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
.
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
2
/
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
2
/
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
2
/
r
1
, а затем зна-
чения
из
по формуле (2).
r
2
/
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
2
/
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
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
1
/
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
2
/
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
1
/
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
2
/
r
1
+ 1) / (
r
2
/
r
1
– 1)
E
max
= ——.
(9)
_______________
4,6
r
1
lg
(
r
2
/
r
1
+√(
r
2
/
r
1
)
2
– 1)
При
U
л
= 10 кВ,
r
2
/
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
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
Оригинал статьи: 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. 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.
