Технико-эксплуатационный анализ высоковольтных кабельных линий 110–500 кВ: Расчет параметров, схемы заземления и современная нормативная база

На заре XXI века энергетическая отрасль столкнулась с беспрецедентными вызовами: растущие потребности в электроэнергии, ужесточение экологических стандартов и необходимость повышения надежности электроснабжения в условиях урбанизации. Эти факторы предопределили стремительный переход от традиционных воздушных и кабельных линий с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) к инновационным решениям. Сегодня современные высоковольтные кабельные линии (КЛ) напряжением 110–500 кВ повсеместно выполняются однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, XLPE), полностью вытеснившими БМИ в этом диапазоне напряжений.

Эта трансформация не просто замена одного материала другим; она знаменует собой качественный скачок в надежности, эффективности и безопасности передачи электроэнергии. Целью данной курсовой работы является глубокий анализ технико-эксплуатационных аспектов современных высоковольтных кабельных линий 110–500 кВ. Мы проведем детальное исследование их конструктивных особенностей, рассмотрим методологию расчета основных электрических параметров, изучим принципы выбора схем заземления экранов для минимизации потерь и обеспечения безопасности, а также проанализируем современные подходы к защите от перенапряжений и координации изоляции. Особое внимание будет уделено актуальной нормативно-правовой базе и проблемам метрологического обеспечения качества электроэнергии в высоковольтных сетях. Структура работы последовательно раскрывает эти вопросы, обеспечивая всестороннее понимание предмета.

Конструктивные особенности и преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE)

В мире электроэнергетики инновации часто приходят незаметно, но кардинально меняют ландшафт. Именно так произошло с высоковольтными кабелями, где сшитый полиэтилен (XLPE) совершил настоящую революцию, оставив в прошлом некогда доминировавшие бумажно-масляные конструкции. Сегодня, когда энергопотребление растет, а требования к надежности ужесточаются, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена стали не просто альтернативой, а единственно верным выбором для современных высоковольтных сетей, обеспечивая не только повышенную эффективность, но и значительно увеличенный срок службы.

Сравнительный анализ XLPE и БМИ-кабелей

Кабели с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) десятилетиями служили надежной основой для передачи электроэнергии, но их эксплуатационные ограничения становились всё более очевидными. Масло в качестве диэлектрика требовало постоянного контроля давления, сложного монтажа и было потенциально пожароопасно. Сама конструкция БМИ-кабелей с пропитанной бумагой не могла обеспечить тех параметров, которые требовались для постоянно растущих мощностей и напряжений.

В отличие от БМИ-кабелей, XLPE-кабели представляют собой воплощение инженерной мысли XXI века. Их ключевые преимущества обусловлены свойствами сшитого полиэтилена:

• Высокая длительно допустимая температура жилы: XLPE-кабели способны работать при температуре токопроводящей жилы до 90°С, в то время как для БМИ-кабелей этот предел обычно составляет 70-80°С. Это означает существенное увеличение пропускной способности линии при том же сечении, что напрямую влияет на эффективность использования инвестиций.
• Исключительно низкие диэлектрические потери: Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) для изоляции из СПЭ составляет не более 0,001 (0,1%) при температуре 95-100 °С и номинальном напряжении. Это в десятки раз меньше, чем у БМИ-кабелей, что приводит к значительному снижению потерь энергии в изоляции, особенно на сверхвысоких напряжениях, сокращая эксплуатационные издержки.
• Высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании: Кабели из СПЭ способны выдерживать кратковременные перегревы до 250°С без деградации изоляции, что обеспечивает повышенную устойчивость к аварийным режимам и увеличивает общий уровень безопасности.
• Отсутствие жидких компонентов: Отсутствие масла под давлением упрощает монтаж, исключает риск утечек, снижает экологическую нагрузку и удешевляет эксплуатацию, делая процесс установки более быстрым и менее трудозатратным.

Эти характеристики сделали XLPE-кабели стандартом для высоковольтных линий, обеспечивая повышенную надежность, экономичность и экологичность.

Технологии совершенствования токопроводящей жилы и изоляции

Конструкция XLPE-кабеля 110–500 кВ является радиальной и представляет собой сложную многослойную систему, где каждый элемент выполняет свою критическую функцию. От центра к периферии кабель включает:

1. Токопроводящая жила (ТПЖ): Изготавливается из меди или алюминия. Для больших сечений (свыше 1000 мм²) используется специальная конструкция — жила типа «Милликен». Такая жила состоит из 4 до 6 отдельных изолированных сегментов, скрученных вокруг центрального сердечника. Эта инновационная конструкция позволяет значительно уменьшить скин-эффект и эффект близости, которые в обычных монолитных или многопроволочных жилах при частоте 50 Гц могут увеличивать активное сопротивление и, как следствие, потери активной мощности до 15%. Сегментирование жилы обеспечивает более равномерное распределение тока по всему сечению, тем самым снижая нагрев и повышая пропускную способность.
2. Внутренний экструдированный полупроводящий экран: Расположен непосредственно вокруг ТПЖ. Его функция — выравнивание электрического поля на границе жила-изоляция, предотвращение концентрации напряженности поля и исключение частичных разрядов.
3. Изоляция из суперчистого сшитого полиэтилена (СПЭ): Основной изоляционный слой. Высокая чистота материала и отсутствие микродефектов критически важны для обеспечения высокой электрической прочности и длительного срока службы.
4. Внешний экструдированный полупроводящий экран: Расположен поверх изоляции. Его задача аналогична внутреннему экрану – выравнивание электрического поля на границе изоляция-металлический экран.
5. Металлический экран: Обычно состоит из медных проволок или лент. Он выполняет две ключевые функции: защита от электромагнитных полей и обеспечение пути для токов короткого замыкания, а также служит для заземления.
6. Водоблокирующие слои: Предотвращают распространение влаги вдоль кабеля в случае повреждения внешней оболочки.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка: Защищает кабель от механических повреждений, воздействия влаги, химических веществ и ультрафиолетового излучения.

Ключевым технологическим достижением в производстве XLPE-кабелей является метод «тройной экструзии» (simultaneous triple extrusion). Все три изоляционных слоя (внутренний экран, изоляция, внешний экран) наносятся за одну технологическую операцию на вертикальной линии вулканизации. Этот процесс гарантирует идеальную гладкость и монолитность границ между слоями, отсутствие воздушных включений и высокую чистоту изоляции, что является критически важным для обеспечения электрической прочности кабеля на высоких напряжениях. Таким образом, конструктивные особенности и передовые технологии производства XLPE-кабелей обеспечивают их неоспоримое преимущество перед устаревшими БМИ-аналогами, делая их основой современной высоковольтной кабельной инфраструктуры.

Методология расчета погонных электрических параметров кабельной линии

Для эффективного проектирования, эксплуатации и анализа режимов работы высоковольтных кабельных линий необходимо точно знать их электрические параметры. Эти параметры, выраженные на единицу длины (погонные), позволяют моделировать поведение линии в различных условиях – от нормального режима передачи мощности до токов короткого замыкания. Точный расчет погонных активного сопротивления (R), индуктивности (L), емкости (C) и проводимости (G) является краеугольным камнем электроэнергетического анализа. Именно эти расчеты позволяют не только предсказать поведение системы, но и оптимизировать ее для минимизации потерь и максимизации пропускной способности, что в конечном итоге повышает экономическую эффективность проекта.

Расчет погонного активного сопротивления жилы (R_Ж)

Погонное активное сопротивление жилы (R_Ж) – это мера потерь энергии в проводнике, преобразуемой в тепло. Оно зависит от материала жилы, ее геометрических размеров и температуры. Однако для переменного тока, особенно на больших сечениях, необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как скин-эффект и эффект близости.

Расчет активного сопротивления жилы осуществляется по формуле:

RЖ = (ρЖ ⋅ kск) / FЖ [Ом/м]

где:

• ρ_Ж — удельное сопротивление материала жилы при заданной рабочей температуре. Для меди при температуре 20°С оно составляет приблизительно 2,0 ⋅ 10^-8 Ом ⋅ м. Однако для эксплуатационных расчетов часто используют значения при 90°С (длительно допустимая температура XLPE-кабеля), которое будет выше.
• k_ск — коэффициент, учитывающий влияние скин-эффекта и эффекта близости.
  • Скин-эффект (поверхностный эффект) проявляется в неравномерном распределении переменного тока по сечению проводника, когда большая часть тока протекает ближе к его поверхности.
  • Эффект близости возникает, когда рядом расположены другие проводники с переменным током, и их магнитные поля влияют на распределение тока в рассматриваемом проводнике.

  Для постоянного тока k_ск = 1. Однако для больших сечений токопроводящих жил при частоте 50 Гц коэффициент k_ск может достигать 1,15, что существенно увеличивает реальное активное сопротивление и, соответственно, потери. В жилах типа «Милликен» этот эффект значительно снижается.

• F_Ж — номинальное сечение токопроводящей жилы [м²].

Расчет погонной емкости (C) и индуктивности (L)

Эти параметры характеризуют способность кабельной линии накапливать электрическую (емкость) и магнитную (индуктивность) энергию. Их точное знание критически важно для анализа реактивной мощности, токов заряда и переходных процессов.

Погонная емкость (C):
Кабель с коаксиальной структурой (токопроводящая жила, изоляция, экран) по своей природе является цилиндрическим конденсатором. Погонная емкость рассчитывается по формуле:

C = (2πϵ0ϵ1) / ln(rЭвн / rЖнар) [Ф/м]

где:

• ϵ₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, приблизительно равная 8,85 ⋅ 10^-12 Ф/м.
• ϵ₁ — относительная диэлектрическая проницаемость изоляции СПЭ. Для сшитого полиэтилена (XLPE) при 20°С стандартизированное значение ϵ₁ равно 2,4. Это значение остается достаточно стабильным в широком диапазоне температур.
• r_Эвн — внутренний радиус металлического экрана [м].
• r_Жнар — внешний радиус токопроводящей жилы [м].
• ln — натуральный логарифм.

Погонная индуктивность (L):
Расчет погонной индуктивности сложнее, так как она зависит не только от внутренних параметров кабеля, но и от взаимного расположения фаз. Индуктивность определяется как разность собственного индуктивного сопротивления жилы и взаимного индуктивного сопротивления между жилой и экраном.

Индуктивное сопротивление прямой последовательности (X) при двустороннем заземлении экранов рассчитывается по формуле:

X = ωL = (μ0ω / (2π)) ⋅ ln(s / rЭср) [Ом/м]

где:

• ω = 2πf — угловая частота [рад/с], где f — частота переменного тока (например, 50 Гц).
• μ₀ — магнитная проницаемость вакуума, равная 4π ⋅ 10^-7 Гн/м.
• s — расстояние между осями фаз кабелей [м].
• r_Эср — средний радиус металлического экрана [м].

Учет потерь в экране при двустороннем заземлении

Потери в металлическом экране кабеля возникают из-за наведения в нем токов промышленной частоты (см. Главу 3). Эти потери, особенно при двустороннем заземлении экранов, значительно влияют на полное активное сопротивление кабельной линии.

Активное сопротивление прямой последовательности (R₁):
При двустороннем заземлении экранов, для учета потерь в экране, активное сопротивление кабельной линии (сопротивление прямой последовательности) увеличивается и рассчитывается по формуле:

R1 = RЖ + RЭ / (1 + (RЭ / XM)2) [Ом/м]

где:

• R_Ж — погонное активное сопротивление токопроводящей жилы [Ом/м].
• R_Э — погонное активное сопротивление металлического экрана [Ом/м].
• X_M — погонное взаимное индуктивное сопротивление между жилой и экраном [Ом/м].

Эта формула показывает, что потери в экране не просто суммируются с потерями в жиле, а зависят от соотношения активного сопротивления экрана и взаимной индуктивности жила-экран. Высокие потери в экране могут существенно снизить пропускную способность кабельной линии и привести к ее перегреву, что подчеркивает важность правильного выбора схемы заземления. Таким образом, пренебрежение этими потерями может привести к недооценке реальных эксплуатационных затрат и снижению надежности системы, что является критической ошибкой в проектировании.

Схемы заземления экранов и анализ потерь мощности

Металлический экран кабеля — это не просто защитная оболочка; это ключевой элемент, определяющий безопасность, электромагнитную совместимость и, что не менее важно, эффективность передачи электроэнергии. Его основное назначение — выравнивание электрического поля вокруг главной изоляции для предотвращения частичных разрядов и пробоев, а также обеспечение безопасного заземления в случае повреждения изоляции. Однако способ заземления этого экрана имеет колоссальное влияние на общие потери мощности в кабельной линии. При проектировании высоковольтных КЛ, выбор оптимальной схемы заземления — это не просто техническое решение, а стратегическое условие для минимизации эксплуатационных расходов и продления срока службы оборудования.

Двустороннее заземление: Проблема наведенных токов и потерь

Двустороннее заземление является самой простой и интуитивно понятной схемой: экран кабеля заземляется на обоих концах линии. Несмотря на кажущуюся простоту, этот метод обладает существенным недостатком для однофазных кабелей, проложенных рядом (как это типично для трехфазных линий).

При прохождении переменного тока по токопроводящей жиле кабеля вокруг нее возникает переменное магнитное поле. Если рядом расположены другие фазы, их магнитные поля наводят электродвижущие силы (ЭДС) в металлических экранах соседних кабелей. Поскольку экраны заземлены с обеих сторон, эти наведенные ЭДС создают продольные токи промышленной частоты (I_Э), которые замыкаются через заземляющие контуры. Эти токи не несут полезной мощности, но, протекая по активному сопротивлению экрана (R_Э), вызывают значительные активные потери мощности (P_Э = I_Э² ⋅ R_Э).

Эти паразитные потери P_Э приводят к следующим негативным последствиям:

• Снижение пропускной способности КЛ: Дополнительный нагрев от токов в экранах ограничивает максимально допустимый ток в жиле, уменьшая полезную мощность, которую может передать линия. При двустороннем заземлении относительные потери мощности в экране P_Э / P_Ж (отношение потерь в экране к потерям в жиле) часто превышают 0,2 (20%). В неблагоприятных условиях, таких как большие сечения экрана, плотное расположение кабелей или прокладка в плоскости, эти потери могут быть настолько велики, что снижают пропускную способность КЛ до 51–74% от ее предельной величины.
• Дополнительный нагрев: Увеличение температуры кабеля ускоряет старение изоляции, сокращает срок службы и снижает надежность.
• Повышенные затраты: Постоянные потери энергии в экранах приводят к удорожанию эксплуатации линии.

Именно поэтому двустороннее заземление, несмотря на простоту, редко используется для длинных высоковольтных кабельных линий, где потери играют критическую роль.

Транспозиция (Cross-Bonding) экранов для длинных КЛ

Транспозиция, или перекрестное соединение экранов (cross-bonding), является наиболее эффективной и широко применяемой схемой заземления для длинных высоковольтных кабельных линий (110 кВ и выше), где одностороннее заземление (см. ниже) приводит к недопустимо высоким наведенным напряжениям.

Принцип транспозиции основан на взаимной компенсации наведенных ЭДС в экранах. Для этого кабельная линия разделяется на три равных участка (секции). В узлах транспозиции экраны фаз циклически перекрестно соединяются. Например, если на первом участке экран фазы А соединяется с экраном фазы А следующего участка, то на втором участке экран фазы А первого участка может быть соединен с экраном фазы В второго участка, а экран фазы В — с экраном фазы С, и так далее по циклической схеме (А-В-С, В-С-А, С-А-В). При этом внешние концы участков экранов либо заземляются, либо соединяются между собой через специальные устройства.

Такое циклическое переключение обеспечивает, что на протяжении всей длины линии суммарная наведенная ЭДС в каждом экране становится близкой к нулю. Как следствие, ток в экранах (I_Э) практически отсутствует, и, соответственно, потери мощности в экранах (P_Э) исключаются. Это позволяет максимально использовать пропускную способность токопроводящих жил, не допуская их перегрева из-за паразитных потерь в экранах. Схемы транспозиции экранов требуют использования специальных соединительных муфт и коробок транспозиции, которые обеспечивают надежное и безопасное переключение экранов.

Одностороннее заземление:
Эта схема применяется для относительно коротких кабельных линий (длиной до нескольких сотен метров). При одностороннем заземлении экран кабеля заземляется только на одном конце, а другой конец остается незаземленным, но, как правило, через специальные ограничители перенапряжений (ОПН) подключается к заземляющему устройству. В этой схеме продольные токи в экранах отсутствуют, так как нет замкнутого контура. Следовательно, полностью исключаются паразитные потери P_Э. Главное ограничение этой схемы — необходимость контроля наведенного напряжения U_Э на незаземленном конце. Если длина линии превышает определенный предел, U_Э может достичь опасных значений, представляющих угрозу для персонала и изоляции оболочки кабеля.

Ограничение наведенного напряжения и безопасность

Независимо от выбранной схемы заземления, вопрос безопасности персонала и целостности кабеля остается приоритетным. В нормальном режиме эксплуатации на незаземленных концах экранов (при одностороннем заземлении или в узлах транспозиции) может возникать наведенное напряжение U_Э. Это напряжение пропорционально длине кабеля (L_К) и току нагрузки в жиле (I_Ж).

Для обеспечения безопасности персонала отраслевой стандарт СТО 70238424.29.240.20.010-2011 («Силовые кабельные линии напряжением 110-500 кВ») устанавливает жесткое требование: предельно допустимая величина наведенного напряжения на экране не более 110 В в нормальном режиме эксплуатации. Если расчетное значение U_Э превышает это значение, необходимо принимать меры по его снижению, например, путем применения транспозиции или сокращения длины участка между заземлениями.

В случае аварийных режимов, таких как однофазное короткое замыкание в сети, наведенное напряжение на экране может значительно возрастать, достигая значений 5–6 кВ. Такие напряжения уже представляют угрозу для внешней полиэтиленовой оболочки кабеля и требуют обязательной защиты, которая осуществляется с помощью специальных ограничителей перенапряжений, о чем будет подробно рассказано в следующей главе. Следует помнить, что игнорирование этих требований ведет к серьезным рискам, включая травматизм персонала и повреждение дорогостоящего оборудования, что подтверждает необходимость строгого соблюдения нормативов.

Защита высоковольтных КЛ от перенапряжений и координация изоляции

Высоковольтные кабельные линии, хоть и проложены под землей, не застрахованы от воздействия электрических и электромагнитных явлений, способных вызвать существенные перенапряжения. Эти всплески напряжения могут многократно превышать номинальное рабочее напряжение, представляя серьезную угрозу для изоляции кабеля и всего электрооборудования. Понимание природы этих перенапряжений и методов их эффективной защиты является критически важным аспектом обеспечения надежности и долговечности энергетических систем. Как же мы можем эффективно защитить кабельные линии от этих невидимых, но разрушительных угроз?

Виды перенапряжений и выбор ОПН

Изоляция кабельных линий подвергается воздействию не только рабочего напряжения сети, но и различных видов перенапряжений, которые можно классифицировать следующим образом:

1. Грозовые перенапряжения: Вызваны прямыми ударами молнии в элементы сети или индуктивным воздействием близко расположенных грозовых разрядов. Они характеризуются очень крутым фронтом и большой амплитудой.
2. Коммутационные перенапряжения: Возникают при коммутациях (включениях/отключениях) оборудования, таких как выключатели, разъединители, или при обрывах линий. Они имеют более пологий фронт и более длительную длительность по сравнению с грозовыми, но их амплитуда может быть весьма значительной, особенно в длинных линиях.
3. Квазистационарные (резонансные) перенапряжения: Могут возникать при определенных условиях в сети (например, при резонансе), имеют длительный характер и могут существенно превышать рабочее напряжение.

Исторически для защиты от перенапряжений использовались вентильные разрядники (РВ). Однако их место сейчас повсеместно заняли ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). ОПН представляют собой колонку варисторов из оксида цинка, которые обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой: при нормальном напряжении они имеют очень высокое сопротивление и пропускают лишь незначительный ток утечки, а при превышении определенного порогового напряжения (перенапряжении) их сопротивление резко падает, и они эффективно отводят импульс тока в землю, тем самым ограничивая напряжение на защищаемом оборудовании. После прохождения импульса сопротивление ОПН восстанавливается. Это делает ОПН крайне эффективным и надежным средством защиты изоляции оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений во всех классах номинального напряжения.

Координация изоляции и защита оболочки

Координация изоляции — это научно обоснованный процесс выбора защитных аппаратов (ОПН) и определения необходимых уровней изоляции для различных компонентов электрооборудования таким образом, чтобы обеспечить требуемую надежность при наименьших затратах. При выборе ОПН учитываются следующие факторы:

• Наибольшее рабочее напряжение сети (U_НОМ): ОПН должен надежно работать при этом напряжении без пробоя.
• Наличие высших гармоник: Они могут повышать действующее значение напряжения, что также должно быть учтено.
• Допустимые повышения напряжения в режиме однофазного замыкания на землю: В этих режимах напряжение на неповрежденных фазах может значительно возрастать.
• Защитные характеристики ОПН: Уровень ограничения напряжения при заданном импульсном токе.
• Импульсная прочность изоляции защищаемого оборудования: ОПН должен ограничивать перенапряжения до уровня, не превышающего импульсную прочность изоляции кабеля и его арматуры.

Особое внимание уделяется защите внешней полиэтиленовой оболочки кабеля, особенно в схемах с односторонним заземлением или транспозицией экранов. Поскольку электрическая прочность оболочки однофазного кабеля соответствует классу изоляции 6 кВ, для ее защиты от импульсных перенапряжений (грозовых и коммутационных) применяются специальные ОПН класса напряжения 6 кВ. Эти ограничители имеют удельную энергоемкость в диапазоне 4,2–8,8 кДж/кВ. Они устанавливаются на незаземленных концах экранов и в узлах транспозиции (в коробках транспозиции).

Например, такие ОПН способны ограничивать коммутационные перенапряжения (импульс 30/60 мкс, 1000 А) до уровня 17–19 кВ. Это намного ниже пробивного напряжения оболочки, что обеспечивает ее надежную защиту даже при значительном наведенном напряжении, возникающем при однофазном коротком замыкании в сети (которое, как было отмечено в Главе 3, может достигать 5–6 кВ). Таким образом, ОПН для оболочки играют двойную роль: они защищают от внешних атмосферных и коммутационных перенапряжений, а также от внутренних, наведенных напряжений, возникающих при аварийных режимах в самой кабельной линии.

Актуальные вопросы метрологического обеспечения и качества электроэнергии

Современная электроэнергетика — это не только передача больших объемов мощности, но и обеспечение высокого качества поставляемой электроэнергии. В условиях растущей чувствительности потребителей к отклонениям от идеальной синусоиды и повышения требований к надежности, метрологическое обеспечение и контроль качества электроэнергии (КЭ) становятся одними из важнейших аспектов эксплуатации высоковольтных сетей. Осознаем ли мы в полной мере экономические потери, вызванные недостаточным контролем качества электроэнергии?

Регламентация качества электроэнергии в РФ

В Российской Федерации основополагающим документом, устанавливающим нормы и требования к показателям качества электроэнергии (ПКЭ) в системах электроснабжения общего назначения, является ГОСТ 32144-2013 («Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»). Этот стандарт регламентирует допустимые значения для таких ПКЭ, как:

• Отклонение частоты: Отклонение от номинального значения 50 Гц.
• Отклонение напряжения: Отклонение от номинального значения напряжения.
• Колебания напряжения и фликер: Быстрые изменения напряжения, вызывающие мерцание источников света.
• Несинусоидальность напряжения: Искажение формы кривой напряжения из-за наличия высших гармоник.
• Несимметрия напряжений: Различие между фазными напряжениями в трехфазной системе.
• Провалы и перенапряжения: Кратковременные снижения или повышения напряжения.

Однако энергетическая система постоянно развивается, появляются новые вызовы. В ответ на это, Приказ Минэнерго России от 28 августа 2023 г. № 690, вступивший в силу 11 апреля 2024 г., утвердил новые, более детализированные требования к качеству электроэнергии. Этот документ не только обновил существующие нормы, но и дополнил перечень ПКЭ, включив такие показатели, как одиночные быстрые изменения напряжения и импульсные напряжения. Это является прямым следствием возрастающей доли чувствительных к качеству электроэнергии потребителей и распространения электронного оборудования. Кроме того, Приказ № 690 четко распределил обязанности по обеспечению качества между сетевыми организациями и потребителями, что способствует более прозрачному регулированию и стимулирует обе стороны к поддержанию высоких стандартов.

Проблемы контроля КЭ в высоковольтных сетях

Несмотря на наличие строгих стандартов, контроль и анализ качества электроэнергии в высоковольтных сетях (выше 6 кВ) сталкивается с рядом существенных проблем:

1. Зависимость метрологических характеристик измерительных трансформаторов от нагрузки: Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) и тока (ТТ) являются ключевыми элементами системы контроля. Однако их метрологические характеристики (класс точности, погрешность) могут изменяться в зависимости от параметров нагрузки, к которой они подключены. Это требует проведения поверки ТН не только в лабораторных условиях, но и на месте эксплуатации, при реальной рабочей нагрузке. Для этих целей используются специализированные передвижные поверочные лаборатории, что усложняет и удорожает процесс.
   • Согласно ГОСТ 1983-2015, измерительные трансформаторы напряжения должны соответствовать классам точности из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Для целей коммерческого учета электроэнергии (то есть для расчетов между субъектами рынка электроэнергии) обычно применяются ТН классов точности 0,2 или 0,5, что предъявляет высокие требования к их метрологическому обеспечению.
2. Реактивный характер контроля КЭ: В российской практике контроль КЭ часто осуществляется как реакция на претензии потребителей, а не как систематическая, превентивная работа. Сетевые компании порой рассматривают эту задачу как дополнительную нагрузку, а не как инструмент повышения надежности и эффективности. Отсутствие проактивного мониторинга может приводить к длительным периодам работы с низким КЭ, что негативно сказывается на оборудовании потребителей и общей устойчивости системы.
3. Недостаток современных средств измерений и метрологического обеспечения: Актуальной задачей является разработка и внедрение современных методов контроля, а также наличие утвержденных средств измерений российской разработки и производства. Это позволит снизить зависимость от импортного оборудования, обеспечить унификацию методов измерения и повысить оперативность реагирования на возникающие проблемы с КЭ.

Решение этих проблем требует комплексного подхода, включающего инвестиции в разработку отечественных измерительных систем, обучение персонала, а также изменение подхода сетевых компаний к КЭ, переводя его из реактивного в проактивный режим с постоянным мониторингом и анализом.

Заключение и выводы

Анализ технико-эксплуатационных аспектов высоковольтных кабельных линий 110–500 кВ позволяет сделать ряд ключевых выводов, подчеркивающих значимость и сложность проектирования и эксплуатации современных энергетических систем. Мы рассмотрели эволюцию кабельных технологий, уделив особое внимание переходу на изоляцию из сшитого полиэтилена (XLPE), которая благодаря своим превосходным диэлектрическим и термическим свойствам полностью вытеснила устаревшие бумажно-масляные кабели. Конструктивные инновации, такие как жилы типа «Милликен» и технология «тройной экструзии», не только повысили пропускную способность и надежность, но и снизили потери, обеспечив более длительный срок службы.

В главе, посвященной расчету электрических параметров, мы убедились, что точное определение погонных активных сопротивлений, емкостей и индуктивностей является фундаментом для моделирования режимов работы и обеспечения устойчивости сети. При этом критически важным оказалось учитывать частотные эффекты (скин-эффект) и потери в экранах, особенно при двустороннем заземлении.

Исследование различных схем заземления экранов — двустороннего, одностороннего и транспозиции (cross-bonding) — выявило прямую зависимость между выбором схемы и величиной потерь мощности, а также безопасностью эксплуатации. Если двустороннее заземление может приводить к значительным потерям (до 51–74% пропускной способности) из-за наведенных токов, то транспозиция экранов эффективно устраняет эту проблему для длинных линий, а одностороннее заземление применимо для коротких, при строгом контроле наведенного напряжения, которое, согласно СТО 70238424.29.240.20.010-2011, не должно превышать 110 В для персонала.

Вопросы защиты от перенапряжений и координации изоляции продемонстрировали незаменимую роль нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) как основного средства защиты от грозовых и коммутационных воздействий. Было показано, что для защиты внешней оболочки кабеля, имеющей класс изоляции 6 кВ, используются специальные ОПН, способные ограничивать перенапряжения до 17–19 кВ, что критически важно для предотвращения ее повреждений в аварийных режимах (КЗ).

Наконец, анализ метрологического обеспечения и качества электроэнергии выявил актуальные проблемы, связанные с зависимостью характеристик измерительных трансформаторов от нагрузки и преимущественно реактивным подходом к контролю КЭ. Введение Приказа Минэнерго России № 690 от 2024 г., дополнившего ГОСТ 32144-2013 новыми показателями, подчеркивает возрастающее внимание к этой сфере и необходимость развития отечественных средств измерения.

Таким образом, можно уверенно утверждать, что современные высоковольтные кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена представляют собой высокоэффективное и надежное решение для передачи электроэнергии. Однако их оптимальное функционирование и долговечность напрямую зависят от грамотного инженерного расчета, тщательного выбора схем защиты и заземления, а также строгого соблюдения актуальной нормативной базы. Только такой комплексный подход позволяет в полной мере реализовать потенциал XLPE-технологий и обеспечить стабильное и качественное электроснабжение.

Список использованной литературы

1. Дмитриев М. В., Евдокунин Г. А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ // Новости Электротехники. 2007. № 2(44).
2. Дмитриев М. В., Евдокунин Г. А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения // Энергетик. 2007. № 11.
3. Wedepohl L.M., Welcox D.J. Transient analysis of underground power transmission systems. Proc. Inst. El. Eng., 1973, vol.120, N2, pp.253-260.
4. Костенко М. В., Кадомская К. П., Левинштейн М. Л., Ефремов Н. А. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Ленинград: Наука, 1988. 302 с.
5. EMTP Rule book. Bonneville Power Administration, Branch of System Engineering. Portland, Oregon 97208-3621, USA, 1986. URL: www.emtp.org
6. Евдокунин Г. А. Электрические системы и сети. Санкт-Петербург: Издательство Сизова М. П., 2004. 304 с.
7. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: в двух томах. Ленинград: Энергия, 1967.
8. Кабели высокого и сверхвысокого напряжения 110-500 кВ. URL: https://kenoll.ru/katalog/kabel-silovoy-s-izolyatsiey-iz-spe/kabel-visokogo-i-sverhvisokogo-napryazheniya-110-500-kv
9. Гусев Ю. П., Антонов А. А. Методика Расчета Параметров Высоковольтных Кабельных Линий с Изоляцией Из Сшитого Полиэтилена. 2010 г. URL: https://ru.scribd.com/document/57224209/Гусев-Ю-П-Антонов-А-А-Методика-Расчета-Параметров-Высоковольтных-Кабельных-Линий-с-Изоляцией-Из-Сшитого-Полиэтилена-2010г
10. Потери мощности в экранах при различных взаимных расположениях однофазных кабелей // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poteri-moschnosti-v-ekranah-pri-razlichnyh-vzaimnyh-raspolozheniyah-odnofaznyh-kabeley/viewer
11. Дмитриев М. В. Напряжения, наведенные на кабельные линии 6–500 кВ. URL: https://www.voltplace.com/files/articles/Dmitriev_M_V_Navedennie_napryazheniya_na_kabelnie_linii_6-500_kV.pdf
12. Метод определения потерь активной мощности в экранах кабелей распределительных сетей. URL: https://www.mpei.ru/Publishing/detail.php?PAGEN_1=2&ELEMENT_ID=4371
13. Применение ОПН для защиты кабелей 6—500 кВ. URL: https://eepir.ru/upload/iblock/c38/c3866cc845d4c8038b14e2d31c26b5c3.pdf
14. Базовые показатели качества электроэнергии по ГОСТ 32144-2013 // Control Engineering. 2021. Июнь. URL: https://controleng.ru/2021/06/bazovye-pokazateli-kachestva-elektroenergii-po-gost-32144-2013/
15. Проблемы контроля и анализа качества электроэнергии в электрических сетях выше 1 кВ и пути их решения // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-kontrolya-i-analiza-kachestva-elektroenergii-v-elektricheskih-setyah-vyshe-1-kv-i-puti-ih-resheniya/viewer
16. Минэнерго России определило новые требования к качеству электроэнергии // EEPIR. URL: https://eepir.ru/news/minenergo-rossii-opredelilo-novye-trebovaniya-k-kachestvu-elektroenergii.html
17. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110 кВ и 150 кВ // XLPE. URL: https://xlpe.org/kabel-silovoj-s-izolyaciej-iz-sshitogo-polietilena-na-napryazhenie-110-kv-i-150-kv
18. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена 110 кВ // Welldecable. URL: https://www.welldecable.com/ru/110kv-xlpe-cable/
19. Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена // Generators.kg. URL: https://generators.kg/upload/medialibrary/1fa/1fa8e1b30afc49877b102b545d164532.pdf
20. Потери в экранах кабелей 6-500 кВ // OPNZEU. URL: https://opnzeu.ru/pdf/Poteri_v_ekranah_kabeley_6-500_kV.pdf
21. СТО 70238424.29.240.20.010-2011 Силовые кабельные линии напряжением 110. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4294829/4294829777.htm
22. Кабельные линии 6–500 кВ Транспозиция однофазных кабелей и их экранов // Elteh. URL: https://www.elteh.ru/upload/iblock/d76/d76077ff7520e54256f2f9c522262d05.pdf
23. Дмитриев М. В., Кияткина М. Р. Транспозиция экранов кабелей 6–500 кВ. URL: https://www.voltplace.com/files/articles/Dmitriev_M_V_Kiyatkina_M_R_Transpoziciya_ekranov_kabeley_6-500_kV.pdf
24. Выбор и реализация схем заземления экранов однофазных кабелей 6-500 кВ // MVDM.ru. URL: https://mvdm.ru/files/3_09_12.pdf
25. Расчет токов и напряжений в экранах кабелей // XLPE. URL: https://xlpe.org/raschet-tokov-i-napryazhenij-v-ekranah-kabeley
26. Объяснение метода заземления металлического экрана одножильного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена 10 кВ // KBS-Connector. URL: https://www.kbs-connector.com/ru/news/explanation-of-metal-shield-grounding-method-of-xlpe-insulated-single-core-cable-10kv-27202758.html