Анализ статистики технологических нарушений в кабельных распределительных сетях 6 (10) кВ

A.V. Korzhov1, ,

V.I. Safonov1, ,

R.M. o. Babayev1, ,

В электросетевой инфраструктуре используется большое количество кабелей c бумажно-масляной изоляцией (БМИ) с минимальным остаточным ресурсом эксплуатации. Согласно положению ПАО «Россети» [1] срок службы кабелей с учётом эксплуатационных мероприятий должен составлять не менее 30 лет. Однако чаще всего фактический срок эксплуатации кабельных линий (КЛ) значительно превышает данное значение, что, в свою очередь, приводит к возникновению частых технологических отключений [2–5].

Сбои в электроснабжении, вызванные выходом из строя отработавшего участка кабельной распределительной сети, могут быть обусловлены большим количеством факторов [6–8]. Значительное количество аварийных отключений происходит вследствие естественного старения изоляции, приводящего к её дальнейшему пробою в результате несвоевременного выявления/устранения однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), межфазных коротких замыканий (КЗ) и под действием перенапряжений различной природы [6, 9–12].

В настоящее время как в существующих, так и во вновь проектируемых сетях активно внедряются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Несмотря на преимущества, характерные СПЭ-кабелям [13], на данный момент невозможно осуществить единовременную замену существующих КЛ, в том числе с другими типами изоляции. Это обусловлено значительными материальными затратами, которые замедляют темпы модернизации и приводят к увеличению технологических нарушений (ТН), связанных с выходом из строя участков кабельной сети. Более того, замена поврежденного участка сети на новый тип КЛ влияет на вероятность возникновения пространственного резонанса [14, 15]. Наиболее опасными для возникновения пространственного резонанса являются участки с большой неоднородностью характеристических сопротивлений, наличием в сети неоднородных объектов и с большой разветвленностью сети. Совокупность вышеперечисленных факторов прямо влияет на методы и подходы к модернизации и повышению надежности КЛ. Однако на текущий момент системный анализ коренных причин технологических нарушений либо отсутствует, либо не является исчерпывающим. Таким образом, цель данного исследования заключается в анализе и систематизации имеющейся статистики аварийных отключений в распределительных кабельных сетях напряжением 6 (10) кВ. Таким образом, цель данного исследования заключается в анализе статистики аварийных отключений в распределительных кабельных сетях напряжением 6 (10) кВ.

Технологические отключения, возникающие при авариях в распределительных сетях напряже- нием 6–10 кВ, представляют собой распространенное явление. Так, согласно [16] отключения в сетях данного напряжения составляют до 70 % всех сбоев электроснабжения потребителей, которые возникают в результате ОЗЗ и межфазных КЗ. В качестве основных причин, способствующих возникновению подобных аварийных, выделяют:

• –    естественное старение и снижение электрической прочности изоляции;

• –    наличие дефектов (недостатки проекта, конструкции, изготовления и монтажа);

• –    возникновение перенапряжений;

• –    механическое воздействие при земельностроительных работах;

• –    неблагоприятные природные явления.

Более того, согласно [10] за последние 20 лет количество ОЗЗ, вызванных коммутационными перенапряжениями, возросло в 5 раз, что объясняется использованием вакуумных выключателей, старением изоляции КЛ и общим усложнением топологии сети, в том числе с учетом адаптивной конфигурации. Подобная тенденция наблюдается во многих сетях среднего класса напряжения. Например, в [17] на основе статистических данных исследовалась аварийность сетей горнодобывающих предприятий. Авторы работы показывают распределение ОЗЗ по элементам системы электроснабжения. Так, ими выделяется, что с 1995 по 2003 г. большая часть подобных явлений приходилось на КЛ и ВЛ. С 2010 по 2018 г. количество ОЗЗ, связанных с повреждением КЛ и ВЛ, также превалирует (48,5 %). В качестве основных причин отключений авторы выделяют грозовые и коммутационные перенапряжения, старение изоляции, механическое воздействие, перенапряжения в режиме ОЗЗ, перегрузка и т. д. Из [17] можно сделать вывод о значительном увеличении числа ОЗЗ, обусловленных коммутационными перенапряжениями и перегрузками. Если же рассматривать КЛ, то наиболее частой причиной и уязвимым элементом КЛ является пробой изоляции кабельной разделки.

В [11] общая динамика ТН за период с 1994 по 2019 г. свидетельствует о снижении количества повреждений ввиду модернизации сети и заменой устаревших кабелей. При этом большинство нарушений приходилось на КЛ 6 (10) кВ, эксплуатационный срок которых превышает 30 лет, а основными причинами возникновения повреждений являются ранее упомянутые. В соответствии с [9], электроснабжение в г. Омске выполнено преимущественно с использованием БМИ КЛ 6 (10) кВ, уровень износа которых составляет от 64,4 до 71,64 %. Авторами [9] наблюдалось увеличение числа отказов, что объяснялось старением изоляции и нарушениями технологии монтажа муфт, что приводило к их повреждению. Аналогичная негативная динамика также наблюдается в работе [12].

Анализ данных по филиаламПАО «Россети»

Для оценки степени повреждаемости КЛ в работе была использована ежегодно публикуемая статистика ТН по десяти филиалам ПАО «Россети»: Челябэнерго, Свердловэнерго, Пермэнерго, Ленэнерго (Санкт-Петербург), Архангэнерго, Комиэнерго, Псковэнерго, Смоленскэнерго, Кострома-энерго, Белгородэнерго) [2–5]. Общее количество ТН, участвующих в анализе, составило 117485 шт., из которых было отобрано 13 103 случая повреждения КЛ 6 (10) кВ. Для классификации причин повреждения были использованы коды организационных причин повреждения в соответствии с [18].

Анализ данных на рис. 1 позволяет сделать вывод о том, что основная доля аварийных событий обусловлена невыполнением необходимых объемов работ по обслуживанию оборудования (к. 3.4.8). Более 10 и 15 % случаев повреждений КЛ возникает в результате воздействия посторонних лиц и организаций участвующих (к. 3.4.8, в ходе проведения земельно-строительных работ) и не участвующих (к. 3.4.9). Повреждения, приходящиеся на наличие дефектов в конструкции или же допущенных при монтаже, составляют 6,84 % от общего числа (к. 3.4.13). Процент повреждений

КЛ по причине влияния неблагоприятных природных явлений составил 4,53 % (к. 3.4.12.5).

При более детальном рассмотрении повреждений (рис. 2), относящихся к категории 3.4.7, можно установить, что основная часть таких ТН маркируются кодом износа и старения изоляции 3.4.7.3.5. Это позволяет сделать вывод о том, что в современных кабельных системах используется большое количество КЛ с минимальным остаточным ресурсом либо полностью исчерпавшие его. При анализе повреждений, относящихся к категории 3.4.13, можно установить, что большая часть таких повреждений связана с дефектами, возникающими в процессе монтажа (рис. 3), а именно:

• –    появлением вмятин на броне и оболочке, приводящих к разгерметизации и проникновению влаги;

• –    присутствием камней и строительного мусора в подсыпке либо же полным отсутствием подсыпки;

• –    надломом бумажной изоляции жил кабеля в корешке концевой заделки КЛ;

• –    изгибом кабеля с радиусом меньшим, чем допустимый, с последующим выпрямлением;

• –    неправильным монтажом муфт, пересушкой поясной и фазной изоляции.

  

  Рис. 1. Технологические нарушения с 2018 по 2022 г. по 10 филиалам Fig. 1. Technological disruptions from 2018 to 2022 in 10 branches

  
  
  

  Рис. 2. Технологические нарушения, код 3.4.7

  Fig. 2. Technological disruptions, сode 3.4.7

  
  
  

  Рис. 3. Технологические нарушения, код 3.4.13

  Fig. 3. Technological disruptions, сode 3.4.13

  
  

Информация о распределении повреждений по месяцам и организационным причинам по остальным городам представлена на рис. 4–8. Как видно из рис. 4а–7а, большое количество технологических повреждений происходит с апреля по сентябрь. Это явление может быть объяснено следующими факторами:

• –    увеличением температуры окружающей среды, влияющей на температурный баланс КЛ;

• –    пучением и просадкой грунта;

• –    наличием влаги (таяние снега, льда, дожди и т. д.);

• –    активными земельными работами (санкцио-нированными/несанкционированными), приводя-

  

  а)                                                                 b)

  
  

  5    80

  
  
  

  Рис. 4. Распределение повреждений по месяцам (а); по причинам (b) в филиалах ПАО «Россети Урал» Fig. 4. Distribution of damages (a) by month and (b) by cause in branches of PJSC Rosseti Ural

  
  
  

Код повреждения

• □ Архангэнерго □ Комиэнерго ■Псковэнерго

Месяц

а)

b)

Рис. 5. Распределение повреждений по месяцам (а); по причинам (b) в филиале ПАО «Россети Северо-Запад» Fig. 5. Distribution of damages (a) by month and (b) by cause in the North-West branch of PJSC Rosseti

а)                                                                 b)

Рис. 6. Распределение повреждений по месяцам (а); по причинам (b) в филиале ПАО «Россети Центр» Fig. 6. Distribution of damages (a) by month and (b) by cause in the Central branch of PJSC Rosseti

а)                                                                b)

Рис. 7. Распределение повреждений по месяцам (а); по причинам (b) в филиале ПАО «Россети Ленэнерго», г. Санкт-Петербург

Fig. 7. Distribution of damages (a) by month and (b) by cause in the “Rosseti Lenenergo”, St. Petersburg branch of PJSC Rosseti

Рис. 8. Динамика повреждаемости КЛ 6 (10) кВ с 2018 по 2022 г., г. Челябинск Fig. 8. Damage to 6 (10) kV cable from 2018 to 2022, Chelyabinsk

щими к механическим повреждениям кабельной инфраструктуры.

Проведен детальный анализ данных, относящихся к энергетической компании «Челябэнерго». В период с 2018 по 2022 г. в г. Челябинске было зарегистрировано 2170 ТН в кабельных сетях напряжением 6 (10) кВ (рис. 8). Средний срок эксплуатации таких КЛ составляет 44 года, что превышает гарантированный срок службы, установленный производителем, на 30–43 %.

На рис. 9 представлена общая статистика по- вреждений городских сетей г. Челябинска, где А – повреждения, не зависящие от состояния изоляции, Б – повреждения изоляции в ранее не повреждённом месте при рабочем напряжении, В – пробои муфт при рабочем напряжении, Г – повреждения изоляции в ранее не повреждённом месте при испытаниях повышенным напряжением, Д – пробои муфт при проведении испытаний повышенным напряжением, Е – повреждения изоляции в сухой разделке, Ж – повреждения по неустановленным причинам.

Рис. 9. Соотношение различных повреждений изоляции КЛ, г. Челябинск Fig. 9. The ratio of damage to the insulation of the cable line, Chelyabinsk

Рис. 10. Распределение повреждений по типам КЛ в филиале «Челябэнерго» Fig. 10. Damages by types of cable line in the “Chelyabenergo” branch

В соответствии с рис. 10 можно заметить, что основная часть аварий происходит на кабелях с БМИ. Это объясняется тем, что общая протяженность таких КЛ составляет порядка 1024 км [8]. Кроме того, было установлено, что 44,45 % технологических нарушений происходят на КЛ типа ААШв. Высокая степень повреждаемости кабелей ААШв может быть обусловлена наличием значительного числа ранее заложенных кабелей данного типа в существующих распределительных сетях. Тем самым исключается возможность их ускоренной замены.

В процессе анализа была обнаружена относительно новая тенденция – возникновение групповых аварий. Наблюдается, что появление одного нарушения приводит к последующим авариям в кабелях, расположенных вблизи исходного места. Так, было установлено, что 43 % повреждений, произошедших с 2017 по 2022 г. на одном из распределительных пунктов (РП) г. Челябинска, приходится на групповые. Все групповые нарушения произошли исключительно на участках, эксплуатационный срок которых превышал 30 лет. Основными причинами подобных аварий являлись перенапряжения различной природы (возникающие в результате коммутаций, ОЗЗ, межфазных КЗ и т. д.), которые приводили к группировке повреждений, где эксплуатационный срок КЛ превышает предусмотренное значение. Возникновение подобных перенапряжений негативно сказывается не только на состарившейся изоляции, но способствует возникновению, накоплению и развитию дефектов во вновь проложенных участках сети.

Заключение

В ходе проведенных исследований было установлено, что большое количество технологических повреждений КЛ 6 (10) кВ обусловлено старением основной изоляции КЛ, наличием дефектов, допущенных при монтаже, а также механических воздействий. Согласно результатам предшествующих исследований можно утверждать, что увеличение количества ТН отмечается во многих городских распределительных сетях. Уменьшение количества повреждений в кабельных сетях возможно:

– при повышении надёжности сетей путём модернизации и замены КЛ, отработавших нормативный срок службы, на новые;

– использовании устройств защиты от перенапряжений, возникающих в результате коммутаций, либо же при ОЗЗ, КЗ и т. д., позволяющих снизить негативное влияние на изоляцию КЛ и исключающих возможность возникновения групповых повреждений;

– повышении качества обслуживания при производстве монтажных работ, тем самым уменьшая количество аварий по причине допущенных дефектов;

– замене существующего испытания повышенным напряжением на альтернативные неразрушающие способы диагностики состояния изоляции;

– создании программных обеспечений-библиотек, позволяющих проводить комплексный анализ состояния кабельной инфраструктуры.