О возможности использования силовых кабелей с изоляцией из СПЭ в сети напряжением 6–35 кВ с изолированной нейтралью

Page 1
background image

Page 2
background image

112

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

П

араметр потока отказов наиболее повреж-

даемых  кабельных  линий  с  кабелем  с  бу-

мажно-масляной изоляцией типа ААШв, ра-

ботающих в городской электрической сети, 

равен 0,183 повреждений/(км·год) [1].

Параметр потока отказов кабелей с изоляцией из 

сшитого полиэтилена (СПЭ) по данным одного пред-

приятия электрических сетей в 5,5 раза меньше. Тог-

да средняя продолжительность работы в год кабель-

ной  линии  с  кабелем  с  изоляцией  из  СПЭ  длиной 

1 км в условиях однофазного замыкания на землю 

составляет:

(0,183 / 5,5) · 8 ч · 1 км = 0,26 часа.

Таким  образом,  при  проектировании  конкретной 

линии напряжением 6–35 кВ с кабелями с изоляцией 

из  СПЭ  достичь  рекомендуемой  [2]  в  течении  года 

продолжительности  воздействия  перенапряжений 

не представляется возможным.

Если к секции шин будет подключено 100 км ука-

занных кабельных линий, то в этом случае суммар-

ная продолжительность однофазных замыканий бу-

дет  почти  в  пять  раз  меньше  нормативной  [2].  При 

указанной протяженности кабельных линий, подклю-

ченных к одной секции шин, нейтраль сети, как пра-

вило,  заземляется  через  дугогасящий  реактор  или 

резистор.

Специалистами, занимающимися проектировани-

ем и эксплуатацией кабельных линий, неоднократно 

высказывалось  мнение  о  том,  что  кабели  с  изоля-

цией из сшитого полиэтилена напряжением 6–35 кВ 

с более низкой электрической прочностью по срав-

нению  с  кабелями  с  бумажно-масляной  изоляцией 

для  работы  в  электрической  сети  с  изолированной 

нейтралью непригодны в связи с тем, что изоляция 

кабелей не выдержит воздействующих на нее пере-

напряжений при длительных однофазных замыкани-

ях на землю.

ВОЗМОЖНОСТИ

 

ИЗОЛЯЦИИ

 

КАБЕЛЯ

 

ПРОТИВОСТОЯТЬ

 

ВОЗДЕЙСТВУЮЩИМ

 

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМ

Рассмотрим  возможности  изоляции  кабеля  про-

тивостоять  воздействующим  перенапряжениям. 

Технические  характеристики  применяемой  в  ка-

белях на напряжение до 35 кВ бумажно-масляной 

и полиэтиленовой изоляции, а именно: электриче-

ская прочность и допустимая напряженность элек-

трического поля на поверхности токопроводящей 

жилы по данным [3–9] приведены в таблице 1.

Из  таблицы  1  видно,  что  электрическая  проч-

ность  полиэтиленовой  изоляции  сопоставима  или 

несколько  ниже  электрической  прочности  бумажно-

масляной изоляции. Кроме этого, допустимая напря-

женность электрического поля на поверхности токо-

проводящей жилы значительно ниже электрической 

прочности  материала  изоляции.  Значение  допусти-

мой напряженности электрического поля у поверхно-

сти токопроводящей жилы, по которой определяется 

толщина изоляции, зависит от мощности частичных 

разрядов,  возникающих  при  приложении,  как  пра-

вило,  повышенного  напряжения  и  развивающихся 

в  воздушных  включениях  или  в  местах  усиления 

электрического  поля  при  длительном  воздействии 

напряжения.

Опасность частичных разрядов состоит в том, что 

они,  начавшись  при  повышенном  напряжении,  не-

прерывно  развиваются  и  при  значительном  сниже-

Короткевич

 

М

.

А

., 

д.т.н., профессор кафедры ЭС Белорусского национального технического университета

Подгайский

 

С

.

И

., 

председатель Совета директоров ООО ПО «Энергокомплект», Заслуженный энергетик

Республики Беларусь

О возможности использования 
силовых кабелей с изоляцией из 
СПЭ в сети напряжением 6–35 кВ 
с изолированной нейтралью

В

 

статье

 

показано

что

 

допустимая

 

напряженность

 

электрического

 

поля

 

на

 

поверхности

 

токопроводящей

 

жилы

 

кабеля

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

 

значительно

 

ниже

 

напряженности

соответствующей

 

электрической

 

прочности

 

самой

 

изоляции

Следова

-

тельно

использование

 

одножильных

 

и

 

трехжильных

 

кабелей

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

 (

СПЭ

напряжением

 6–35 

кВ

 

в

 

электрической

 

сети

 

с

 

изолированной

 

нейтра

-

лью

 

не

 

связано

 

с

 

какими

-

либо

 

нежелательными

 

последствиями

 

от

 

воздействия

 

перена

-

пряжений

 

при

 

аварийных

 

режимах

Отсутствуют

 

какие

-

либо

 

ограничения

 

на

 

применение

 

по

 

назначению

 

кабелей

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

 

на

 

напряжение

 6–35 

кВ

 

в

 

электрической

сети

 

с

 

изолированной

компенсированной

 

или

 

резистивно

-

заземленной

 

нейтралями

.


Page 3
background image

113

нии напряжения — даже ниже напряжения возникно-

вения начальных частичных разрядов, имеющих (как 

известно из [1]) вид электрических лавин в бумажно-

масляной изоляции или прорастающих древовидных 

каналов (дендритов) в полиэтиленовой [4, 6].

Средняя  напряженность  возникновения  частич-

ных  разрядов  в  бумажно-масляной  (без  газовых 

включений) изоляции кабеля 

E

ср

 может быть опреде-

лена как:  

 

E

ср

 = 

A

 / 

из

0,58

(1)

где 

A

 — коэффициент (для пропитанной кабельной 

бумаги толщиной 0,12 мм равен 7); 

из

 — толщина 

изоляции [4].
 

из 

r

2

 – 

r

1

 = 

r

1

 · (

r

r

1

 – 1), 

(2)

где 

r

2

 — внешний радиус изоляции, мм; 

r

1

 — наруж-

ный радиус токопроводящей жилы, мм.

Так, при 

из

 = 4,0 мм, характерным для кабелей 

напряжением  10  кВ, 

E

ср

,  определенное  по  форму-

ле (1), будет равно 2,2 кВ/мм.

Среднее значение напряженности электрическо-

го поля в изоляции кабеля вычисляется как:
 

E

ср

 = 

U

 / 

из

(3)

где 

U

 — фазное напряжение, кВ; 

из

 — толщина фаз-

ной изоляции, мм.

Для кабелей напряжением 10 кВ при толщине фаз-

ной  бумажно-масляной  изоляции,  равной  2,75  мм,

E

ср

, определенное по формуле (3), равно 2,1 кВ/мм. 

МАКСИМАЛЬНАЯ

 

НАПРЯЖЕННОСТЬ

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

 

ПОЛЯ

 

НА

 

ПОВЕРХНОСТИ

 

ЖИЛЫ

Одножильные

 

силовые

 

кабели

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

.

  В  силовом  одножильном 

электрическом кабеле напряжением до 35 кВ с изо-

ляцией  из  сшитого  полиэтилена  для  выравнивания 

электрического  поля  предусмотрены  полупроводя-

щие экраны по поверхности жилы и изоляции, а так-

же экран из медных проволок, скрепленных медной 

лентой, охватывающий кабельный сердечник и обе-

спечивающий нулевой потенциал полимерного экра-

на (разделительного слоя) по изоляции.

Следовательно  в  одножильных  электрических

кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена и мед-

ным  экраном  электрическое  поле  радиально  и  на-

правлено  от  токопроводящей  жилы  к  медному 

экрану. Напряженность электрического поля в одно-

родной изоляции максимальна у поверхности жилы, 

что и учитывается при определении толщины изоля-

ции [9]. 

Максимальная  напряженность  электрического 

поля 

E

max

 у поверхности жилы одножильного кабеля 

с экранированной круглой жилой вычисляется по вы-

ражению [9]: 

 

E

max

 = 

U

ф

 / (

r

1

 · 

ln

 (

r

/

 

r

1

)), 

(4)

где 

U

ф

 — фазное напряжение, кВ.

Значения 

E

max

 — для кабелей с алюминиевыми 

жилами  площадью  поперечного  сечения  50,  150 

и  240  мм

2

  (максимальный  радиус  жил  —  4,3,  7,5 

и 9,6 мм соответственно), толщиной изоляции, рав-

ной 3,4 мм, номинальном напряжении 10 кВ, опреде-

ленные по формуле (4), равны 2,3, 2,08 и 2,05 кВ/мм.

Из приведенного расчета видно, что значение 

E

max

 

слабо  зависит  от  площади  поперечного  сечения 

жил.

Среднее значение напряженности в соответствии 

с формулой (3) будет равно 1,7 кВ/мм. По соотноше-

ниям (4) и (2) выбирается толщина изоляции, то есть 

сначала определяется отношение 

r

/

 

r

1

 , а затем зна-

чения 

из

 по формуле (2). 

 

r

r

1

 = 

exp (

U

ф 

E

1

max

). 

(5)

При 

r

1

 = 9,6 мм (площадь сечения алюминиевых 

жил 240 мм

2

), 

E

max

 = 2,4 кВ/мм (как рекомендует меж-

дународная электротехническая комиссия для кабе-

лей напряжением 10 кВ), отношение 

r

/

 

r

1

, вычислен-

ное по формуле (5), будет равно 1,28.

Тогда  требуемая  толщина  изоляции,  в  соответ-

ствии с формулой (2), определяется:

из

 = 

r

1

 (

exp (

U

ф 

/ (

E

max

 · 

r

11

)) – 1). 

(6)

При указанных значениях 

r

1

E

max

 и 

U

ф

 = 10/√3 кВ

требуемая  толщина  изоляции,  определенная  по 

формуле (6), будет равна 2,7 мм.

Запас прочности изоляции

 

k

зап

 = 

E

max 

E

ср

 = 2,4 / 2,14 = 1,12. 

(7)

Международная  электротехническая  комиссия 

рекомендует  принимать  для  кабелей  (например, 

Табл. 1. Электрическая прочность и допустимая напряженность электрического поля

на поверхности токопроводящей жилы для бумажно-масляной и полимерной изоляции кабелей

Изоляция

Электрическая

прочность 

E

, кВ/мм

Допустимая напряженность электрического поля 

E

, кВ/мм, 

при номинальном напряжении кабеля, кВ

3–10

20–35

Бумажно-масляная:
•  сухая бумага

6,5–9,0 [3]

•  пропитанная масляно-

канифольным составом

60–90 [4] (50–120)* [4]

1,5–2,0 [4] до 3,2 [5] 

2,5–3,5 [4] до 4,2 [9]

Полиэтиленовая

35–60 [5, 6] 

45–55 [6] 

40 [8] 

2,0–2,3 [4]

2,0 [5]

2,5–4,0 [9]

2,0–2,3 [4] 

2,0 [5]  

2,5–4,0 [9]

* в скобках указана кратковременная электрическая прочность

 1 (64) 2021


Page 4
background image

114

напряжением  10  кВ)  толщину  изоляции  не  менее 

3,4  мм,  максимальную  и  среднюю  напряженности 

электрического поля соответственно 2,4 и 1,7 кВ/мм, 

что  соответствует  запасу  электрической  прочности 

изоляции, равной 1,4. При 

из

 = 3,4 мм, 

r

1

 = 9,6 мм, 

r

/

 

r

2

 = 1,35, значение 

E

max

 = 2,0 кВ/мм (4).

Таким  образом,  можно  согласиться  с  тем,  что 

максимальная напряженность на поверхности то-

копроводящей  жилы  кабеля  напряжением  10  кВ 

не превосходит 2,4 кВ/мм. Это тем не менее зна-

чительно  ниже  (в  несколько  раз)  напряженно-

сти,  соответствующей  наименьшему  значению 

электрической  прочности  полиэтиленовой  изо-

ляции (таблица 1). При неотключаемых однофаз-

ных замыканиях на землю, характерных для сети 

с  изолированной,  компенсированной  или  рези-

стивно-заземленной  нейтралью,  напряжение  не-

поврежденных фаз в так называемом квазистаци-

онарном  режиме  достигает  линейного  значения. 

Значение 

E

max

, определенное по формуле (4), при 

приложении  линейного  напряжения  (вместо  фаз-

ного),  возрастает  в  √3  раз.  Однако  отношение 

r

/

 

r

1

 (5) останется неизменным, так как числитель 

и  знаменатель  возрастают  в  одно  и  то  же  число 

раз и, следовательно, требуемая толщина изоля-

ции не изменяется. 

Кабели

 

с

 

бумажно

-

масляной

 

изоляцией

.

 В трех-

жильном  кабеле  с  круглыми  жилами  и  поясной  бу-

мажно-масляной  изоляцией  напряженность  элек-

трического поля будет наибольшей в момент, когда 

напряжение между двумя жилами равно линейному 

или  когда  напряжение  одной  жилы  равно  фазному, 

а на других –0,5 

U

ф

.

Максимальную  напряженность  электрического 

поля  на  поверхности  жилы  в  трехжильном  кабеле 

с  неэкранированными  круглыми  изолированными 

бумажно-масляной изоляцией жилами можно опре-

делить по формуле [10]: 

 

E

max

 = 

U

л 

[ 0,5 / (

r

2

 – 

r

1

) + 0,18 / 

r

1

 ], 

(8)

где 

U

л

 — линейное напряжение, кВ.

Так, при 

U

л

 = 10 кВ; 

r

2

 – 

r

1

 = 

из

 = 3,4 мм; 

r

1

 = 9,6 мм

(площадь  поперечного  сечения  алюминиевых  жил 

равна 240 мм

2

), значение 

E

max

, определенное по фор-

мулам (8) и (9), равно 1,66 кВ/мм. При этом, отноше-

ние 

r

/

 

r

2

 = 1,35 = 13 / 9,6.

Наибольшая напряженность электрического поля 

на  поверхности  многопроволочной  неэкранирован-

ной  жилы  трехжильного  кабеля  может  быть  вычис-

лена также по формуле [10]:

 

_____________________________

 

U

л

 √(

r

/

 

r

+ 1) / (

r

/

 

r

1

 – 1)

 

E

max

 = ——. 

(9)

 

_______________

 

4,6 

r

1

 

lg

(

r

/

 

r

1

 +√(

r

/

 

r

1

)

2

 – 1)

При 

U

л

 = 10 кВ, 

r

/

 

r

1

 = 1,35; 

r

1

 = 9,6 мм, значе-

ние 

E

max

, определенное по формуле (9), будет равно 

1,66 кВ/мм, что совпадает с результатами, получен-

ными  по  формуле  (8).  Следовательно,  расчеты  по 

формулам  (8)  и  (9)  дают  одинаковые  результаты. 

При этом 

E

max

 не превосходит 2,0 кВ/мм.

Трехжильные

 

кабели

 

с

 

изоляцией

 

из

 

сшитого

 

полиэтилена

 

с

 

экранированными

 

жилами

.

  На-

пряженность электрического поля на поверхности то-

копроводящей жилы определяется так же, как и для 

одножильного кабеля по формуле (4), так как зазем-

ленный  экран  из  медных  проволок,  наложенных  по-

верх  изоляции,  обеспечивает  нулевой  потенциал  на 

ее поверхности.

При однофазных замыканиях на землю треуголь-

ник  линейных  напряжений  не  изменяется,  а  только 

смещается на фазное напряжение. Следовательно, 

формулы  (8)  и  (9)  пригодны  для  определения 

E

max

 

в аварийном режиме.

В сети с изолированной нейтралью при дуговых 

замыканиях  на  землю  возможны  перенапряжения, 

достигающие [11]: 

 

– в сети 6–10 кВ — 2,58 ÷ 3,55 

U

ф

;

 

– в сети 35 кВ — 2,7 ÷ 3,7 

U

ф

.

Тогда  напряженность  электрического  поля  на 

поверхности  токопроводящей  алюминиевой  жилы 

кабеля  напряжением  10  кВ  площадью  поперечного 

сечения 240 мм

2

 станет 5,3–7,3 кВ/мм, что тем не ме-

нее значительно ниже напряженности электрическо-

го поля, соответствующего электрической прочности 

изоляции при длительном приложении напряжения, 

равной для бумажной изоляции12 кВ/мм [10]. 

Интегральный показатель П

к

 воздействия перена-

пряжения на изоляцию кабеля равен [11]: 
 

П

к

 = 

k

n

 t

n

 

 

L

(10)

где 

k

n

  —  коэффициент  перенапряжений  (указан 

выше); 

t

n

 — продолжительность однофазных замы-

каний  на  землю  (принимается  равной  до  8  часов); 



— параметры потока отказов (для кабелей с бумаж-

но-масляной изоляцией и изоляцией из СПЭ равны 

0,183 и 0,033 повреждений/(км·год) соответственно; 

L

 — длина кабельной линии, км.

При одинаковых значениях 

k

n

t

n

L

 для кабельных 

линий с различной изоляцией отношение интеграль-

ного  показателя  воздействия  перенапряжений  П

к

БМИ

 

на кабель с бумажно-масляной изоляцией к такому 

же показателю, характерному для кабелей с изоля-

цией из сшитого полиэтилена, П

к

спэ

 будет равно:

П

к

БМИ 

/

 

П

к

спэ

 = 

к

БМИ 

/

 

к

спэ

 = 0,183 / 0,033 = 5,6.

Следовательно,  воздействие  в  течение  года  пе-

ренапряжений  на  кабель  с  изоляцией  из  сшитого 

полиэтилена меньшее в >5 раз по сравнению с воз-

действием перенапряжением на кабель с бумажно-

масляной изоляцией.

ВЫВОДЫ

1.  Толщина  изоляции  (бумажно-масляной  или  из 

сшитого полиэтилена) силовых электрических кабе-

лей  определяется  условиями  появлением  началь-

ных  частичных  разрядов  в  воздушных  включениях 

или в местах усиления электрического поля, харак-

теризуемых  напряженностью  электрического  поля 

на  поверхности  токопроводящей  жилы,  имеющей 

место как в нормальных режимах работы, так и при 

однофазных замыканиях на землю. Допустимая на-

пряженность  электрического  поля  на  поверхности 

токопроводящей жилы, ниже которой предполагает-

ся,  что  возникновение  частичных  разрядов  исклю-

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ


Page 5
background image

115

чено,  зависит  от  номинального  напряжения  кабеля 

и конструктивных размеров изоляции и по значению 

значительно (в несколько раз) ниже напряженности, 

соответствующей  электрической  прочности  самой 

изоляции. Следовательно, использование одножиль-

ных и трехжильных кабелей с изоляцией из сшитого 

полиэтилена напряжением 6–35 кВ в электрической 

сети с изолированной нейтралью не связано с каки-

ми-либо нежелательными последствиями от воздей-

ствия перенапряжений при аварийных режимах.

2.  Указанная  в  [1]  допустимая  продолжительность 

в течение года однофазных замыканий на землю 

в сети с изолированной нейтралью, равная 125 ча-

сам, применительно к кабелям с изоляцией из сши-

того полиэтилена представляется избыточной.

3.  Отсутствуют какие-либо ограничения на приме-

нение по назначению кабелей из сшитого поли-

этилена на напряжение 6–35 кВ в электрической 

сети  с  изолированной,  компенсированной  или 

резистивно-заземленной нейтралями.  

Р

ЛИТЕРАТУРА
1.  Короткевич  М.А.  Эксплуатация 

электрических  сетей.  Минск:  Вы-

шэйшая школа, 2014. 350 с.

2.  ТКП611  –  2017.  Силовые  кабель-

ные линии напряжением 6–110 кВ. 

Нормы  проектирования  по  про-

кладке  кабелей  с  изоляцией  из 

сшитого  полиэтилена  пероксид-

ной сшивки. Минск: Министерство 

энергетики  Республики  Беларусь, 

2017. 103 с.

3.  Справочник  по  электротехниче-

ским материалам. В 3 т. Т. 1. Под 

ред.  Ю.В.  Корицкого.  М.:  Энерго-

атомиздат, 1986, 368 с. 

4.  Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Тех-

ника высоких напряжений. Минск: 

Вышэйшая школа, 1982. 367 с.

5.  Силовые  кабели  с  изоляцией  из 

сшитого  полиэтилена  с  увели-

ченным сроком службы. Под ред. 

Г. Ортона и Р. Хартлейна. М., 2007. 

228 с.

6.  Пешков  И.Б.  Материалы  кабель-

ного  производства.  М.:  Машино-

строение, 2013. 456 с.

7.  Электротехнический  справочник: 

В 4 т. Т. 1. Общие вопросы. Элек-

тротехнические  материалы.  Под 

общ.  ред.  профессоров  МЭИ  В.Г. 

Герасимова и др. М: Изд-во МЭИ, 

2003. 440 с.

8.  Справочник  по  электротехниче-

ским материалам. В 3 т. Т. 2. Под 

ред.  Ю.В.  Корицкого  и  др.  М.: 

Энергоиздат, 1987. 464 с.

9.  Техника высоких напряжений. Под 

ред. Г.С. Кучинского. СПб: Энерго-

атомиздат.  Санкт-Петербургское 

отд-ние, 2003. 608 с.

10. Леонов  В.М.,  Пешков  И.Б.,  Ряза-

нов  И.Б.,  Холодный  С.Д.  Основы 

кабельной техники. М.: Академия, 

2006. 432 с.

11. Разработка  методических  ука-

заний  по  заземлению  нейтрали 

сетей  6–35  кВ  Белорусской  энер-

госистемы  через  резистор.  Отчет 

о  НИГ. Минск: Белэнергосетьпро-

ект, 2008. 48 с.

На прав

ах рек

ламы

 1 (64) 2021


Читать онлайн

В статье показано, что допустимая напряженность электрического поля на поверхности токопроводящей жилы кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена значительно ниже напряженности, соответствующей электрической прочности самой изоляции. Следовательно, использование одножильных и трехжильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) напряжением 6–35 кВ в электрической сети с изолированной нейтралью не связано с какими-либо нежелательными последствиями от воздействия перенапряжений при аварийных режимах. Отсутствуют какие-либо ограничения на применение по назначению кабелей из сшитого полиэтилена на напряжение 6–35 кВ в электрической сети с изолированной, компенсированной или резистивно-заземленной нейтралями.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»