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

Page 1

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

Актуально

ÈÇÎËßÖÈß ÈÇ ÑÏÝ

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

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

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

С для ПЭ и ПВХП и 130

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

С, на 6 кВ — 65

С, на 10 кВ — 60

С, на

20 кВ — 55

С, на 35 кВ — 50

С.

Таблица 1. Параметры полиэтилена



, Ом•см

при



при



при



, (термич.)

мк/Вт

2,25

2,2

3х10

-4

8х10

-5

3,5

Температура при КЗ для БПИ составляет 200

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

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

и более);

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

С) в

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

С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая

температура при протекании тока короткого за-
мыкания (250

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,

Предельно

допустимая

температура при

КЗ,

ПЭ

150

СПЭ

250

ПВХП
(пластикет)

160

Page 3

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

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

(медный провод), се-

чением экрана 35 мм

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

= 589 А, по условиям

п.2 — I

= 507 А.

Разность по току для этих двух случаев состав-

ляет



= 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

-20

Величина



при 20

2,4

3,6—4,2



при 20

0,001

0,008

Разница уровней на
трассе прокладки, м

не

ограничена

Page 4

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

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

и малым сопротивлением ну-

левой последовательности Х

. 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

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

Читать онлайн

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