Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, необходимо проработать комплекс вопросов,

связанных с условиями эксплуатации КПИ и ГИЛ в типовых схемах их

использования при воздействии грозовых перенапряжений, которые

влияют, в том числе, на выбор поперечных габаритов ЗЭП. Следует

отметить, что коммутационные перенапряжения, как правило, могут не

рассматриваться из-за малой протяженности кабельных линий.

При комплексном подходе по обеспечению требуемой

эксплуатационной надежности, экономичности и экологической

безопасности с техно и биосферой ЗЭП ВН необходимо иметь

информационно-значимую картину по всем проблемам, сопровождающим

ЗЭП на протяжении всего периода "их жизни" – от стадии проектирования

и изготовления до выхода из строя в процессе эксплуатации. В этой связи

в настоящем разделе рассматриваются вопросы грозоупорности ЗЭП в

типовых схемах их использования и проводится краткий анализ мировой и

отечественной литературы по проблемам совершенствования конструкции

и особенностям эксплуатации КПИ и ГИЛ с целью дать ответы на

следующие вопросы:

• какие современные научно-технические, технологические и

эксплуатационные решения принимаются как в России, так и за рубежом

на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации КЛ для

повышения их технико-экономических показателей, направленных на

продление срока службы КЛ, обеспечения их экономичности и

необходимой эксплуатационной надежности?

• как вписываются ЗЭП нового поколения в современные концепции

развития, реконструкции и технического перевооружения электрических

сетей среднего и высокого напряжения?

7.2 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ КАБЕЛЕЙ С ПЛАСТМАССОВОЙ

ИЗОЛЯЦИЕЙ (КПИ) 110-220 кВ

7.2.1 КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К КОНСТРУИРОВАНИЮ,

ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КПИ ВН

Проводившиеся последние 15-20 лет на кафедре ТЭВН НГТУ

исследования по анализу условий эксплуатации КПИ в нормальных и

аварийных режимах в различных схемах их применения показали на

необходимость при конструировании и эксплуатации КПИ

одновременного учета факторов, которые зачастую находятся в

противоречии между собой. К этим факторам относятся: экономичность,

рациональная конструкция кабеля, эксплуатационная надежность и

экологическая совместимость КПИ с техно и биосферой [78].

При выборе оптимальной конструкции и рациональных режимов

эксплуатации КПИ необходимо учитывать противоречивость отмеченных

факторов и принимать их во внимание на всех стадиях "жизни" КПИ: при

проектировании, конструировании и эксплуатации. Так, например, все

решения, направленные на снижение антропогенного влияния КЛ, могут

привести не только к удорожанию кабелей, но и к формулировке

дополнительных требований к конструкции КПИ. Исследования показали,

что выбор оптимальной конструкции экранов КЛ подводной и подземной

прокладки основывается на разных критериях. Например, для подводных

кабелей на основе требования минимума плотности тока в водной среде

необходимо увеличить проводимость экрана, а для кабелей подземной

прокладки для уменьшения степени эскалации эрозии почвы по трассе КЛ

необходимо уменьшить дополнительные потери (токи) в экранах за счет

снижения проводимости экрана, либо специальных схем эксплуатации

экранов – одностороннего заземления экрана на строительном участке КЛ

или осуществления их транспозиции [2, 79-80]. Поэтому для обеспечения

необходимой эксплуатационной надежности, экономичности и

экологической безопасности подводной или подземной КЛ необходимо

найти оптимальное сочетание всех конструктивных и эксплуатационных

факторов с учетом минимизации капитальных и эксплуатационных затрат.

Следовательно, подход к проектированию, конструированию и

эксплуатации КПИ должен быть системным и учитывать экономичность,

эксплуатационную надежность и экологическую совместимость КЛ с

техно и биосферой. На рис.7.2 приведена блок-схема, поясняющая

взаимодействие разных факторов и их влияние на конструкцию,

проектирование и эксплуатацию КЛ. Из приведенной структурной схемы

видно, что экономически оправданная, надежная и экологическая

безопасная эксплуатация КПИ возможна лишь при условии, если все эти

вопросы будут учитываться не только на стадии эксплуатации КЛ, но и на

стадиях научно-обоснованного конструирования кабелей, их изготовления

и проектирования трассы прокладки.

7.2.2 ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КПИ 110-220 кВ

Анализ зарубежной литературы и относительно небольшой опыт

отечественной электроэнергетики показали, что основной нишей

использования КПИ в электрических сетях номинальным напряжением

110-220 кВ является осуществление связи между ВЛ и ОРУ (или КРУЭ), в

случаях, когда применение ВЛ невозможно по техническим, эстетическим

или экологическим соображениям. При этом практический диапазон

изменения длин кабельных вставок составляет сотни метров - единицы

километров.

Cистемный подход

к проектированию, конструированию и эксплуатации

КПИ среднего и высокого напряжения

Экономичность

конструкции

Экологическая

совместимость

Эксплуатационная

надежность

Технико-

экономи -

ческая

координа -

ция

изоляции

КПИ

Увеличение

электри -

ческой

прочности

Много-

функцио -

нальное

использо -

вание КПИ

Уменьше -

ние

дополни -

тельных

потерь

в экранах

Уменьшение

материало -

емкости

конструкции

Глубокое

ограничение

перенапря -

жений

Транспози -

ция

экранов

Защита

изоляции

экранов

от перена -

пряжений

Подземные

КПИ

Подводные

КПИ

Эрозия почвы

Влияние на

ихтиофауну

Конструкция

экрана

и брони

Заземление

экранов на

береговых

подстанциях

Режимы

эксплуатации

КПИ

Способ

прокладки

фаз КПИ

Конструкция

экрана

и брони

Транспозиция

экранов

Способ

прокладки

фаз КПИ

Совершен -

ствование

конструк -

ции и

технологии

изготовле -

ния КПИ

Разработка

требований

к ОПН

и системе

РЗ и ПА

Глубокое

ограничение

перенапря-

жений

Повышение

термической

стойкости

экранов

Уровень

испытатель -

ного

напряжения

Оптимиза -

ция

параметров

профилак -

тических

испытаний

Режимы

заземления

нейтрали

Прокладка

дополни -

тельного

заземленного

проводника

Изменение

конструкции

экрана

Форма

испытатель -

ного

напряжения

Периодичность

проведения

профилактических

испытаний

Диагностика

состояния

КПИ

Выявление

электрических

и водных

триингов

Параметры

диагностируемых

импульсов

Состояние

экрана

(коррозия)

Рис.7.5 Структурная схема влияния различных факторов на основные

характеристики передачи электроэнергии по КПИ ВН

Так, например, КПИ 110 кВ используется в качестве связи между ВЛ и

КРУЭ в "Башкирэнерго" [81]. В центре г. Уфы в 2000 г. было построено

закрытое распределительное устройство (ЗРУ) площадью - 24х37 м,

номинальным напряжением 110/6/6 кВ и мощностью 2х25 МВА. При этом

ЗРУ 110 кВ выполнено на базе 7 ячеек КРУЭ фирмы "ALSTHOM". ЗРУ

спроектировано для эксплуатации без обслуживающего персонала, с

централизованным диспетчерским управлением. Связь между ВЛ 110 кВ и

ЗРУ осуществлена с помощью изготовленных на "АББ-Москабель" КПИ

типа ПвПу2г-110-1х400-150-64 с сечением медной жилы 400 мм

. Длина

двухцепной кабельной вставки - 1,7 км.

В Москве при высокой плотности застройки согласно генеральному

плану реконструкции распределительных сетей предполагается заменить в

ближайшие 5-10 лет все ОРУ и ВЛ 110-220 кВ на КРУЭ и КПИ. В августе

2003 г. в ОАО "Мосэнерго" введена в эксплуатацию кабельная линия 220

кВ длиной 12 км, осуществляющая связь между ТЭЦ-20 и ПС "Очаково"

[82]. Планируется ввод второй линии, соединяющей ТЭЦ с ПС "Южная".

КПИ строительной длиной 660 м изготовлены корпорацией Nexans.

Следует отметить, что для увеличения пропускной способности этой

электропередачи была выполнена транспозиция экранов КПИ.

В г.Лонг-Айленд (США) в 2000 г. сооружен глубокий ввод с

помощью КПИ 138 кВ при передаваемой мощности 160 МВА [83]. Для

обеспечения надежности этого канала передачи были проложены 4 фазы с

медными жилами сечением 1267 мм

и с изоляцией из сверхчистого

полиэтилена толщиной 21,6 мм, армированного алюминиевым экраном

толщиной 2 мм, термическая стойкость которого позволяет выдерживать

семь периодов тока КЗ значением 50 кА. В качестве защитных аппаратов

использованы ОПН, установленные по концам кабельной вставки.

При анализе перенапряжений в настоящем учебнике в качестве

расчетных будем принимать схемы, в которых КПИ длиной 0,5…3 км

используются для связи с ОРУ или КРУЭ [84-89].

7.2.3 КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ

ПРОЧНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ КПИ

7.2.3.1 КОНСТРУКЦИИ КПИ 110-220 кВ

Конструктивно КПИ номинальным напряжением 10-35 кВ

выполняются, в основном, в однофазном исполнении при напряжениях

же 110 кВ и выше – исполнение КПИ всегда однофазное [88-90]. Поверх

многопроволочной или цельнотянутой (для КПИ 10-35 кВ) и

многопроволочной (для КПИ 110 кВ и выше) медной или алюминиевой

жилы сечением (S

) от 120 до 625...800 мм

накладываются

полупроводящий с толщиной Δ

пп

и эмиссионный (толщиной Δ

) слои из

химически сшитого полимера и изоляция из сшитого полиэтилена

толщиной Δ

из

. Далее накладываются полупроводящий слой (Δ

ппи

)

по СПЭ-

изоляции, полупроводящая лента (Δ

пл

) и экран из медных проволок (d

пр

)

медной ленты (или только медной ленты), гофрированной в поперечном

направлении и наложенной продольно с перекрытием. При этом сечение

экрана (S

) выбирается по условиям протекания токов короткого

замыкания [91-92]. Поверх экрана толщиной Δ

экр

накладываются

разделительный слой (Δ

) и полиэтиленовая защитная оболочка толщиной

об

(либо усиленная полиэтиленовая оболочка с продольными ребрами

жесткости) или оболочка из ПВХ пластиката пониженной горючести

(рис.7.3). Для обеспечения продольной герметизации экрана взамен

полупроводящей ленты может использоваться водонабухающая

полупроводящая лента, а взамен разделительного слоя – слой из

водонабухающей ленты, который при контакте с водой разбухает и

формирует продольный барьер предотвращая распространение влаги при

повреждении наружной оболочки. В КПИ, предназначенных для

подводной прокладки, поверх оболочки накладывается броня из стальных

и медных проволок.

→

токопроводящая жила

→ эмиссионный и полупроводящие слои

→ изоляция из сшитого полиэтилена

→

полупроводящий слой по изоляции

→ полупроводящие ленты

→ гофрированный экран из медной ленты

(без или с медными проволоками)

→ разделительный слой (или слой из

водонабухающей ленты)

→ защитная полиэтиленовая оболочка

Рис.7.3 Конструкция КПИ однофазного исполнения

Таким образом, конструкция КПИ состоит из большого количества

компонентов и материалов, от состояния которых зависит электрическая

прочность, термическая стойкость и в конечном итоге надежность

эксплуатации кабеля.

В табл.7.1 приведены в качестве примера основные технические

характеристики и размеры составляющих кабельной конструкции КПИ 110

кВ корпорации "АББ-Москабель". Номенклатурный ряд выпускаемой

продукции (по сечению жилы) составляет - 185, 240, 300, 400, 500, 625 и

800 мм

; сечение экрана может быть увеличено; вес и внешний диаметр

даны для кабелей марок АПвП, ПвП; толщина медного экрана и

эмиссионного слоя, а также с учетом технологических отклонений

толщины полупроводящих слоев и полиэтиленовой защитной оболочки

составляют - Δ

экр

= 0,25мм, Δ

= 0,45 мм, Δ

пп

= 0,7…1,15 мм, Δ

ппи

= 0,7…1,25

мм, Δ

об

= 3,5…4 мм. Следует отметить, что приведенные в табл.7.1

толщины изоляции включают в себя полупроводящие и эмиссионные слои,

а толщина "чистой" изоляции из СПЭ составляет Δ

из

=13…14 мм (для КПИ

220 кВ - Δ

из

=19…20 мм ).

В табл. 7.2 приведены конструктивные габариты и электрические

параметры КПИ 110 кВ сечением 350, 500 и 625 мм

Таблица 7.1

Конструктивные параметры и технические

характеристики КПИ 110 кВ

Сечение жилы мм

240 500 625 800

Сечение экрана мм

35 35 35 35

Толщина изоляции мм 16 15 15 15

Толщина оболочки мм 3,4 3,8 3,8 3,8

Диаметр кабеля мм 66 73 76 80

Вес КЛ:

алюминиевая жила

медная жила

кг/км

3700

5200

4800

7900

5400

9300

6100

11100

Активное сопротивление

постоянному току

Ом/км 1,125

0,075

0,060

0,036

0,047

0,028

0,037

0,022

Индуктивность мГн/км 0,48 0,43 0,41 0,39

Емкость мкФ/км 0,19 0.24 0,27 0,29

Волновое сопротивление Ом 50,3 42,3 38,9 36,7

Таблица 7.2

Конструктивные и электрические параметры КПИ 110 кВ

Сечение

жилы,

мм

Диаметр

жилы,

мм

Диаметр

полупроводящего

слоя по изоляции, мм

Индуктивное

сопротивление,

Ом/км

Зарядная

мощность,

кВАр/км

350 21,1 49,6 0,116 755

500 25,3 53,8 0,110 830

625 31,4 59,9 0,100 1040

За последние 10…15 лет за счет совершенствования физико-

химических свойств СПЭ и технологии изготовления КПИ значительно

улучшены электрические характеристики изоляционной системы КПИ, что

дало возможность несколько уменьшить толщины изоляции, а

следовательно и массогабаритные (стоимостные) показатели КПИ.

Например, за последние 10…15 лет прогресс в кабельной технологии

позволил в среднем на 8…12% уменьшить толщину изоляции из СПЭ для

КПИ 110-220 кВ.

7.2.3.2 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

ПРОЧНОСТЬ КПИ

Выбор допустимых рабочих напряженностей электрического поля в

кабельных линиях исходя из длительно воздействующего рабочего

напряжения в первую очередь определяется процессом старения изоляции.

Деградация изоляции СПЭ-кабелей вследствие различных факторов

непосредственно влияет на их эксплуатационную надежность (под которой

в дальнейшем будем понимать снижение электрической прочности

изоляции при напряжении промышленной частоты и импульсных

перенапряжениях) и срок службы. При этом для кабелей различного

конструктивного исполнения механизм старения изоляции различен и

зависит от вида применяемого изоляционного материала. Например, одной

из основных причин электрического старения бумажно-масляной изоляции

МНК 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 их изготовления, так и

спецификой изменения физико-химических свойств СПЭ и, как следствие,

механизмов старения изоляции в процессе эксплуатации.

Основные факторы деградации изоляционной системы КПИ (роль

которых на сегодняшний день установлена) могут быть разделены на две

группы [93-97]:

• технологически обусловленные факторы: технологические дефекты

(воздушные микрополости и инородные включения, выступы проводящих

элементов в изоляцию); неоднородность структуры (морфологии) СПЭ;

внутренние (остаточные) механические напряжения в изоляции;

• эксплуатационные факторы: механические напряжения, которые

могут появляться в СПЭ-изоляции на стадии монтажа КПИ;

появляющиеся и развивающиеся в процессе эксплуатации водные и

электрические триинги; термическое старение СПЭ-изоляции;

воздействие импульсных перенапряжений с крутыми фронтами.

По сравнению с МНК с бумажно-масляной изоляцией быстрый ввод

энергии в твердый "инерционный" диэлектрик (сшитый полиэтилен) при

воздействии на КПИ импульсных волн напряжения с крутыми фронтами

приводит к интенсивному старению СПЭ-изоляции. При этом степень

старящего воздействия импульсных перенапряжений зависит от его

амплитуды, крутизны фронта и частоты повторения. Особенно подвержена

импульсному старению твердая изоляция кабелей, проработавших

несколько лет [98-101]. Исследования показали, что ресурс полимерной

изоляции снижается пропорционально кратности перенапряжений.

Следует отметить, что это обстоятельство не характерно для

маслонаполненных кабелей соответствующих классов напряжения.

В настоящее время ведутся интенсивные научные исследования как в

России, так и за рубежом по анализу доминирующего влияния того или

иного фактора деградации на снижение электрической прочности КПИ.

Однако экспериментальное доказательство или опровержение той или

иной гипотезы об ее роли в снижении электрической прочности СПЭ-

изоляции затрудняется тем обстоятельством, что, как правило, в

экструдированной изоляции одновременно действуют несколько факторов

и учет влияния каждого из них представляет собой сложную, на практике

не всегда разрешимую задачу. Например, согласно [97] электрическая

прочность КПИ существенно зависит от "пространственного наложения"

факторов деградации друг на друга, т.е. когда факторы деградации либо

пространственно локализованы, либо пространственно не разделены. В

первом случае локальное снижение электрической прочности ослабленных

мест изоляции (за счет технологических дефектов, морфологических

неоднородностей, водных и электрических триингов, мест с повышенной

концентрацией механических напряжений) обуславливает в целом

определенную электрическую прочность "главной" изоляции КПИ.

Очевидно, что во втором случае (когда факторы деградации

пространственно не разделены) будет наблюдаться более существенное

снижение электрической прочности СПЭ-изоляции за счет

комбинированного действия нескольких факторов деградации.

Проблема старения (снижения электрической прочности)

СПЭ-изоляции при различных эксплуатационных воздействиях в

настоящее время изучена несколько меньше, чем для бумажно-масляной

изоляции МНК. В этой связи, а также с учетом современного состояния

технологии изготовления КПИ и достижений в области научно-

технических разработок по совершенствованию диэлектрических свойств

сшитого полиэтилена уровни рабочих напряженностей для КПИ 110-220

кВ приняты на уровне 7…10 кВ/мм, что согласуется с рекомендациями

AEIG – Е

раб

=8 кВ/мм. При этом допустимая напряженность электрического

поля при импульсных воздействиях превышает рабочую напряженность

также как и для МНК в 5…7 раз. В настоящее время отечественными и

зарубежными исследователями ведутся работы по увеличению рабочей

напряженности электрического поля КПИ до Е

раб

=14…17 кВ/мм, что

соизмеримо и даже несколько превышает Е

раб

для МНК (∼12 кВ/мм).

Приведенные данные позволяют заключить, что допустимые уровни

грозовых перенапряжений для КПИ в настоящее время могут быть

приняты такими же, как и для МНК соответствующих классов напряжения.

Уровни импульсных испытательных напряжений, принятые в

настоящее время для КПИ 110 и 220 кВ, составляют соответственно 550 и

950 кВ.

Экспериментальные исследования электрической прочности КПИ

показали, что соотношение между импульсной прочностью и толщиной

изоляции представляется прямой, не зависящей от диаметра

токопроводящей жилы и величины диэлектрических потерь кабеля.

Средняя пробивная напряженность несколько уменьшается с увеличением

толщины изоляции и составляет 55 кВ/мм. Максимальная пробивная

напряженность уменьшается с увеличением радиуса токопроводящей

жилы. В настоящее время могут быть сформулированы следующие

предварительные выводы относительно поведения электрической

прочности КПИ [101-104]:

• длительная электрическая прочность КПИ на переменном

напряжении определяется средними напряженностями электрического

поля; поэтому выбор толщины изоляции из полиэтилена должен

производиться на основе, единой для всех размеров изоляции, допустимой

средней напряженности электрического поля;

• импульсное пробивное напряжение КПИ уменьшается с

увеличением числа воздействующих импульсов. По всей видимости, и при

импульсных напряжениях пробой СПЭ-изоляции происходит также при

одной и той же средней напряженности. В КПИ пробивная электрическая

прочность при отрицательной полярности напряжения на жиле превышает

электрическую прочность при положительной полярности напряжения.

Наличие микропустот в СПЭ-изоляции обуславливает увеличение в

2-2,5 раза напряженности электрического поля внутри газового включения

по отношению к "чистой" изоляции и приводит к возникновению

частичных разрядов (ЧР) внутри газового включения, что может служить

причиной частичного пробоя отдельного слоя, если напряженность в нем

будет выше пробивной прочности включения. Интенсивность ЧР зависит

от напряженности электрического поля и с течением времени нарастает.

Это ведет к постепенному разложению полиэтилена, росту давления в

порах, появлению проводящих частиц (углеродных мостиков) и в конце

концов, к зарождению дендрита – древовидному образованию в теле

твердого диэлектрика, имеющего повышенную проводимость и

приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Зарубежные

исследователи дали этим проводящим каналам в виде ветвей дерева

специальное название: триинги, которые подразделяются на электрические

и водные.

ЧР с уровнем интенсивности ниже 5 пКл не оказывают заметного

влияния на электрическую прочность изоляции, а следовательно и на

надежность эксплуатации КПИ в нормальном режиме и при воздействии

импульсных перенапряжений.

Наличие в изоляционной системе КПИ эмиссионного (точнее

антиэмиссионного) слоя, приводит к снижению интенсивности ЧР и

уменьшению вероятности появления электрических триингов, что в

конечном итоге способствует увеличению срока службы КПИ.

Уменьшению количества водных триингов способствует также

исключение на стадии технологии изготовления кабеля водяного пара, а

также наложение герметичных оболочек поверх медного экрана.

Применением полупроводящих экранов, наносимых на внутреннюю и

внешнюю поверхность СПЭ-изоляции, удается исключить влияние

включений, образующихся на границе соприкосновения изоляции с жилой

и внешней оболочкой.

Следует отметить, что хотя напряженность электрического поля и

является важнейшим фактором, определяющим толщину изоляции и

временной ресурс кабеля, нельзя не принимать во внимание также другие

отмеченные выше факторы деградации. Например, большое значение

имеют факторы термического старения СПЭ-изоляции и внутренние

механические напряжения в толще полимерной изоляции.

7.2.3.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ ТРИИНГИ В КПИ

Надежность эксплуатации (электрическая прочность) КПИ и срок их

службы зависят, в том числе, от интенсивности старения полимерной изо-

ляции. Экспериментальные исследования показали, что старение СПЭ при

воздействии электрического поля определяется наличием неоднородностей

в изоляции, свойственных самому полиэтилену в исходном состоянии и

возникающих в процессе изготовления КПИ. При наличии в СПЭ таких

неоднородностей в полимерной изоляции начинают развиваться в

процессе эксплуатации проводящие каналы - триинги, которые в силу

природы их образования можно разделить на два типа: триинги

электрического происхождения (ЭТ) и водные триинги (ВТ)

электрохимического происхождения.

ЭТ возникают и развиваются при воздействии переменного тока и им-

пульсов высокого напряжения. Они образуются в местах повышенной

напряженности электрического поля, при которой не происходит

немедленного пробоя изоляции, но происходит ионизация газового

включения. При относительно низких напряженностях электрического

поля ЭТ образуются при длительной эксплуатации и приводят к

заметному возрастанию уровня частичных разрядов (ЧР) в изоляции

кабеля, поэтому при отсутствии полости определенного размера ЭТ

развиваются достаточно медленно и могут не оказывать влияния на

работоспособность КПИ.

Максимальный размер воздушных включений, при котором

возникают ЧР на промышленной частоте, для КПИ 110 кВ составляет

около 50 мкм. Экспериментальные данные показывают, что электрическая