ESTIMATION OF INDUCED CURRENTS IN THE SHIELDS OF ELECTRICAL POWER CABLES WITH XLPE INSULATION

Electrical power cables with Cross-Linked Polyethylene Insulation (XLPE-insulation) are currently utilized in projects of the electric-power supply systems of modern facilities. However, the higher costs, the incomplete design, installation and maintenance normativetechnical basis as well as certain constructional features of the XLPE-insulated cable lines hinder their large-scale implementation.The cables with XLPE insulation are mostly produced in a single-conductor core version being provided with a composite copper shield whose cross-section may vary while the electric conductor cross-section remains uniform. Earthing the cable shields on both sides causes the flow of electricity in them. The course of operational service of the XLPE-insulated cable lines revealed the following fact – the currents induced in the cable shields can run up to the levels commeasurable with those in the conductor-cores themselves. That, in its turn, leads to electrical safety-level reduction, cable lines failure, and economic losses. The currents induced in the shields may occur both in symmetric (normal and emergency) and asymmetric operating modes of the power grid with values of the induced currents reaching 80 % of the conducting core currents. Many factors affect the level of the current induced in the shield: the midpoint conductor modes, the values of the core longitudinal currents in the normal and emergency operating modes, failure mode, the cross-section area of the shield, the cables mutual disposition, and the distance between them.The paper claims experimental existence conformation of the cable-shield current induced by that in the conductor-core and demonstrates its measured value. The author establishes that induction of dangerous currents in the cable shields demands elaboration of measures on reducing their level

ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ И ДИНАМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ

The current-carrying cores of the electrical power cables should be resistant to effects of short-circuit currents whose values depend on the material of the core, its cross-sectional area, cable insulation properties, environment temperature, and the duration of the short-circuit current flow (1 and 3–4 sec. when tested for thermal endurance and mechanical bracing). The facilities for testing the 10 kV aluminum core cables with short-circuit current shall provide mechanical-bracing current 56,82 kA and thermal endurance current 11,16 kA. Although capacitors provide such values of the testing currents to the best advantage, utilizing conventional capacitor-units will involve large expenditures for erecting and  running a separate building. It is expedient to apply super-capacitors qua the electric power supply for testing facilities, as they are capacitors with double-electrical layer and involve the current values of tens of kilo-amperes.The insulation voltage during short-circuit current testing being not-standardized, it is not banned to apply voltages less than 10 kV when performing short-circuit thermal endurance and mechanical bracing tests for electrical power cables of 10 kV. The super-capacitor voltage variation-in-time graph consists of two regions: capacitive and resistive. The capacitive part corresponds to the voltage change consequent on the energy change in the super-capacitors. The resistive part shows the voltage variation due to the active resistance presence in the super-capacitor.The author offers the algorithm determining the number of super capacitors requisite for testing 10 kV-electrical power cables with short-circuit currents for thermal endurance and mechanical bracing. The paper shows that installation of super-capacitors in the facilities testing the cables with short-circuit currents reduces the area needed for the super-capacitors in comparison with conventional capacitors more than by one order of magnitude.Токопроводящие жилы силовых электрических кабелей должны быть стойкими к воздействию токов короткого замыкания, значения которых зависят от материала жилы, площади ее поперечного сечения, свойств изоляции кабеля, температуры окружающей среды, а также времени протекания тока короткого замыкания (1 и 3–4 с при испытаниях на динамическую и термическую стойкость). Установки для испытания токами короткого  замыкания  кабелей  напряжением  10  кВ  с  алюминиевыми  жилами  должны обеспечивать ток динамической стойкости 56,82 кА, ток термической стойкости 11,16 кА. Такие значения испытательных токов наилучшим образом обеспечивают конденсаторы. Использование традиционных конденсаторных установок повлечет большие затраты на строительство и эксплуатацию отдельного помещения. В качестве источника питания испытательных установок, где требуются токи значениями десятки килоампер, целесообразно использовать конденсаторы с двойным электрическим слоем – суперконденсаторы.При проведении испытаний токами короткого замыкания напряжение на изоляции не стандартизировано, поэтому силовые электрические кабели с изоляцией на 10 кВ токами термической и динамической стойкости не запрещено  испытывать при напряжении менее 10 кВ. График изменения напряжения суперконденсатора во времени состоит из двух участков: емкостного и резистивного. Емкостный участок представляет собой  изменение  напряжения  вследствие  изменения  энергии  в  суперконденсаторе. Резистивный участок демонстрирует изменение напряжения из-за наличия активного сопротивления суперконденсатора.Предложен алгоритм определения необходимого числа суперконденсаторов для испытания силовых электрических кабелей на напряжение 10 кВ токами термической и  динамической  стойкости.  Показано,  что  при  использовании  суперконденсаторов в установках испытания кабелей токами короткого замыкания площадь помещения, занимаемого суперконденсаторами, более чем на порядок меньше площади, занимаемой традиционными конденсаторами

Старение изоляции из сшитого полиэтилена кабельных линий

Abstract. Preference is given to cable lines with  cross-linked polyethylene insulation in electrical networks with a nominal voltage of 10 kV during reconstruction of existing and construction of new industrial enterprises. The standard service life of such cables is at least 30 years (subject to the conditions of storage, transportation, installation and operation), and the actual one   is determined by the technical condition of the cable. The service life of a cable line depends on the state of its insulation, the aging of which occurs under the influence of several factors. Conventionally, all factors influencing one or another degree on the cable insulation resource can be divided into thermal, electromagnetic, climatic, mechanical and operational. The most significant reason for the insulation aging  is high temperature, which accelerates the reaction of thermo-oxidative destruction, during which high-molecular polymer compounds decompose. In fact, cables are operated at temperatures below the long-term permissible values, and, therefore, the aging of the insulation is slower, and the actual service life will be longer than the standard. At present, condition of the insulation is monitored with the use of high voltage tests related to destructive testing methods. When designing and operating cable lines, it is necessary to estimate the duration of the actual service life under various operating conditions. In theory, there are several expressions for calculating the service life of a cable line when exposed to temperature, humidity, electric field and aggressive environments, but all of them are not applicable in practice due to the presence of a large number of coefficients whose values are unknown. The paper presents an analytical expression obtained for determining the service life of power electric cables, taking into account the aging of the insulation under the influence of temperature and electric field.. В электрических сетях с номинальным напряжением 10 кВ при реконструкции существующих и сооружении новых промышленных предприятий предпочтение отдается кабельным линиям с изоляцией из сшитого полиэтилена. Нормативный срок службы таких кабелей составляет не менее 30 лет (при соблюдении условий хранения, транспортировки, монтажа и эксплуатации), а фактический определяется техническим состоянием кабеля. Ресурс кабельной линии зависит от состояния ее изоляции, старение которой происходит под действием нескольких факторов. Условно все факторы, влияющие в той или иной степени на ресурс изоляции кабелей, можно разделить на тепловые, электромагнитные, климатические, механические и эксплуатационные. Наиболее существенной причиной старения изоляции является высокая температура, ускоряющая реакцию термоокислительной деструкции, в ходе которой распадаются высокомолекулярные соединения полимеров. Поскольку в действительности кабели эксплуатируются при температурах, значения которых ниже длительно допустимых, следовательно, старение изоляции происходит медленнее и фактический срок службы больше нормативного. В настоящее время состояние изоляции контролируется с применением испытаний повышенным напряжением, относящихся к методам разрушающего контроля. При проектировании и эксплуатации кабельных линий необходимо оценивать продолжительность фактического срока службы в различных условиях работы. В теории существует несколько выражений для расчета срока службы кабельной линии при воздействии температуры, влажности, электрического поля и агрессивных сред, однако все они неприменимы на практике из-за большого числа коэффициентов, значения которых неизвестны. В статье представлено полученное автором аналитическое выражение для определения срока службы силовых электрических кабелей, учитывающее старение изоляции под действием температуры и электрического поля