Исследование перенапряжений, возникающих в распределительных кабельных сетях, разработка методов их прогнозирования и способов ограничения для повышения надежности работы электрических сетей

Современная промышленность, транспорт, сельское и коммунальное хозяйство не могут функционировать без надежного бесперебойного энергоснабжения. Для оценки надёжности системы электроснабжения по международным стандартам принято использовать показатели средней продолжительности технологического нарушения SAIDI и средней частоты прекращения передачи электроэнергии SAIFI. По данным ПАО «Россети» количество технических нарушений (ТН) в сетях 0,4 кВ и выше на 2019 год составляло 72004, а в сети 110 кВ и выше 4550. За аналогичный период 2020 года в сети 0,4 и выше было зафиксировано 71605 нарушений, а в сетях 110 и выше 4301. Таким образом, можно сделать вывод, что основная часть неполадок приходится на сети низкого и среднего напряжения, но даже при условии их снижения количество таких «ненормальных» режимов работы остаётся значительным. Несмотря на улучшение показателей надёжности в условиях эксплуатации встречаются аварии, связанные с пробоем диэлектрика и, как правило, нарушением работы электроустановки или ее части. Основным методом доставки электроэнергии к потребителю является транспортировка по линиям электропередач (воздушные и кабельные). В условиях мегаполисов для сохранения архитектуры происходит отказ от воздушных линий (ВЛ) в пользу кабельных (КЛ). В России и за рубежом большое распространение получили кабельные линии напряжением 6(10)-20 кВ, которые составляют основу городских распределительных электрических сетей. Их протяженность достигает нескольких сотен тысяч километров. В основном это кабели с бумажной пропитанной изоляцией, как правило, с большим сроком эксплуатации. В настоящее время ведется планомерная их замена на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Однако этот процесс длительный и чаще всего хаотичный. В условиях сетевой инфраструктуры с большим сроком эксплуатации и высокой степенью износа, с учетом необходимости гарантированного надежного обеспечения потребителя электроэнергией остро встает вопрос о продлении срока службы имеющихся кабельных линий, повышении их надежности и снижении количества аварийных отключений. Подавляющее большинство аварий происходят вследствие пробоя изоляции кабеля, вызванного перенапряжением различной природы. Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) являются наиболее эффективными устройствами по снижению перенапряжений и защиты изоляции. На текущий момент существует большое количество информации по применению ограничителей для защиты изоляции ВЛ и подстанционного оборудования (ПС), однако этот опыт слабо применим для кабельных линий, по причине серьезных отличий в электромагнитных процессах, и условиях формирования перенапряжений. Сами же рекомендации по применению ОПН для защиты КЛ носят общий характер. Исследований, посвященных их применению практически нет, а конструкции ОПН, применяемые для защиты кабельных линий аналогичны конструкциям для ВЛ и ПС и не адаптированы к специфике решаемой задачи. Также отсутствуют валидированные методики выбора ОПН для конкретных топологий кабельных линий, которые учитывали бы реальные процессы формирования перенапряжений. В связи с этим целью данного исследования является поиск способов по обнаружению наиболее уязвимых узлов сети, а также уменьшению количества технологических нарушений в кабельных распределительных сетях путём прогнозирования, а далее и установки ограничителей перенапряжения. Таким образом, исследования в рамках данной работы важны для получения новых знаний, которые в дальнейшем позволят разработать новые методики по внедрению средств защиты от перенапряжений в существующие или проектируемые сети.