Warning: require(): Unable to allocate memory for pool. in /home/httpd/vhosts/elektrolaboratoriy.ru/httpdocs/wp-includes/template.php on line 690

Заземление экранов однофазных кабелей 6 — 10кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Доброе время суток, друзья!

Сегодняшняя статья посвящена проблеме подключения экрана однофазного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена. 

 

Заземление экранов однофазных кабелей 6-10 кВ

с изоляцией из сшитого полиэтилена

к.т.н. Дмитриев М.В. (ЗАО«Завод энергозащитных устройств»)

д.т.н. Евдокунин Г.А(СПбГПУ)

Введение

В журнале«Новости Электротехники» [1] опубликована статья, посвященная проблеме заземления экранов однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, дана методика расчета токов и напряжений в экранах, приведен пример ее использования для кабеля 110 кВ. Было показано, что способ заземления экрана кабеля влияет:

− на величину тока в экране в нормальных и аварийных режимах и при неправильном заземлении экрана может привести к повреждению кабеля;

− на электрические потери в экране, а значит на его тепловой режим и пропускную способность;

− на величину напряжения на экране в нормальных и аварийных режимах (при его разземлении), т.е. на надежность работы кабеля и безопасность его обслуживания;

− на основные электрические параметры кабеля (активное и индуктивное сопротивления).

Учитывая повышенный интерес к применению однофазных кабелей 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, постепенно вытесняющих из эксплуатации все другие кабели традиционного исполнения, мы решили посвятить этой теме данную публикацию. В статье поясняется механизм появления опасных токов и напряжений в экранах, а также приведены результаты некоторых обобщающих расчетов для однофазных кабелей 6-10 кВ.

Необходимость в публикации также следует из известных нам фактов о неправильном заземлении экранов однофазных кабелей уже находящихся в эксплуатации. В качестве примера приведем результаты прямых измерений токов в экранах кабеля 10 кВ, заземленных в обоих концах согласно нормативным документам (измерения выполнены в одной из энергосистем Центра).

Параметры кабеля: сечение жилы 500 мм2 и сечение экрана 95 мм2, длина 2500 м.

При токах 186 А в жилах трех фаз измеренный ток в экране каждой фазы составлял 115 А! В случае выхода указанного кабеля на номинальную нагрузку (ток в жиле около 500 А), ток в экране пропорционально возрастет и составит 310 А, что совершенно недопустимо для сечения экрана 95 мм2.

В настоящее время от повреждений, вызванных нерасчетным тепловым режимом, рассмотренный кабель спасает лишь его сравнительно малая нагрузка, это же спасает и многие другие неверно

спроектированные и уже находящиеся в эксплуатации кабельные линии с однофазными кабелями.

1. Механизм появления токов и напряжений в экранах

Основным назначением экрана является обеспечение равномерности электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля (изоляцию «жила-экран»), что достигается только в случае заземления экрана. Для более или менее простого объяснения механизма возникновения токов в заземленных экранах приведем несколько рисунков и комментарии к ним.

clip_image002

В начале положим, что имеет место однофазная сеть, т.е. однофазный источник переменной эдс E, однофазный кабель с заземленным экраном (в начале и конце) и нагрузка, имеющая сопротивление Zн (рис.1,2). В токоведущей жиле протекает ток Iж , который, пройдя через нагрузку, должен вернуться к источнику E. Для этого у тока есть два пути: пройти по экрану Iэ и пройти в толще земли Iз=Iж-Iэ

clip_image004

Ток в земле Iз будет возвращаться из нагрузки в источник, занимая всю толщу земли, протекая как на небольшой глубине, так и на значительной.

Несмотря на это, оказывается возможным приближенно считать (рис.3), что весь распределенный в земле ток протекает на одной определенной глубине

Dз=2,24clip_image006( ρз/ µ0 ω),

зависящей от частоты тока ω =2 πf и удельного сопротивления грунта ρз, (магнитная проницаемость постоянна и равна µ0 =4 π 10-7Гн/м).

С увеличением частоты тока и снижением сопротивления грунта в толще земли все более заметным окажется поверхностный эффект, из-за которого линии тока (см. рис.2) будут с большой глубины подниматься ближе к поверхности земли, т.е. в условиях рис.3 будет уменьшаться Dз.

На промышленной частоте f=50 Гц и при типовых значениях Ρз=100 — 1000 Ом⋅м эквивалентная глубина Dз составляет несколько сотен метров, т.е. оказывается заметно больше высоты hк , на которой относительно поверхности земли расположен кабель. Расположен ли кабель над землей (в лотке, на эстакаде), как это показано на рис.2, или помещен в землю (в кабельный канал, в полиэтиленовую трубу), в любом случае расстояние hк от кабеля до поверхности земли будет заметно меньше Dз.

С применением «идеологии Dз» получается, что токи и напряжения в кабеле на промышленной частоте не зависят от того, размещен ли кабель над землей или в земле. Поэтому, не теряя общности, можно считать, что кабель размещен над землей, и для его расчета пользоваться формулами теории воздушных линий электропередач, т.е. считать один кабель двухпроводной линией (жила и экран), несколько кабелей– многопроводной. Это допущение применено в нашей статье[1] (емкость кабеля, разумеется, вычисляется с учетом того, лежит ли моделируемый кабель в земле или над землей).

Токи, показанные на рис.2 (в жиле, в экране и в земле), можно представить протекающими в двух условных контурах, показанных на рис.3: первый контур образован жилой кабеля и обратным проводом, находящемся на расстоянии Dз от жилы; второй контур образован экраном кабеля и тем же обратным проводом на расстоянии Dз от экрана. Таким образом, процессы в однофазном кабеле могут быть пояснены как результат взаимодействия двух указанных на рис.3 контуров (за положительные направления токов, как и в [1], было принято направление от источника к нагрузке).

clip_image008

Уравнения, описывающие взаимодействие контуров рис.3, следующие:

, clip_image009

где ∆Uж= Е – ZнIж и ∆Uэ – продольные падения напряжения на жиле и экране; Z– комплексные сопротивления, смысл которых пояснен в таблице;

clip_image011

clip_image013

Rж , Rэ, Rз – активные сопротивления жилы, экрана, земли;

Lж , Lэ – собственные индуктивности жилы, экрана;

Мжэ , Mк– взаимная индуктивность жилы и экрана одного и того же кабеля, взаимная индуктивность экрана и соседнего кабеля;

j=√-1 – мнимая единица.

В случае, когда экран заземлен с обоих концов кабеля, справедливо ∆Uэ=0, и из второго уравнения системы

clip_image014

Согласно clip_image015

т.е. соотношение |Iэ/Iж | <1 тем ближе к единице, чем меньше сопротивление экрана Rэ. Для экранов, сделанных из меди, ток в экране оказывается сопоставимым с током в жиле.

В случае, когда экран заземлен только с одной стороны, справедливо Iэ=0, из системы уравнений найдем падение напряжения на экране

clip_image016

которое, по сути, представляет собой напряжение незаземленного конца экрана относительно земли. Видно, что напряжение на незаземленном экране пропорционально длине кабеля (она скрыта в Zжэ=Zжэ Lк) и току в жиле, под которым можно понимать как ток нормального режима (десятки-сотни ампер), так и ток короткого замыкания (тысячи ампер). Ясно, что максимальные токи и напряжения на экране появляются именно при коротких замыканиях на нагрузке Zн ≈ 0 , т.е. при коротких замыканиях в сети вне кабеля (ведь именно тогда по жиле кабеля пусть кратковременно, но все же протекают значительные токи Iж).

Именно поэтому предложенная в [1] методика включала в себя рассмотрение токов и напряжений для:

− нормального режима работы;

− аварийного режима работы сети (однофазное, трехфазное повреждения изоляции сети вне кабеля).

На рис.2-3 рассматривалась однофазная сеть, однофазный кабель. В случае трехфазной группы однофазных кабелей на ток и напряжения в экране каждой фазы будет влиять не только ток жилы этой фазы, но и токи жил и экранов соседних фаз. Учтем это, для чего обратимся к рис.4.

Уравнения, описывающие взаимодействия кабелей на рис.4, следующие:

clip_image017

Ранее в однофазной постановке было получено, что для медных экранов

Iэ ≈ -Iж .

Таким образом, справедливо

clip_image019

т.е. фазы «В,С» не могут компенсировать влияние тока жилы фазы «А» на ток в экране фазы «А». Следовательно, рассмотренный на примере однофазного кабеля механизм возникновения токов в экранах остается справедливым и для группы из трех однофазных кабелей.

clip_image021

Согласно {1} имеет место соотношение

clip_image022

в котором расстояние между фазами s больше расстояния r2 «жила-экран», т.е. соседние фазы не могут полностью компенсировать ток в экране рассматриваемой фазы. Если кабели фаз «А», «В», «С» приближать друг к другу до полного соприкосновения, то можно достичь s≈r2 , но все равно это не обеспечит Мжэ = Мк, и никогда соседние фазы не смогут компенсировать токи и напряжения в экранах рассматриваемой фазы.

Итак, токи и напряжения в экранах группы однофазных кабелей зависят от расстояния между кабелями, снижаясь с уменьшением этого расстояния.

Размещать соседние кабели вплотную друг к другу нежелательно, исходя из вопросов эффективности охлаждения кабеля. Поэтому заметные токи и напряжения в экранах присущи всем трехфазным группам однофазных кабелей в том случае, когда экраны заземлены с обоих концов кабеля.

Опасных токов и напряжений в экранах не было бы только в том случае, если бы вместо трехфазной группы однофазных кабелей примять трехфазный кабель, имеющий три жилы в одной общей оболочке. Однако современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, как правило, однофазные, что справедливо вызывает повышенное внимание к возможным токам в их экранах(и напряжениям на них при их разземлении).

Сейчас уже есть и трехфазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена.

2. Результаты расчетов симметричных режимов для кабелей 6-10 кВ

В расчетах по методике[1] необходимо задание геометрии кабеля (рис.1), которая может быть определена при известных сечениях жилы Fж и экрана Fэ, а также толщины dжэ изоляции «жила-экран»:

clip_image023

Для симметричного режима на рис.5-6 приведены результаты расчетов токов и напряжений экранов для группы из трех однофазных кабелей с сечениями Fж и Fэ. Они получены по методике, приведенной в [1], и дополнительно проверены при подробном компьютерном моделировании процессов в группе кабелей с помощью канадско-американского комплекса EMTP (для автоматизации расчетов токов и напряжений в экранах в настоящее время также разрабатывается компьютерная программа «ЭКРАН»).

На рис.5-6 видно, что токи и напряжения в экранах тем меньше, чем ближе соседние однофазные кабели расположены друг к другу.

clip_image025

При сечениях жилы, отличных от Fж=500 мм2, соотношение Iэ/ Iж согласно расчетам сильно не изменяется (см. таблицу) по сравнению с данными, приведенным на рис.5.

clip_image027

Уже упоминавшиеся экспериментальные данные, полученные в одной энергосистеме Центра, для кабеля 10 кВ, имеющего Fж= 500 мм2 и Fэ =95 мм2 при токе в жиле Iж= 186 А, таковы: ток в экране одной фазы составлял 130 А, в другом 100 А (в третьем экране измерения нельзя было провести из-за ограниченности места в канале). Средний ток в экране оценим как Iэ = 115 А, что соответствует 0,62 и хорошо согласуется с кривыми 1-2 на рис.5 (при типовом расстоянии s=0,1 – 0,2 м).

clip_image029

Напряжение на экране в случае, когда он заземлен только в одном из концов (схема рис.7), можно определить на основе данных рис.6 с использованием выражения

clip_image030

clip_image032

Если для конкретного кабеля возможно прикосновение человека к незаземленному концу экрана, то в качестве допустимого напряжения на экране необходимо принять то напряжение, которое отвечает нормам безопасности, т.е.

clip_image033

Если для конкретного кабеля исключено прикосновение человека к экрану, то в качестве допустимого напряжения на экране необходимо принять то напряжение, которое отвечает прочности изоляции экрана, т.е. во всех режимах кабеля, имеющего незаземленный конец экрана, должно выполняться условие

clip_image034

Из таблицы видно, что для рассмотренного кабеля в нормальном режиме отмеченное условие безопасности не выполняется, т.е. экран кабеля обязательно заземлять и в начале, и в конце кабеля. Напряжение на экране при трехфазном коротком замыкании заметно больше такового в нормальном режиме, и с точки зрения прочности изоляции экрана всегда должно проверяться.

Перед вводом в эксплуатацию изоляцию экранов кабелей 6-500 кВ испытывают постоянным напряжением 5 кВ, при времени воздействия примерно 1 минута. Поэтому можно оценочно считать, что для изоляции экрана кабелей 6-10 кВ на время короткого замыкания в сети допустимо напряжение промышленной частоты, действующее значение которого составляет Uэ ДОП-2 = 5000В (с учетом необходимого запаса оно должно быть несколько меньше).

Итак, при возможности прикосновения человека к экрану рассмотренный кабель длиной 500 метров должен иметь экран, заземленный и в начале, и в конце.

При невозможности прикосновения человека к экрану рассмотренный кабель длиной 500 метров можно эксплуатировать с экраном, заземленным лишь в одном из концов (рис.7).

clip_image036

3. Отличие способов заземления экранов кабелей6-10 кВ и110-500 кВ

В[1] были приведены результаты расчетов для трехфазной группы однофазных кабелей 110 кВ длиной 8.1 км, указывалось на то, что напряжение на незаземленном конце экрана в симметричном режиме составляет 0.88 В на каждый ампер тока жилы, а при однофазном коротком замыкании – 5.8 В на каждый ампер тока жилы, т.е. существенно выше, чем в симметричном режиме. Поэтому для кабелей 110-500 кВ в сетях с эффективно или глухо заземленной нейтралью расчетным случаем, определяющим обустройство экранов, является лишь режим однофазного короткого замыкания.

В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью 6-10 кВ (или 6-35 кВ) однофазное повреждение изоляции сопровождается протекаем в кабеле токов, значительно меньших токов трехфазного короткого замыкания. Поэтому в сетях 6-10 кВ расчетным случаем, определяющим обустройство экранов, является лишь режим трехфазного короткого замыкания.

Сделанные выводы относительно расчетного случая можно подтвердить при помощи данных таблицы, позволяющей определить напряжение в разземленном конце экрана в схеме рис.7. В этой таблице среди различных коротких замыканий самый большой коэффициент имеет место при однофазном коротком замыкании К(1), чуть меньший для случая К(1,1), а самые маленькие коэффициенты – в случаях К(2) и К(3). Поскольку в сетях 110-500 кВ токи однофазного короткого замыкания близки по величине к токам трехфазного К(3), то наибольшее напряжение на разземленном экране получается именно при К(1).

В сетях 6-35 кВ токи однофазного замыкания на землю малы по сравнению с токами К(1,1), К(2), К(3) и, поэтому, К(1) не является расчетным. В случае К(1,1) токи в земле практически отсутствуют Iз ≈ 0, т.е. случаи К(1,1), К(2), К(3) оказываются равноправными с точки зрения коэффициента, определяющего напряжение на экране. Так как максимальные токи в жиле кабеля бывают при К(3), то, несмотря на равенство коэффициентов, расчетным в сетях 6-35 кВ все же является случай трехфазного короткого замыкания.

clip_image038

И в сетях 6-10 кВ, и в сетях 110-500 кВ в случае заземления экранов по концам кабеля в экранах протекают значительные токи. Эффективнымиспособами снижения токов в экранах могут быть названы:

− заземление экранов только в одном из концов кабеля (рис.7);

− деление экрана на секции и соединение секций через транспозиционные коробки(рис.8);

− деление экрана на несоединенные друг с другом секции, в каждой из которых экран заземлен только один раз (рис.9);

clip_image040

clip_image042

Окончательный выбор способа борьбы с токами в экранах зависит от допустимого напряжения на изоляции экрана в расчетном случае. Если схема рис.7 не обеспечивает условие Uэ ≤ Uдоп , то приходится выбирать между рис.8 и рис.9. Следует отметить, что схема рис.9,б безопаснее для персонала, чем рис.9,а, и, кроме того, по концам кабеля уже есть заземляющие устройства, а на трассе кабеля их надо специально организовывать.

В схемах рис.8-9 необходимо предусматривать разделение экранов на то или иное число секций. Разумеется, предпочтение будет отдано тому способу обустройства экранов, который потребует меньшего числа секций.

В[1] для кабеля 110 кВ было показано, что в случае применения всего одного цикла транспозиции(две транспозиционные коробки, три секции экранов) при расчетном однофазном коротком замыкании наводимое на экран напряжение снизится с 5.8 В до 0.195 В на каждый ампер тока жилы. Если бы для кабеля 110 кВ применялась схема типа рис.9, то чтобы достичь напряжения 0.195 В пришлось бы разрезать экран на К=5.8/0.195 = 30 секций (на рис.9 показано всего K = 2 секции)! Как видно, в кабелях 110-500 кВ транспозиция является наиболее простым решением по снижению токов в экранах.

Для кабеля 6-10 кВ при расчетном трехфазном коротком замыкании наводимое на экран напряжение в случае применения N полных циклов транспозиции(на рис.8 показано N = 1 ) составит

clip_image043

а в случае деления экрана на K секций (экран надо разрезать K-1 раз)

clip_image044

Для кабелей 6-10 кВ применение транспозиции ( 3N секций экранов) одинаково эффективно с простым делением экрана на K = 3 N однократно заземленных секций. Применение дорогостоящих транспозиционных коробок, соединяющих соседние секции между собой, в сетях6-10 кВ не обязательно.

4. Однофазное замыкание на землю в кабельной сети 6-10 кВ

Особым расчетным случаем для проверки токов и напряжений в экранах и, в конечном счете, выбора способа их заземления, является однофазное повреждение изоляции в сети6-10 кВ (однофазное замыкание на землю).

clip_image045

При возникновении однофазного замыкания на землю за кабелем (вблизи от нагрузки – рис.10) весь емкостный ток сети Iемк проходит по жиле соответствующего кабеля, создавая в его экране, заземленном по концам, ток, близкий по величине к Iемк .

Предположим, что в сети6-10 кВ имеется большое число кабельных линий, и ток Iемк составляет десятки или даже сотни ампер, но при этом у каждого кабеля сравнительно малые сечения жилы и экрана (а значит – малые допустимые токи). Тогда за время устранения замыкания на землю, которое может составлять несколько часов, вероятен нерасчетный разогрев током Iемк экрана того кабеля, за которым в сети имеется повреждение изоляции (на рис.10 это КЛ1).

Заключение

В однофазных кабелях 6-10 кВ, как и в однофазных кабелях 110-500 кВ, необходимо предъявлять повышенное внимание к выбору способа заземления экранов и проводить соответствующие обосновывающие расчеты.

[1] Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ//«Новости Электротехники», №2(44), 2007 г.

Надеюсь статья оказалась интересной.

На этом все. Успехов Вам.

Warning: require(): Unable to allocate memory for pool. in /home/httpd/vhosts/elektrolaboratoriy.ru/httpdocs/wp-includes/comment-template.php on line 1472

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.

Optionally add an image (JPEG only)

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.