Система выравнивания напряжённости электрического поля в высоковольтных кабелях и кабельной арматуре

120

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

МАТАЛЫГИН А.В.,

главный инженер по высоковольтным проектам TE Connectivity

СИСТЕМА ВЫРАВНИВАНИЯ НАПРЯЖЁННОСТИ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ 
КАБЕЛЯХ И КАБЕЛЬНОЙ АРМАТУРЕ

воздушные ЛЭП;
кабельные линии маслонаполненные;
кабельные линии с изоляцией из сшитого 

полиэтилена (XLPE)

Рис. 1. Эволюция классов напряжения различных ЛЭП

С

овременные высоковольтные кабели и 
кабельная арматура обычно работают на 
сверхпредельных уровнях напряжённости 

электрического поля (НЭП), допустимых для 
изоляционных материалов. Причины для такого 
стресса часто кроются в экономических факто-
рах, а также в последовательном стремлении к 
более компактному высоковольтному оборудо-
ванию. Поэтому для надёжной работы следует 
обязательно оптимизировать НЭП. В данной 
статье объясняются и сравниваются различные 
существующие технологии выравнивания напря-
жённости электрического поля (ВНЭП). Описаны 
их недостатки и преимущества, а также показано 
их поведение в различных рабочих условиях на 
переменном и постоянном токе и под действием 
импульсного напряжения. Показаны различные 
возможности и результаты испытаний систем 
ВНЭП, описаны тенденции их развития и перспек-
тивы будущего применения.

ВВЕДЕНИЕ

В современных кабельных 

сетях из-за роста потребления 
электроэнергии повышаются 
уровни напряжения. Силовые 
кабели и кабельная арматура, 
как элементы систем электро-
снабжения, также подвержены 
этой тенденции (рис. 1).

С самого начала силовой 

кабель был сконструирован со 
встроенным элементом вырав-
нивания поля в виде экрана 
из металлических лент или 

полупроводящих слоев. Кабельная арматура 
состоит из многих компонентов, но основным 
элементом является система ВНЭП, ограничива-
ющая напряжённость электрического поля ниже 
предела, при котором изоляционный материал 
способен проработать свыше 40 лет.

СИСТЕМЫ ВНЭП

Для того чтобы установить кабельную арма-

туру, необходимо удалить полупроводящий 
экранный слой кабеля. Поэтому на поверхности 
изоляции получается линия среза экрана, кото-
рая приводит к искривлению электрического 
поля (рис. 2). В результате высокий уровень 
НЭП приводит к перенапряжению изоляцион-
ного материала. Именно эта область должна 
быть защищена системой ВНЭП. За последние 
100 лет были разработаны различные методы 
ВНЭП.

121

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

Система геометрического ВНЭП

уменьшает 

НЭП посредством изменения формы экранного 
электрода. По определению эквипотенциаль-
ные линии поля огибают или повторяют форму 
электрода. Дополнительный электрод наклады-
вается на срез экрана кабеля. Так как электрод 
находится в прямом контакте с экраном кабеля, 
то он, следовательно, имеет потенциал экрана. 
Ёмкость между двумя электродами (жила—
экран) приводит к перераспределению линий 
поля и таким образом снижает НЭП.

Существуют два основных вида профилей 

геометрического ВНЭП: профиль «Rogowski» и 
профиль «Borda». При разработке систем ВНЭП 
создание всё более компактной арматуры явля-
ется современной тенденцией. Рис. 3 показывает 
разделанный конец кабеля с установленной на 
нём системой геометрического ВНЭП, обычно из 
силиконовой резины или EPR-резины (Ethylene-
Propylene-Rubber).

Система ВНЭП с преломлением. 

В данной 

системе применяются материалы с высокой 
диэлектрической проницаемостью, основанные 
на полимерах — полиэтилен, силикон, EPDM 
(модифицированная этилен-пропилен резина). 
Материал может наноситься несколькими спосо-
бами: подмотка мастичными лентами, установ-
ка термоусаживаемых трубок или натяжных 
корпусов.

Принцип действия данной системы ВНЭП 

заключается в разных значениях диэлектриче-
ской проницаемости изоляции кабеля и окружаю-
щих её материалов (



r2

>



r1

>



r3

). Как показано на 

рис. 4, комбинация материалов меняет градиент 
электрического поля на поверхностях перехода 
через преломляющий слой. Такое преломление 
поля позволяет сместить линии и таким образом 
снизить уровень НЭП в районе среза экрана 
кабеля.

Ёмкостно-резистивная, или импедансная, 

система ВНЭП 

основана на материалах с опре-

делённой диэлектрической проницаемостью. 
Материал в виде термоусаживаемой трубки 
или мастичных лент устанавливается на срезе 
экрана кабеля. Кабель представляет из себя 
цилиндрический конденсатор. Импеданс (Z) слоя 
материала ВНЭП отличается от проводящего 
экранного слоя кабеля. Рис. 5 показывает объём-
ную схему замещения в виде последовательно-
параллельной RC-цепочки. Напряжение пере-
распределяется по длине слоя ВНЭП, и таким 

Рис. 2. Распределение эквипотенциальных 

линий поля на конце экрана кабеля без 

системы ВНЭП

Рис. 3. Система геометрического ВНЭП

Рис. 4. Система ВНЭП с преломлением

122

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

образом снижается уровень НЭП в районе среза 
экрана кабеля.

Формула (1) описывает модель поля:

U(x) = U

l

cosh

(



 (

l-x

)) — 

Z

w

I

l

sinh

(



 (

l-x

))  (1)

где:

U

l

 — напряжение на конце материала ВНЭП;



— постоянная распространения;

l

 — длина нанесения материала ВНЭП;

x

— длина от среза экрана;

Z

w

 — полное сопротивление полупроводящего 

слоя;

I

l

 — ток на конце материала ВНЭП.

Напряжение перераспределяется по длине 

нанесения материала ВНЭП и снижает уровень 
НЭП, при котором изоляционный материал не 
пробивается.

Нелинейная система ВНЭП — 

последняя 

разработка в области систем ВНЭП. Базовый 
материал смешивается с добавками, которые 
придают ему свойства нелинейного диэлектрика, 
аналогично оксиду цинка (ZnO). До определён-
ного уровня напряжения материал работает как 
изолятор. При превышении порога он становится 
проводящим. Проводимость определяется элек-
трическим полем. Посредством прокаливания 
функциональное вещество (ZnO) создаёт полу-
проводящую плёнку вокруг частиц основного 
материала (например, непроводящую матричную 
структуру полимера). Нелинейные характеристи-
ки обеспечиваются размером частиц (добавок), 
их распределением внутри полимерной матрицы 
и плотностью заполнения.

СИСТЕМЫ ВНЭП В РАЗЛИЧНЫХ РАБОЧИХ 

УСЛОВИЯХ

Работа на переменном токе

Системы ВНЭП в основном работают на 

частоте переменного тока 50 или 60 Гц и 

разработаны соответственно под работу на этих 
частотах (за исключением ЛЭП постоянного 
тока). Изоляционные материалы делятся на 
3 класса: газообразные, жидкие или твёрдые. 
В прошлом высоковольтные кабели имели 
бумажно-масляную изоляцию, а в настоящее 
время стандартной изоляцией стал сшитый поли-
этилен (XLPE). Изоляционные материалы для 
кабельной арматуры также развивались в этом 
направлении. Вначале для муфт применялись 
конструкции из бумажно-масляной изоляции. 
В настоящее время муфты выполняются из поли-
олефина, силикона и этилен-пропилен резины 
(EPR). Эти материалы определяют максималь-
ное значение НЭП и после этого определяется 
конкретная система ВНЭП. Этот важный пара-
метр системы ВНЭП непостоянен, например, в 
высоковольтных кабелях, и кабельная арматура 
также подвержена воздействию как внешних, так 
и внутренних факторов: старение, воздействие 
окружающей среды, электрические потери, 
температура окружающей среды, механические 
нагрузки, примеси и неоднородность.

Все эти факторы и результаты их воздействия 

на систему ВНЭП должны рассматриваться по 
отдельности и в целом снижают максимальное 
значение НЭП. Например, для бумажно-мас-
ляного диэлектрика уровень электрической проч-
ности (так называемый «внутренний» уровень 
пробоя) равен примерно 300—400 кВ/мм, 
тогда как практически он равен примерно 
20 кВ/мм. Важно отметить, что последний уровень 
не представляет проектный уровень кабельной 
арматуры или силового кабеля. Таблица показы-
вает уровни электрической прочности различных 
материалов на переменном токе 50 Гц.

Табл. Внутренний и реальный пределы 

прочности, а также диэлектрическая 

проницаемость различных изоляционных 

материалов

Изоляция

Бумажно-

масляная

XLPE

EPR Силикон

Е

внутр.

 , 

кВ/мм

300

200

300

300

Е

предельн.

 , 

кВ/мм

20

15

8

10

Диэлектри-

ческая прони-

цаемость

3,8

2,3

2,9

2,6

Рис. 5. Ёмкостно-резистивная система ВНЭП

123

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

На рис. 6 показана типовая конструкция высо-

ковольтной концевой муфты, которая включает 
в себя геометрическую систему ВНЭП и четыре 
основных изоляционных материала (XLPE, сили-
кон, силиконовое масло, воздух). Более того, 
важно, чтобы система ВНЭП и окружающие её 
материалы не реагировали друг с другом нега-
тивно (например, не растворялись, сопрягались 
по поверхности, имели соответствие объёмных 
коэффициентов расширения и т.д.).

Работа на постоянном токе

Система ВНЭП для переменного тока должна 

также кратковременно выдерживать и постоян-
ный ток. Работа на постоянном токе, например, 
необходима для кратковременных испытаний 
на рабочей площадке, когда нужно исключить 

реактивную составляющую. Для разработки 
системы ВНЭП и соответствующих изоляцион-
ных материалов на постоянном токе должны 
быть приняты во внимание другие физические 
воздействия. Основными факторами здесь явля-
ются температурная зависимость, искажение 
поля проводящими элементами, проводимость 
материалов и время.

Объёмные заряды ограничены в своём 

действии на частоте 50/60 Гц. В поле перемен-
ного тока постоянная составляющая присутству-
ет, но она не создаёт локальную аккумуляцию 
объёмных зарядов. На постоянном токе носите-
ли зарядов могут стать доминирующими в тех 
областях, где сила электрического поля выше 
по сравнению с фоновым уровнем. Особенно 
в комбинации системы ВНЭП материалов с 
очень большой проводимостью и изоляционных 
материалов с очень высоким сопротивлением. 
Типичный пример — силовой кабель и система 
ВНЭП, основанная на встроенных в изоляцион-
ный материал слоях с проводимостью. Аккумуля-
ция носителей зарядов искажает оригинальное 
электрическое поле и в результате в локальных 
местах поле усиливается, что может привести к 
частичным разрядам или перегреву из-за заряд-
ных токов.

Влияние этих параметров на электрическое 

поле показано в формуле (2):



 = 



0

exp

(



T

)

exp

(



E

)  

(2)

Параметр 



 является проводимостью, где 



0

— проводимость при 0 кВ/мм и температуре 

0°С. Коэффициент температурной зависимости 
представлен 



, а 



 является коэффициентом 

зависимости электрического поля. В общем 
случае проводимость увеличивается при увели-
чении температуры. В то же время ёмкость оста-
ётся примерно постоянной, как параметр, неза-
висимый от температуры. Для силовых кабелей 
это приводит к изменению распределения НЭП, 
т.к. высокая температура — на проводнике, а не 
на полупроводящем слое кабеля. Тот же самый 
эффект действует и в отношении диэлектриче-
ской проницаемости:



 = 





 (1+ 





(

T — T

1

)) (3)

Аналогом для вышеуказанного параметра 



Т

 является коэффициент температурной 

Рис. 6. Высоковольтная концевая муфта с 

геомерической системой ВНЭП

124

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

зависимости для диэлектрической проницаемо-
сти. Равенство (3) показывает, что с изменением 
температуры отражающий эффект и, соответ-
ственно, отражение, которое определяет НЭП, 
будут меняться.

Импульсное воздействие

Следующий вид электрического воздействия 

в силовых кабельных линиях — это воздействие 
импульсного напряжения, которое в общем 
случае имеет большую амплитуду за очень 
короткий промежуток времени. В соответствии 
с МЭК-60060 и МЭК 60230 импульсное напря-
жение, которое используется для испытаний 
кабельных линий, определяется формой волны 
со временем нарастания 1,2 мкс и временем 
снижения 50 мкс. Импульсные испытания 
моделируют воздействие на кабельную линию 
грозовых перенапряжений, коммутационных 
перенапряжений и т.д. Для силовых кабелей и 
их геометрических систем ВНЭП это кратковре-
менное воздействие может быть рассчитано по 
хорошо известной формуле (4):

E 

= 1/[

r

ln

(

r

o

/r

i

)] (4)

Рис. 7 показывает НЭП внутри кабеля на 

различных уровнях напряжения. Синие точки 
показывают НЭП на внутренней и внешней 

поверхности полупроводящего экрана во 
время импульсных испытаний в соответствии 
с HD-628.1, МЭК-60840 и МЭК-62067. Точки 
красные и зелёные показывают НЭП при испы-
таниях на переменном и постоянном токах 
соответственно. Для постоянного тока даны 
величины только до напряжения 42 кВ, т.к. на 
более высоких напряжениях это испытание не 
требуется.

Для кабельной арматуры вышеуказанная 

формулировка не может быть применена, т.к. 
большинство систем ВНЭП по продольной 
оси меняются в поведении или по форме, 
и, как результат, эта формула непримени-
ма. Нет лёгкого аналитического подхода по 
расчёту электрического поля, и оно должно 
быть построено по точкам. Особым случа-
ем является импедансная система ВНЭП, 
которая может быть рассчитана аналити-
чески.

Другим эффектом, который встречается при 

импульсных воздействиях, является измене-
ние свойств материала, например такого, как 
проводимость. Импульсное напряжение воздей-
ствует не только на непроводящие материалы, 
но также и на проводящие и полупроводящие. 
Свойства этих материалов зависят от частоты, 
и они ведут себя по-другому на нестандартных 
частотах.

Дополнительным важным 

аспектом для импульсных 
воздействий и, соответ-
ственно, для систем ВНЭП 
являются контактные пере-
ходные поверхности, кото-
рые присутствуют в каждой 
высоковольтной кабельной 
арматуре. Здесь система 
ВНЭП должна ограничить 
продольную и поперечную 
НЭП (которые различны) 
так, чтобы проектный 
максимум НЭП не был 
превышен. Для контактных 
переходных поверхностей 
этот фактор определяется 
не только материалом, но 
также и такими параме-
трами, как поверхностная 
шероховатость, силы обжа-
тия, смазка, и т.д.

Рис. 7. Уровни НЭП на внутренней и внешней поверхностях 

полупроводящего слоя в силовом кабеле при импульсных 

испытаниях, испытаниях на переменном и постоянном токах

125

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ВНЭП

Существуют два вида испытаний систем ВНЭП. 

Первый — испытания на заводе-изготовителе 
или в высоковольтной лаборатории перед монта-
жом. Этими испытаниями могут быть приёмоч-
ные испытания изделия с целью проверки отсут-
ствия дефектов перед его отгрузкой. Второй 
вид испытаний систем ВНЭП проводится после 
монтажа или во время эксплуатации. Типичный 
пример — полевые испытания кабельных линий. 
Для обоих видов испытаний существуют различ-
ные методы — испытания на переменном токе 
(50/60 Гц), на постоянном токе, низкочастотные 
испытания и осцилляция напряжения.

Испытания на переменном токе наиболее 

распространены и применяются везде, где это 
возможно. Ограничения обычно основаны не на 
технических причинах, а на наличии мощности 
для испытаний длинных кабельных линий, вклю-
чая кабельную арматуру. Поэтому этот метод 
распространён в испытательных лабораториях. 
Для полевых испытаний он применяется редко 
из-за ограничений по размерам автотранспорта, 
который перевозит испытательное оборудова-
ние. Существует не единственный тип испы-
таний (переменным током). Возможны также 
другие комбинации испытаний. Испытания могут 
продолжаться от 60 минут до 24 часов, и также 
прикладываются различные уровни напряжения 
вплоть до 2,5 U

0

.

В настоящее время испытания на постоянном 

токе не рекомендуются для кабелей с изоляцией 
из сшитого полиэтилена. Главная причина в том, 
что во время испытаний постоянное напряжение 
не может выявить все дефекты. Испытания на 
постоянном токе проводятся дольше по сравне-
нию с испытаниями на переменном, и это может 
привести к образованию объёмных зарядов. 
Кроме того, система ВНЭП может хорошо рабо-
тать на частоте 50/60 Гц и не работать полностью 
на постоянном токе. Следовательно, испытания 
на постоянном токе могут окончиться выходом 
из строя или показать ЧР, которые не относятся 
к данной системе ВНЭП.

Аналогичный случай может возникнуть при 

испытаниях на низких частотах (например, 
0,1 Гц) или очень высоких частотах. Систе-
мы ВНЭП, которые основаны на материалах 
с частотно-зависимыми характеристиками, 
действуют по-разному на напряжениях со стан-
дартной частотой:

tan



 = 1/[



D







0

] (5)

В этом случае системы ВНЭП могут менять 

свои электрические свойства и показывать 
различное поведение. Как следствие, измерения 
на частотах, которые отличаются от стандартной, 
требуют сопоставления электрических харак-
теристик и полученных в результате измерений 
величин (например, уровень ЧР).

ВЫВОДЫ

Существующие кабельные линии, находящие-

ся в эксплуатации, имеют такую же геометри-
ческую систему ВНЭП, как и много лет назад, 
только толщины изоляции значительно умень-
шены. Это требует лучшей работы современных 
материалов, применяемых в системах ВНЭП 
и для изоляции. Что касается высоковольтной 
кабельной арматуры, то могут быть отмечены 
две тенденции. С одной стороны, существуют 
стандартные системы ВНЭП, геометрически 
оптмизированные под нормальные условия, с 
другой — развиваются системы ВНЭП, разрабо-
танные в соответствии с новыми дополнительны-
ми требованиями.

В докладе были использованы материалы из 

публикаций, докладов и выступлений различных 
авторов (на темы: кабели и кабельные системы 
с полимерной изоляцией, эластомерные изоля-
ционные материалы, системы выравнивания 
напряжённости электрического поля и т.д.), а 
также отчёты на международных конференциях 
(например, таких как CIGRE), отчёты испытаний 
кабелей и кабельной арматуры, методики испы-
таний кабельных систем, а также были сделаны 
ссылки на стандарты HD 629.1 S2, CENELEC 
60840 (< 150 кВ), 62067 (> 150 кВ). Полный пере-
чень использованной литературы разместить в 
данной работе не представляется возможным. 
За перечнем литературы обращайтесь в москов-
ский офис «Тайко Электроникс Рус» в Москве 
(тел. +7 (495) 790-79-02).