«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010
56
Актуально
Технические проблемы
при эксплуатации кабелей ВН
с изоляцией из сшитого
полиэтилена
Ф.Х. Халилов,
д.т.н.,профессор;
Д.В. Кузнецов,
к.т.н. (СПбГПУ — НТЦ
«Севзапэлектропроект», Санкт-Петербург)
Кабели высокого и сверхвысоко-
го напряжения с изоляцией из сши-
того полиэтилена, представляющие
собой трехфазную систему из ка-
белей с изоляцией из сшитого по-
лиэтилена однофазного исполне-
ния, эксплуатируются, как правило,
при заземлении экранов по концам
строительных длин. Такая кабель-
ная линия является системой из
трех практически независимых ка-
налов передачи электроэнергии.
При сверхпроводящей «оболоч-
ке» в системе из трех однофазных
кабелей вся энергия передается по
каналу «жила-экран», а в экранах
кабелей при этом текут определен-
ные токи, максимально приближа-
ющиеся к рабочим токам. Здесь не-
лишне отметить, что до настояще-
го времени работники эксплуатиру-
ющих и строительных организаций,
а зачастую и проектирующих, не
представляют опасности неверно-
го заземления экрана силовых ка-
белей с изоляцией из СПЭ. Как по-
казано в [1], в одной из энергоси-
стем центра при проведении непо-
средственных измерений токов че-
рез жилу (
I
ж
) и через экран (
I
эк
) ре-
ального кабеля длиной 2,5 км при
сечении жилы 500 мм
2
и экрана 95
мм
2
получены следующие результа-
ты: при
I
ж
=186 А –
I
эк
=115 А, а при
токе нагрузки
I
ж
=500 А –
I
эк
=310 А.
То есть ток через экран составляет
62% от тока в жиле, что недопусти-
мо для экрана, сечение которого по
различным причинам обычно мень-
ше сечения жилы.
Очевидно, что рассмотренный и
другие аналогичные кабели с изо-
ляцией из СПЭ от тепловых повреж-
дений спасает сравнительно малая
нагрузка, которая значительно ниже
расчетной. Активное сопротивление
«оболочки», имеющее конечную ве-
личину, вытесняет часть энергии в
пространство наружу экрана. Эта
часть энергии при этом рассеива-
ется в виде активных потерь в тол-
ще экрана, вызывая ее нагревание.
Отмеченное существенно ухудша-
ет тепловой режим работы кабелей,
а, следовательно, несколько умень-
шает допустимый рабочий ток. Так,
устранение потерь энергии в экра-
не ряда кабелей высокого напря-
жения могло бы привести к увели-
чению пропускной способности ка-
бельных линий на 35–40%.
Устранение продольных токов, в
том числе токов замыкания на зем-
лю в сетях ВН и СВН, по экрану ка-
белей из сшитого полиэтилена мо-
жет быть осуществлено различны-
ми путями.
Наиболее простым путем в этом
направлении является способ од-
В последние годы в промышленности, электротранспорте, коммунальном
хозяйстве крупных городов и др. широкое применение находят кабели высоко-
го напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. При эксплуатации таких
кабелей из-за отсутствия соответствующей информации эксплуатационного
персонала или отсутствия соответствующей инструкции заводов-изготовителей
в ряде случаев происходит повреждение изоляции экрана или жилы. В принци-
пе эти проблемы могут быть сведены к следующему.
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÊÀÁÅËÅÉ ÂÍ
«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010
57
Актуально
ностороннего заземления экра-
нов в конце каждой строительной
длины кабеля путем применения
специальных изолирующих муфт
(рис. 1
а
).
Неплохие результаты дает элек-
тромагнитная компенсация с при-
менением транспозиции экранов
(рис. 1
б
), где сумма э.д.с., наводи-
мых в экранах трех секций транс-
позиции, равна нулю вследствие
сдвига э.дс. на 120°. В итоге про-
дольные токи в экране в нормаль-
ном режиме не протекают. Разуме-
ется, при транспозиции сумма э.д.с
будет равна нулю в том случае, если
фазы расположены симметрично. В
противном случае несимметрия вы-
зовет ток через экраны кабелей, вы-
зывая дополнительный нагрев изо-
ляции.
Однако оба способа наруше-
ния целостности электромагнитно-
го экрана кабелей, приведенные
выше, будут вызывать вытеснение
поля в пространство наружу экра-
нов, а, следовательно, ряд нежела-
тельных явлений, которые будут за-
труднять эксплуатацию кабелей. К
этим нежелательным явлениям от-
носятся:
а) наведенные потенциалы ча-
стоты 50 Гц на экранах кабелей,
возникающие как в рабочих режи-
мах, так и при аварийных (возникно-
вениях коротких замыканий);
б) дополнительные потери в под-
земных и надземных металлических
коммуникациях, находящихся вбли-
зи кабельной линии, от вихревых то-
ков и подсушкой почвы этими тока-
ми;
в) импульсные воздействия на
изоляцию экранов кабелей при па-
дении грозовых импульсов и крутых
импульсов коммутационных перена-
пряжений.
При прерывании тока путем раз-
земления экрана на одном из кон-
цов кабеля будут иметь место пере-
напряжения на экране, опасные для
изоляции между экраном и землей.
Защита этой изоляции может быть
осуществлена с помощью нелиней-
ных ограничителей. Выбор ОПН для
этой цели тоже связан с рядом про-
блем.
Следует выполнить работы, на-
правленные на преодоление пере-
численных выше проблем, и обе-
спечить надежную эксплуатацию ка-
белей ВН и СВН.
Напряжения на оболочке могут
приобрести значительные величи-
ны и представлять опасность для
обслуживающего персонала. Не-
обходимо предусмотреть меры за-
щиты экрана от перенапряжений
с частотой 50 Гц и близких к ней
частот.
Напряжения нулевой последо-
вательности на экране рассмотрен-
ных кабелей могут быть уменьшены
двумя путями.
Создание дополнительного пути
для протекания обратного тока ну-
левой последовательности будет
уменьшать собственную индуктив-
ность контура «экран-земля» (
М
) и
коэффициент взаимной индукции
между аналогичными петлями токов
соседних фаз
М
ав
,
М
ас
,
М
вс
(
М
ik
). Для
этого можно рекомендовать про-
кладку дополнительного заземлен-
ного провода (троса) по трассе за-
щищаемой кабельной линии.
Вторым путем ограничения на-
пряжения нулевой последователь-
ности на оболочке кабеля являет-
ся применение специальных транс-
форматоров, обладающих большим
сопротивлением прямой последова-
тельности
Х
1
и малым сопротивле-
нием нулевой последовательности
Х
0
. Такое соотношение сопротивле-
ний достигается с помощью транс-
форматора, подключаемого к фа-
зам кабеля согласно рис. 2.
Аварийные токи нулевой после-
довательности замыкаются через
обмотки
I
трансформатора
Т
и экра-
ны кабелей фаз
А
,
В
и
С
. При этом
рабочие токи прямой последова-
тельности, протекающие по экра-
нам, малы. Основную помощь в от-
воде токов нулевой последователь-
ности у этого трансформатора ока-
зывает обмотка
II
, соединенная в
треугольник.
a)
a
a
вс
с
в
de
d
e
x
f
f
б)
U
об
l
c
l
c
l
c
U
об
в)
г)
Рис. 1. Схемы разземления экранов кабелей в одностороннем режиме (а),
транспозиции (в) и соответствующие распределения потенциалов (б и г).
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÊÀÁÅËÅÉ ÂÍ
«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010
58
Актуально
Что же касается схемы с транс-
позицией оболочек, то здесь токи
нулевой последовательности про-
текают по оболочкам, и поэтому она
является практически самозащи-
щенной от наведенных потенциалов
частоты 50 Гц нулевой последова-
тельности.
Еще одной проблемой является
проблема испытания кабелей с изо-
ляцией из СПЭ. Их испытание по-
стоянным напряжением может при-
вести к изменению структуры СПЭ
и выходу из строя кабелей под ра-
бочим напряжением. Рассмотрим
этот вопрос на примере кабелей
10 кВ.
Обычно при реализации кабе-
лей производителем Заказчику пе-
редается «Инструкция по эксплуа-
тации кабелей с изоляцией из СПЭ,
например, на напряжение 10 кВ ИЭ-
1-К10», в которой в разделе «3. Ис-
пытание кабельных линий...» пред-
писываются объемы и нормы испы-
таний кабельных линий (КЛ). В раз-
деле 3.1. «Испытание КЛ» в пункте
3.1.1 говорится о том, что КЛ после
прокладки и монтажа должны быть
испытаны постоянным напряжени-
ем 60 кВ в течение 10 мин. Оболоч-
ка кабеля после прокладки долж-
на быть испытана постоянным на-
пряжением 10 кВ в течение 10 мин.
Там же отмечается, что по согласо-
ванию с изготовителем кабеля допу-
скается проведение испытаний КЛ
напряжением низкой частоты.
Далее в статье высказываем
нашу точку зрения по вопросу испы-
тания кабелей с изоляцией из СПЭ.
Документ «Объемы и нормы ис-
пытаний электрооборудования» со-
ставлен АО «Фирма ОРГРЭС» и
утвержден РАО «ЕЭС России». Для
силовых кабелей и КЛ с бумажно-
пропитанной изоляцией установле-
ны нормы испытаний постоянным
напряжением до 10 кВ включитель-
но 6
U
ном
. Для кабелей с пластмас-
совой изоляцией такие же нормы,
как и для кабелей с бумажной изо-
ляцией; то есть для кабелей с рабо-
чим напряжением10 кВ — 6
U
ном
или
60 кВ.
В отечественных энергосистемах
кабельные сети состоят на 95–99%
из кабелей с бумажно-пропитанной
изоляцией с вязкой пропиткой на
средние напряжения до 35 кВ вклю-
чительно, а кабели напряжением
110-500 кВ — маслонаполненные
кабели с бумажно-масляной изоля-
цией. Все неприятности заключают-
ся в том, что кабельные линии суще-
ственно состарились, в большин-
стве случаев они отработали свой
срок службы и продолжают еще ра-
ботать.
Профилактические испытания
по этим нормам в эксплуатации при-
водят к тому, что кабели пробивают-
ся в момент проведения испытаний,
а если их не проводить, то кабель-
ные линии продолжают работать.
Реагируя на сплошные потоки жа-
лоб, просьб и предложений от ра-
ботников энергосистем и электри-
ческих сетей промышленных пред-
приятий изменить жесткие требова-
ния при проведении профилактиче-
ских испытаний, РАО «ЕЭС России»
ослабило жесткие требования. Так,
при испытании кабельных линий,
которые проработали 15 лет и бо-
лее, испытательное напряжение из-
менялось для кабелей напряжени-
ем 10 кВ с 6
U
ном
до 4
U
ном
. Время ис-
пытаний кабелей также изменялось
с 10 мин. до 5 мин. Все отмечен-
ное должно быть оформлено доку-
ментально распоряжением главно-
го инженера энергосети для каж-
дой КЛ.
Несмотря на некоторые фор-
мальности, изменения несколько
облегчили положение кабельщиков,
однако принципиально не измени-
ли ситуацию. Дело в том, что когда
устанавливали объемы и нормы ис-
пытаний КЛ, тогда состаренные КЛ
своевременно меняли и они не до-
ходили до такого состояния, кото-
рое наблюдается сейчас (часто ко-
личество муфт на распределитель-
ных КЛ доходит до 15 и более на 1
км длины).
Для обоснования отказа от ис-
пытания КЛ постоянным напряже-
нием необходимо было исследовать
физические процессы в электриче-
ской изоляции кабелей при испыта-
нии их постоянным напряжением. В
кабельной бумажной или пластмас-
совой изоляции имеется большое
количество технологических дефек-
тов (раньше их называли дефекта-
ми, потом называли дислокациями,
а в настоящее время — ловушками),
различных по размеру и по глуби-
не залегания. Их называют глубоки-
ми (крутыми), средними и мелкими
ловушками. В электрическом поле
они захватывают носители зарядов
(электроны, ионы) и заряжаются,
A
В
C
Т
∆
I
II
Рис. 2. Схема специального
трансформатора для ограничения по-
тенциала нулевой последовательно-
сти, наведенного на односторонне за-
земленном экране кабельной линии
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÊÀÁÅËÅÉ ÂÍ
«КАБЕЛЬ-news», апрель 2010
59
Актуально
образуя объемные заряды. Величи-
ну зарядов, глубину залегания и их
количество определить невозмож-
но. Объемные заряды в ловушках
образуются только при постоянном
напряжении. Они резко искажают
электрическое поле по сравнению
с тем, что мы можем рассчитать при
поверочном расчете между жилой и
экраном (оболочкой). Это резко ис-
каженное электрическое поле при
повышенном испытательном напря-
жении приводит к пробою изоляции
даже при кратковременном прило-
жении напряжения (5-10 мин.). Это и
является истинной причиной пробоя
состаренных КЛ при профилактиче-
ских испытаниях.
При переменном напряжении
никаких объемных зарядов в изо-
ляции (ловушках) не образуется.
Но переменным напряжением кабе-
ли испытывают только на заводах-
изготовителях, а в полевых услови-
ях КЛ испытать переменным напря-
жением 50 Гц невозможно, т.к. ис-
пытательные трансформаторы до-
статочной мощности (для переза-
рядки КЛ 50 раз в секунду) имеют
массу 20-30 тонн, поэтому испыта-
ния проводят постоянным напряже-
нием, т.к. КЛ при постоянном напря-
жении перезаряжать не нужно (при
этом можно использовать однопо-
лупериодное выпрямление, т.к. КЛ
имеет большую емкость и не нужно
использовать сглаживающих кон-
денсаторов). Испытание КЛ посто-
янным напряжением как отмеча-
лось, приводит к образованию объ-
емных зарядов на ловушках в изо-
ляции, которые резко искажают
электрическое поле в ней и приво-
дят к ее пробою. Если пробой изо-
ляции не произошел, то она под-
вергается существенному электри-
ческому старению в период испыта-
ния, что инициирует пробой в про-
цессе эксплуатации или при следу-
ющем профилактическом испыта-
нии. Это приводит к противоречию
с ГОСТом, в котором в общих фра-
зах говорится о том, что необходи-
мо выбирать такое испытательное
напряжение, которое не приводит к
старению изоляции кабелей во вре-
мя испытаний.
Как отмечалось выше, в инструк-
ции по эксплуатации кабелей с изо-
ляцией из СПЭ на напряжение 10
кВ ИЭ-1-К10 говорится: «По согла-
сованию с изготовителем кабеля
допускается
проведение испыта-
ний КЛ напряжением низкой часто-
ты». У нас
допускается
, а зарубеж-
ные страны только так и проводят
испытания частотой 0,1 или 0,01 Гц.
Эти испытания они называют «неж-
ными», т.к. в момент проведения ис-
пытаний не оказывается существен-
ного воздействия на изоляцию ка-
белей, не возникают объемные за-
ряды в ловушках и, если пробива-
ется изоляция кабелей, то действи-
тельно только ослабленная. Практи-
ка проведения испытаний показала,
что испытания сверхнизкой часто-
той (СНЧ)надежно выявляют места
повреждения изоляции в кабелях и
никаким образом не вызывают но-
вые их повреждения.
Немецкая фирма «Надепик» в
течение нескольких лет применя-
ет установки для испытания КЛ пе-
ременным током частотой 0,1 Гц
(СНЧ). Обсуждение результатов ис-
пытаний кабельных линий потреби-
телями и их анализ дал возможность
научно обосновать этот метод. Она
изготавливает по индивидуальному
заказу установки СНЧ.
Так, например, такая установ-
ка СНЧ частотой 0,1 Гц приобре-
тена для кабельной сети Ленэнер-
го в 2005 году для испытаний КЛ
на 10 кВ; стоимость установки 1,6
млнруб., масса ее примерно 30 кг,
снабжена персональным компью-
тером с программным управлени-
ем. Проведены успешно испытания
более 50 КЛ в Северном районе ка-
бельной сети Ленэнерго.
По поводу испытания КЛ 10 кВ
с изоляцией из СПЭ приведем сле-
дующий показательный пример.
Один из авторов статьи был участ-
ником Всероссийской научно-
технической конференции: «Пути
повышения надежности, экономич-
ности и безопасности энергети-
ческого производства» 6-10 июня
2005 года, состоявшейся в станице
«Дивноморское» Краснодарского
края. На конференции главный ин-
женер ОАО «Кубаньэнерго» доло-
жил о проведении испытаний трех
кабельных линий с изоляцией из
СПЭ напряжением 10 кВ. Подошло
время проведения очередных про-
филактических испытаний этих ли-
ний, и технадзор настоял на прове-
дении этих испытаний. У энергоси-
стемы нет установки СНЧ, поэтому
проводили испытания постоянным
током. Вначале провели испыта-
ния одной КЛ, которое прошло нор-
мально. Потом успешно испытали
еще две кабельные линии. Но все
три новые кабельные линии с изо-
ляцией из СПЭ в течение 6 меся-
цев пробились. Поэтому зарубеж-
ные фирмы-изготовители категори-
чески запрещают проводить испы-
тания кабелей и КЛ постоянным на-
пряжением.
Литература
Дмитриев М.В. Заземление экра-
нов однофазных силовых кабе-
лей 6-500 кВ. Изд. «НИВА», Санкт-
Петербург, 2007.
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÊÀÁÅËÅÉ ÂÍ
Оригинал статьи: Технические проблемы при эксплуатации кабелей ВН с изоляцией из сшитого полиэтилена
В последние годы в промышленности, электротранспорте, коммунальном хозяйстве крупных городов и др. широкое применение находят кабели высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. При эксплуатации таких кабелей из-за отсутствия соответствующей информации эксплуатационного персонала или отсутствия соответствующей инструкции заводов-изготовителей в ряде случаев происходит повреждение изоляции экрана или жилы.