Кабели 6-35 кВ с пластмассовой изоляцией: факторы эксплуатационной надежности
 
Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Кабели 6-35 кВ с пластмассовой изоляцией: факторы эксплуатационной надежности

В крупных городах и промышленных центрах с высоким уровнем энергопотребления и плотности нагрузки кабели среднего напряжения являются основным функциональным звеном в системе электроснабжения потребителей.
В условиях рыночных отношений для предотвращения значительных финансовых потерь надежность и низкие затраты на эксплуатацию являются главными требованиями к распределительным кабельным сетям (РКС). Одной из мер повышения надежности является замена традиционных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такая замена имеет не только очевидные достоинства, но и определенные недостатки. Об этом рассуждает Юрий Анатольевич Лавров.

В настоящее время в отечественной электроэнергетике физический износ кабельного парка находится на уровне 70–80%, а удельная повреждаемость КЛ в среднем составляет от 4,5 до 7 случаев на 100 км/год. Относительно высокая повреждаемость кабельных линий (КЛ) и значительная протяженность РКС (которая, например, для таких городов­мегаполисов, как Москва, Санкт­Петербург и Новосибирск, составляет соответственно около 57, 44 и 3 тыс. км) заставляет обслуживающий персонал работать в аварийно­восстановительном режиме эксплуатации КЛ. Это практически исключает проведение плановых профилактических испытаний по своевременному выявлению электрически ослабленных мест в изоляции кабельной системы. Эксплуатационный персонал в ущерб плановым испытаниям и своевременной диагностике технического состояния КЛ вынужден отвлекать материальные и людские ресурсы на трудоемкие аварийно­восстановительные работы (в основном в неудобный зимне­весенний период) по ликвидации повреждений КЛ.

ПРЕИМУЩЕСТВА КПИ

Несколько облегчить ситуацию призваны кабели нового поколения, использующие в качестве изоляции сшитый полиэтилен (СПЭ), у которых есть неоспоримые преимущества по отношению к кабелям с бумажной пропитанной изоляцией (КБПИ). К основным преимуществам кабелей с пластмассовой изоляцией (КПИ) можно отнести:

  •  значительные строительные длины, что сокращает количество соединительных муфт и за счет нивелирования человеческого фактора на стадии монтажа косвенно повышает надежность эксплуатации КЛ;
  • повышенная пропускная способность за счет увеличения сечения токопроводящей жилы кабеля однофазного исполнения до 630–1000 мм2 и более высокой (на 15–20%) токовой нагрузки, обусловленной допустимой рабочей температурой СПЭ­изоляции до 90OС;
  •  высокая скорость монтажа и ремонтопригодность КПИ при использовании кабельной арматуры на основе термоусаживаемых композитных материалов;
  • низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева, возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней и более экологичный монтаж и эксплуатация (за счет отсутствия свинца, масла, битума).

Следует добавить, что по заверениям зарубежных и отечественных предприятий­изготовителей поток отказа КПИ на один­два порядка меньше по сравнению с КБПИ. Именно поэтому кабели нового поколения являются столь привлекательными для эксплуатирующих организаций РКС. Однако к этим показателям надежности, как мне кажется, следует относиться не столь оптимистично, поскольку опыт наработки КПИ в отечественных РКС практически отсутствует, а распространение зарубежного опыта эксплуатации КПИ применительно к нашим условиям не совсем корректно. При чисто механическом подходе по замене КБПИ на КПИ без учета их конструктивных особенностей и специфики диэлектрической среды из СПЭ мы можем столкнуться в отечественных РКС с более высокими значениями потока отказов КПИ по отношению к декларируемым показателям.

НЕДОСТАТКИ

Опыт эксплуатации КБПИ в отечественных РКС, а также мониторинг различных аномальных режимов эксплуатации в городских кабельных сетях Барнаула и Новосибирска показал, что электрический пробой изоляции при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в 60–70% случаев самоликвидируется и эксплуатационный персонал эти аварийные режимы не фиксирует. Высокая «живучесть» КБПИ обусловлена спецификой диэлектрической среды. В рассматриваемом случае перемежающаяся дуга горит в замкнутом объеме изоляции в месте возникновения ОЗЗ и в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю, скорости восстановления электрической прочности в месте горения дуги и восстанавливающегося напряжения (зависящего от параметров сети) аварийный режим может самоликвидироваться.

Иная картина будет иметь место при внедрении в распределительную сеть КПИ. При электрическом пробое твердого диэлектрика кабель не сможет восстановить свою электрическую прочность, и любое ОЗЗ будет приводить к устойчивому аварийному режиму. В этом случае эксплуатационному персоналу каждое возникновение ОЗЗ в изоляционной системе КЛ необходимо будет устранять. Таким образом, наряду с неоспоримыми преимуществами КПИ имеют существенный недостаток, заключающийся в отсутствии эффекта самозалечивания СПЭ­изоляции. Именно это обстоятельство необходимо принимать во внимание, заблаговременно предусмотреть и создать такие условия эксплуатации КПИ, которые минимизировали бы их каскадный выход из строя.

ФАКТОРЫ НАДЕЖНОСТИ

На первый взгляд кажется странным поднимать вопрос о повышении надежности кабельных изделий с улучшенными эксплуатационными и технико­экономическими показателями. Ведь очевидно, что всё новое должно быть лучше предыдущего. Что же касается электроэнергетики, то в этой достаточно ответственной и консервативной (в хорошем понимании этого слова) отрасли ко всему новому, как показала практика, следует подходить разумнои с осторожным оптимизмом.

На кафедре техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) на протяжении более двадцати лет одним из научных направлений являются исследования по анализу условий эксплуатации КЛ среднего и высокого напряжения в сетях различного назначения. Одним из главных выводов этих исследований является тезис о необходимости системного подхода на стадиях проектирования, разработки конструкции кабеля и эксплуатации для обеспечения требуемой надежности, экономичности и экологичности закрытых линий электропередачи. В настоящей статье делается попытка показать одну из сторон такого системного подхода, который желательно принимать во внимание проектным и эксплуатирующим организациям при внедрении КПИ на стадии сооружения новых и реконструкции существующих участков городских РКС.

К основным факторам, определяющим эксплуатационную надежность КПИ, можно отнести следующие:

  • ресурс изоляционной системы КПИ;
  • режим заземления нейтрали в РКС;
  • уровни перенапряжений в РКС, возникающие при однофазных дуговых замыканиях (ОДЗ), грозовых перенапряжениях и коммутациях КЛ;
  • температурный режим эксплуатации кабеля;
  • необходимое сечение экрана;
  • методы диагностики технического состояния КПИ;
  • параметры испытаний и нормативно­техническая база по сооружению и эксплуатации КПИ.

Рассмотрим кратко влияние каждого из выше отмеченных факторов на эксплуатационную надежность КПИ.

РЕСУРС ИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КПИ

Под изоляционной системой понимается совокупность изоляции и полимерных электропроводящих экранов, внутри которых замыкается электрическое поле кабеля.

Выбор допустимых средних напряженностей электрического поля в КПИ, исходя из длительно воздействующего рабочего напряжения, в первую очередь определяется процессом старения изоляции. Интенсивность деградации СПЭ­изоляции (под которой в дальнейшем будем понимать снижение электрической прочности изоляции при рабочем напряжении и перенапряжениях) определяет эксплуатационную надежность и срок службы КПИ.

Для кабелей различного конструктивного исполнения механизм старения изоляции различен и зависит от вида применяемого изоляционного материала. Например, одной из основных причин электрического старения кабелей с бумажной пропитанной изоляцией могут быть частичные разряды (ЧР), разложение молекул масла и бумаги в результате ионизации и электрохимических процессов. На электрическую прочность КПИ влияет существенно большее количество факторов, обусловленных как технологией изготовления, так и спецификой изменения физико­химических свойств СПЭ в процессе эксплуатации при термическом, механическом и электрическом воздействиях.

Монолитная полимерная изоляция в отличие от бумажной пропитанной изоляции является более чувствительной к разного рода посторонним микровключениям, пустотам, выступам на электропроводящих экранах и другим дефектам, которые повышают локальную напряженность электрического поля в толще твердого диэлектрика и создают предпосылки для образования триингов (проводящих каналов в СПЭ, которые в силу природы их образования можно разделить на триинги электрического происхождения (ЭТ) и водные триинги (ВТ) электрохимического происхождения). Не будем подробно останавливаться на механизмах влияния триингообразований на деградацию полимерной изоляции – это отдельный и довольно сложный вопрос, по которому в настоящее время имеются существенные наработки как у отечественных (например, у В.А. Канискина, СПбГПУ; С.М. Лебедева, Томский НИИ ВН; М.Ю. Шувалова, ВНИИКП и др.), так и у зарубежных исследователей.

Электрическая прочность КПИ на переменном и импульсном напряжениях зависит от различных взаимосвязанных факторов, которые условно можно разделить на две группы: технологически обусловленные и эксплуатационные факторы. К первой группе относятся технологические дефекты на стадии изготовления КПИ: воздушные и инородные включения, микровыступы проводящих элементов в изоляцию, неоднородность структуры СПЭ, внутренние (остаточные) механические напряжения в изоляции. Ко второй группе относятся: механические напряжения, которые могут появиться в СПЭ­изоляции на стадии монтажа КПИ; термическое старение СПЭ­изоляции; время зарождения и скорость развития триингов; воздействие импульсных перенапряжений с крутыми фронтами.

Следует отметить, что в отличие от «мягкой» бумажной пропитанной изоляции СПЭ более чувствителен к воздействию высокочастотных перенапряжений. При резком вводе энергии в твердый диэлектрик происходит разрыв на молекулярном уровне связей между молекулами углерода и водорода в местах повышенной напряженности электрического поля – например, на кончике триинга, где напряженность электрического поля на два­три порядка может превышать среднюю напряженность. Это приводит к изменению структуры и физико­механических свойств СПЭ и возникновению внутри него новых микрополостей, которые способствуют дальнейшему развитию ЭТ в толще твердого диэлектрика в виде дендрита (древовидного образования, имеющего повышенную проводимость и приводящего к прогрессирующему разрушению диэлектрика).

Очевидно, что постоянное совершенствование технологии изготовления КПИ, а также демпфирование влияния (за счет грамотного проектирования и эксплуатации) второй группы факторов позволят более «экономно расходовать» ресурс изоляционной системы КПИ и довести его фактическую наработку до нормативного срока службы (30 лет).

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В РКС

При поэтапной замене кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на КПИ в распределительных кабельных сетях будут эксплуатироваться в одной электрически связанной схеме кабели с различными механизмами пробоя и деградации электрической изоляции. На рис. 2 в качестве примера приведена потенциально возможная схема участка РКС при постепенной замене кабелей традиционного исполнения с большим сроком эксплуатации на кабели нового поколения.

В процессе эксплуатации КЛ, наряду с механическими и тепловыми воздействиями, подвергаются перенапряжениям с различными амплитудно­временными параметрами. За рубежом кабельные сети эксплуатируются в основном с заземленной нейтралью. И при возникновении режима ОЗЗ поврежденный фидер отключается с переводом потребителя на резервное электроснабжение, т.е. изоляционная система «здоровых» фаз КПИ не находится длительное время под линейным напряжением.

В зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю отечественные РКС эксплуатируются с неэффективно заземленной либо изолированной нейтралью и при возникновении в них режима ОЗЗ изоляция «здоровых» фаз КПИ будет длительно (до 4–6 часов) подвергаться воздействию номинального напряжения.

Учитывая этот фактор, конструкция отечественных КПИ была адаптирована к условиям эксплуатации в российских РКС за счет увеличения толщины изоляции, например, для кабеля номинальным напряжением 10 кВ с 3,4 мм до 4,0 мм. Таким образом, за счет снижения средней напряженности электрического поля в изоляционной системе КПИ несколько увеличили инкубационный период зарождения триингов и время его развития, которые, собственно, и определяют электрическую прочность и остаточный ресурс КПИ. Следует также обратить внимание на следующее.

Согласно [1], в зависимости от значения емкостных токов замыкания на землю, возникшие в РКС режимы ОЗЗ на начальной стадии, вследствие заплывания канала электрического пробоя, могут самоустраняться через несколько периодов промышленной частоты либо перейти в режим устойчивого горения дуги длительностью в единицы и десятки секунд с последующим переходом в режим глухого металлического замыкания. На начальном этапе ОДЗ повторные пробои в дуговом промежутке происходят при напряжении 0,6–1,0 Uфm и в дальнейшем, с науглероживанием канала электрического пробоя, снижаются до 0,6–0,8 Uфm. Возникающие в переходном и установившемся режимах ОДЗ перенапряжения не превышают 2,3–2,5 Uфm.

Такие амплитудно­временные параметры перенапряжений в комбинированной РКС могут сопровождаться не только каскадным выходом из строя на участке электрически связанной сети нескольких КБПИ с ослабленной изоляцией, но и ускоренной деградацией изоляционной системы КПИ. Устранить этот неблагоприятный фактор можно при использовании в РКС низкоомного резистивного заземления нейтрали, когда при возможности обеспечения резервного питания поврежденный кабель практически сразу же отключается.

Следует отметить, что здесь акцент делается на низкоомное заземление нейтрали. Применение высокоомного заземления в РКС не актуально, поскольку перенапряжения в кабельных сетях при ОДЗ, как правило, не превышают уровня 2,5 Uфm, т.е. уровня, отвечающего первичному зажиганию дуги 2,3–2,5 Uфm при оснащении нейтрали сети резисторами, способствующими после погасания дуги разряду емкости сети и снижению напряжения на аварийной фазе к моменту возможного повторного зажигания до значения, не превышающего напряжения при первичном зажигании дуги.

Основным моментом при одновременной эксплуатации в комбинированной РКС кабелей с различной диэлектрической средой является не ограничение перенапряжений, а устранение самого факта длительного воздействия на фазную изоляцию КПИ линейного напряжения и перенапряжений при ОДЗ. В этом случае увеличивается наработка КПИ за счет более «экономного расхода» ресурса электрической прочности изоляционной системы кабеля.

В практике эксплуатации РКС резистивное заземление до настоящего времени широкого применения не нашло. Это обусловлено в том числе отсутствием общей методики по определению необходимых параметров резистора (величины сопротивления и его энергетических характеристик), принципов организации и функционирования релейной защиты для новых и реконструируемых участков сети. На современном этапе развития РКС при их постоянно расширяющейся конфигурации, внедрении КПИ с повышенной пропускной способностью, резервировании большинства потребителей, наличии большого количества исследований по различным режимам заземления нейтрали имеются хорошие перспективы для успешного внедрения резистивного заземления нейтрали. Не стоит сбрасывать со счета и применение нейтрали, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР).

Однако эксплуатация комбинированных кабельных сетей (содержащих КБПИ и КПИ) при оснащении их нейтралей ДГР может быть оправдана лишь при автоматическом регулировании степени компенсации емкостного тока ОЗЗ, когда при электрическом пробое кабелей с бумажной пропитанной изоляцией высока вероятность самоустранения горения дуги. В этом случае длительность перенапряжений минимальна, уровень перенапряжений отвечает первичному зажиганию дуги 2,4–2,5 Uфm, а переход перемежающегося характера горения дуги в металлическое замыкание практически невозможен.

При отсутствии такого регулирования неминуемо будет наблюдаться, во­первых, высокая аварийность физически изношенных КБПИ в основном из­за многоместных повреждений при ОДЗ, во­вторых, при переходе ОДЗ в металлические замыкания «здоровые» фазы КПИ могут длительно (до нескольких часов) находиться под воздействием линейного напряжения. Последний фактор приводит к увеличению средней напряженности электрического поля в СПЭ­изоляции и созданию благоприятных условий для развития триингов в электрически ослабленных местах, локально распределенных по толщине изоляции и длине кабеля. Таким образом, при поэтапном внедрении в РКС кабелей с изоляцией из СПЭ нельзя чисто механически заменять кабели традиционного исполнения на КПИ. Необходимо по возможности создавать для них более мягкие условия эксплуатации, связанные с уменьшением амплитудно­временных параметров перенапряжений при возникновении ОЗЗ и ОДЗ. В этом случае время зарождения и скорость роста водных или электрических триингов в СПЭ­изоляции будет снижена, а фактическая наработка КПИ увеличена.

ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Выше отмечалось, что электрическая прочность КПИ резко снижается при многократном воздействии высокочастотных перенапряжений. В городских РКС грозовые перенапряжения, воздействующие на КПИ, могут иметь место лишь при воздействии грозовых волн на обмотку высшего напряжения трансформатора (рис. 2) за счет емкостных и индуктивных связей между обмотками высшего (ВН) и низшего напряжения (НН) трансформатора.

Согласно [2] наиболее опасные воздействия на оборудование со стороны обмотки НН возникают при воздействии срезанных волн, когда первый (максимальный) пик трансформируемой грозовой волны определяется емкостными связями (емкостями обмоток ВН и НН, а также емкостью между этими обмотками). Для ВЛ110 кВ практически все волны будут срезанными, для которых трансформатор, в сущности, представляет собой емкостный делитель с коэффициентом деления в диапазоне Кт = 0,3–0,5. Учитывая реальные амплитуды срезанных волн (отвечающих вольт­секундной характеристике линейной изоляции ВЛ), Кт и низкое эквивалентное волновое сопротивление кабелей, примыкающих к шинам главной понижающей подстанции (ГПП), уровни грозовых перенапряжений, воздействующих на КПИ, будут составлять единицы процентов от амплитуды воздействующей волны и не превышать 30–40% импульсной прочности КПИ. Очевидно, что при отсутствии связи КПИ с ВЛ посредством понижающего трансформатора грозовые перенапряжения на КПИ не будут воздействовать. Таким образом, при внедрении КПИ в РКС грозовые перенапряжения во внимание можно не принимать.

В следующем номере журнала Юрий Лавров остановится на воздействии на КПИ коммутационных перенапряжений, тепловом режиме эксплуатации, особенностях диагностики технического состояния и испытаниях кабелей с пластмассовой изоляцией.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.В. Диагностика и мониторинг кабельных сетей среднего напряжения // Электротехника. – 2000. – № 11. – С. 48–51.
2. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник. – Новосибирск: Изд­во НГТУ, 2004. – 368 с.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно