Для передачи и распределения электроэнергии используются воздушные и кабельные линиистоимость кабельных линий выше, однако они находят широкое применение в крупных городах и на промышленных предприятиях, где уровень электропотребления и плотность нагрузки достаточно значительны, а также в местах, где применение воздушных линий затруднительно (например, при переходах трассы линии через водные пространства). В настоящее время при строительстве кабельных линий широко используются силовые кабели среднего и высокого напряжения 6500 кВ современных конструкций. Наибольшее распространение получают силовые однофазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Высокий уровень напряжения жилы однофазного кабеля в сетях классов 6 кВ и более приводит к необходимости использования в конструкции кабеля металлического экрана, выполняемого в виде проволок и/или ленты. Основными задачами, которые решает экран, является выравнивание электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля (изоляцию «жила-экран»), и устранение электрического поля на поверхности кабеля. Для снижения напряжения на экране выполняется его заземление по крайней мере в одной точке. Заземление экрана обычно выполняется по концам кабеля, так как там, как правило, имеются заземляющие устройства и работают люди.
Экраны современных однофазных кабелей 6−500 кВ выполнены из хорошо проводящего материала (из меди или, реже, алюминия) — их заземление одновременно на обоих концах кабеля, если не приняты специальные меры, ведет к появлению в экранах и в нормальном симметричном режиме, и при коротких замыканиях значительных токов, сопоставимых с током жилы кабеля. Существуют другие способы обустройства экранов, такие как заземление их с одной стороны или транспозиция. Одностороннее заземление экранов или их транспозиция ведет к появлению на экранах напряжений относительно земли, значительных при большой длине линии и токах жил кабелей. Стоит отметить, что появление наведенных токов и напряжений экранов однофазных кабелей обусловлено только однофазной конструкцией этих кабелей и не имеет никакого отношения к материалу их изоляции (сшитый полиэтилен и проч.).
На сегодняшний день в нормативных документах [1,2] нет указаний на то, каким образом должен осуществляться выбор способа соединения и заземления экранов трехфазных групп однофазных кабелей 6−500 кВ. Этим объясняется тот факт, что зачастую проектирующие и эксплуатирующие организации не имеют представления о проблемах, которые порождает неверное заземление экранов однофазных кабелей. Измерения, выполненные на многих кабельных линиях различных классов напряжения 6−500 кВ, свидетельствуют о том, что при использовании однофазных кабелей надо предъявлять повышенное внимание к выбору способа соединения и заземления экранов и проводить соответствующие обосновывающие расчеты.
Необходимо учитывать, что способ соединения и заземления экранов заметно влияет:
— на величину тока в экране, и при неправильном заземлении экрана может привести к повреждению кабеля;
— на электрические потери в экране, а значит — на тепловой режим и пропускную способность кабеля;
— на величину напряжения на экране относительно земли, т. е. на надежность работы кабеля и безопасность его обслуживания;
— на основные электрические параметры кабеля (продольные активное и индуктивное сопротивления).
Известные книги, посвященные конструкциям и характеристикам кабелей и свойствам кабельных линий [3−6], написаны десятки лет назад, и в них недостаточно внимания уделено описанию силовых однофазных кабелей и трехфазных кабельных линий из таких кабелей. Тем более можно считать недостаточно изученными вопросы влияния друг на друга силовых однофазных кабелей трехфазной кабельной линии и кабелей соседних линий, поскольку в работах [7−17] рассмотрено преимущественно влияние кабельных линий на окружающую среду и линии связи. Существует ряд работ, посвященных свойствам кабелей современных конструкций [18−21] и кабельных линий, состоящих из таких кабелей. Однако, вопросы соединения и заземления экранов однофазных силовых кабелей остаются малоизученными [22−24], а нормативная база по этим вопросам, как уже говорилось выше, отсутствует.
Достаточно полно вопрос обустройства экранов однофазных силовых кабелей на напряжение 6−500 кВ освещен в [25]. Так, в книге рассмотрены вопросы соединения и заземления экранов трехфазных групп однофазных кабелей 6−500 кВполучены аналитические выражения для токов и напряжений экранов кабеля, позволяющие обосновать выбор способа заземления экрана, необходимость частичного разземления экранов, секционирования экранов, применения транспозиции экрановпредставлены формулы для определения продольных активных и индуктивных сопротивлений кабеля (прямой и нулевой последовательностей), которые следует использовать в расчетах нормальных режимов и при анализе токов короткого замыкания в сетиприведены результаты обобщающих расчетов для кабелей 6−500 кВ, примеры расчетасодержатся рекомендации по повышению термической стойкости экранов и защите изоляции экранов от перенапряженийесть необходимая справочная информация для расчета трехфазных групп однофазных кабелей 6−500 кВ.
При этом в книге [25] не рассмотрены:
— вопросы несимметрии токов и потерь в экранах трехфазной группы однофазных кабелей при их расположении в ряд;
— проблема выноса потенциала по двусторонне заземленным экранам при авариях на кабельной линии;
— возможность снижения напряжения на односторонне заземленных экранах с помощью заземленной металлической шины;
— проблемы с токами, напряжениями, потерями в бронированных кабелях;
— случаи неидеальной транспозиции с разным способом прокладки на участках между узлами транспозиции;
— выбор способа обустройства узла сопряжения циклов транспозиции (заземление или установка транспозиционной коробки);
— вопросы влияния величины сопротивлений заземления коробок транспозиции на безопасность при авариях на кабельной линии;
— вопрос выбора сопротивления заземления экранов;
— транспозиция самих кабелей трехфазной группы как способ симметрирования линии с рядным расположением кабелей;
— способы исключения уравнительных токов на многоцепных кабельных линиях.
Кроме того, с момента опубликования книги [25] в 2010 году накоплен дополнительный опыт эксплуатации современных кабельных линий.
Цель настоящей работы — решение ряда проблем, возникающих при проектировании кабельных линий электропередачи, конструктивно представляющих собой трехфазные группы однофазных кабелей 6−500 кВ, и разработка мероприятий по повышению надежности, эффективности и безопасности таких линий.
В главе 1 описана конструкция силового однофазного кабеля и механизмы появления токов в экранах и напряжений относительно земли на нихперечислены основные схемы заземления экранов в трехфазных группах однофазных кабелейданы методики расчета токов и потерь в экранах, а также напряжений на них относительно земли, в нормальном и аварийном режимах.
Глава 2 посвящена оценке величин напряжений экран-земля, токов и вызванных ими потерь в экранах кабелей при различных способах обустройства экранов — заземлении с двух сторон, заземлении с одной стороны, транспозиции экранов, — а также влияния на эти величины геометрических характеристик линии и различных проектных решений.
В главе 3 рассмотрены внутренние повреждения на кабельной линии. Произведена оценка шаговых напряжений на поверхности земли при повреждении оболочки кабеля на трассе линии и в транспозиционных коробках (колодцах), рассмотрена проблема выноса потенциала по заземленным экранам высоковольтных кабелей, оценено влияние величин сопротивлений заземляющих устройств экранов и коробок транспозиции при повреждениях на кабельных линиях.
Глава 4 посвящена многоцепным кабельным линиям — исследована задача обеспечения безопасности при работах на многоцепных кабельных линиях, а также предложены варианты решения проблемы ложного срабатывания релейной защиты, возникающей на многоцепных кабельных линиях.
Каждый параграф глав 2−4 заканчивается краткими выводами с перечислением полученных результатов и рекомендациями по проектированиюпо проделанной работе сделано заключение и даны общие рекомендации о выборе способа обустройства экранов в трехфазных группах однофазных кабелей 6−500 кВ.
Выводы, которые можно сделать по потерям из таблицы 2.1, аналогичны выводам по токам. Дополнительно следует отметить лишь то, что при прокладке в ряд потери в экранах, зависящие от квадрата тока, отличаются между фазами А, В, С сильнее, чем отличались токи: при прокладке в ряд потери в экранах средней фазы В в 1.851/0.911 = 2,03 раза меньше, чем в самой нагруженной из крайних фаз С.
Само по себе соотношение потерь Р3/Рж = 0.911ч-1.851 является, согласно [25], достаточно большим и свидетельствует о недопустимости у простого двустороннего заземления экранов для кабелей 500/95 мм, особенно при прокладке кабелей в ряд. Если по каким-то причинам все же принято именно двустороннее заземление экранов, и при этом фазы проложены в ряд (а не треугольником), то согласно таблице 2.1 транспозиция кабелей будет полезна. Она выровняет потери в экранах до некоторого среднего значения (здесь — до 1,364), позволив уйти от повышенных потерь (здесь — 1,851) в одной из крайних фаз, и, как следствие, снизит ежегодные потери в кабельной линии и, теоретически, продлит срок службы ее изоляции.
Итак, можно дать следующую рекомендацию: при заземлении экранов с двух сторон и расположении фазных кабелей в ряд имеет смысл транспонировать кабели линии.
2.2. Экраны кабелей заземлены с одной стороны.
При однократном заземлении (объединении) экранов (рис. 1.5, б) токов в них нет, но на них относительно земли существует напряжение промышленной частоты, величина которого, согласно (1.1), (1.6) и (1.7), пропорциональна:
— току в жилах;
— расстоянию между осями фаз;
— длине кабеля (расстоянию до места заземления).
Расстояние между осями фаз и длина односторонне заземленного экрана (или участка экрана, при разделении его на К секций) выбираются на стадии проектирования, и выбор этот должен быть произведен с учетом их влияния на величину наводимых напряжений. Рассмотрим подробнее влияние этих факторов, а также эффективность использования заземленной металлической шины и транспозиции кабелей.
2.2.1. Влияние расстояния между фазами.
Напряжение относительно земли на незаземленном конце односторонне заземленных экранов тем меньше, чем ближе расположены фазына рис. 2.2 изображен график, построенный по (1.7) и отражающий эту зависимость.
Рис. 2.2. Напряжение на экране кабеля 6−500 кВ относительно земли в зависимости от взаимного расположения фаз s/d3 для кабеля длиной 1000 м при токе жилы 1000 А.
Токов в разомкнутых экранах не протекает, но кабели нагреваются от токов жилнагрев кабелей тем сильнее, чем ближе расположены кабели.
Тем не менее, на кабельных линиях 6−500 кВ при заземлении экранов кабелей с одной стороны можно рекомендовать компактное расположение фаз сомкнутым треугольником.
2.2.2. Влияние числа односторонне заземленных секций.
Напряжение экран-земля на незаземленных концах экранов кабелей тем меньше, чем меньше длина односторонне заземленного экрана. Длина кабелей определяется необходимой длиной кабельной передачиоднако, экраны кабелей могут быть разделены на несколько однократно заземленных секций, как это показано на рис. 2.3. При разделении экранов на К секций расстояние до точки заземления, а, значит, и напряжения относительно земли на незаземленных концах экранов, уменьшится в К раз. а).
I /- /- /- В.
I;
I;
I;
I;
I;
Iб) в) в АВ V >-V- /- /-V- /-^ /— /-^ г л г л г.
Рис. 2.3. Схемы соединения экранов группы из трех однофазных кабелей в случаях, когда экран разделен на секции, заземленные один раз.
При большом числе секций К схема рис. 2.3, а трудно реализуема. По концам кабельной линии, как правило, имеются заземляющие устройства, к которым можно присоединить экраны кабеля, а на трассе таких устройств нет, и их надо предусматривать тем в большем количестве, чем больше К.
В этом смысле более удобной является схема рис. 2.3, б, которая требует меньшего количества заземляющих устройств и безопасна для персонала, так как разрывы обустраиваются в специальных соединительных муфтах, исключающих прикосновение к экранам.
На практике же находит применение схема рис. 2.3, в, имеющая лишь две встречно расположенные секции К — 2 и не требующая дополнительных заземляющих устройств. Для ее реализации необходима соединительная коробка и колодец, или соединительная муфта с возможностью разрыва экранов (например, универсальные муфты для прямого соединения экранов, разрыва экранов и транспозиции из [45, 46]).
Таким образом, рекомендации можно сформулировать так: на кабельных линиях 6−500 кВ при превышении напряжения экран-земля на незаземленных концах экранов свыше иэЛ0П следует разделить экраны на две встречно расположенные однократно заземленные секции.
2.2.3. Влияние шины, проложенной вдоль кабеля.
Известны случаи, когда двусторонне заземленный проводник использовался для молниезащиты кабелей [47] или для повышения термической устойчивости трехфазной КЛ, состоящей из одножильных кабелей [48]. Как показали расчеты, прокладка заземленной с двух сторон шины параллельно КЛ может быть применена для снижения напряжений на незаземленных концах экранов при их одностороннем заземлении и возможности использования этого типа заземления в линиях большой длины [49, 50]. Известно несколько случаев, когда параллельно односторонне заземленной линии прокладывалась такая шина. Например, шина установлена в Москве совместно с кабелем 500 кВ фирмы МЕХА№ и во.
Владивостоке с кабелем 110 кВ фирмы ТА1НА]Ч. Изучим целесообразность такого решения.
Для примера рассмотрим трехфазную группу однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, параллельно которой проложена проводящая шина (рис. 2.4). Допустим, что экран заземлён на одном из концов, а шина — с двух сторон (рис. 2.5).
Запишем уравнения установившегося режима для падений напряжения вдоль экранов и шины с учётом сопротивлений их заземляющих устройств: эа +^жэ1жа + ^кав{^жв + ^ эв ^ кас жс + ^ эс)+ ^ ша1 ш ш ' эв =2э1эв ^?жэ^жв +квс {¡-же +Э () + ^ кав^ жа + i эа)+ ^ шв1 ш +кзу{1ш> ^.
А и эс = ¿-з I х + ¿-жэ1 жс + ¿-КАС (/ ш + / ЭА)+ ¿-квг (/жв + /эв)+ ¿-шс1 ш + ЯЗУ11 ш, ш — ш +зу1 +зу2 У ш + ¿-ша жа + жв + ^ эв? шс жс + ¡-эс 1 где 1ША, ¿-шв, ¿-шс — взаимные сопротивления шины и жил (экранов) фаз А, В, и С кабеля, ¿-ш — собственное сопротивление шины, остальные параметры перечислены ранее, в таблице 1.4- 1ЭА, 1ЭВ, 1Ж. — токи в экранах кабелей-, 1ЖВ, 1ЖС — токи в жилах кабелей- 1Ш — ток шины. кл ия.
777″ /777″ /7777.
Рис. 2.5. Схема заземления экранов кабелей и шины.
Для системы уравнений (2.3) на основании рис. 2.5 можно записать следующие условия:
1 за = о, 38= Озс =.
АОш — 0.
2.4).
Согласно [25], при выборе схемы заземления экранов рассматривают к.з. в сети вне кабеля (внешние к.з.). Поэтому, чтобы оценить необходимость использования проводящей шины, исследуем её влияние в нормальном режиме и при различных видах внешних коротких замыканий (к.з.).
Нормальный режим и трёхфазное замыкание В симметричных режимах, к которым относятся нормальный режим и трехфазное к.з., токи в жилах кабелей линии образуют тройку токов прямой последовательности, iжа + iжв + iжс = 0 •.
Из системы уравнений (2.3) с учётом условий (2.4) следует, что ток шины.
1ш= шв1 жв.
4шс1 же ш к зу 1 ^зу2.
2.5).
Если расстояние от КЛ до шины Бш много больше междуфазного, то ша шв шс, тогда Іш ~ 0. Поскольку ток в шине отсутствует, в симметричных режимах она не оказывает влияния на процессы в КЛ.
Однофазное замыкание.
В электрических сетях 6−35 кВ (с изолированной, компенсированной или резистивно-заземлённой нейтралью) токи однофазного замыкания на землю малы и для расчётов заземления экранов используют внешнее по отношению к кабелю трёхфазное к.з. [25]. Как уже было отмечено, при таком виде к.з. шина не оказывает влияния на процессы в КЛ, т. е. применение шины в сетях 6−35 кВ нецелесообразно.
В сетях 110−500 кВ (с эффективно или глухо заземленной нейтралью) режим однофазного к.з. используется для расчётов. Рассмотрим однофазное к.з. фазы, А вне кабеля, при этом токами в неповрежденных фазах КЛ можно пренебречь по сравнению с током аварийной фазы, т. е. считать 1ЖВ ~ 0 и ¡-же&trade- 0.
Для оценки степени снижения наведённых напряжений на экранах введём коэффициент эффективности.
А и’э где А1/'э, Аи" э — падение напряжения на экране кабеля при отсутствии заземляющей шины и её наличии соответственно. Из системы уравнений (2.3) с учётом условий (2.4) следует, что при наличии шины.
Аиэл =.
— жэ.
2 ¦ША ^ ША^ЗУІ.
Ш +ЗУ1 ^ЗУ2 у жа '.
А^эв = 7 кав.
— кас.
ША^ШВ ^ША^ЗУІ.
ЗУ 2 У N.
ША^ШС ^ША^ЗУІ жа жа '.
2.6).
Из уравнения (2.5) получим ток шины.
7 I ша жа ш.
2.7) ш к зу 1зу 2.
Если шины нет, система уравнений (2.3) для наведённых на экраны кабелей напряжений упрощается и для однофазного к.з. фазы, А примет вид:
А изл = 7 I ^ ЖЭ1 Ж, А '.
А?/эв -7 / КАВ ЖА.
А^эс-' = 7 / КАС ЖА.
Наибольшее повышение напряжения на экране происходит на той фазе кабеля, на которой в сети произошло однофазное к.з. Коэффициент эффективности для аварийной фазы (например, А) рассчитывается по формуле к = эффА ¦ 2 ~ п.
2.8).
Следует отметить, что параметры КЛ, входящие в выражения (2.6)-(2.8), зависят от значения эквивалентной глубины залегания обратного провода в земле Б3. В случае, если линия проходила бы за пределами города и длина её составляла десятки километров, параметры «обратного» провода определялись бы только свойствами грунта (его удельным сопротивлением р3), и эквивалентная глубина могла быть найдена [51] по формуле.
О = 2,24 Ш- .
Как правило же КЛ имеют длину не более нескольких километров и прокладываются в городской черте или на территории распределительных устройств (РУ) станций и подстанций, где в земле находится множество металлоконструкций. В этих условиях эквивалентную глубину Б3 следует принимать равной единицам или десяткам метров независимо от параметров грунта.
Напряжение промышленной частоты на экране относительно земли в начале кабеля 0ЗН равно падению напряжения, которое создаёт ток шины, стекая с неё в землю через общее с экраном ЗУ (рис. 2.3),.
ЭН = 1ЗУ1 ' а если шина не установлена, то 0ЗН = 0.
Напряжение промышленной частоты на экране относительно земли в конце кабеля йж равно падению напряжения на этом экране иж=А1)э.
Серия оценочных расчётов для КЛ с различными сечениями жилы и экрана показала, что напряжения, наводимые на экраны кабелей, слабо зависят от их сечений. Далее для определенности рассматриваем линию с кабелями сечением 500/95 мм2 (медная жила / медный экран).
Произведем расчет напряжения промышленной частоты в конце кабеля (оно всегда больше, чем в начале) при однофазном к.з. в зависимости от:
— сечения ^ шины (материал шины — медь),.
— расстояния £)ш от шины до КЛ,.
— сопротивлений заземлителей /?ЗУ1 и Язу2.
Вследствие пренебрежения влиянием неповрежденных фаз способ прокладки кабелей (сомкнутым треугольником или в ряд) и расположение шины (слева/справа от КЛ или над/под КЛ) незначительно сказываются на величинах напряжений и коэффициента Кэфф.
Результаты расчетов по (2.6) и (2.8) для линии длиной 1К = 1000 м при токе однофазного короткого замыкания = 10 кА приведены в таблицах 2.2−2.5- при других длине и токе к.з. напряжения могут быть пересчитаны с учетом прямой зависимости напряжений от этих величин. Наибольшие величины напряжений (2.6) были получены на экране аварийной фазы (фазы А) — в таблицах 2.2−2.5 приведены данные именно для этой фазы.
Расчеты выполнены для ?>3=1130 м (найдена по удельному сопротивлению смешанного грунта р3−100 Ом-м) — верхняя цифра, и 03=1 м («городской» кабель) — нижняя цифра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В ходе работы соискателем были исследованы особенности современных кабельных линий электропередачи, состоящих из однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, в нормальном и аварийных режимах. На основе анализа научно-технических публикаций и нормативных документов, посвященных вопросам проектирования и эксплуатации кабельных линий, а также на основе личных разработок, соискателем предложены: методика расчета токов и напряжений на экранах трехфазных групп однофазных кабелей с учетом взаимного расположения кабелей линии и возможной несимметрии этих токов и напряженийспособ симметрирования трехфазной кабельной линии с рядным расположением кабелей путем транспозиции фазных кабелейкритерии оценки целесообразности использования двусторонне заземленной металлической шины для снижения напряжения на незаземленных концах односторонне заземленных экранов и требования к применению этого технического решения- ^ методика оценки эффективности транспозиции экранов в случаях применения транспозиции, неидеальной по длине участков и способу прокладки кабелей на них- ^ методика выбора способа оборудования узлов сопряжения соседних циклов транспозиции экрановметод оценки шаговых напряжений на поверхности земли при повреждениях оболочки кабеля на трассе линии или в кабельных колодцахметод оценки величины потенциала, выносимого по экранам высоковольтных кабельных линий в сеть низкого напряжения, и возможные способы борьбы с выносом потенциаларекомендации по выбору величин сопротивлений заземляющих устройств экранов и колодцев транспозиции- ^ рекомендации по применению транспозиции кабелей для повышения безопасности при проведении работ на многоцепных кабельных линиях за счет выравнивания и снижения токов и напряжений на экранах при рядном расположении кабелей, а также для снижения тепловыделения и потерь в «крайних» фазахспособы борьбы с уравнительными токами на многоцепных кабельных линиях путем транспозиции кабелей и прокладки кабелей линии «в ряд вертикально».
На основании проведенных исследований можно дать следующие общие рекомендации по обустройству экранов однофазных кабелей при проектировании трехфазных кабельных линий:
1. Двусторонне заземление экранов кабелей трехфазной кабельной линии нежелательнопри использовании этого типа обустройства экранов следует прокладывать кабели линии сомкнутым треугольником или, при рядном расположении, выполнять транспозицию кабелей. В этом случае следует производить оценку потерь в экранах кабелей по методике, изложенной в главе 1. Также при двустороннем заземлении экранов кабельных линий следует предотвратить возможность заноса потенциала в низковольтную сеть путем снижения сопротивления заземляющих устройств или их разделенияоценку величины заносимого потенциала можно выполнить по формулам, приведенным в главе 3.
2. Одностороннее заземление экранов кабелей трехфазной кабельной линии следует применять для относительно коротких линий. Для городских кабельных линий длина, при которой еще допустим этот простой и недорогой способ заземления, будет большедля кабельных линий, проложенных вне городской черты, эту предельную длину можно увеличить, проложив параллельно линии двусторонне заземленную металлическую шину. Оценивать величину напряжения на незаземленных концах экранов в этом случае следует по формулам, приведенным в главе 2.
3. Для длинных кабельных линий и при большом сечении экранов следует применять транспозицию экранов, делая ее по возможности близкой к идеальнойнапряжения в узлах транспозиции (а также токи и потери в экранах в случае неидеальной транспозиции) следует оценивать, как это описано в главе 2. Число циклов транспозиции следует выбирать по условию допустимости напряжений в узлах транспозициив случае нескольких циклов выбор способа обустройства узла сопряжения между ними следует проводить по методике, изложенной там же. Сопротивления заземляющих устройств транспонированных экранов и коробок транспозиции должно быть по возможности меньшимв случае, если сопротивления заземления коробок транспозиции велико, по условиям безопасности может потребоваться увеличение числа циклов транспозиции.
