так, что по
причине качественной герметизации торцов объем
воды увеличиваться не будет, концы трубы оста-
нутся сухими, повреждение оболочки так и не будет
выявлено даже при проведении регулярных перио-
дических испытаний КЛ. Вместе с тем, как видно из
рисунка 7б, с первых дней после прокладки кабель
с повреждением лежит в воде, ничто не мешает ей
проникать внутрь СПЭ-изоляции, и ситуация спо-
собна сохраняться годы.
ПОИСК
ПОВРЕЖДЕНИЯ
ОБОЛОЧКИ
КАБЕЛЯ
В
ТРУБЕ
Помимо своевременного установления факта по-
вреждения внешней оболочки кабелей есть и еще
одна проблема — поиск конкретного места трубно-
го участка, куда приходится это повреждение. Уста-
новление точного места важно, так как позволяет
принять решение о возможности ремонта оболочки
и об оптимальных способах его выполнения. Слож-
ности с ремонтом возникают, главным образом, если
повреждение пришлось на глубокий участок ГНБ —
в такой ситуации может быть принято решение об
извлечении кабеля из трубы или для его замены на
новый, или для его ремонта на поверхности зем-
ли с целью последующей затяжки обратно в трубу.
Что же касается участков траншейной прокладки,
то здесь ремонт осуществляется путем вырезания
небольшого участка трубы и наложения на кабель
термоусадки, но прежде следует определить место
повреждения.
Поиск места повреждения внешней оболочки
затруднен, поскольку полимерная труба выпускает
испытательный ток в грунт не там, где находится
повреждение, а по торцам трубного участка (рису-
нок 8а). Поэтому стандартный метод шагового на-
пряжения, который основан на поиске точки выхода
тока в грунт, укажет на торцы трубы, но не на кон-
кретное место повреждения. Также проблемы воз-
никают и при использовании акустического метода,
ведь труба приглушает звук от импульсного пробоя
оболочки.
Чтобы найти место повреждения оболочки ка-
беля на трубном участке, следует последователь-
но вскрывать трубу и обеспечивать контакт кабеля
с грунтом (рисунок 8б). При длине трубного участка,
достигающей 300–500 м, процедура деления трубы
на секции и последовательного приближения к ме-
сту повреждения может занять неделю и более. Все
это время КЛ будет отключена, а кабельная лабо-
ратория и ее персонал будут обеспечены тяжелой
работой. Следует понимать, что вскрытие трубы
должно проводиться максимально бережно, так как
иначе пила может попасть по кабелю и нанести его
оболочке глубокие порезы. После проведения про-
цедуры поиска повреждения оболочки труба будет
разделена на многие секции, то есть перестанет
быть цельным герметичным монолитным кабель-
ным каналом и не сможет быть повторно исполь-
зована в случае реновации сети и замены кабелей
на новые.
Известно, что для выявления повреждений обо-
лочки при прокладке на воздухе используют кабели,
оснащенные наружным полупроводящим слоем,
и отсюда может возникнуть предложение применять
такие кабели и на трубных участках в грунте. К со-
жалению, обычно данные кабели дороже традици-
онных и не всегда предназначены для прокладки
в грунте, однако важнее другое — вне зависимости
от типа оболочки кабеля труба выпустит испытатель-
ный ток в грунт только лишь на своих торцах, то есть
процедуры деления трубы на секции избежать никак
не удастся.
б)
б)
б)
в)
№
4 (55) 2019
86
КОНТРОЛЬ
ТЕМПЕРАТУРЫ
И
ЧР
Современные КЛ, особенно классов 110–500 кВ,
осна щаются дорогостоящими системами темпера-
турного мониторинга и контроля частичных разрядов
(ЧР). Так как повреждение внешней оболочки КЛ не
вызывает повышения температуры СПЭ-изоляции,
то температурный мониторинг оказывается бесполе-
зен для решения задачи выявления факта повреж-
дения оболочки и поиска его места вдоль трассы.
Измерение ЧР осуществляется в СПЭ-изоляции
кабеля при приложении к ней рабочего напряжения
сети или же высокого напряжения от стороннего ис-
точника. На время измерения ЧР экраны кабелей
в обязательном порядке должны быть заземлены.
Поскольку экраны заземлены, то они имеют практи-
чески нулевой потенциал, и даже при наличии по-
вреждения внешней оболочки кабеля на экране нет
напряжения, под действием которого с экрана кабе-
ля через место повреждения оболочки наружу мог
бы выходить какой-то ток или в оболочке могли бы
возникать какие-то ЧР.
Контроль ЧР способен обнаружить повреждение
оболочки кабеля только лишь косвенно — тогда, ког-
да за годы своего существования данное поврежде-
ние вызовет проникновение воды в кабель и даст не-
обратимые изменения в самой СПЭ-изоляции.
В издательстве Инфра-Инженерия вышла в свет новая книга к.т.н. В. И. Гуревича
объемом свыше 500 страниц под интригующим названием
«
Электромагнитный
импульс
высотного
ядерного
взрыва
и
защита
электрооборудования
от
него
»
В этой необычной книге рассказывается
об истории развития военных ядерных
программ в СССР и США, роли разведки
в создании ядерного оружия в СССР, об-
наружении электромагнитного импульса
при ядерном взрыве (ЭМИ ЯВ), много-
численных испытаниях ядерных боепри-
пасов.
В доступной для неспециалистов в об-
ласти ядерной физики форме описан
процесс образования ЭМИ ЯВ при под-
рыве ядерного боеприпаса на большой
высоте, показано влияние многочислен-
ных факторов на интенсивность ЭМИ ЯВ
и его параметры. Рас смот ре но влияние
ЭМИ ЯВ на электронные компоненты
и устройства, а также и на силовое элек-
трооборудование энергосистем.
Большую часть книги занимает описа-
ние практических (а не теоретических,
как в сотнях отчетов на эту тему) средств
и методов защиты электронного и элек-
тротехнического оборудования от ЭМИ
ЯВ, испытания этого оборудования на
устойчивость к ЭМИ ЯВ, оценки эффек-
тивности средств защиты.
В книге использованы многочисленные
документы и фотографии с грифами се-
кретности, которые были рассекречены
и стали общедоступными лишь недавно.
По широте охвата проб лемы, новизне,
глубине и практической значимости опи-
санных технических решений книга явля-
ется фактически энциклопедией ЭМИ ЯВ
и не имеет аналогов на книжном рынке.
Книга рассчитана на инженеров-элек-
триков и энергетиков разрабатывающих,
проектирующих
и
эксплуатирующих
электронное и электротехническое обо-
рудование, а также будет полезна препо-
давателям вузов и студентам. Много ин-
тересного найдут в ней также и любители
истории техники.
Заказать книгу можно на сайте издательства www.infra-e.ru или по электронной почте [email protected] и телефону 8 (8172) 75-15-54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При строительстве современных КЛ 6–500 кВ все
чаще используют полимерные трубы, и в обозри-
мом будущем альтернативы таким трубам пока не
видно. Несмотря на многочисленные преимущества
размещения кабелей в трубах, не следует забывать
и о некоторых особенностях этого способа проклад-
ки. В частности, важно понимать, что при проведе-
нии приемо-сдаточных и периодических испытаний
КЛ на трубных участках трассы не всегда удается
выявить имеющиеся повреждения внешней оболоч-
ки кабелей, опасные с точки зрения проникновения
воды в кабель.
Учитывая изложенное, сетевым компаниям имеет
смысл уделять повышенное внимание входному кон-
тролю кабельной и трубной продукции, поступающей
на объекты строительства КЛ 6–500 кВ. Также важно
осуществлять тщательный надзор за ходом монтаж-
ных работ и не допускать отклонения от требований,
содержащихся в отраслевых нормативных доку-
ментах (например, в части оснащения торцов труб
концевыми воронками). Для снижения риска травми-
рования оболочки при трубной прокладке можно ре-
комендовать использовать кабели с усиленной обо-
лочкой, в том числе с двойной оболочкой, имеющей
снаружи продольные ребра.
ЛИТЕРАТУРА
1. СТО 34.01-21.1-001-2017. Распределительные элек-
трические сети напряжением 0,4–110 кВ. Требования
к технологическому проектированию. Стандарт ПАО
«Россети», 2017.
2. Дмитриев М.В. Испытания оболочки кабельных линий
6–500 кВ // Кабель-news, 2014, № 2. С. 16–19.
REFERENCES
1. STO 34.01-21.1-001-2017. 0.4–110 kV distribution elec-
trical networks. Requirements for process design. Moscow,
PJSC "Rosseti" Publ., 2017. 238 p. (in Russian)
2. Dmitriev M.V. Tests of 6–500 kV сable sheath.
Kabel-news
[Cabel-news], 2014, no. 2, pp. 16-19. (in Russian)
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
Оригинал статьи: Испытания кабелей 6–500 кВ в полимерных трубах
За последние годы прокладка кабельных линий 6–500 кВ в полимерных трубах получила значительное распространение. Такое решение позволяет минимизировать объем земляных работ, выполнить пересечение различных коммуникаций и преград, обеспечить механическую защиту кабелей. Однако, как показал опыт эксплуатации, полимерные трубы имеют существенный недостаток — они мешают выявить наличие повреждений у наружной оболочки кабелей и определить точное расположение этих дефектов вдоль трассы линии.