Технические проблемы при эксплуатации кабелей ВН с изоляцией из сшитого полиэтилена

Page 1
background image

Page 2
background image

«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


Page 3
background image

«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


Page 4
background image

«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


Page 5
background image

«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


Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»