Технические проблемы при эксплуатации кабелей ВН с изоляцией из сшитого полиэтилена

Кабели высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена, представляющие собой трехфазную систему из кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена однофазного исполнения, эксплуатируются, как правило, при заземлении экранов по концам строительных длин. Такая кабельная линия является системой из трех практически независимых каналов передачи электроэнергии.
При сверхпроводящей «оболочке» в системе из трех однофазных кабелей вся энергия передается по каналу «жила-экран», а в экранах кабелей при этом текут определенные токи, максимально приближающиеся к рабочим токам. Здесь нелишне отметить, что до настоящего времени работники эксплуатирующих и строительных организаций, а зачастую и проектирующих, не представляют опасности неверного заземления экрана силовых кабелей с изоляцией из СПЭ. Как показано в [1], в одной из энергосистем центра при проведении непосредственных измерений токов через жилу (I_ж) и через экран (I_эк) реального кабеля длиной 2,5 км при сечении жилы 500 мм² и экрана 95 мм² получены следующие результаты: 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 недопустимо для экрана, сечение которого по различным причинам обычно меньше сечения жилы.
Очевидно, что рассмотренный и другие аналогичные кабели с изоляцией из СПЭ от тепловых повреждений спасает сравнительно малая нагрузка, которая значительно ниже расчетной. Активное сопротивление «оболочки», имеющее конечную величину, вытесняет часть энергии в пространство наружу экрана. Эта часть энергии при этом рассеивается в виде активных потерь в толще экрана, вызывая ее нагревание. Отмеченное существенно ухудшает тепловой режим работы кабелей, а, следовательно, несколько уменьшает допустимый рабочий ток. Так, устранение потерь энергии в экране ряда кабелей высокого напряжения могло бы привести к увеличению пропускной способности кабельных линий на 35–40%.
Устранение продольных токов, в том числе токов замыкания на землю в сетях ВН и СВН, по экрану кабелей из сшитого полиэтилена может быть осуществлено различными путями.
Наиболее простым путем в этом направлении является способ одностороннего заземления экранов в конце каждой строительной длины кабеля путем применения специальных изолирующих муфт (рис. 1а).
Неплохие результаты дает электромагнитная компенсация с применением транспозиции экранов (рис. 1б), где сумма э.д.с., наводимых в экранах трех секций транспозиции, равна нулю вследствие сдвига э.дс. на 120°. В итоге продольные токи в экране в нормальном режиме не протекают. Разумеется, при транспозиции сумма э.д.с будет равна нулю в том случае, если фазы расположены симметрично. В противном случае несимметрия вызовет ток через экраны кабелей, вызывая дополнительный нагрев изоляции.

Однако оба способа нарушения целостности электромагнитного экрана кабелей, приведенные выше, будут вызывать вытеснение поля в пространство наружу экранов, а, следовательно, ряд нежелательных явлений, которые будут затруднять эксплуатацию кабелей. К этим нежелательным явлениям относятся:
а) наведенные потенциалы частоты 50 Гц на экранах кабелей, возникающие как в рабочих режимах, так и при аварийных (возникновениях коротких замыканий);
б) дополнительные потери в подземных и надземных металлических коммуникациях, находящихся вблизи кабельной линии, от вихревых токов и подсушкой почвы этими токами;
в) импульсные воздействия на изоляцию экранов кабелей при падении грозовых импульсов и крутых импульсов коммутационных перенапряжений.

При прерывании тока путем разземления экрана на одном из концов кабеля будут иметь место перенапряжения на экране, опасные для изоляции между экраном и землей. Защита этой изоляции может быть осуществлена с помощью нелинейных ограничителей. Выбор ОПН для этой цели тоже связан с рядом проблем.
Следует выполнить работы, направленные на преодоление перечисленных выше проблем, и обеспечить надежную эксплуатацию кабелей ВН и СВН.
Напряжения на оболочке могут приобрести значительные величины и представлять опасность для обслуживающего персонала. Необходимо предусмотреть меры защиты экрана от перенапряжений с частотой 50 Гц и близких к ней частот.
Напряжения нулевой последовательности на экране рассмотренных кабелей могут быть уменьшены двумя путями.
Создание дополнительного пути для протекания обратного тока нулевой последовательности будет уменьшать собственную индуктивность 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 прокладку дополнительного заземленного провода (троса) по трассе защищаемой кабельной линии.
Вторым путем ограничения напряжения нулевой последовательности на оболочке кабеля является применение специальных трансформаторов, обладающих большим сопротивлением прямой последовательности  Х₁ и малым сопротивлением нулевой последовательности Х₀. Такое соотношение сопротивлений достигается с помощью трансформатора, подключаемого к фазам кабеля согласно рис. 2.

Аварийные токи нулевой последовательности замыкаются через обмотки I трансформатора Т и экраны кабелей фаз А, В и С. При этом рабочие токи прямой последовательности, протекающие по экранам, малы. Основную помощь в отводе токов нулевой последовательности у этого трансформатора оказывает обмотка II, соединенная в треугольник.
Что же касается схемы с транспозицией оболочек, то здесь токи нулевой последовательности протекают по оболочкам, и поэтому она является практически самозащищенной от наведенных потенциалов частоты 50 Гц нулевой последовательности.
Еще одной проблемой является проблема испытания кабелей с изоляцией из СПЭ. Их испытание постоянным напряжением может привести к изменению структуры СПЭ и выходу из строя кабелей под рабочим напряжением. Рассмотрим этот вопрос на примере кабелей 10 кВ.
Обычно при реализации кабелей производителем Заказчику передается «Инструкция по эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ, например, на напряжение 10 кВ ИЭ-1-К10», в которой в разделе «3. Испытание кабельных линий...» предписываются объемы и нормы испытаний кабельных линий (КЛ). В разделе 3.1. «Испытание КЛ» в пункте 3.1.1 говорится о том, что КЛ после прокладки и монтажа должны быть испытаны постоянным напряжением 60 кВ в течение 10 мин. Оболочка кабеля после прокладки должна быть испытана постоянным напряжением 10 кВ в течение 10 мин. Там же отмечается, что по согласованию с изготовителем кабеля допускается проведение испытаний КЛ напряжением низкой частоты.
Далее в статье высказываем нашу точку зрения по вопросу испытания кабелей с изоляцией из СПЭ.
Документ «Объемы и нормы испытаний электрооборудования» составлен АО «Фирма ОРГРЭС» и утвержден РАО «ЕЭС России». Для силовых кабелей и КЛ с бумажно-пропитанной изоляцией установлены нормы испытаний постоянным напряжением до 10 кВ включительно 6U_ном. Для кабелей с пластмассовой изоляцией такие же нормы, как и для кабелей с бумажной изоляцией; то есть для кабелей с рабочим напряжением 10 кВ — 6U_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 включительно, а кабели напряжением 110-500 кВ — маслонаполненные кабели с бумажно-масляной изоляцией. Все неприятности заключаются в том, что кабельные линии существенно состарились, в большинстве случаев они отработали свой срок службы и продолжают еще работать.
Профилактические испытания по этим нормам в эксплуатации приводят к тому, что кабели пробиваются в момент проведения испытаний, а если их не проводить, то кабельные линии продолжают работать. Реагируя на сплошные потоки жалоб, просьб и предложений от работников энергосистем и электрических сетей промышленных предприятий изменить жесткие требования при проведении профилактических испытаний, РАО «ЕЭС России» ослабило жесткие требования. Так, при испытании кабельных линий, которые проработали 15 лет и более, испытательное напряжение изменялось для кабелей напряжением 10 кВ с 6U_ном до 4U_ном. Время испытаний кабелей также изменялось с 10 мин. до 5 мин. Все отмеченное должно быть оформлено документально распоряжением главного инженера энергосети для каждой КЛ.
Несмотря на некоторые формальности, изменения несколько облегчили положение кабельщиков, однако принципиально не изменили ситуацию. Дело в том, что когда устанавливали объемы и нормы испытаний КЛ, тогда состаренные КЛ своевременно меняли и они не доходили до такого состояния, которое наблюдается сейчас (часто количество муфт на распределительных КЛ доходит до 15 и более на 1 км длины).
Для обоснования отказа от испытания КЛ постоянным напряжением необходимо было исследовать физические процессы в электрической изоляции кабелей при испытании их постоянным напряжением. В кабельной бумажной или пластмассовой изоляции имеется большое количество технологических дефектов (раньше их называли дефектами, потом называли дислокациями, а в настоящее время — ловушками), различных по размеру и по глубине залегания. Их называют глубокими (крутыми), средними и мелкими ловушками. В электрическом поле они захватывают носители зарядов (электроны, ионы) и заряжаются, образуя объемные заряды. Величину зарядов, глубину залегания и их количество определить невозможно. 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 искаженное электрическое поле при повышенном испытательном напряжении приводит к пробою изоляции даже при кратковременном приложении напряжения (5-10 мин.). Это и является истинной причиной пробоя состаренных КЛ при профилактических испытаниях.
При переменном напряжении никаких объемных зарядов в изоляции (ловушках) не образуется. Но переменным напряжением кабели испытывают только на заводах-изготовителях, а в полевых условиях КЛ испытать переменным напряжением 50 Гц невозможно, т.к. испытательные трансформаторы достаточной мощности (для перезарядки КЛ 50 раз в секунду) имеют массу 20-30 тонн, поэтому испытания проводят постоянным напряжением, т.к. КЛ при постоянном напряжении перезаряжать не нужно (при этом можно использовать однополупериодное выпрямление, т.к. КЛ имеет большую емкость и не нужно использовать сглаживающих конденсаторов). Испытание КЛ постоянным напряжением как отмечалось, приводит к образованию объемных зарядов на ловушках в изоляции, которые резко искажают электрическое поле в ней и приводят к ее пробою. Если пробой изоляции не произошел, то она подвергается существенному электрическому старению в период испытания, что инициирует пробой в процессе эксплуатации или при следующем профилактическом испытании. Это приводит к противоречию с ГОСТом, в котором в общих фразах говорится о том, что необходимо выбирать такое испытательное напряжение, которое не приводит к старению изоляции кабелей во время испытаний.
Как отмечалось выше, в инструкции по эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 10 кВ ИЭ-1-К10 говорится: «По согласованию с изготовителем кабеля допускается проведение испытаний КЛ напряжением низкой частоты». У нас допускается, а зарубежные страны только так и проводят испытания частотой 0,1 или 0,01 Гц. Эти испытания они называют «нежными», т.к. в момент проведения испытаний не оказывается существенного воздействия на изоляцию кабелей, не возникают объемные заряды в ловушках и, если пробивается изоляция кабелей, то действительно только ослабленная. Практика проведения испытаний показала, что испытания сверхнизкой частотой (СНЧ)надежно выявляют места повреждения изоляции в кабелях и никаким образом не вызывают новые их повреждения.
Немецкая фирма «Надепик» в течение нескольких лет применяет установки для испытания КЛ переменным током частотой 0,1 Гц (СНЧ). Обсуждение результатов испытаний кабельных линий потребителями и их анализ дал возможность научно обосновать этот метод. Она изготавливает по индивидуальному заказу установки СНЧ.
Так, например, такая установка СНЧ частотой 0,1 Гц приобретена для кабельной сети Ленэнерго в 2005 году для испытаний КЛ на 10 кВ; стоимость установки 1,6 млнруб., масса ее примерно 30 кг, снабжена персональным компьютером с программным управлением. Проведены успешно испытания более 50 КЛ в Северном районе кабельной сети Ленэнерго.
По поводу испытания КЛ 10 кВ с изоляцией из СПЭ приведем следующий показательный пример. Один из авторов статьи был участником Всероссийской научно-технической конференции: «Пути повышения надежности, экономичности и безопасности энергетического производства» 6-10 июня 2005 года, состоявшейся в станице «Дивноморское» Краснодарского края. На конференции главный инженер ОАО «Кубаньэнерго» доложил о проведении испытаний трех кабельных линий с изоляцией из СПЭ напряжением 10 кВ. Подошло время проведения очередных профилактических испытаний этих линий, и технадзор настоял на проведении этих испытаний. У энергосистемы нет установки СНЧ, поэтому проводили испытания постоянным током. Вначале провели испытания одной КЛ, которое прошло нормально. Потом успешно испытали еще две кабельные линии. Но все три новые кабельные линии с изоляцией из СПЭ в течение 6 месяцев пробились. Поэтому зарубежные фирмы-изготовители категорически запрещают проводить испытания кабелей и КЛ постоянным напряжением.

Литература
Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6-500 кВ. Изд. «НИВА», Санкт-Петербург, 2007.