Молниезащита кабелей из сшитого полиэтилена (СПЭ): расчет и выбор

Содержание страницы

1. Физические основы необходимости защиты КСПЭ от грозовых перенапряжений
2. Типология схем применения КСПЭ и оценка рисков
3. Инженерные решения и математическое моделирование защиты от ВЧ перенапряжений
4. Практический пример расчета грозовых перенапряжений на входе в КЛ
5. Интересные факты о кабелях из сшитого полиэтилена и молниезащите
6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Эволюция систем передачи электроэнергии неразрывно связана с совершенствованием изоляционных материалов. Если в середине XX века доминировали маслонаполненные кабели и линии высокого давления, требовавшие сложной инфраструктуры подпитки и постоянного мониторинга давления масла, то последние десятилетия ознаменовались переходом на твердые диэлектрики. Технология сшивки полиэтилена (Cross-linked Polyethylene — XLPE) на молекулярном уровне позволила создать материал с уникальными термомеханическими и диэлектрическими свойствами.

Однако внедрение инноваций всегда приносит новые инженерные вызовы. Опыт эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (далее — КСПЭ) выявил их специфическую уязвимость к высокочастотным перенапряжениям грозового характера. В отличие от «самовосстанавливающейся» жидкой изоляции, твердый диэлектрик имеет «эффект памяти» к повреждениям, накапливая микроскопические дефекты, приводящие к необратимой деградации. Данный материал представляет собой фундаментальное исследование проблематики защиты КСПЭ, детальный разбор физических процессов старения изоляции и инженерных решений по нивелированию грозовых воздействий.

1. Физические основы необходимости защиты КСПЭ от грозовых перенапряжений

Современные конструкции кабелей высокого напряжения (ВН), где в качестве основной изоляции выступает сшитый полиэтилен, демонстрируют существенное превосходство над предшественниками по пропускной способности, термической стойкости (рабочая температура жилы до 90°C) и экологической безопасности. Тем не менее, надежность этих линий напрямую зависит от качества электромагнитной совместимости и защиты от импульсных перенапряжений.

Примечание: Распространено заблуждение, что кабельные линии (КЛ) являются полностью «самозащищенными» элементами сети в силу их высокой емкости и значительной длины. Хотя затухание волны в кабеле действительно велико, опасность представляют не столько амплитудные значения грозовых волн, сколько крутизна их фронтов и высокочастотные колебания.

Проблема молниезащиты КСПЭ может рассматриваться в двух плоскостях:

Защита от амплитудных перенапряжений: Решается относительно тривиально путем установки ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) с грамотно подобранными вольт-амперными характеристиками. При корректном выборе, ОПН надежно ограничивают перенапряжения до безопасного для главной изоляции уровня.
Защита от высокочастотных (ВЧ) перенапряжений: Это более тонкая и опасная проблема. Специфика диэлектрической среды СПЭ делает её крайне чувствительной к импульсам с высокой крутизной фронта [21, 22].

1.1. Конструктивные особенности и уязвимости

Для понимания механизма повреждения необходимо детально рассмотреть устройство современного кабеля. На рисунке 1 представлена типовая конструкция одножильного кабеля высокого напряжения с изоляцией из СПЭ.

Рис. 1. Конструкция кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена высокого напряжения (КСПЭ ВН). Цифровые обозначения слоев соответствуют описанию ниже.

Конструкция представляет собой сложную многослойную систему, где каждый элемент выполняет строгую функцию. Согласно обозначениям на схеме, структура выглядит следующим образом:

Токопроводящая жила (ТПЖ): Круглая многопроволочная уплотненная жила из меди или алюминия. Является основным токоведущим элементом.
Слой \(\Delta_1\): Экструдированный полупроводящий экран по жиле. Его задача — выравнивание электрического поля на поверхности проволок жилы и исключение местных повышений напряженности, которые могут вызвать частичные разряды. Толщина варьируется от 0,5 до 1,15 мм.
Слой \(\Delta_2\): Основная изоляция из сшитого полиэтилена. Это самый толстый слой (до 32 мм для кабелей 500 кВ), обеспечивающий электрическую прочность. Чистота этого материала критически важна.
Слой \(\Delta_3\): Экструдированный полупроводящий экран по изоляции. Необходим для создания равномерного радиального поля внутри диэлектрика и обеспечения контакта с внешним металлическим экраном.
Слой \(\Delta_4\): Разделительный слой из электропроводящей ленты (обычно крепированная бумага или полимерная лента с проводящим покрытием), толщиной около 0,3–0,5 мм. Он обеспечивает механическую защиту и электрический контакт (демпфирование) между полупроводящим слоем и металлическим экраном.
Слой \(\Delta_5\): Металлический экран, выполненный из повива медных проволок. Минимальное сечение экрана составляет 35 мм². Он отводит емкостные токи и токи короткого замыкания.
Слой \(\Delta_6\): Разделительный слой из водоблокирующей ленты. При попадании влаги этот слой разбухает, блокируя продольное распространение воды вдоль кабеля в случае повреждения оболочки.
Слой \(\Delta_7\): Слой из алюмополимерной ленты (ламинированная фольга). Выполняет функцию радиальной герметизации и дополнительного экрана.
Слой \(\Delta_8\): Внешняя защитная оболочка из полиэтилена высокой плотности (HDPE), толщиной 3,0–6,0 мм. Защищает кабель от механических повреждений и коррозии.

В таблицах 1 и 2 приведены детальные конструктивные и волновые характеристики кабелей, соответствующие современным стандартам (в том числе ГОСТ Р 55025-2012 и ГОСТ Р 58059-2018).

Таблица 1. Конструктивные параметры КСПЭ напряжением 10–500 кВ

Параметр	Номинальное напряжение кабеля, кВ
	10	35	110	220	500
Сечение жилы, мм²	50–800	50–800	185–1200	630–2000	800–2500
Сечение экрана, мм²	16–35	16–35	35–95	185	185
Диаметр жилы, мм	16,1–44,0	30,2–56,0	33,7–66,0	—	—
\(\Delta_1\), мм	0,5–0,7	0,7–0,9	0,7–1,15	0,7–1,15	0,7–1,15
\(\Delta_2\), мм	3,8	9,0	16,0–15,0	22,0–21,0	32,0–27,0
\(\Delta_3\), мм	0,5–0,7	0,7–0,9	0,7–1,25	0,7–1,25	0,7–1,25
\(\Delta_4\), мм	0,3	0,3	0,5	0,5	0,5
\(\Delta_5\), мм	—	—	0,38–0,21	0,75–0,56	0,58–0,47
\(\Delta_6\), мм	0,3	0,3	0,5	0,5	0,5
\(\Delta_7\), мм	—	—	—	—	—
\(\Delta_8\), мм	3,0–4,0	3,0–4,0	4,0–5,0	4,0–6,0	4,0–6,0
Диаметр кабеля, мм	60–90	88–116	112–137	—	—

Таблица 2. Волновые параметры КСПЭ напряжением 110 и 220 кВ

\(U_{nom}\), кВ	Сечение жилы, мм²	\(Z_v\), Ом	\(v\), м/мкс
110	500	30,7	180
110	800	26,2	180
220	800	36,6	184
220	1000	34,1	184

1.2. Механизм деградации изоляции: Электрические и водные триинги

Ключевая проблема КСПЭ заключается в неоднородности структуры полимера на микроуровне. При воздействии высокочастотных перенапряжений (ВЧП), возникающих при ударах молний в примыкающие воздушные линии, в диэлектрике инициируются процессы зарождения дефектов, называемых триингами (от англ. tree — дерево). Это микроканалы, которые со временем разрастаются, разрушая изоляцию.

Аналогия: Представьте себе воздействие воды на камень. Однократный сильный удар волны (амплитудное перенапряжение) камень выдержит. Но если вода будет вибрировать с высокой частотой, проникая в микротрещины и расширяя их (подобно замерзающей воде), камень со временем расколется. Высокочастотные импульсы действуют на молекулярные связи полиэтилена подобно таким микровибрациям, расширяя микрополости.

Выделяют два основных типа триингов, показанных на рисунке 2:

Электрические триинги: Дендритоподобные каналы, возникающие под действием частичных разрядов в зонах повышенной напряженности поля (пустоты, включения).
Водные триинги: Развиваются при одновременном воздействии электрического поля и влаги. Они менее заметны, но крайне опасны при длительной эксплуатации.

Рис. 2. Структура неоднородности СПЭ и виды деградации:
а) Микроструктура СПЭ при различном увеличении, демонстрирующая аморфно-кристаллические зоны;
б) Развитие водного триинга типа «веер», зародившегося на микровыступе или неровности электропроводящего экрана;
в) Триинг типа «бант», зародившийся на инородном включении (загрязнении) в объеме изоляции СПЭ.

Воздействие ВЧП ускоряет рост этих структур. Даже если кабель выдержал грозовой удар, накопленная «усталость» диэлектрика может привести к пробою спустя месяцы или годы. Поэтому необходима стратегия защиты, включающая:

Ограничение грозовых перенапряжений до допустимого уровня с учетом координационного интервала. Испытательные уровни составляют: 550 кВ для 110 кВ, 950 кВ для 220 кВ и 1550 кВ для 500 кВ.
Подавление высокочастотных колебаний с крутыми фронтами на входе в кабельную вставку.

2. Типология схем применения КСПЭ и оценка рисков

Уровень грозовых воздействий критически зависит от топологии сети. В инженерной практике выделяют пять основных сценариев интеграции КСПЭ в энергосистемы (см. рис. 3). Каждый из них имеет свой профиль риска.

Рис. 3. Типовые схемы применения КСПЭ напряжением 110, 220 и 500 кВ в современных энергосистемах.

Рассмотрим эти схемы подробнее:

Схема № 1 (Вставка ВЛ-КЛ-ОРУ): Классическая кабельная вставка 110–220 кВ длиной от сотен метров до нескольких километров. Используется при невозможности прокладки ВЛ в городской черте или заповедных зонах. Риск максимален, так как волна перенапряжения приходит с протяженной ВЛ прямо на вход кабеля.
Схема № 2 (Глубокий ввод): Применение кабелей 220 и 500 кВ для питания мегаполисов. Кабели заходят глубоко в городскую застройку к закрытым подстанциям. Особенность — большие длины линий, что способствует затуханию волн, но повышает вероятность резонансных явлений при коммутациях.
Схема № 3 (ГЭС и генерация): Вывод мощности от трансформаторов, расположенных в теле плотины, на ОРУ верхнего бьефа. Кабели прокладываются в штольнях или по телу плотины. Длины небольшие, но важность объекта стратегическая. Риск прямого удара молнии в ВЛ, отходящую от ОРУ, сохраняется.
Схема № 4 (Переход через препятствия): Специфический случай использования КЛ 500 кВ длиной 300-500 метров для пересечения широких рек или проливов (взамен гигантских переходных опор). Здесь кабельная вставка находится между двумя участками ВЛ. Это создает сложную волновую картину с многократными отражениями от обоих концов вставки.
Схема № 5 (Внутригородская генерация): Связь локальных ТЭЦ/ТЭС с городскими подстанциями кабелями 110–220 кВ. Это схема «кабель-кабель». Здесь грозовые перенапряжения практически исключены (нет открытых участков ВЛ), доминируют внутренние коммутационные перенапряжения.

Важно: Первые четыре схемы имеют гальваническую связь с воздушными линиями (n-количество ВЛ и КЛ на шинах). Это означает, что грозовой импульс неизбежно попадет в кабельную систему. Схема № 5 является исключением, где основные риски связаны с работой выключателей.

3. Инженерные решения и математическое моделирование защиты от ВЧ перенапряжений

Для эффективной защиты недостаточно просто установить ОПН. Необходимо внедрять аппараты подавления ВЧП, такие как защитные дроссели или частотно-зависимые устройства (ЧЗУ, ВЧЗ). Рассмотрим физику процесса на примере расчетной схемы.

3.1. Анализ волновых процессов

На рис. 4 представлена эквивалентная схема замещения для анализа переходных процессов.

Рис. 4. Расчетная схема для анализа подавления ВЧП на кабельной вставке:
\(Z_v\) — волновое сопротивление ВЛ (ок. 400 Ом);
\(Z_k\) — волновое сопротивление КЛ (20–40 Ом, здесь принято 27 Ом);
АП ВЧП — аппарат подавления (дроссель/фильтр);
\(C_e\) — эквивалентная емкость оборудования подстанции.

Поведение волны перенапряжения при переходе с воздушной линии в кабельную описывается законами преломления и отражения. Из-за резкого различия волновых сопротивлений (\(Z_v \gg Z_k\)), коэффициент преломления \(\mu\) по напряжению мал, однако ток возрастает. Критически важным является анализ многократных отражений внутри кабеля.

Для первого вхождения волны в кабель (точка соединения ВЛ и КЛ), напряжение \(U_{k1}\) определяется как: \[ U_{k1} = \mu U_{v.sr} = \frac{2 Z_k}{Z_v + Z_k} U_{v.sr} \] где \(U_{v.sr}\) — амплитуда падающей волны.

При длине кабеля \(l\) и скорости распространения волны \(v \approx 180\) м/мкс, время пробега составляет \(\tau_{KL} = l/v\). Если длительность фронта волны меньше удвоенного времени пробега, в кабеле возникают осцилляции. На рис. 5 показаны расчетные осциллограммы при отсутствии защиты.

Рис. 5. К анализу форм грозовых перенапряжений в начале и конце кабельной вставки длиной 100 м (а, в) и 500 м (б, г) при набегании с ВЛ полной (а, б) и срезанной (в, г) волны. Видна высокая частота колебаний на коротких участках.

Особую опасность представляют срезанные волны (возникающие при перекрытии изоляции на ВЛ). Они генерируют импульсы с чрезвычайно крутыми фронтами. В режиме холостого хода на дальнем конце кабеля напряжение удваивается за счет отражения:

Амплитуда \(i\)-го отраженного импульса на разомкнутом конце: \[ U_{k.i} \ge U_{v.sr} \frac{4 Z_v Z_k}{(Z_v + Z_k)^2} \left( \frac{Z_k — Z_v}{Z_k + Z_v} \right)^{i-1} \] Здесь \(\beta = \frac{Z_k — Z_v}{Z_k + Z_v}\) — коэффициент отражения от узла ВЛ/КЛ (отрицательный, так как \(Z_k < Z_v\)).

Если к подстанции подходит несколько линий (\(n_{VL}\) воздушных и \(n_{KL}\) кабельных), происходит деление энергии волны, и максимальное перенапряжение снижается:

U_{k.max} = U_{v.sr} \frac{2 Z_k}{Z_k + Z_v / n_{VL}} \cdot \frac{2}{1 + (Z_v / Z_k) \cdot (n_{KL} / n_{VL})}

3.2. Эффективность частотно-зависимых устройств (ЧЗУ)

Как видно из осциллограмм (рис. 5), без применения специальных мер кабель подвергается воздействию «звона» — высокочастотных колебаний. Это и есть главный фактор ускоренного старения СПЭ. Решением является включение в рассечку линии устройства с частотно-зависимым импедансом.

ЧЗУ представляет собой индуктивность с демпфирующим резистором (или специальный ферритовый сердечник), сопротивление которого мало на промышленной частоте 50 Гц, но резко возрастает на частотах грозового спектра (сотни кГц – МГц). Это сглаживает фронт волны.

Рис. 6. Сравнительный анализ форм грозовых перенапряжений в начале и конце кабельной вставки длиной 500 м:
(а, в) — без защиты;
(б, г) — при наличии ЧЗУ перед КЛ.
Отчетливо видно снижение крутизны фронтов и амплитуды колебаний на графиках (б) и (г).

На рисунке 6 продемонстрирована эффективность данного подхода. Установка ЧЗУ приводит к кардинальному изменению волновой картины: высокочастотные «пики» срезаются, превращая опасный колебательный процесс в апериодический или сильно затухающий, что значительно продлевает ресурс кабеля.

4. Практический пример расчета грозовых перенапряжений на входе в КЛ

Для закрепления теоретического материала проведем оценочный расчет уровня перенапряжений, возникающих на входе в кабельную линию 110 кВ при прямом ударе молнии в подходящую воздушную линию (ВЛ). Данный расчет демонстрирует необходимость установки ОПН и позволяет оценить риски пробоя изоляции из сшитого полиэтилена.

Примечание: Данный расчет выполняется по методу бегущих волн в упрощенной постановке (без учета деформации волны короной и затухания в земле), что дает «наихудший сценарий» (worst-case scenario), необходимый для выбора запаса прочности изоляции.

4.1. Исходные данные для расчета

Рассмотрим типовую схему перехода «ВЛ — КЛ» (Схема №1 из раздела 2). Зададим следующие параметры системы:

Класс напряжения: 110 кВ.
Волновое сопротивление ВЛ (\(Z_{vl}\)): 400 Ом (типовое значение для одноцепной опоры).
Волновое сопротивление КЛ (\(Z_{kl}\)): 30 Ом (кабель с изоляцией из СПЭ сечением 500 мм²).
Параметры молнии: Амплитуда тока молнии \(I_{m} = 30\) кА (вероятность такого тока составляет около 50-60%).
Испытательное напряжение изоляции кабеля (BIL): \(U_{imp.w} = 550\) кВ (для 110 кВ по ГОСТ).

4.2. Расчет падающей и преломленной волны

Шаг 1. Определение амплитуды падающей волны напряжения.
При ударе молнии в провод ВЛ волна перенапряжения распространяется в обе стороны от места удара. Амплитуда падающей волны \(U_{pad}\), движущейся к кабельной вставке, определяется по закону Ома для волновых процессов:

U_{pad} = \frac{I_{m} \cdot Z_{vl}}{2} \] \[ U_{pad} = \frac{30 \text{ кА} \cdot 400 \text{ Ом}}{2} = 6000 \text{ кВ}

Это теоретическое значение, которое значительно превышает электрическую прочность любой изоляции 110 кВ. На практике такая волна будет срезана пробоем гирлянды изоляторов на ближайшей опоре, однако мы рассматриваем процесс формирования волны, входящей в кабель.

Шаг 2. Расчет коэффициента преломления (\(\alpha\)).
При переходе волны из среды с высоким волновым сопротивлением (воздух) в среду с низким (кабель), напряжение снижается (преломляется). Коэффициент преломления рассчитывается как:

\alpha = \frac{2 \cdot Z_{kl}}{Z_{vl} + Z_{kl}} \] \[ \alpha = \frac{2 \cdot 30}{400 + 30} = \frac{60}{430} \approx 0,1395

Шаг 3. Расчет напряжения на входе в кабель без защиты.
Определим напряжение \(U_{in}\), которое поступит на главную изоляцию кабельной муфты и самого кабеля, если не установлены ограничители перенапряжений (ОПН):

U_{in} = U_{pad} \cdot \alpha \] \[ U_{in} = 6000 \text{ кВ} \cdot 0,1395 \approx 837 \text{ кВ}

4.3. Анализ результатов и выбор защиты

Сравним полученное значение с допустимым уровнем изоляции кабеля:

Результат: Расчетное напряжение на входе в кабель составляет 837 кВ.
Базовый уровень изоляции (BIL) для кабеля 110 кВ равен 550 кВ.
\(837 \text{ кВ} > 550 \text{ кВ}\).
Вывод: Без применения средств защиты пробой изоляции из сшитого полиэтилена неизбежен даже при токе молнии средней величины.

Шаг 4. Координация изоляции с использованием ОПН.
Для защиты кабеля выбираем ОПН-110. Характерное остающееся напряжение на ОПН при токе координации 10 кА составляет около \(U_{res} \approx 230-240\) кВ (в зависимости от производителя).

Проверим коэффициент запаса \(K_{zap}\):

K_{zap} = \frac{U_{imp.w}}{U_{res}} = \frac{550}{240} \approx 2,29

Согласно ПУЭ и нормам проектирования, коэффициент запаса должен быть не менее 1,4. Полученное значение \(2,29 > 1,4\) удовлетворяет требованиям надежности.

Аналогия: Кабель — это узкая труба, рассчитанная на определенное давление. Воздушная линия — это широкая река, в которую падает огромный камень (молния), создавая цунами. Вход в кабель работает как сужение русла. Хотя сужение и гасит часть высоты волны (эффект преломления), оставшейся энергии всё равно достаточно, чтобы разорвать трубу. ОПН работает как аварийный сливной клапан перед входом в трубу, сбрасывая «лишнюю воду» и оставляя давление в безопасных пределах.

5. Интересные факты о кабелях из сшитого полиэтилена и молниезащите

Эффект памяти изоляции. В отличие от маслонаполненных кабелей, где жидкий диэлектрик может «залечивать» микропробои за счет циркуляции масла, твердая изоляция СПЭ (XLPE) запоминает каждое перенапряжение. Накопление микродефектов необратимо и со временем приводит к формированию проводящего канала пробоя.
Аптечная чистота производства. При изготовлении высоковольтного кабеля СПЭ используется полиэтилен сверхвысокой чистоты. Даже микроскопическая пылинка размером 50 микрон, попавшая в экструдер, становится концентратором электрического поля, который под воздействием грозового импульса превратится в зародыш водного триинга.
Опасность постоянного тока. Кабели из сшитого полиэтилена категорически нельзя испытывать повышенным выпрямленным напряжением (как это делали со старыми бумажно-масляными кабелями). Постоянный ток вызывает накопление объемного пространственного заряда в толще изоляции, который при последующем включении переменного напряжения провоцирует мгновенный пробой.
Скорость старения. Водные триинги (древовидные дефекты) растут медленно, годами, но грозовое перенапряжение действует как катализатор. Один мощный импульс молнии, пропущенный защитой, может мгновенно увеличить длину триинга в 2–3 раза, превратив «спящий» дефект в аварийный.
Термическая перегрузка. Уникальность сшитого полиэтилена (Cross-linked Polyethylene) заключается в поперечных молекулярных связях. Если обычный полиэтилен плавится при 100–110°C, то СПЭ при коротком замыкании способен выдерживать нагрев жилы до 250°C без потери формы и механических свойств в течение нескольких секунд.
Волновой парадокс. Скорость распространения электромагнитной волны в кабеле почти в 2 раза ниже скорости света (\(\approx 160-180\) м/мкс), тогда как в воздушной линии она близка к 300 м/мкс. Это различие создает эффект «преломления» на стыке сред, который инженеры используют как естественный барьер, снижающий амплитуду грозовой волны, но увеличивающий её длительность.
Невидимая угроза экрану. При ударе молнии в опору ВЛ, даже если изоляция фазного провода не перекрылась, по земле растекается огромный ток. Этот ток наводит в металлическом экране подземного кабеля ЭДС, которая может достигать десятков киловольт и пробить внешнюю оболочку кабеля, что приведет к коррозии экрана и выходу линии из строя спустя месяцы.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Зачем ставить ОПН на входе в кабель, если он проложен под землей?

Кабельные линии, как правило, соединены с воздушными линиями (ВЛ). Грозовой разряд ударяет в ВЛ, и волна перенапряжения «бежит» по проводам со скоростью света к кабельной муфте. Если на входе не установлен ОПН, эта волна войдет в кабель и, многократно отражаясь от концов линии, удвоится по амплитуде, что гарантированно пробьет изоляцию СПЭ.

Можно ли использовать старые разрядники вместо современных ОПН для защиты КСПЭ?

Нет, это недопустимо. Изоляция из сшитого полиэтилена очень чувствительна к крутизне фронта импульса. Вентильные разрядники имеют значительное запаздывание срабатывания и худшие защитные характеристики. Только оксидно-цинковые ограничители перенапряжений (ОПН) в полимерном корпусе способны реагировать на нарастание напряжения за наносекунды, обеспечивая необходимый уровень защиты (UP).

Что такое транспозиция экранов кабеля и как она связана с молниезащитой?

Транспозиция — это периодическое перекрестное соединение экранов разных фаз для снижения наведенных токов и потерь мощности в нормальном режиме. Однако при грозовом ударе в местах транспозиции возникают опасные импульсные перенапряжения. Поэтому в узлах транспозиции обязательно устанавливаются специальные ограничители перенапряжений экрана (ОПН экрана), защищающие оболочку от пробоя.

Как обнаружить начавшееся разрушение изоляции после грозового сезона?

Самым эффективным методом является диагностика методом частичных разрядов (ЧР). Современные приборы позволяют «слышать» электрические разряды внутри изоляции на ранней стадии. Если после грозового сезона уровень ЧР в муфтах или самом кабеле вырос, это верный признак того, что защита не сработала идеально и начался процесс деградации (рост триингов).

Почему кабели 110 кВ и выше более уязвимы, чем кабели 10 кВ?

Рабочая напряженность электрического поля в изоляции сверхвысоковольтных кабелей значительно выше (до 15 кВ/мм против 2-3 кВ/мм у средних классов). Это означает, что диэлектрик работает на пределе своих возможностей. Любое, даже незначительное грозовое перенапряжение, накладывающееся на высокое рабочее поле, с большей вероятностью инициирует необратимые процессы разрушения полимерных связей.

Заключение

Переход на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена является необратимым трендом в современной энергетике. Однако эксплуатация КСПЭ требует пересмотра подходов к молниезащите. Стандартные методы, ориентированные только на снижение амплитуды перенапряжений с помощью ОПН, недостаточны для предотвращения деградации твердой изоляции.

Для обеспечения заявленного срока службы (не менее 25-30 лет) необходимо:

Учитывать топологию схемы подключения (наличие ВЛ, длины вставок).
Применять комплексную защиту: ОПН для ограничения амплитуды и ЧЗУ/ВЧЗ для подавления высокочастотной составляющей и снижения крутизны фронтов.
Проводить регулярный мониторинг состояния изоляции методами неразрушающего контроля (измерение частичных разрядов) для раннего выявления триингов.

Нормативно-техническая база и стандарты

ГОСТ Р 58059-2018 «Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение от 64/110 кВ до 290/500 кВ. Общие технические условия».
Основной стандарт, регламентирующий требования к конструкции и испытаниям высоковольтных кабелей из СПЭ.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
Глава 2.5 (Воздушные линии электропередачи) и Глава 4.2 (Распределительные устройства и подстанции) — регламентируют общие принципы координации изоляции и защиты от перенапряжений.
СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
Определяет уровни надежности защиты от прямых ударов молнии и вторичных воздействий.
СТО 56947004-29.240.10.028-2009 «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ».
Стандарт ПАО «ФСК ЕЭС», содержащий требования к схемам подключения кабельных вставок и выбору ОПН.

Список рекомендуемой литературы

Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинцов А.М. «Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах». — М.: Энергоатомиздат.
Дмитриев М.В. «Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ». — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та.
Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е. «Изоляция установок высокого напряжения». — М.: Энергоатомиздат.