Особенности применения вакуумных выключателей в распределительных кабельных сетях среднего напряжения, содержащих кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

80

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

БУРОВ А.Г., 

генеральный директор ЗАО «Астер Электро»,

ЛАВРОВ Ю.А., 

зав. кафедрой «Техника и электрофизика

 высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета, к.т.н.,

ПЕТРОВА Н.Ф., 

доцент кафедры ТЭВН НГТУ, к.т.н., 

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВАКУУМНЫХ 
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ 
КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ, 
СОДЕРЖАЩИХ КАБЕЛИ  С ИЗОЛЯЦИЕЙ 
ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

ВВЕДЕНИЕ

Ресурс изоляционной системы кабелей с изоля-

цией из сшитого полиэтилена, определяющий 
надёжность и срок их эксплуатации, зависит от 
многих факторов, к основным из которых можно 
отнести: выбранный режим заземления нейтрали 
сети (изолированная нейтраль, нейтраль зазем-
лённая через дугогасящий реактор или высоко/
низкоомный резистор); температурный режим 
эксплуатации кабелей (зависящий от способа 
прокладки кабелей, передаваемой мощности, 
схемы заземления экранов и т.д.); амплитудно-
временные параметры перенапряжений, воздей-
ствующих на изоляционную систему кабеля (при 
однофазных замыканиях на землю, однофазных 
дуговых замыканиях, при коммутациях кабель-
ных присоединений выключателями); диагности-
ку технического состояния кабелей и выбранных 
параметров профилактических испытаний [1,2]. 

В настоящее время в сетях среднего напря-

жения различного назначения на смену 
масляным выключателям приходят вакуумные 

выключатели (ВВ), основными преимуществами 
которых являются высокий коммутационный 
ресурс и минимальные требования со стороны 
эксплуатационного персонала по их обслужива-
нию.

Вместе с тем внедрение ВВ в электрические 

сети, содержащие кабели с изоляцией из сшито-
го полиэтилена (КСПЭ), связано с определённой 
спецификой, от которой зависит и срок эксплу-
атации КСПЭ. Эта специфика обусловлена 
возможностью инициирования ВВ при опре-
делённых условиях высокочастотных перена-
пряжений (ВЧ-перенапряжений), которые могут 
быть опасными как для продольной изоляции 
электротехнического оборудования (трансфор-
маторов, высоковольтных электродвигателей), 
так и для КСПЭ. 

Проблема возникновения ВЧ-перенапряжений 

связана с процессом «соревнования» между 
скоростью восстановления электрической проч-
ности (СВЭП) между расходящимися контакта-
ми ВВ и скоростью собственного переходного 

81

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

восстанавливающегося напряжения (СПВН), 
которое прикладывается к расходящимся 
контактам ВВ. При этом СВЭП ВВ зависит от 
многих факторов (материала контактов, степе-
ни вакуума, скорости раздвижения контактов, 
характеристик привода выключателя и других 
параметров) и для разных предприятий-изго-
товителей СВЭП имеет различные значения. 
Например, для ВВ отечественных и зарубежных 
фирм этот параметр находится в диапазоне от 30 
до 90 кВ/мс. 

Такой параметр, как СПВН на расходящихся 

контактах ВВ, зависит от вида сети: распре-
делительные городские кабельные сети, сети 
крупных промышленных предприятий, шахтные 
сети угольных предприятий или сети нефтегазо-
вого комплекса, сети собственных нужд станций 
(ТЭС, ГЭС, ГАЭС, АЭС), а также перекачиваю-
щие насосные станции.

В процессе эксплуатации КСПЭ подвергаются 

воздействию перенапряжений с различными 
амплитудно-временными параметрами. При 
этом, в отличие от кабелей с бумажной пропи-
танной изоляцией (КБПИ), КСПЭ более чувстви-
тельны к воздействию ВЧ-перенапряжений, 
поскольку на молекулярном уровне может проис-
ходить разрушение структуры твёрдой изоляции 
из сшитого полиэтилена (СПЭ) с последующим 
образованием и развитием электрических 
триингов (или переходом водных триингов в 
электрические) и, как следствие, снижением 
электрической прочности СПЭ-изоляции и 
нормированного срока службы КСПЭ. Таким 
образом, на стадии проектирования сетей 
различного назначения с применением КСПЭ 
этот факт необходимо принимать во внимание и 
превентивно создавать такие условия эксплуата-
ции КСПЭ, при которых ВЧ-перенапряжения не 
будут инициироваться ВВ за счёт многократных 
обратных зажиганий дуги между расходящимися 
контактами выключателя.

В настоящее время появляются различные 

точки зрения по особенностям эксплуатации 
КСПЭ среднего напряжения (СН), в том числе и 
такая с нашей точки зрения некорректная версия, 
как электромагнитная несовместимость КСПЭ и 
ВВ. В основе этой версии лежит тезис о том, что 
ВВ инициируют в сетях с КСПЭ ВЧ-перенапря-
жения, которые со временем снижают электри-
ческую прочность СПЭ-изоляции и приводят к 
увеличению однофазных замыканий на землю, 

т.е. повышают аварийность кабельной сети. 
Поэтому в сетях, где используются КСПЭ, 
целесообразно применять масляные или 
элегазовые выключатели [3,4]. Вместе с тем 
экспериментальные и численные исследования, 
проведённые на кафедре ТЭВН НГТУ, показа-
ли, что в зависимости от вида кабельной сети 
(определяющей длину коммутируемого кабеля, 
тип нагрузки — трансформатор или двигатель, 
количество отходящих от сборной шины кабель-
ных присоединений и т.д.) СПВН имеет различ-
ные значения, в том числе и такие, при которых 
повторных зажиганий дуги в ВВ наблюдаться 
не будет, а значит и ВЧ-перенапряжения будут 
отсутствовать [5,6]. Например, при коммутациях 
ВВ относительно коротких кабельных присоеди-
нений из КСПЭ (сети собственных нужд станций, 
перекачивающие насосные станции, шахтные 
сети и сети нефтегазового комплекса) для 
исключения возникновения ВЧ-перенапряжений, 
воздействующих на изоляцию КСПЭ, СВЭП 
между расходящимися контактами ВВ должна 
быть не менее 70—90 кВ/мс. При более низких 
значениях этого параметра следует дополни-
тельно применять RC-цепочки.

Поскольку СВЭП у ВВ различных произ-

водителей отличаются, то необходимо для 
каждой конкретной кабельной сети (обладаю-
щей своей СПВН) подобрать ВВ с такой СВЭП, 
при которых КСПЭ не будут подвергаться 
ВЧ-перенапряжениям.

В докладе приводится анализ электромагнит-

ной совместимости КСПЭ и ВВ, осуществля-
ющих коммутации кабельных присоединений 
различной длины. 

ОСОБЕННОСТИ ИЗОЛЯЦИОННОЙ 

СИСТЕМЫ КСПЭ 

По своей природе СПЭ-изоляция, как твёрдый 

диэлектрик, не представляет собой на микро-
уровне сплошной однородный диэлектрик. По 
виду надмолекулярную структуру СПЭ можно 
представить в виде множества областей из 
сферолитов различной плотности и размеров, 
что априори приводит к локальному неравно-
мерному распределению напряжённости элек-
трического поля по толщине изоляции. Таким 
образом, наряду с неравномерным распределе-
нием напряжённости электрического поля (ЭП) по 
толщине изоляции в нормальном режиме эксплу-
атации кабеля, меняющегося от максимального 

82

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

значения у токопроводящей жилы до минимального — 
у экрана, по факту в СПЭ-изоляции имеются локальные 
области с повышенной напряжённостью электрического 
поля, наличие которых влияет на время зарождения и 
скорость развития электрических триингов (ЭТ).

На рис.1 приведён эскиз конструкции 

КСПЭ с зародившимся с полупрово-
дящего покрытия ЭТ. При воздействии 
на КСПЭ импульсных перенапряжений с 
крутыми фронтами на кончике зародив-
шегося в СПЭ-изоляции ЭТ возникает 
напряжённость электрического поля (Ет), 
в десятки раз превышающая среднюю 
напряжённость поля в изоляции (Еср). 
При резком вводе энергии W = jEt в 
твёрдый диэлектрик в области острия ЭТ 
происходит деструкция (растрескивание) 
на микроуровне СПЭ и, как следствие, 
образование воздушного микровклю-
чения с повышенной напряжённостью 
ЭП. Далее в этом воздушном микро-
включении за счёт частичных разрядов 
образуется науглероженный проводящий 
канал, который приводит к частичному 
шунтированию главной изоляции и к даль-
нейшему прорастанию ЭТ. Таким обра-
зом, воздействие ВЧ-перенапряжений 
способствует ускоренному развитию ЭТ в 
СПЭ-изоляцию, снижению электрической 
прочности и срока службы КСПЭ. 

Яркая иллюстрация механизма разви-

тия ЭТ, обусловленных, например, оста-
точными механическими напряжениями 
в процессе изготовления КСПЭ (обуслав-
ливающими локально неравномерное 
распределение напряжённости электри-
ческого поля), приведена на рис. 2, из 
которого видно, что траектория форми-
рования канала разряда из-за неодно-
родности надмолекулярной структуры 
СПЭ формируется на границе раздела 
областей с различной диэлектрической 
проницаемостью, т.е. по пути максималь-
ной напряжённости ЭП (исследования 
д.т.н. Лебедева С.М., к.т.н. Гефле О.С., 
лаборатория «Полимер», НИИ высоких 
напряжений ТПУ).

Наряду с вышеотмеченным обратим 

внимание ещё на два момента. Во-первых, 
наличие в твёрдой СПЭ-изоляции ЭТ 
делают КСПЭ «чувствительными» к 
ВЧ-перенапряжениям в отличие от КБПИ 
с «мягким» диэлектриком. Во-вторых, за 
счёт самозалечивания бумажной пропи-
танной изоляции её электрический пробой 
не всегда сопровождается созданием 

Рис. 1. Анализ влияния ВЧ-перенапряжений 

на деградацию разрушения СПЭ-изоляции 

в локальной области

Рис. 2. Влияние остаточных механических 

напряжений на процесс зарождения и развития 

разрушений в поликарбонате в сильном 

электрическом поле (микрофотография дендрита в 

полистироле в поляризованном свете)

83

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

аварийного события. Практи-
ка показала, что до 70% одно-
фазных замыканий на землю 
(ОЗЗ) самоликвидируются. 
На рис. 3 в качестве примера 
приведены зарегистрирован-
ные осциллограммы перехода 
однофазного дугового замы-
кания (ОДЗ) в нормальный 
режим эксплуатации кабель-
ной сети через 5 секунд после 
возникновения ОЗЗ. В случае 
применения в кабельных сетях 
КСПЭ при электрическом 
пробое СПЭ-изоляция не 
восстанавливается, т.е. всегда 
будем иметь 100% аварийных 
событий. Поэтому очень важно 
не допускать воздействия 
ВЧ-перенапряжений на КСПЭ, 
которые приводят к ускорен-
ной деградации изоляционной 
системы кабеля (снижению его 
электрической прочности). 

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ 

ГОРОДСКАЯ КАБЕЛЬНАЯ 

СЕТЬ

В качестве примера на рис. 4 

приведён участок принци-
пиальной схемы городской 
распределительной кабельной 
сети (РКС), построенной по 
принципу встречной двухлуче-
вой [7]. Для таких схем харак-
терной особенностью является большая протя-
жённость сети, а также то, что коммутируемый 
кабельный фидер имеет значительные длины 
(в сотни метров) и к секциям шин подключено 
много кабельных линий, т.е. ёмкость сети по 
отношению к размыкаемым контактам ВВ имеет 
большее значение и, как следствие, меньшую 
частоту СПВН. Вместе с тем на практике встре-
чаются случаи, когда в РКС имеются участки, 
на которых может происходить коммутация 
ВВ кабельного присоединения относительно 
небольших длин. Такие схемы могут иметь 
место, например, в следующих неординарных 
случаях эксплуатации РКС: вводы от силовых 
трансформаторов; подключение ТСН; выходы с 
ПС (ЦП) для ограничения доступа собственников 

КЛ на ПС; выходы с ПС (ЦП) на ВЛ; магистраль-
ные кабели ПС-РП; коммутация ненагруженного 
ТСН 10/0,4 (мощностью 250 кВА); ввод обору-
дования после монтажа (РП и КЛ находятся на 
холостом ходу); связь РП с ТП (двухтрансфор-
маторной ПС мощностью 630—5200 кВА, длина 
КСПЭ 200—800 м). 

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

На основе разработанной математической 

модели (достоверность которой была подтверж-
дена экспериментальными исследованиями) были 
проведены численные исследования по возможно-
сти возникновения ВЧ-перенапряжений в кабель-
ной сети при отключении кабельных присоедине-
ний различной длины и варьировании СВЭП ВВ. 

Рис. 3. Переход ОДЗ (а) в нормальный режим эксплуатации сети 

(б) через 5 секунд после возникновения ОЗЗ 

а)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Напряж

ение, кВ

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

Время, с

б)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Напряж

ение, кВ

10

8
6
4
2
0

-2
-4
-6
-8

-10

Время, с

84

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

На рис. 5 и 6 приведены резуль-
таты численных расчётов, из 
которых видно, что в зависи-
мости от длины отключаемого 
кабельного присоединения и 
СВЭП вакуумного выключа-
теля условия возникновения 
ВЧ-перенапряжений различны. 

Таким образом, если при 

реконструкции или создании 
новой кабельной сети выбрать 
адаптированные к этой сети 
ВВ, обладающие определён-
ными значениями СВЭП, то 
можно исключить воздействие 
на КЭСП ВЧ-перенапряжений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЭП 

ВВ РАЗЛИЧНЫХ 

ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

Для определения факти-

ческой СВЭП ВВ различных 

Рис. 4. Принципиальная схема построения кабельной сети 10 кВ 

Рис. 5. Компьютерные осциллограммы напряжения на 

контактах ВВ (а, в) и в конце КСПЭ (б, г) при СВЭП ВВ 60 кВ/мс и 

варьировании длины кабельного присоединения

а) 

l

к

 = 100 м

б) 

l

к

 = 100 м

в) 

l

к

 = 500 м

г) 

l

к

 = 500 м

Рис. 6. Компьютерные 

осциллограммы напряжения 

на контактах ВВ (а) и в конце 

КСПЭ (б) при 

СВЭП ВВ 40 кВ/мс 

а)  

l

к

 = 500 м

б)  

l

к

 = 500 м

85

2–4 июня 2014 г., Нижний Новгород

производителей на кафедре ТЭВН 
была создана экспериментальная 
установка (рис. 7), с помощью кото-
рой определялись СВЭП [8].

Для каждой фазы вакуумной 

дугогасительной камеры (ВДК) 
было проведено около 50—
60 отключений, сопровождав-
шихся повторными зажиганиями 
дуги в ВДК, на основе которых 
при статистической обработке 
были определены математиче-
ские ожидания значений СВЭП. 
На рис. 8 приведены результаты 
исследований СВЭП (кВ/мс) ваку-
умных выключателей различных 
фирм-производителей: ЭЛКО 
(3 шт.), Астер-Электро (2 шт.), 
Таврида-Электрик (1 шт.), Simens 
(1 шт.). По этическим соображени-
ям значения СВЭП для ВВ различ-
ных производителей обезличены. 
Из приведённых данных видно 
существенное различие СВЭП ВВ 
различных фирм. Таким образом, 
если правильно подобрать ВВ 
(с необходимыми значениями 
СВЭП), то можно исключить иници-
ирование ВЧ-перенапряжений и, 
как следствие, избавить КСПЭ 
от воздействия высокочастотных 
перенапряжений.

ВЫВОДЫ

1. С точки зрения обеспечения 

надёжной эксплуатации изоляции 
высоковольтного электрооборудо-
вания (высоковольтных электро-
двигателей, трансформаторов, 
кабелей с изоляцией из сшитого 
полиэтилена) при отключени-
ях ВВ необходимо исключить 
возможность возникновения 
ВЧ-перенапряжений, иницииро-
ванных обратными зажиганиями 
между расходящимися контактами 
ВДК выключателя. 

2. Одним из важных критериев 

выбора ВВ в процессе рекон-
струкции и сооружения новых 
распределительных кабельных 

Рис. 7. Принципиальная схема установки для 

экспериментального определения скорости восстановления 

электрической прочности ВВ

ЗУ — зарядное устройство; ВВ — вспомогательный выключа-
тель; ИВ — испытуемый выключатель; НЭ — накопитель энергии; 
РШ — резистивный шунт; СС — синтетическая схема, представля-
ющая из себя модель отключаемой нагрузки (кабеля и электродви-
гателя); ДН — делитель напряжения; БС — блок синхронизации; 
УУВВ — устройство управления вспомогательным выключателем; 
УУИВ — устройство управления испытуемым выключателем.

Рис. 8. СВЭП ВВ различных производителей

90
80
70
60
50
40
30
20
10

0

1

2

3

4

5

6

7

СВЭП, кВ/мс

А
В
С

сетей следует считать скорость восстановления электрической 
прочности между расходящимися контактами вакуумного 
выключателя. 

3. В зависимости от типа сети (распределительные 

кабельные сети крупных городов; сети питания круп-
ных промышленных предприятий — металлургических, 
шахтных; сети собственных нужд электрических станций) 

86

XX заседание Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

требования по СВЭП определяются проектом 
и могут быть различными в сетях различного 
назначения. 

4. В распределительных городских кабель-

ных сетях, а также кабельных сетях крупных 
промышленных предприятий могут применяться 
ВВ со значениями СВЭП не менее 40—60 кВ/
мс, что обусловлено малой частотой СПВН и, 
как следствие, невозможностью возникновения 
повторных зажиганий в дугогасительной каме-
ре ВВ. 

5. В перечень технических требований 

к параметрам ВВ целесообразно ввести 
дополнительный показатель — СВЭП, что 
позволит проектным организациям выбирать 
ВВ с различными СВЭП, адаптированными к 
конкретной сети. 

6. Точка зрения об отказе от ВВ в пользу 

«реанимации» масляных выключателей или 
преимущественного применения выключателей 
с элегазовой дугогасящей средой в сетях с 
применением КСПЭ не совсем корректна. Ваку-
умные выключатели с различной СВЭП имеют 
«право на жизнь», необходимо лишь правильно 
выбрать нишу их применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лавров Ю.А. Кабели 6—35 кВ с пластмассовой 

изоляцией. Особенности проектирования и 
эксплуатации. Часть I // Новости электротехни-
ки. 2006, № 6(42).

2. Лавров Ю.А. Кабели 6—35 кВ с пластмассовой 

изоляцией. Особенности проектирования и 
эксплуатации/ Часть II // Новости электротех-
ники. 2007, № 1(43)

3. Базавлук А.А., Сарин Л.И., Михайловский Г.Г., 

Наумкин И.Е. Перенапряжения при коммутаци-
ях вакуумных выключателей/ Энергоэсксперт. 
2011. № 2, с. 27—32. 

4. Сарин Л.И., Ширковец А.И., Базавлук А.А., 

Гоголюк В.В. Вакуумные выключатели в 
распределительных сетях. Механические 
характеристики и коммутационные перена-
пряжения. «Принципы построения, развития и 
эксплуатации городских распределительных 

сетей»: Сборник докладов 17-го расширенно-
го заседания Ассоциации электроснабжения 
городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО». — 
СПб., 2010, 96 с.

5. 

Лавров Ю.А. Электромагнитная совмес-
тимость кабелей с изоляцией из сшитого 
полиэтилена и вакуумных выключателей. //
Сборник тезисов. XII Всемирный электро-
технический конгресс (ВЭЛК). Москва. 2011, 
с. 104—105.

6. Лавров Ю.А., Петрова Н.Ф. Некоторые момен-

ты проектирования кабелей с изоляцией из 
сшитого полиэтилена среднего напряжения: 
Сборник докладов V Российской научно-прак-
тической конференции с международным 
участием. Новосибирск. 2012, с. 27—38. 

7. Миловидов С.С., Павликов Д.Е. Выбор рацио-

нальных решений построения схем городских 
кабельных сетей среднего напряжения. — 
Сборник докладов Четвёртой научн.-практ. 
конф. «ЛЭП-2010: проектирование, строи-
тельство, опыт эксплуатации и научно-техни-
ческий прогресс», Новосибирск. 2010 г., 
с. 290—294.

8. Качесов В.Е., Лебедев И.А. Патент на изобре-

тение № 2478216. Устройство для определе-
ния характеристик вакуумных выключателей. 
Зарегистрировано в Государственном реестре 
изобретений РФ 27.03.2013 г.