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 СПЭ-изоляции на стадии монтажа КПИ; термическое старение СПЭ-изоляции; 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 два-три порядка может превышать среднюю напряженность (рис. 1). Это приводит к изменению структуры и физико¬-механических 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 амплитудно-временными 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 амплитудно-временные 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.

Рис. 2. Потенциально возможная схема участка РКС при постепенной замене кабелей традиционного исполнения с большим сроком эксплуатации на кабели нового поколения

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, во-первых, высокая аварийность физически изношенных КБПИ в основном из-за многоместных повреждений при ОДЗ, во-вторых, 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 СПЭ-изоляции 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 амплитудно¬временных параметров перенапряжений при возникновении ОЗЗ и ОДЗ. В этом случае время зарождения и скорость роста водных или электрических триингов в СПЭ-¬изоляции будет снижена, а фактическая наработка КПИ увеличена.