Кабели с изоляцией из СПЭ как средство построения «умных сетей»

Page 1
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

29

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

С

троительство и эксплуатация «умных се-
тей», наряду с решением других вопросов, 
требуют применения следующих техниче-
ских и организационных мероприятий:

•  сбор исходных данных по протяжённости и сече-

нию проводов и жил кабелей конкретных ЛЭП по 
центрам питания и в целом по энергетическому 
предприятию и их анализ на предмет оптималь-
ности;

•  перевод системы учёта количества активов элек-

трических сетей из критерия «условная единица» 
в критерий электрической мощности кВА (МВА);

•  формирование пилотного варианта эталонной 

ресурсосберегающей электрической сети;

•  сопоставление структуры фактической сети со 

структурой эталонной сети от ЦП;

•  расчёт фактического показателя надёжности се-

тей на основе реального учёта количества акти-
вов в кВА как основного показателя обеспечения 
качества электроснабжения конечных потребите-
лей;

• расчёт фактических технологических потерь 

электроэнергии от существующих ЦП и их сопо-
ставление с потерями в эталонной сети;

•  разработка предложений по совершенствованию 

структуры существующей сети в соответствии с 
эталонной сетью и системы мотивации персона-
ла;

•  определение экономического эффекта от реали-

зации предложений;

•  снижение энергоёмкости ВВП сетевого комплек-

са на основе использования показателя учёта ко-
личества активов в кВА (МВА);

•  формирование центров затрат и центров прибы-

ли сетевого предприятия;

•  регулирование тарифов в филиале сетевого 

предприятия по усовершенствованной методике 
RAB на основе цены электроэнергии на границе 
токораздела с поставщиками и потребителями;

•  применение трансформаторов с магнитопрово-

дом из аморфных материалов;

•  обеспечение всех трансформаторов устройства-

ми РПН;

•  обеспечение оптимальной загрузки трансформа-

торов;

•  отключение трансформаторов 10/0,4 кВ на ПС с 

сезонной нагрузкой;

•  отключение одного из трансформаторов в режи-

ме малой нагрузки на ПС 110, 35, 10 кВ с двумя 
трансформаторами;

•  применение оптимального сечения фазных про-

водов;

•  использование оптимальной величины передава-

емой мощности;

•  внедрение оптимального рабочего напряжения;
• 

оптимальное размещение компенсирующих 
устройств;

• применение 

СИП;

•  обеспечение ВЛ РДИ и ОПН;
•  обеспечение РУ, ТП, МТП, РП, ЗРП ограничите-

лями перенапряжений;

•  глубокий ввод ПС 35 кВ (перевод ВЛ 10 кВ на ВЛ 

35 кВ);

•  глубокий ввод ПС 10 кВ (приближение ПС 10 кВ к 

потребителям);

•  применение сетей 0,66 и 1,15 кВ между сетями 10 

и 0,4 кВ;

•  снижение потребления ЭЭ собственными нужда-

ми ПС;

•  выравнивание нагрузки фаз в сетях 0,4 кВ;
•  применение ЭО с лучшими характеристиками у 

потребителей;

•  совершенствование автоматизированных систем 

учёта энергии, управления электропотреблением 
и состоянием оборудования;

•  применение тепловых насосов совместно с акку-

муляторами тепловой энергии для собственных 
нужд вместо электроотопления ТЭНами;

Кабели с изоляцией 
из СПЭ как средство 
построения «умных сетей»

Фирудин ХАЛИЛОВ, д.т.н.,

 профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета


Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

30

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

•  отопление производственных зданий сбросным 

теплом трансформаторов с применением ком-
прессионных тепловых насосов ОКБ Теплосиб-
маш;

•  выработка электроэнергии для собственных нужд 

на ветроустановках и солнечных батареях;

•  внедрение новых технологий и систем передачи и 

распределения электроэнергии;

•  применение проводов из новых композиционных 

материалов с повышенными механической проч-
ностью и пропускной способностью;

•  переход от обычных трёхфазных кабелей к одно-

фазным кабелям с изоляцией из СПЭ.
На последнем мероприятии остановимся более 

подробно.

В настоящее время передовые зарубежные стра-

ны перешли на новый тип изоляции силовых элек-
трических кабелей — сшитый (вулканизированный) 
полиэтилен (СПЭ, в английском обозначении ХLРЕ) 
[1—5]. 

СПЭ имеет ряд существенных преимуществ пе-

ред другими изоляционными материалами по 
физико-механическим, диэлектрическим, конструк-
ционным и технологическим свойствам переработ-
ки.

Отечественная кабельная промышленность по 

известным причинам (перестройка, дефолт в ав-
густе 1998 г. и другим) существенно отстаёт от ве-
дущих мировых кабельных фирм по внедрению ка-
бельных изделий с изоляцией из СПЭ. Параметры 
ПЭ, применяемого для изолирования силовых кабе-
лей, приведены в табл. 1. Рабочие свойства СПЭ на-
ходятся на уровне свойств термопластичного ПЭ, а 
нагревостойкость выше (табл. 2).

Допустимый нагрев жил кабеля в аварийном ре-

жиме, не превышающий 8 часов в сутки и не более 
1000 часов за срок службы, не должен превышать 
80

о

С для ПЭ и ПВХП и 130

о

С — для изоляции из СПЭ.

Длительная допустимая температура жил кабе-

ля с бумажно-пропитанной изоляцией (вязкая про-
питка) составляет: для кабелей на напряжение 1 и 
3 кВ — 80

о

С, на 6 кВ — 65

о

С, на 10 кВ — 60

о

С, на 

20 кВ — 55

о

С, на 35 кВ — 50

о

С.

Таблица 1. Параметры полиэтилена

v

, Ом•см 

при 

о

С

при 

о

С

tg 



при 

о

С

t

, (термич.) 

мк/Вт

20

90

20

90

20

90

10

17

10

15

2,25

2,2

3х10

-4

8х10

-5

3,5

Температура при КЗ для БПИ составляет 200

о

С.

Преимущества кабелей высокого напряжения с 

изоляцией из СПЭ перед кабелями с пропитанной 
бумажной изоляцией общеизвестны:

•  большая пропускная способность за счёт увели-

чения допустимой температуры жилы (допусти-
мые токи нагрузки в зависимости от условий про-
кладки на 15—30% больше, чем у кабеля с пропи-
танной бумажной изоляцией);

•  большой выдерживаемый ток короткого замыка-

ния;

•  меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обе-

спечивает лёгкость прокладки кабеля как в ка-
бельных сооружениях, так и в земле на любых 
сложных трассах;

•  возможность вести монтажные работы при про-

кладке кабеля при температурах до -20

о

С без 

предварительного подогрева, благодаря исполь-
зованию полимерных материалов для изоляции и 
оболочки;

• низкая удельная повреждаемость, обеспечи-

вающая лучшие технические характеристи-
ки при ремонтно-восстановительных работах 
и недоотпуске электроэнергии. Так, кабели с 
СПЭ-изоляцией как минимум на 1—2 порядка 
повреждаются меньше, чем кабели с бумажно-
пропитанной изоляцией;

•  отсутствие жидких компонентов, что уменьшает 

время прокладки и стоимость монтажных работ;

•  большая передаваемая мощность (однофазная 

конструкция имеет сечение 800 мм

2

 и более);

•  большие строительные длины (до 3 км);
•  длительно допустимая температура (90

о

С) в 

1,5 раза, допустимый нагрев в аварийном режи-
ме (130

о

С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая 

температура при протекании тока короткого за-
мыкания (250

о

С) на 25% больше, чем для соот-

ветствующих кабелей с бумажной изоляцией.
Остальные сопоставительные характеристики 

сведены в табл. 3.

Анализ опыта эксплуатации кабелей 6–110 кВ с 

изоляцией из СПЭ показывает их высокую надёж-
ность. Большинство отечественных и зарубежных 
заводов-изготовителей таких кабелей даёт гарантию 
~ на 50 лет. Однако надёжность работы кабелей в зна-
чительной степени зависит от соотношения сечений 
жил и экрана, а также от способа заземления экрана.

Таблица 2. Рабочие свойства СПЭ

Материал

Длительная 

рабочая 

температура, 

о

С

Предельно 

допустимая 

температура при 

КЗ, 

о

С

ПЭ

70

150

СПЭ

90

250

ПВХП 
(пластикет)

70

160


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

31

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

При заземлении экрана в начале и конце одно-

фазного кабеля по экрану течёт продольный ток, ко-
торый ухудшает пропускную способность кабеля.

Рассмотрим расчёт влияния тока в экране кабе-

ля на пропускную способность при ошибочном и слу-
чайном двухстороннем замыкании экрана, а также 
при повреждении оболочки по длине кабеля. Для 
примера возьмём кабель 10 кВ отечественного про-
изводства с сечением 240 мм

2

 (медный провод), се-

чением экрана 35 мм

2

 и длиной 1 км.

Расчёты приведены для случаев [4, 5]:
экран не заземлён с двух сторон или включён че-

рез трансформатор нулевой последовательности;

экран заземлён с двух сторон и имеет место про-

дольный ток через него.

Пропускная способность для этого кабеля по 

условиям п.1 составляет I

ж

 = 589 А, по условиям 

п.2 — I

ж

 = 507 А.

Разность по току для этих двух случаев состав-

ляет 

I

ж

= 589 – 507 = 82 А, , то есть при учёте тока в 

экране пропускная способность кабеля должна быть 
снижена на (82/507)100=16,2%.

Опасных токов и напряжений в экранах не было 

бы в том случае, если вместо трёхфазной группы од-
нофазных кабелей применялся бы трёхфазный ка-
бель, имеющий три жилы в одной общей оболочке. 
Однако современные кабели с изоляцией из сшито-
го полиэтилена, как правило, всё же однофазные, 
что и вызывает справедливый повышенный интерес 
к токам и напряжениям в их экранах.

Способы прерывания продольных токов через 

экран отдельных однофазных кабелей трёхфазной 
системы схематично приведены на рис. 1.

Для этого применяют два пути.

1. Способ одностороннего заземления экранов 

(рис. 1, а) в конце каждой строительной длины ка-
беля путём применения специальных изолирующих 
муфт.

2. Электромагнитная компенсация с применени-

ем транспозиции экранов (рис. 1, в); здесь сумма 
э.д.с, наводимых в оболочках трёх секций транспо-
зиции (например, в контуре a-b-c-d-e-f), равна нулю 
вследствие сдвига э.д.с на 120° и поэтому продоль-
ные токи в нормальном режиме в оболочках не про-
текают.

Разумеется, в схеме рис. 1, в сумма э.д.с будет 

равна нулю в том случае, если фазы расположены 
симметрично. В противном случае несимметрия вы-
зовет ток через оболочки кабелей, вызывая допол-
нительный нагрев изоляции.

Однако оба способа нарушения целостности 

электромагнитного экрана кабелей будут вызывать 
вытеснение поля в пространство снаружи оболочек, 
а следовательно, ряд нежелательных явлений, кото-
рые будут затруднять эксплуатацию кабельных ли-
ний. К этим нежелательным явлениям относятся:

а) наведённые потенциалы частоты 50 Гц на экра-

нах кабелей, возникающие как в рабочих режимах, 
так и при аварийных (возникновениях коротких за-
мыканий);

б) дополнительные потери в подземных и надзем-

ных металлических коммуникациях, находящихся 
вблизи кабельной линии, от вихревых токов и под-
сушки почвы этими токами;

в) импульсные воздействия на изоляцию оболо-

чек кабелей при набегании грозовых импульсов и 
крутых импульсов коммутационных перенапряже-
ний.

Напряжения на оболочке могут приобрести зна-

чительные величины. Необходимо предусмотреть 
меры защиты экрана от перенапряжений с частотой 
50 Гц и близкими к ней частотами.

Напряжения нулевой последовательности на 

экране рассмотренных кабелей могут быть умень-
шены двумя путями.

Рис. 1. Схемы разземления экранов кабелей 

в одностороннем режиме (а), транспозиции (в) 

и соответствующие распределения 

потенциалов (б и г)

Таблица 3. Сопоставительные 

характеристики кабелей

Характеристики

Кабель с 

СПЭ-

изоляцией

Кабель с 

бумажной 

изоляцией

Температура при 
прокладке без 
предварительного 
подогрева, не ниже 

о

С

-20

0

Величина 

r

 при 20

о

С

2,4

3,6—4,2

tg 

 при 20

о

С

0,001

0,008

Разница уровней на 
трассе прокладки, м

не 

ограничена

15


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

32

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

Создание дополнительного пути для протекания 

обратного тока нулевой последовательности умень-
шит собственную индуктивность контура «экран — 
земля» и коэффициент взаимной индукции между 
аналогичными петлями токов соседних фаз. Для это-
го можно рекомендовать прокладку дополнительно-
го заземлённого провода (троса) по трассе защища-
емой кабельной линии.

Вторым путём ограничения напряжения нуле-

вой последовательности на оболочке кабеля явля-
ется применение специальных трансформаторов, 
обладающих большим сопротивлением прямой по-
следовательности X

1

 и малым сопротивлением ну-

левой последовательности Х

о

. Такое соотношение 

сопротивлений достигается с помощью трансфор-
матора, подключаемого к фазам кабеля согласно 
рис. 2.

Рис. 2. Схема специального трансформатора 

для ограничения потенциала нулевой 

последовательности, наведённого 

на односторонне заземлённом экране 

кабельной линии

протекают по оболочкам, и поэтому она является 
практически самозащищённой от наведённых по-
тенциалов частоты 50 Гц нулевой последователь-
ности.

Таким образом:

•  применение кабелей с СПЭ-изоляцией в зна-

чительной степени повышает надёжность, что 
приводит к снижению потерь на ремонтно-
восстановительные работы и на недоотпуск элек-
троэнергии потребителям;

•  использование однофазных кабелей с СПЭ-

изоляцией и с мероприятиями по предотвраще-
нию продольных токов по экранам позволяет су-
щественно снизить токи короткого замыкания;

•  прерывание продольных токов через экран ка-

белей с изоляцией из СПЭ позволит повысить их 
пропускную способность не менее чем на 35—
40%.
Если же по требованиям ПУЭ заземлить кабель 

на обоих концах, то для обеспечения его надёжной 
работы с учётом токов в экранах кабеля следует 
снизить пропускную способность на 20—50%. Необ-
ходимость и размер снижения пропускной способно-
сти (тока в жиле) должны быть определены для кон-
кретного кабеля.

Что же касается оптимального варианта переда-

чи электроэнергии по кабелям 0,4—110 кВ с изо-
ляцией из СПЭ, то он определяется при выполне-
нии соответствующих технико-экономических рас-
чётов. 

В заключение отметим, что схема заземления 

экранов упомянутых кабелей в начале и в конце мо-
жет быть применена при их длинах не более 200—
300 м, а схемы транспозиции экранов (рис. 2 в) и ис-
пользования трансформатора нулевой последова-
тельности (рис. 2) — при длинах 500 м и более. 

ЛИТЕРАТУРА

1.  Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных 

силовых кабелей 6—500 кВ. Изд. «НИВА», Санкт-
Петербург, 2007.

2.  Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные си-

ловые кабели 6—500 кВ. Новости электротехни-
ки, № 2, 2007.

3.  Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экра-

нов однофазных силовых кабелей высокого на-
пряжения. Энергетик, № 11, 2007.

4.  Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные 

кабельные линии:  Учебник для вузов. 2-е изд., 
перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996.

5.  Канискин В.А., Таджибаев А.И. Эксплуатация си-

ловых электрических кабелей. Учебное пособие. 
Изд. Петербургского энергетического института 
повышения квалификации Минэнерго РФ, 2002.

Аварийные токи нулевой последовательности 

замыкаются через обмотки I трансформатора Т и 
экраны кабелей фаз А, В и С, при этом рабочие 
токи прямой последовательности, протекающие по 
экранам, малы. Основную помощь в отводе токов 
нулевой последовательности у этого трансформа-
тора оказывает обмотка II, соединённая в треуголь-
ник.

Что же касается схемы с транспозицией обо-

лочек, то здесь токи нулевой последовательности 


Читать онлайн

В настоящее время передовые зарубежные страны перешли на новый тип изоляции силовых электрических кабелей — сшитый (вулканизированный) полиэтилен.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»