90
к
а
б
е
л
ь
н
ы
е
л
и
н
и
и
кабельные линии
Влияние высших
гармоник напряжения
на концевые
муфты кабелей
распределительной сети
УДК
621.315.2:621.316.1
Обсуждается
влияние
высших
гармоник
напряжения
на
изоля
-
цию
электрооборудования
распределительных
сетей
,
в
част
-
ности
,
на
старение
и
отказы
концевых
муфт
кабельных
линий
средних
классов
напряжения
.
Механизм
воздействия
гармоник
заключается
в
нарушении
распределения
напряженности
элек
-
трического
поля
в
концевой
разделке
при
увеличении
частоты
напряжения
.
Обращено
внимание
и
на
возможные
изменения
диэлектрических
свойств
материалов
,
применяемых
в
кон
-
струкциях
концевых
разделок
.
Установлена
эффективность
двух
дистанционных
способов
оценки
состояния
концевых
кабельных
муфт
—
термографического
и
регистрации
акусти
-
ческих
сигналов
частичных
разрядов
.
Воденников
Д
.
А
.,
генеральный
директор
АО
«
Московская
кабельная
сеть
»
Овсянников
А
.
Г
.,
д
.
т
.
н
.,
профессор
кафедры
«
Техника
и
электрофизика
высоких
напряжений
»
ФГБОУ
ВО
«
Новосибирский
государственный
технический
университет
»
Ключевые
слова
:
гармоники
напряжения
,
старение
изоляции
,
распределительная
сеть
,
силовые
кабели
,
концевые
муфты
,
частичные
разряды
,
акустический
метод
,
термография
В
лияние
гармоник
на
надежность
кабельной
сети
было
замечено
еще
в
1950
году
в
лон
-
донском
метро
—
кабели
с
бумажной
про
-
питанной
изоляцией
(
БПИ
),
подключенные
к
выходному
напряжению
ртутных
(
игнитронных
)
выпрямителей
,
часто
выходили
из
строя
,
и
генери
-
руемые
гармоники
оказались
источником
этих
повто
-
ряющихся
отказов
.
С
тех
пор
,
как
показано
в
ряде
публикаций
,
гармоники
нередко
признавались
ответ
-
ственными
за
износ
и
выход
из
строя
изоляционных
систем
в
трансформаторах
,
конденсаторах
и
под
-
земных
кабелях
,
в
том
числе
с
изоляцией
из
сшитого
полиэтилена
(
СПЭ
).
Проблема
снова
обострилась
с
развитием
«
зе
-
леной
»
энергетики
.
Ветряные
и
солнечные
электро
-
станции
все
чаще
подключаются
к
распределитель
-
ным
сетям
через
инверторные
установки
.
Мощные
преобразователи
частоты
используются
также
в
ка
-
честве
связующего
звена
между
системами
постоян
-
ного
и
переменного
тока
(
возобновляемые
источни
-
ки
энергии
)
или
между
системами
переменного
тока
разной
частоты
(50/60
Гц
).
При
этом
форма
напряже
-
ния
бывает
далека
от
чисто
синусоидальной
—
в
за
-
висимости
от
нагрузки
и
топологии
сети
искажение
основной
гармоники
может
превышать
нормируемые
значения
,
что
не
проходит
бесследно
для
изоляции
силовых
и
измерительных
трансформаторов
,
кон
-
денсаторов
и
кабелей
.
Физически
объяснение
влияния
гармоник
на
пробои
кабельных
муфт
основывается
на
локаль
-
91
ных
усилениях
напряженности
электрического
поля
в
зоне
при
-
нудительного
регулирования
рас
-
пределения
напряжения
,
то
есть
в
зоне
градирования
.
В
кабель
-
ных
муфтах
среднего
напряжения
чаще
используется
резистивный
метод
градирования
,
основанный
на
проводящих
свойствах
мате
-
риала
регулирующего
элемента
.
Прежде
всего
увеличение
часто
-
ты
напряжения
приводит
к
ло
-
кальному
нагреву
не
только
полупроводящего
слоя
,
но
и
изоляции
под
ним
за
счет
усиления
диэлектри
-
ческих
потерь
[1]:
P
д
=
U
2
ф
∙
C
∙
tg
(1)
где
P
д
—
выделяемая
мощность
диэлектрических
потерь
на
единицу
длины
кабеля
,
Вт
/
м
;
U
—
на
-
пряжение
,
В
;
C
—
погонная
фазная
емкость
,
Ф
/
м
;
tg
—
коэффициент
диэлектрических
потерь
при
за
-
данной
частоте
напряжения
и
рабочей
температуре
;
= 2
—
угловая
частота
переменного
напряжения
частоты
, 1/c.
Разделяя
потери
по
составляющим
от
отдельных
гармоник
,
получаем
:
P
д
=
∞
∑
n
2
n
=1
∙
n
1
∙
C
'(
n
1
)
∙
tg
(
n
1
), (2)
где
1
—
угловая
частота
первой
гармоники
напряже
-
ния
сети
;
n
—
номер
гармоники
;
C
'(
n
1
) —
действи
-
тельная
часть
погонной
фазной
емкости
и
тангенса
угла
диэлектрических
потерь
tg
(
n
1
)
на
частоте
n
-
й
гармоники
.
При
использовании
выражения
(2)
нужно
учиты
-
вать
возможные
усиления
напряженности
поля
из
-
за
частотных
зависимостей
эффекта
градирования
данной
конструкции
и
характеристик
материалов
муфты
.
Кроме
того
,
в
ряде
случаев
нагревы
приво
-
дят
к
образованию
или
увеличению
размеров
воз
-
душных
полостей
в
изоляционных
материалах
или
парогазовых
пузырьков
в
заполняющих
изоляцион
-
ных
жидкостях
,
а
значения
напряженности
в
них
пре
-
вышают
порог
возникновения
частичных
разрядов
(
ЧР
).
В
итоге
старение
материалов
ускоряется
поло
-
жительной
обратной
связью
с
ростом
потерь
,
темпе
-
ратурой
и
интенсивностью
ЧР
.
В
данной
статье
рассмотрены
способы
гради
-
рования
напряжения
в
концевых
муфтах
и
влияние
на
их
эффективность
повышенной
частоты
высших
гармоник
напряжения
.
Приведены
примеры
обна
-
ружения
развивающихся
дефектов
концевых
муфт
кабелей
средних
классов
напряжения
в
условиях
эксплуатации
методами
термографии
и
регистрации
частичных
разрядов
.
ВЛИЯНИЕ
ЧАСТОТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
КОНСТРУКЦИИ
И
МАТЕРИАЛОВ
Основные
варианты
регулирования
распределения
электрического
поля
в
концевых
муфтах
кабелей
де
-
тально
рассмотрены
в
[2].
В
резистивном
способе
выравнивание
поля
до
-
стигается
нанесением
проводящих
покрытий
на
изо
-
ляцию
кабеля
в
концевой
разделке
.
В
емкостном
способе
регулирование
поля
в
раз
-
делке
осуществляется
проводящим
экраном
или
рефлектором
стресс
-
конуса
.
Кривизна
экрана
или
рефлектора
должна
иметь
определенную
геоме
-
трию
,
чтобы
распределить
эквипотенциали
макси
-
мально
равномерно
по
объему
между
жилой
кабеля
до
экрана
регулятора
и
экрана
кабеля
(
рисунок
1).
По
этой
причине
способ
называется
также
геометри
-
ческим
.
Рефракционный
способ
предполагает
экраниро
-
вание
промежутка
«
заземленный
экран
-
изоляция
-
жила
кабеля
»
диэлектрическим
материалом
с
высо
-
кой
(
на
порядок
больше
,
чем
у
основной
изоляции
кабеля
)
диэлектрической
проницаемостью
.
По
мнению
автора
[2],
сочетание
геометрическо
-
го
и
рефракционного
способов
«
позволяет
добиться
оптимального
соотношения
между
размерами
эле
-
мента
управления
полем
, (
а
следовательно
,
кабель
-
ной
муфты
в
целом
),
электрическими
характеристи
-
ками
,
надежностью
муфты
и
ее
стоимостью
».
С
этим
выводом
можно
согласиться
,
в
том
числе
с
учетом
влияния
высших
гармоник
напряжения
.
Даже
бегло
-
го
рассмотрения
R-C
схемы
замещения
изоляции
кабеля
c
полупроводящим
слоем
достаточно
,
чтобы
сделать
вывод
:
резистивный
метод
регулирования
поля
не
может
сохранять
эффективность
регулиро
-
вания
поля
в
разделке
при
изменении
частоты
на
-
пряжения
.
Приведенные
ниже
примеры
подтвержда
-
ют
этот
вывод
.
Авторы
[3]
моделировали
влияние
высокой
ча
-
стоты
на
электрическое
поле
и
распределение
температуры
в
кабельных
муфтах
средних
классов
напряжения
при
двух
типах
регулирования
поля
:
ре
-
зистивным
и
емкостным
.
Ими
было
установлено
,
что
максимальная
напряженность
электрического
поля
в
концевой
муфте
с
резистивным
регулированием
поля
возрастает
примерно
в
5
раз
при
увеличении
частоты
напряжения
с
60
Гц
до
2
кГц
.
История
отказа
от
резистивного
в
пользу
емкост
-
ного
способа
выравнивания
напряженности
электри
-
ческого
поля
в
кабельных
муфтах
приведена
автора
-
ми
[4].
Речь
шла
о
подстанции
«Eagle Pass»,
которая
была
построена
на
границе
Мексики
и
США
для
свя
-
зи
энергосистем
с
разными
частотами
сетевого
на
-
пряжения
50
и
60
Гц
.
На
рисунке
2
приведена
форма
и
спектральный
состав
выходного
напряжения
частоты
60
Гц
на
аме
-
Рис
. 1.
Емкостной
способ
регулирования
поля
в
концевой
муфте
90%
10%
100%
Экран
-
регулятор
поля
Жила
кабеля
Изоляция
кабеля
Экран
кабеля
Эквипотенциали
№
3 (72) 2022
92
б
)
0 3,6
7,2
10,8
Частота
,
кГц
Амплит
уд
а
[
кВ
]
1,26
кГц
60 Hz
∙
14,2 W
12,4
кГц
5
4
3
2
1
0
Рис
. 3.
Распределение
напряжения
в
концевой
разделке
кабеля
на
частоте
сети
(
а
)
и
на
частоте
1,2
кГц
(
б
).
Эквипотенциальные
линии
и
цифры
в
процентах
пока
-
зывают
распределение
напряжения
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Внешний
полупроводящий
слой
Слой
выравнивания
поля
Силиконовая
резина
Изоляция
кабеля
а
)
80%
60%
40%
20%
0%
Место
пробоя
изоляции
100%
б
)
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
риканской
части
подстанции
[3, 4].
Искажения
сину
-
соиды
сетевого
напряжения
гармониками
видны
на
рисунке
2
а
,
причем
доминировали
две
гармоники
,
выделенные
красным
цветом
на
рисунке
2
б
: 21-
я
гар
-
моника
(1,26
кГц
),
соответствующая
частоте
комму
-
тации
мощных
ключей
на
IGBT-
транзисторах
преоб
-
разователя
и
12,4
кГц
.
Наличие
гармоники
12,4
кГц
оказалось
неожиданным
,
как
и
ее
значительные
из
-
менения
от
13
до
40%
действующего
значения
на
-
пряжения
в
зависимости
от
угла
между
векторами
напряжений
сети
США
и
Мексики
.
При
вводе
в
эксплуатацию
подстанции
вскоре
по
-
сле
включения
под
напряжение
произошло
три
от
-
каза
кабелей
.
Возникло
предположение
,
что
отказы
связаны
с
дефектами
монтажа
концевых
муфт
.
Все
они
были
заменены
на
новые
того
же
типа
,
но
от
другого
производителя
.
Представители
производи
-
теля
выполнили
качественный
монтаж
новых
конце
-
вых
муфт
,
однако
через
три
дня
после
замены
про
-
изошел
новый
,
уже
четвертый
отказ
кабеля
.
Пробой
опять
произошел
внутри
концевой
муфты
.
Стало
очевидно
,
что
основной
причиной
отказа
была
система
резистивного
градирования
напряже
-
ния
,
эскиз
которой
приведен
на
рисунке
3
а
.
В
изоляционную
оболочку
наконечника
,
выполнен
-
ную
из
кремнийорганической
резины
,
был
впрессован
полупроводящий
слой
,
который
совместно
с
локаль
-
ной
паразитной
емкостью
регулирует
распределение
напряжения
вдоль
разделки
.
Длина
слоя
градирова
-
ния
напряжения
,
распределение
его
удельного
со
-
противления
и
диэлектрической
проницаемости
вы
-
бирались
таким
образом
,
чтобы
обеспечить
линейное
распределение
напряжения
по
длине
концевой
раз
-
делки
кабеля
на
промышленной
частоте
сети
.
Однако
на
более
высоких
частотах
взаимная
связь
между
со
-
противлением
слоя
и
емкостью
изоляции
этого
слоя
относительно
жилы
кабеля
приводит
к
совсем
друго
-
му
распределению
напряжения
(
рисунок
3
б
).
В
итоге
расследования
была
установлена
следую
-
щая
последовательность
развития
отказа
.
Вследствие
высокочастотных
потерь
в
слое
резистивного
градиро
-
вания
возникает
локальный
нагрев
,
который
приводит
к
высыханию
силиконовой
смазки
на
границе
раздела
между
изоляцией
кабеля
и
концом
слоя
выравнивания
поля
.
При
высоких
температурах
силиконовая
смазка
начинает
мигрировать
через
этот
слой
в
кремнийор
-
ганическую
резину
.
Как
только
появляется
какая
-
ли
-
бо
полость
,
растущая
напряженность
электрического
поля
вызывает
в
ней
ЧР
,
что
,
в
свою
очередь
,
вызы
-
вает
дальнейшее
повышение
локальной
температуры
и
возникновение
электрического
дендрита
,
который
превращается
в
проводящий
канал
,
растущий
через
изоляцию
из
сшитого
полиэтилена
кабеля
.
Время
до
пробоя
изоляции
зависит
от
частоты
и
амплитуды
гармоник
напряжения
,
хотя
разброс
характеристик
материалов
,
качество
изготовления
и
монтажа
,
температура
окружающей
среды
и
другие
факторы
также
могут
влиять
на
срок
службы
муфты
.
В
практическом
плане
проблема
надежности
была
решена
заменой
всех
концевых
муфт
другими
муфтами
с
емкостным
градированием
напряжения
(
рисунок
4).
По
конструкции
они
похожи
на
муфты
Рис
. 2.
Напряжение
на
выходе
преобразователя
часто
-
ты
(
а
)
и
его
частотный
спектр
(
б
)
0 0,004
0,008 0,12
t
, c
30
20
10
0
–10
–20
–30
U
,
кВ
80%
60%
40%
20%
0%
Внешний
ПП
-
слой
Концевой
проводящий
слой
Этилен
-
пропиленовая
резина
EPDM
Изоляция
кабеля
100%
Рис
. 4.
Картина
поля
в
концевой
муфте
с
емкостным
регулированием
электрического
поля
на
любой
частоте
а
)
93
кабелей
высокого
и
сверхвысокого
классов
напря
-
жения
.
Распределение
электрического
поля
опре
-
деляется
только
паразитной
емкостью
между
зазем
-
ленными
и
потенциальными
электродами
в
самом
наконечнике
и
практически
не
зависит
от
частоты
.
Расчеты
показали
,
что
в
выбранной
электродной
сис
-
теме
наибольшая
напряженность
поля
имеет
место
внутри
высококачественной
этиленпропиленовой
резины
и
не
превышает
допустимых
пределов
.
От
-
носительным
недостатком
новых
муфт
являлось
не
-
большое
увеличение
габаритов
и
расхода
изоляци
-
онных
материалов
.
Похожий
случай
имел
место
и
в
нашей
стране
в
2015
году
.
В
устройстве
компенсации
реактивной
мощности
концевые
муфты
кабелей
35
кВ
при
теп
-
ловизионном
контроле
продемонстрировали
избы
-
точные
температуры
в
зоне
разделки
в
диапазоне
13–80°
С
.
Оказалось
,
что
в
некоторых
режимах
ра
-
боты
фазные
напряжения
в
устройстве
имели
ярко
выраженные
искажения
формы
,
а
в
Фурье
-
спектре
напряжений
преобладали
частоты
около
8
кГц
(
ри
-
сунок
5).
Проблема
была
решена
после
выполнения
двух
мероприятий
:
–
изменения
схемы
соединений
,
приведшее
к
сни
-
жению
амплитуд
высших
гармоник
;
–
замена
термоусаживаемых
муфт
1
ПКНт
35-800
на
муфты
холодной
усадки
СОТ
1.4204 L
с
более
высокой
электрической
прочностью
.
ЧАСТОТНЫЕ
ЗАВИСИМОСТИ
ХАРАКТЕРИСТИК
ИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Зависимость
свойств
диэлектрических
материалов
от
частоты
проверяется
обычно
по
двум
параметрам
:
ди
-
электрической
проницаемости
(
)
и
коэффициенту
диэлектрических
потерь
tg
(
).
Как
правило
,
зависи
-
мости
от
частоты
напряжения
этих
характеристик
бо
-
лее
сильны
для
гетерогенных
изоляционных
матери
-
алов
,
которые
применяются
в
конструкциях
концевых
муфт
кабелей
высокого
и
сверхвысокого
напряжения
.
В
кабельных
муфтах
с
напряжением
до
35
кВ
при
-
меняются
в
основном
однородные
и
неполярные
ди
-
электрики
,
которые
изменяют
свои
характеристики
на
частотах
,
выше
возможных
гармоник
.
Тем
не
менее
,
результаты
экспериментальных
исследований
,
приве
-
денные
в
[5],
могут
представлять
интерес
для
разработ
-
чиков
кабельной
арматуры
.
Они
,
в
частности
,
представлены
в
виде
зависимостей
емкости
и
коэффи
-
циента
потерь
политетрафтор
-
этилена
(
рисунок
6)
и
эпоксидной
смолы
от
частоты
и
температуры
.
Измерения
проводились
на
плоских
дисковых
образцах
мате
-
риалов
диаметром
60
мм
в
ячей
-
ках
с
охранными
электродами
.
Стартовые
частоты
были
выбра
-
ны
так
,
чтобы
избежать
помех
,
вы
-
званных
составляющей
50
Гц
.
Как
видно
из
рисунка
6,
емкость
и
ко
-
эффициент
потерь
образцов
PET
увеличивались
с
повышением
температуры
,
а
при
температуре
выше
80°C
испытывали
резкое
измене
-
ние
,
что
было
связано
с
нагревом
выше
температу
-
ры
размягчения
(
T
g
= 75°C).
При
увеличении
частоты
емкость
снижалась
,
а
тангенс
угла
диэлектрических
потерь
,
напротив
,
увеличивался
,
особенно
заметно
в
области
частот
выше
10
кГц
.
ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ
ОПЫТ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
КАБЕЛЬНЫХ
МУФТ
СРЕДНИХ
КЛАССОВ
НАПРЯЖЕНИЯ
В
нашей
стране
при
монтаже
муфт
кабелей
среднего
напряжения
(10–35
кВ
)
используют
преимуществен
-
но
резистивный
способ
регулирования
поля
в
муф
-
тах
и
технологию
термической
усадки
.
Большинство
повреждений
(
до
80%)
муфт
в
эксплуатации
связано
с
ошибками
монтажа
[6].
Авторы
[7]
описывают
типичные
дефекты
мон
-
тажа
и
комплектующих
муфт
,
которые
приводят
0 10
20 30
t
,
мс
50
0
–50
U
,
кВ
а
)
Рис
. 5.
Осциллограммы
напряжения
(
а
)
при
работе
в
кольце
в
режиме
поддержания
напряжения
устройства
компенсации
реактивной
мощности
и
спектральный
состав
напряжения
(
б
).
Предоставлены
Д
.
Г
.
Шамановым
(
ООО
«
Энсто
-
Рус
»)
Зна
чение
, %
от
U
50
Гц
45
35
25
15
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
,
кГц
б
)
Рис
. 6.
Частотные
зависимости
емкости
(
а
)
и
тангенса
угла
диэлектриче
-
ских
потерь
(
б
)
полиэтилентерефталата
(PET)
22°
С
35°
С
50°
С
65°
С
80°
С
а
)
Частота
,
Гц
Частота
,
Гц
Емкость
,
Ф
10
–11
10
2
10
2
10
3
10
3
10
4
10
4
10
5
10
5
22°
С
35°
С
50°
С
65°
С
80°
С
10,3
10,2
10,1
10
9,9
9,8
9,7
9,6
9,5
9,4
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
б
)
tg
№
3 (72) 2022
94
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
к
образованию
в
них
воздушных
полостей
сег
-
ментной
или
даже
кольцевой
формы
.
В
полостях
уже
при
рабочем
напряжении
кабелей
возникают
частичные
разряды
,
приводящие
к
электрическим
дендритам
и
,
в
конечном
итоге
,
к
пробою
муфты
.
Срок
службы
муфт
при
наличии
воздушных
по
-
лостей
субмиллиметровой
толщины
сокращается
до
1–3
лет
.
Из
опыта
работы
Московской
кабельной
сети
можно
выделить
несколько
фактов
.
Основными
при
-
чинами
отказов
кабельных
линий
6–10
кВ
являются
старение
изоляции
(53%)
и
повреждения
кабельной
арматуры
(
соединительных
и
концевых
муфт
раз
-
личных
конструкций
— 34%).
На
КЛ
6–10
кВ
с
изоляцией
из
СПЭ
применяются
термоусажива
-
емые
соединительные
и
концевые
муфты
типа
ПКВтО
различных
производителей
.
Удельное
коли
-
чество
отказов
муфт
на
кабелях
с
изоляцией
из
СПЭ
за
2021
год
составило
0,48%
от
всех
повреж
-
дений
на
КЛ
6–10
кВ
,
а
основной
причиной
повреждений
был
нека
-
чественный
монтаж
.
За
весь
период
эксплуатации
участки
сети
с
повышенной
по
-
вреждаемостью
муфт
на
кабель
-
ных
линиях
6–10
кВ
с
изоляцией
со
СПЭ
не
выявлялись
,
в
том
чис
-
ле
в
районах
,
связанных
с
цен
-
трами
питания
железных
дорог
,
метрополитена
и
трамвайно
-
трол
-
лейбусной
сети
.
Возможно
,
это
объясняется
и
удовлетворитель
-
ным
качеством
электроэнергии
,
которое
повсеместно
контроли
-
руется
на
соответствие
нормам
ГОСТ
32144-2013,
в
том
числе
для
оценки
гармонического
состава
напряжения
.
ВОЗМОЖНЫЕ
СПОСОБЫ
ДЕФЕКТОСКОПИИ
КОНЦЕВЫХ
МУФТ
КАБЕЛЕЙ
Судя
по
результатам
исследований
,
отказы
конце
-
вых
кабельных
муфт
не
возникают
мгновенно
,
им
предшествуют
процессы
старения
,
которые
могут
на
какой
-
то
стадии
сопровождаться
локальными
нагре
-
вами
и
возникновением
внутренних
частичных
раз
-
рядов
(
ЧР
).
Ниже
приведены
примеры
обнаружения
этих
явлений
методом
инфракрасной
термографии
и
методом
акустической
регистрации
ЧР
при
пери
-
одическом
контроле
в
эксплуатации
и
в
исследова
-
тельских
испытаниях
концевых
муфт
.
Пример
1
взят
из
нашего
опыта
обследований
подстанционного
оборудования
[8].
На
рисунке
7
б
приведена
термограмма
кабельной
заделки
кабеля
10
кВ
,
в
которой
можно
видеть
локальное
превыше
-
ние
температуры
на
6–7
градусов
в
месте
,
указан
-
ном
стрелкой
как
на
термограмме
,
так
и
на
внешнем
виде
заделки
(
рисунок
7
а
).
После
этого
акустическим
дефектоскопом
«
Ин
-
гула
-03»
была
проведена
регистрация
акустиче
-
ского
излучения
ЧР
.
Благодаря
узкой
диаграмме
направленности
дефектоскопа
(1:200)
было
уста
-
новлено
,
что
очаг
акустического
излучения
рас
-
положен
в
том
же
месте
,
где
тепловизором
было
обнаружено
локальное
превышение
температуры
.
В
осциллограмме
акустических
сигналов
,
преобра
-
зованных
дефектоскопом
в
электрические
сигналы
и
записанных
диктофоном
(
рисунок
7
в
),
просматри
-
вается
регулярная
повторяемость
пиков
интенсив
-
ности
с
периодом
20
мс
,
что
является
явным
при
-
знаком
внутренних
ЧР
или
короны
,
повторяющихся
в
каждом
периоде
напряжения
промышленной
ча
-
стоты
50
Гц
.
Рис
. 7.
Внешний
вид
концевой
кабельной
разделки
10
кВ
(
а
),
ее
термограмма
(
б
)
и
осциллограмма
интенсивности
акустического
излучения
частичных
разрядов
(
в
)
в
разделке
(
цветной
заливкой
в
осциллограмме
выделен
интер
-
вал
20
мс
)
а
)
в
)
б
)
Рис
. 8.
Регистрация
разрядных
процессов
в
концевой
разделке
кабеля
10
кВ
камерой
NL
95
Пример
2
регистрации
частичных
разрядов
уль
-
тразвуковой
камерой
«NL»
приведен
в
[9].
Регистри
-
рующим
устройством
камеры
служит
фазированная
решетка
микрофонов
ультразвукового
диапазона
,
ось
направленности
которой
совпадает
с
оптической
осью
видеокамеры
наблюдения
.
Преобразованные
из
акустических
в
электрические
сигналы
обраба
-
тываются
соответствующим
образом
и
формируют
видимое
изображение
очага
излучения
в
центре
ви
-
деокадра
(
рисунок
8).
Кроме
видеоизображения
контролируемого
объ
-
екта
и
очага
ЧР
на
нем
,
в
правой
части
дисплея
ка
-
меры
выводятся
три
характеристики
акустических
сигналов
,
накопленных
за
100
мс
:
–
средняя
интенсивность
сигналов
, «Measured DB»;
–
спектр
частот
акустического
излучения
, «
f
»;
–
амплитудно
-
фазовая
диаграмма
(
АФД
) —
нако
-
пленное
за
100
мс
распределение
сигналов
по
амплитуде
и
фазе
периода
напряжения
.
Именно
амплитудно
-
фазовая
диаграмма
(
АФД
)
во
многом
облегчает
идентификацию
типа
разряда
(«Discharge Prediction»).
В
частности
,
изображенная
на
рисунке
8
АФД
демонстрирует
расположение
максимумов
интенсивности
через
10
мс
,
что
,
как
и
в
предыдущем
примере
,
дает
диагноз
— «
внутрен
-
ние
ЧР
».
Пример
3.
Для
исследовательских
испытаний
авторами
[10]
была
выбрана
концевая
кабельная
муфта
холодноусадочного
типа
,
наиболее
распро
-
страненного
в
распределительных
сетях
с
линейным
напряжением
15
кВ
.
Во
избежание
образования
по
-
лостей
зона
около
границы
резистивного
полевырав
-
нивающего
слоя
в
муфте
была
заполнена
силиконо
-
вым
компаундом
.
Муфта
прошла
типовые
испытания
на
соответствие
требованиям
стандарта
IEEE-48.
Измерения
ЧР
проводились
до
и
после
испыта
-
ний
на
ускоренное
старение
при
90-
часовой
выдерж
-
ке
под
повышенным
напряжением
,
которое
прово
-
дилось
для
оценки
качества
монтажа
арматуры
по
требованиям
стандарта
МЭК
60502-4.
Норма
про
-
верки
соответствовала
значению
кажущегося
заря
-
да
ЧР
менее
10
пКл
при
испытательном
напряжении
U
исп
= 1,73 ×
U
0
= 15
кВ
.
Измерение
ЧР
проводилось
прибором
Tettex DDX-9101.
Результаты
измерений
приведены
в
таблице
1.
При
нормированном
значе
-
нии
испытательного
напряжения
15
кВ
уровень
ЧР
до
и
после
ста
-
рения
оставался
меньше
1
пКл
,
что
фактически
соответствовало
уровню
помех
.
После
этого
,
что
-
бы
как
-
нибудь
обнаружить
ЧР
,
напряжение
увеличивалось
до
25
кВ
.
Кажущийся
заряд
ЧР
при
этом
возрос
до
33,6
пКл
,
а
в
про
-
цессе
выдержки
под
напряжением
еще
увеличился
до
42,4
пКл
.
На
следующих
ступенях
напряжения
(29
кВ
и
31
кВ
)
интенсивность
ЧР
также
возрастала
в
начале
и
конце
испытаний
еще
более
явным
об
-
разом
.
Табл
. 1.
Интенсивность
частичных
разрядов
в
концевой
кабельной
муфте
до
и
после
выдержки
под
напряжением
U
,
кВ
Q
нач
.,
пКл
Q
кон
.
,
пКл
,
пКл
,
%
15
0,79
0,81
0,024
3
25
33,6
42,4
8,8
26,2
27,1
40,1
60
19,9
49,6
29,2
46,4
68.4
22
47,4
33,1
50,5
75,4
24,9
49,3
В
течение
выдержки
под
повышенным
напряже
-
нием
возрастала
и
температура
концевой
разделки
(
рисунок
9).
ВЫВОДЫ
При
подавляющем
доминировании
причины
ава
-
рийности
кабельных
муфт
(
ошибки
монтажа
)
очень
сложно
установить
вклад
в
отказы
арматуры
других
эксплуатационных
факторов
и
в
их
числе
высших
гармоник
.
С
большей
вероятностью
влияние
гар
-
моник
может
проявиться
в
местах
установки
мощ
-
ных
преобразователей
частоты
,
где
в
отсутствие
фильтров
содержание
высших
гармоник
может
ока
-
заться
опасным
для
кабельных
муфт
.
На
такую
воз
-
можность
указывают
уже
имевшиеся
факты
повы
-
шенной
повреждаемости
силовых
и
измерительных
трансформаторов
напряжения
,
установленных
на
подстанциях
выдачи
мощности
от
источников
возоб
-
новляемой
энергии
в
ближнюю
энергосистему
.
При
выборе
типа
муфт
следует
обратить
внима
-
ние
на
качество
напряжения
в
месте
их
установки
.
При
прочих
равных
условиях
предпочтительны
муф
-
ты
с
емкостным
или
комплексным
градированием
изоляции
между
наконечником
и
заземляющим
по
-
водком
экрана
.
В
качестве
методов
дистанционного
диагностиро
-
вания
технического
состояния
концевых
кабельных
муфт
средних
классов
напряжения
наряду
с
инфра
-
красным
контролем
,
уже
подтвердившим
свою
эф
-
фективность
,
можно
рекомендовать
дистанционный
акустический
контроль
частичных
разрядов
.
Рис
. 9.
Термограмма
(
а
)
и
динамика
нагрева
(
б
)
концевой
муфты
кабеля
при
выдержке
под
испытательным
напряжением
Время
,
час
0 20 40 60
8
6
4
2
0
Перегрев
,
граду
сы
Темп
.
нагрева
6°
С
при
5,5
часа
выдержки
Макс
. 33°
С
а
)
б
)
№
3 (72) 2022
96
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
ЛИТЕРАТУРА
1.
Ларина
Э
.
Т
.
Силовые
кабели
и
ка
-
бельные
линии
.
Уч
.
пособие
для
вузов
.
М
.:
Энергоатомиздат
, 1984.
368
с
.
2.
Грешняков
Г
.
В
.
Комплексная
оцен
-
ка
технических
и
эксплуатационных
характеристик
XLPE —
кабельных
систем
среднего
и
высокого
напря
-
жения
.
Дисс
.
на
соиск
.
уч
.
ст
.
докт
.
техн
.
наук
.
Санкт
-
Петербург
:
ЛПИ
,
2018. 236
с
.
3. Paulsson L., Ekehov B., et al. High-
Frequency Impacts in a Converter-
Based Back-to-Back Tie; The Eagle
Pass Installation. IEEE Trans. on
Power Delivery, 2003, vol. 18, no. 4,
pp. 1410-1415.
4. Chmura L.A., Niasar M.G., Bergsma D.
Future Challenges for Cable Acces-
sories in Medium Voltage Networks /
In INMRI World Congress 2019, Tuc-
son, Arizona, USA, October 2019.
URL: https://research.tudelft.nl/en/
publications/future-challenges-for-
cable-accessories-in-medium-volt-
age-network.
5. Sonerud B., Bengtsson T., et al. Di-
electric Heating in Insulating Materi-
als Subjected to Voltage Waveforms
with High Harmonic Content. IEEE
Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, 2009, vol. 16,
no. 4,
рр
. 926-933.
6.
Блеклов
Д
.
В
.,
Ветлугаев
С
.
С
.,
Об
-
разцов
Ю
.
В
.,
Фурсов
П
.
В
.
Причины
выхода
из
строя
концевых
и
соеди
-
нительных
муфт
кабелей
среднего
напряжения
//
Энергетик
, 2014,
№
5.
С
. 53–55.
7.
Вагин
В
.
С
.,
Ветлугаев
С
.
С
.,
Гук
Д
.
А
.,
Макаров
Л
.
Е
.,
Наумов
В
.
А
.,
Пота
-
пов
М
.
А
.,
Фурсов
П
.
В
.
Разработка
конструкции
и
испытания
термо
-
усаживаемых
концевых
и
соеди
-
нительных
муфт
на
напряжение
20
и
35
кВ
//
Кабели
и
провода
,
2020,
№
6(386).
С
. 4–8.
8.
Арбузов
Р
.
С
.,
Колесников
А
.
А
.,
Не
-
лаев
А
.
А
.,
Толчин
В
.
М
.,
Овсянни
-
ков
А
.
Г
.
Акустическая
диагности
-
ка
энергетического
оборудова
-
ния
/
Сб
.
трудов
7-
го
Симпозиума
«
Электротехника
2010
год
», 2003,
доклад
4.30,
том
3.
С
. 186–188.
9.
Ультразвуковая
NL
Камера
. URL:
https://gkresurs.ru/catalog/perenos-
nye_pribory_dlya_diagnostiki_pod-
stantsiy/nl_camera/.
10. Patel U., Jayaram S.H., El-Hag A.,
Seetahpathy R. MV Cable Termi-
nation Failure Assessment in the
Context of Increased Use of Power
Electronics. Electrical Insulation
Conference, Annapolis, Maryland,
June 2011, pp. 418-422.
REFERENCES
1. Larina E.T. Power cables and cable
lines. Graduate student manual.
Moscow, Energoatomizdat, 1984.
368 p. (In Russian)
2. Greshnyakov G.V. Complex evalu-
ation of technical and operational
characteristics of MV and HV XLPE-
cable systems. Ph.D. thesis in Engi-
neering Science. Saint Petersburg,
LPI Publ., 2018. 236 p. (In Russian)
3. Paulsson L., Ekehov B., et al. High-
Frequency Impacts in a Converter-
Based Back-to-Back Tie; The Eagle
Pass Installation. IEEE Trans. on
Power Delivery, 2003, vol. 18, no. 4,
pp. 1410-1415.
4. Chmura L.A., Niasar M.G., Bergsma
D. Future Challenges for Cable Ac-
cessories in Medium Voltage Net-
works /In INMRI World Congress
2019, Tucson, Arizona, USA, Oc-
tober 2019. URL: https://research.
tudelft.nl/en/publications/future-chal-
lenges-for-cable-accessories-in-me-
dium-voltage-network.
5. Sonerud B., Bengtsson T., et al. Di-
electric Heating in Insulating Materi-
als Subjected to Voltage Waveforms
with High Harmonic Content. IEEE
Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, 2009, vol. 16,
no. 4,
рр
. 926-933.
6. Bleklov D.V., Vetlugaev S.S., Ob-
raztsov Yu.V., Fursov P.V. Reasons
to fail of MV cable terminations and
joints //
Energetik
[Power Engineer],
2014, no. 5, pp. 53–55. (In Russian)
7. Vagin V.S., Vetlugaev S.S., Guk D.A.,
Makarov L.E., Naumov V.A., Pota-
pov M.A., Fursov P.V. Development
of the design and testing of heat-
shrinkable terminations and joints
for 20 and 35 kV //
Kabeli i provoda
[Cables and wires], 2020, no. 6(386),
pp. 4–8. (In Russian)
8. Arbuzov R.S., Kolesnikov A.A., Ne-
laev A.A., Tolchin V.M., Ovsyan-
nikov A.G. Acoustic diagnosis of
power equipment /
Sbornik trudov
7-go Simpoziuma "Elektrotekhnika
2010 god"
[Proc. of 7th Symposium
"Electric Engineering Year 2010"],
2003, report 4.30, vol. 3, pp. 186–
188. (In Russian)
9. Ultrasonic NL Camera. URL: https://
gkresurs.ru/catalog/perenosnye_pri-
bory_dlya_diagnostiki_podstantsiy/
nl_camera/.
10. Patel U., Jayaram S.H., El-Hag A.,
Seetahpathy R. MV Cable Termi-
nation Failure Assessment in the
Context of Increased Use of Power
Electronics. Electrical Insulation
Conference, Annapolis, Maryland,
June 2011, pp. 418-422.
Хренников А.Ю., Любарский Ю.Я.
Использование
элементов
искусственного
интеллекта
:
компьютерная
поддержка
оперативных
решений
в
интеллектуальных
электрических
сетях
Книгу
можно
приобрести
в
интернет
-
магазине
электронных
книг
«
ЛитРес
»
в
разделе
«
Электроэнергетика
»
Учебно
-
методическое
пособие
.
ЛИТРЕС
, 2021. 140
стр
., 30
ил
.
Для
умных
электрических
сетей
рассмотрены
интеллектуальные
программные
средства
,
выполняющие
новые
функции
и
повышающие
уровень
компьютерной
поддержки
диспет
-
черских
решений
.
Одна
из
целей
построения
умных
сетей
—
обеспечение
восстановления
после
аварий
,
основное
внимание
уделяется
проблемам
диагностики
нештатных
ситуаций
,
интеллектуальному
мониторингу
состояний
электрических
сетей
,
планированию
послеава
-
рийного
восстановления
электроснабжения
.
Подробно
рассмотрен
новый
вид
программного
тренажера
для
диспетчеров
электрических
сетей
—
тренажер
анализа
нештатных
ситуаций
.
Изложение
в
книге
сопровождается
множеством
примеров
в
форме
протоколов
работы
ре
-
альных
интеллектуальных
систем
.
Книга
предназначена
для
руководителей
и
специалистов
оперативных
служб
предприятий
энергетических
систем
,
электрических
и
распределитель
-
ных
сетей
и
электрических
станций
,
филиалов
ПАО
«
Россети
»,
ПАО
«
ФСК
ЕЭС
»,
слушате
-
лей
курсов
повышения
квалификации
,
а
также
для
аспирантов
,
магистрантов
и
студентов
электроэнергетических
специальностей
.
Оригинал статьи: Влияние высших гармоник напряжения на концевые муфты кабелей распределительной сети
Обсуждается влияние высших гармоник напряжения на изоляцию электрооборудования распределительных сетей, в частности, на старение и отказы концевых муфт кабельных линий средних классов напряжения. Механизм воздействия гармоник заключается в нарушении распределения напряженности электрического поля в концевой разделке при увеличении частоты напряжения. Обращено внимание и на возможные изменения диэлектрических свойств материалов, применяемых в конструкциях концевых разделок. Установлена эффективность двух дистанционных способов оценки состояния концевых кабельных муфт — термографического и регистрации акустических сигналов частичных разрядов.
