Об эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

В процессе эксплуатации кабелей как элементов электрической сети всегда приходится решать задачи, касающиеся условий их работы и технического обслуживания. С момента изобретения кабеля и широкого применения кабельных линий электропередачи актуальными и серьёзными вопросами являются надёжность и долговечность кабелей, а также кабельной арматуры (соединительных и концевых муфт), обеспечивающей длительную работу кабельных линий.

КАБЕЛИ С ПРОПИТАННОЙ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Долгие годы в категории кабелей среднего напряжения 6—35 кВ превалировали кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией (БМПИ), а для высокого напряжения 110—400 кВ — маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. Фундаментальным положением в течение многих лет было использование в качестве изоляции во всех типах кабелей пропитанной маслом бумаги. Это связано с тем, что БМПИ являлась единственным видом изоляции для кабельных изделий всех напряжений.
Силовые кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией изготавливаются с алюминиевыми и медными жилами круглой, сегментной и секторной форм. БМПИ состоит из лент кабельной бумаги толщиной 0,12 и 0,17 мм, наложенных на жилу методом обмотки и пропитанных масло-канифольным составом [5]. Эти кабели на протяжении всего срока использования зарекомендовали себя достаточно надёжными элементами электрических сетей напряжением 3—35 кВ. Конструкция кабелей с бумажной изоляцией обязательно включает в себя металлическую оболочку, которая не только механически защищает изоляцию, но и предотвращает радиальное проникновение воды в кабель. Кабели с бумажной изоляцией и свинцовой оболочкой можно прокладывать в сырых грунтах, а также, при наличии специальных защитных покровов, и под водой. Из-за необходимости увеличения пропускной способности линий электропередачи развитие КЛ шло по пути роста их номинального напряжения и сечений токоведущих жил.

КАБЕЛИ С «СУХОЙ» ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Во второй половине ХХ века исследования показали, что использование масла в качестве изолирующей среды, свинцовой защитной оболочки отрицательно сказывается на экологии. С начала 60-х годов прошлого века дальнейший прогресс в технологии изготовления кабелей во всём мире связан с развитием полимерной изоляции. Такой материал был создан на основе модифицированного полиэтилена и получил название сшитый (вулканизированный) полиэтилен (СПЭ).
В настоящее время кабели с полимерной изоляцией активно заменяют кабели с бумажной изоляцией в электрических сетях напряжением выше 1 кВ. При этом на напряжение до 10 кВ кабели с изоляцией из СПЭ могут быть одножильными и трёхжильными.
Конструкция одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ (рис. 1) в общем виде унифицирована. Жила кабеля покрывается слоем основной изоляции, поверх которой накладывается электропроводящий концентрический экран, чаще всего в виде медных проволок и фольги. В ряде модификаций на поверхность изоляции жилы накладывается герметизирующий слой из водопоглощающей ленты. Снаружи кабель покрывается герметичной светостабилизированной оболочкой из полиэтилена или ПВХ-пластиката, не поддерживающего горение.

В распределительных электрических сетях среднего напряжения, как правило, применяются одножильные кабели. В этом случае трёхфазная КЛ представляет собой систему из трёх одножильных кабелей, расположенных по вершинам равностороннего треугольника или в одной плоскости (рис. 2).

Трёхжильные кабели не получили широкого распространения на рынке электротехнической продукции из-за своих физических параметров (максимальное сечение трёхжильного кабеля — 240 мм², масса 1 п. м — более 11 кг, наружный диаметр — более 70 мм). Три одножильных кабеля с круглыми токопроводящими жилами (ТПЖ) в одной оболочке даже при заполнении внутренних полостей имеют на срезе форму треугольника, что вызывает трудности при монтаже соединительных и концевых муфт, так как не обеспечивается полная герметизация кабеля и муфты. Наличие пустот внутри общей оболочки приводит к образованию конденсата на поверхности фаз кабеля, а это, в свою очередь, провоцирует развитие частичных разрядов. Применению секторных жил препятствует отсутствие инструментов по разделке кабеля и снятию полупроводящих слоёв и изоляции с фаз.
Желание многих работников энергосистем СНГ прокладывать и эксплуатировать кабели в трёхфазном исполнении с БМПИ вызвано, скорее всего, привычкой или желанием отгородиться от проблем с новой технологией. При этом не следует забывать о кабелях с отдельно освинцованными жилами круглого сечения, каждая из которых фактически является однофазным кабелем, которые уложены «в треугольник» и объединены общей оболочкой. До настоящего времени в распределительных кабельных сетях 6—10 кВ городов встречаются КЛ или участки КЛ, в которых имеются кабели с отдельно освинцованными жилами.
Применение трёхжильных кабелей исключает одно из главных преимуществ однофазных кабелей — значительную строительную длину, так как на барабан №22 помещается чуть больше 400 м трёхфазного кабеля 3х240 (столько же, как и обычного кабеля с БМПИ). Однофазного кабеля сечением 300 мм² на том же барабане №22 размещается более 1000 м. Средняя длина кабельной линии в городских электрических кабельных сетях составляет как раз 1000 м, таким образом, можно прокладывать кабельные линии целыми строительными длинами без соединительных муфт, а что это значит для эксплуатирующих организаций, знают все!
Сшитый полиэтилен СПЭ (XLPE, в соответствии с обозначением МЭК) отличается хорошими диэлектрическими свойствами и большим запасом термической и механической стойкости. Для кабелей с изоляцией из СПЭ нет ограничений в прокладке по сложным трассам и вертикальным уровням. Эти качества обусловили преимущественное применение таких кабелей в развитых странах Европы и Америки.
Следует отметить основные преимущества кабелей с изоляцией из СПЭ (XLPE) в одножильном исполнении:
• большие строительные длины (на барабан №26 может быть намотано до 1800 м однофазного кабеля сечением 400 мм²);
• расширенный ряд номинальных сечений, до 1000 мм² и более;
• меньшие вес, диаметр и радиус изгиба (при прокладке одной фазы).

Основным преимуществом кабелей с СПЭ-(XLPE) изоляцией является большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры жилы. Токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15—30% больше, чем у кабеля с БМПИ. При расчёте токовых нагрузок выбор длительно допустимой температуры нагрева жил и максимальной температуры ТПЖ после протекания токов короткого замыкания определяется типом изоляционных материалов. Температуры, указанные в табл. 1, основаны на физических свойствах изоляционных материалов.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КАБЕЛЕЙ С СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ
В настоящее время многие страны практически полностью перешли на использование кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 6—35 кВ и имеют положительный опыт их эксплуатации. Так, например, в США и Канаде такие кабели занимают 85% всего рынка силовых кабелей, в Германии и Дании — 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции — 100%.
В последнее время ведущие энергосистемы России, а также ГПО «Белэнерго» ориентированы на применение в электрических сетях указанных выше кабелей при строительстве (прокладке) новых электрических сетей (КЛ), плановой замене либо капитальном ремонте старых КЛ.
Замена кабелей с БМПИ на напряжение до 1 кВ практически уже произошла во всём мире. Преимущественное распространение получили кабели с самозатухающей и негорючей изоляцией. При этом изготовители в качестве изолирующих применяют материалы, которые при нагреве и горении не выделяют вредных для человека и окружающей среды веществ.
Твёрдая изоляция даёт неоспоримые преимущества при прокладке на пересечённой местности (с большими наклонами, возвышенностями), то есть на трассах с большой разностью уровней, а также в вертикальных и наклонных коллекторах. Ещё одним достоинством кабелей с изоляцией из СПЭ является их экологическая безопасность. Отсутствие масла, свинца и битума обеспечивает сохранение чистоты окружающей среды, что позволяет применять их на любых объектах и эксплуатировать КЛ практически без обслуживания.
Таким образом, логично напрашивается вывод, что кабели с изоляцией из СПЭ в первую очередь должны рассматриваться как замена кабелям с БМПИ. При этом в коллекторах целесообразно применять кабели с оболочкой из самозатухающего полиэтилена или негорючего ПВХ с пониженным дымообразованием (LS), а при прокладке в земле — с герметизирующим слоем («г» или «2г»).
Преимущества усовершенствованной конструкции и современной технологии производства кабелей с изоляцией из СПЭ обусловили их повсеместное применение в развитых странах, что заметно сократило использование других типов кабеля.

ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА НА ПОВРЕЖДЕНИЯ КАБЕЛЕЙ
Учитывая современный уровень развития технологий и опыт производителей кабельной продукции, говорить об электрических пробоях изоляции кабеля, связанных с производственным браком завода-изготовителя, уже не приходится. Основными причинами выхода из строя КЛ являются внешние механические повреждения, которые чаще всего происходят или создаются при прокладке кабеля и монтаже кабельной арматуры. Из-за небрежности, а зачастую и недостаточного умения работников СМО, использования изношенного и не соответствующего условиям прокладки оборудования, нарушения технологии прокладки кабеля и монтажа кабельной арматуры происходит наибольшая часть повреждений кабельных линий в процессе эксплуатации.
В распределительных сетях среднего напряжения около 50% существующих кабельных линий с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией уже прослужили срок, установленный ГОСТами. В настоящее время большая часть повреждений КЛ в РС среднего напряжения приходится именно на эти кабели. Удельная повреждаемость КЛ 1—35 кВ, выполненных кабелем с БМПИ, по Московским и Минским кабельным сетям составила 10—11 шт./100 км, а для КЛ, выполненных кабелем с изоляцией из СПЭ, — менее 1,5 шт./100 км, т.е. на порядок меньше. Более 60% повреждений кабелей с СПЭ-изоляцией вызвано прямым механическим воздействием третьей стороны (механическое повреждение оболочки при прокладке или в процессе эксплуатации при работе землеройной техники сторонних организаций без вызова представителей кабельных сетей).
Оконцевание и соединение участков кабелей — наиболее сложные операции в кабельных работах. При этом они выполняются чаще всего в полевых условиях и при различной погоде. Подготовка рабочего места, разделка кабеля, монтаж концевых и соединительных муфт должны производиться специально обученным персоналом, имеющим представление о технологиях изготовления кабеля и досконально знающим процесс монтажа кабельной арматуры. Так как технология монтажа у разных типов муфт может отличаться, электромонтёр-кабельщик должен быть обучен под каждый тип кабельной арматуры [4]. Заводы-изготовители кабельной арматуры организуют обучение кабельщиков с выдачей сертификата на право монтажа кабельной арматуры собственного производства, как платное, так и бесплатное. Кабельная арматура разных заводов имеет некоторые особенности и отличия, поэтому наличие сертификата одного завода не даёт права проводить монтаж муфт другого завода. При нарушении этого правила чаще всего и происходят нарушения технологии монтажа кабельной арматуры, которые приводят к повреждениям кабеля (рис. 3 и 4).

Экран восстановлен только медной плетёной сеткой-чулком, проволоки экрана кабеля обрезаны при монтаже.
Зазор между основной изоляцией и соединительной гильзой не заполнен выравнивающей лентой-подмоткой.

В прежние времена электромонтёр-кабельщик допускался к самостоятельной работе в лучшем случае через год работы на кабелях при наличии специального образования (ПТУ), практического опыта работы по монтажу кабельной арматуры и сдачи квалификационного теоретического и практического экзамена [4]. Эти требования были обязательны как для персонала предприятий электросетей, так и для персонала СМО, который выполнял работы по строительству новых кабельных линий.
Заказчики, в нарушение СНиП 3.05.06 — 85 и с целью уменьшения стоимости СМР, для строительства кабельных линий привлекают организации, не имеющие практического опыта монтажа кабеля, персонал которых не имеет достаточного опыта работы и сертификатов на монтаж кабельной арматуры. Данные статистического анализа повреждений кабелей и кабельной арматуры говорят о том, что основными причинами повреждений являются:
• нарушение технологии монтажа (40%);
• внешние механические воздействия при монтаже и эксплуатации (30%);
• применение кабельной арматуры, не соответствующей параметрам сетей (15%);
• нарушение технологии испытаний (10%);
• дефекты кабеля (5%).

Заслуживает внимания тот факт, что повреждения оболочки кабеля (рис. 5) часто обнаруживаются вблизи муфтовых участков. Это связано с тем, что они дольше других остаются открытыми и могут подвергаться прямым механическим воздействиям со стороны как посторонних лиц, так и монтажников [7].
Закупку услуг СМО, кабеля и кабельной арматуры производят специалисты отделов строительства и маркетинга заказчика, которые зачастую имеют весьма отдалённое понятие о технологии производства электромонтажных работ и о технических характеристиках применяемого оборудования и материалов. Технические требования эксплуатирующих организаций чаще всего игнорируются на фоне ценовых показателей, однако не следует забывать, что «дешёвое всегда не лучшее».
Многие предприятия электрических сетей скрывают данные о повреждаемости кабелей и кабельной арматуры, а также низкую квалификацию как своего, так и монтажного персонала. Объективных данных о причинах повреждений кабельной арматуры официально получить затруднительно, т.к. персоналу электрических сетей тут же будут предъявлены обвинения в некомпетентности и недостаточном контроле за качеством приобретаемой кабельной арматуры и её монтажом.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ И РАБОТА УСТРОЙСТВ РЗА
В сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью процессы, происходящие при повреждении изоляции одной из фаз, различны для трёхфазного кабеля и группы однофазных. В трёхфазном кабеле за счёт термического воздействия дуги однофазное повреждение быстро переходит в многофазное, а в группе однофазных кабелей такое развитие аварии затруднительно. Повреждённый трёхфазный кабель достаточно быстро отключается простыми токовыми защитами, а повреждённый однофазный такими защитами не отключается, и определение повреждённого элемента сети требует значительного времени.
В сетях среднего напряжения применение однофазных кабелей предпочтительно не при изолированной нейтрали, а при её заземлении через резистор. Величина сопротивления резистора должна быть такой, чтобы обеспечить ток замыкания на землю в 100 и более ампер, и этого будет достаточно для селективной и быстрой работы релейной защиты. При этом такое заземление нейтрали позволит применить однофазные кабели с минимальным сечением экранов, иметь минимальные токи и паразитные потери в экранах при условии применения малого сечения экранов и прокладки фаз кабеля сомкнутым треугольником.
В случае применения одно- или двухотходящих кабельных линий, выполненных однофазными кабелями на подстанции, где вся остальная сеть состоит из кабелей с БМПИ, никто не будет менять режим нейтрали, устанавливать резистор и менять все защиты то ОЗЗ. Если необходимо «уберечь» СПЭ-кабель от перенапряжений, то нужно обеспечить его немедленное отключение при возникновении ОЗЗ штатными защитами с небольшими их дополнениями. При наличии у потребителя необходимого резерва можно перевести устройства сигнализации ОЗЗ на режим отключения.
Опыт работы кабельных сетей среднего напряжения показывает, что установка ТТ в каждой фазе, применение ТТ нулевой последовательности с классом точности не ниже 5, наличие многофункциональной цифровой защиты позволяют обеспечить достаточную селективность и надёжность отключения отходящей линии при ОЗЗ независимо от того, какая изоляция кабеля, БМПИ или СПЭ.
В современных мегаполисах с развитой распределительной сетью среднего напряжения, с большими объёмами потребления электроэнергии, на питающих центрах (ЦП) к секциям присоединяются отходящие линии в количестве более 10, а ток ОЗЗ превышает 100 А. Общая длина присоединённых к секции кабелей зачастую превышает 150 км, и дугогасящие реакторы обычно настраиваются «в резонанс» для якобы снижения перенапряжений и токов в месте замыкания. Только в этом случае наблюдается эффект «самозалечивания» изоляции кабелей с БМПИ.
Реально в распредсетях внедряются реакторы с подмагничиванием РУОМ (с регуляторами САНК, САМУР и др.), работающие в нормальном режиме со значительной расстройкой. На плунжерных дугогасящих реакторах внедряются регуляторы типа «Бреслер» или «БОРН», которые настраивают ДГР не в резонанс, а с расстройкой 25% и более.
Все упомянутые устройства предназначены для снижения тока в месте замыкания и перенапряжений, однако реально эффективно работают при ёмкостных токах до 50 А, а при больших величинах токов ОЗЗ их эффективность по меньшей мере сомнительна.

ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ НА ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СПЭ
Для оценки состояния кабелей с бумажно-масляной пропитанной изоляцией, представляющих большинство в распределительных сетях стран СНГ, применяются методы разрушающей диагностики с подачей повышенного испытательного напряжения постоянного тока. Очевидно, что переносить буквально эти методы на кабели с изоляцией из СПЭ недопустимо по причине значительного отличия их физических и электрических параметров.
Испытание повышенным напряжением постоянного тока травмирует изоляцию из СПЭ, и если пробой не происходит при испытаниях, то кабель выходит из строя через непродолжительное время эксплуатации. С другой стороны, из практики эксплуатации высоковольтных КЛ известно, что положительные результаты таких испытаний вовсе не гарантируют безаварийную работу кабельной сети в дальнейшем, так как такие скрытые повреждения прежде всего провоцируют развитие триингов.

Пробой изоляции кабельных линий происходит в результате развития дефектов, возникающих при изготовлении, строительстве и эксплуатации. Особое внимание следует обратить на периодические испытания повышенным напряжением кабелей с изоляцией из СПЭ. Оригинальные заводские инструкции по их эксплуатации не содержат требований испытаний повышенным напряжением постоянного тока. В них имеются только рекомендации проведения испытаний переменным током (возможно, пониженной частоты), и то только при вводе в работу или после ремонта. «Успешными» испытаниями выпрямленным током можно нанести «травму» изоляции из СПЭ в виде остаточных явлений и тем самым способствовать снижению её электрической прочности. Она не обладает таким свойством, как «заплывающий пробой» у БМПИ [3, 4].
Выход из создавшегося положения подсказывает мировой опыт эксплуатации КЛ: неразрушающими методами испытаний проводится диагностика силовых КЛ 6 (10) кВ с целью прогнозирования остаточного ресурса и своевременного планового вывода кабеля в ремонт, упреждающих внезапные отключения.
В целях увеличения срока службы кабеля и уменьшения разрушающего воздействия на него постоянного тока необходимо заменить испытание КЛ повышенным напряжением постоянного тока современными неразрушающими методами диагностики. Исходя из изложенного можно сделать вывод о том, что применение таких методов является перспективной задачей, решение которой позволит увеличить срок службы КЛ и надёжность электроснабжения потребителей.
Эта идеология изложена в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» в распределительном электросетевом комплексе», которая в разделе о диагностике кабельных линий сформулирована следующим образом: «В кабельных сетях следует перейти от разрушающих методов испытаний на неразрушающие методы диагностики состояния кабеля с прогнозированием состояния изоляции кабеля» (НРЭ №11, 2006 г., п. 2.6.6). Указанный метод также является показателем прогрессивности технических решений для перспективного развития распределительных сетей.
Поиск мест повреждения на кабелях с изоляцией из СПЭ так же, как и его испытание, заводами-изготовителями рекомендуется проводить только специальными беспрожиговыми методами, с исключением длительного воздействия на изоляцию токоведущей жилы повышенного выпрямленного напряжения. При этом не следует забывать о проблемах с оболочками таких кабелей, необходимости и возможности испытания оболочки кабеля постоянным напряжением (табл. 2).

В кабельной изоляции могут происходить различные формы пробоя: тепловой, ионизационный и электрический. При эксплуатации кабеля происходит либо тепловой, либо ионизационный пробой.
При испытании же кабеля высоким напряжением из-за ограниченного времени приложения напряжения может происходить электрический либо ионизационный пробой. Ионизационный пробой может развиваться при приложении напряжения от нескольких минут до нескольких лет. При испытании повышенным выпрямленным напряжением процессы ионизации усиливаются в несколько раз, поэтому за нормируемое время испытания (5 минут) происходит усиленное старение изоляции, которое совсем не обязательно приводит к пробою и выявлению дефекта. Поэтому главным преимуществом неразрушающих методов испытаний является то, что в момент испытаний кабель не подвергается старению.
Можно сформулировать следующие требования к идеальному методу диагностики кабелей:
• надо производить неразрушающую диагностику без ухудшения эксплуатационных характеристик КЛ;
• по результатам диагностики должна быть с достаточной степенью вероятности гарантирована безаварийная работа кабеля до следующего испытания;
• метод должен быть простым в использовании в условиях эксплуатации, в том числе при обработке результатов испытаний;
• возможность диагностировать кабели с различными типами изоляции и конструкций;
• иметь минимальную стоимость использования.

На сегодняшний день метод, удовлетворяющий вышеуказанным требованиям, отсутствует, но работы по выявлению соответствующего достоверного браковочного критерия и поиска новых методов диагностики производятся многими разработчиками и практиками. Переход на неразрушающую диагностику позволяет продлить срок службы кабеля, что особенно актуально для распределительных сетей среднего напряжения городов-мегаполисов и при этом планировать замену изношенных кабелей исходя из его реального состояния.

ВЫВОДЫ
Для решения вопросов эксплуатации кабельных линий, выбора типа изоляции и сечения кабеля, с учётом условий прокладки и эксплуатации, необходима единая для всех энергосистем СНГ нормативно-техническая документация, которая должна быть обязательна для исполнения как для изготовителей кабеля, так и для строительно-монтажных и эксплуатирующих организаций.

ЛИТЕРАТУРА
1. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 640 с.
2. Кабели силовые для стационарной прокладки. Общие технические условия. ГОСТ 24183-80.
3. Кадомская К.П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения. — Новосибирск: Издательство НГТУ, 1997.
4. Пантелеев Е.Г. Монтаж и ремонт кабельных линий. 2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.
5. Бачелис Д.С., Белорусов Н.И., Саакян А.Е. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник. — М.: Энергия, 1971. — 704 с.
6. Кабели и провода. Основы кабельной техники/ А.И.Балашов, М.А. Боев, А.С. Воронцов и др. Под редакцией И.Б. Пешкова. — М.: Энергоатомиздат, 2009. — 470 с. ил.
7. Инструкция по прокладке кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6—35 кВ. Витебск, ПО «Энергокомплект», 2010. — 47 с.