Новости Электротехники 3(123) 2020





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >

ОДНОФАЗНЫЕ КАБЕЛИ 6–10 кВ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Расчет заземления экранов

В № 2(44) 2007 нашего журнала была напечатана статья петербургских специалистов Михаила Викторовича Дмитриева и Георгия Анатольевича Евдокунина, рассказывающая о проблеме заземления экранов однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Свою новую публикацию авторы посвятили однофазным кабелям 6–10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые сегодня вызывают повышенный интерес и постепенно вытесняют из эксплуатации кабели традиционного исполнения. В материале поясняется механизм появления опасных токов и напряжений в экранах, а также приводятся результаты некоторых обобщающих расчетов для однофазных кабелей 6–10 кВ.


Георгий Евдокунин, д.т.н., профессор кафедры «Электрические системы и сети» СПбГПУ, г. Санкт-Петербург



Михаил Дмитриев, к.т.н., начальник отдела научно-технических исследований ЗАО «Завод энергозащитных устройств»
В [1] 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).
Сегодня имеются многочисленные факты неправильного заземления экранов однофазных кабелей, 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, 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 относится и ко многим другим неверно спроектированным и уже находящимся в эксплуатации линиям с однофазными кабелями.

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.
В начале положим, что имеет место однофазная сеть, т.е. однофазный источник переменной ЭДС Е, однофазный кабель с заземленным экраном (в начале и конце) и нагрузка, имеющая сопротивление ZН (рис. 2). В жиле протекает ток IЖ, который, пройдя через нагрузку, должен вернуться к источнику E. Для этого у тока есть два пути: по экрану IЭ и в толще земли IЗ = IЖ – IЭ.
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

зависящей от частоты тока w = 2pf и удельного сопротивления грунта r3 (магнитная проницаемость постоянна и равна m0 = 4p·10–7 Гн/м).

С увеличением частоты тока и снижением сопротивления грунта в толще земли всё 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 rЗ = 100÷1000 Ом·м эквивалентная глубина DЗ составляет несколько сотен метров, т.е. оказывается заметно больше высоты hK, на которой относительно поверхности земли расположен кабель. При этом не важен способ прокладки кабеля – над землей (в лотке, на эстакаде), как это показано на рис. 2, или в земле (в кабельном канале, в полиэтиленовой трубе). В любом случае расстояние hK 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 кабель над землей или в земле. Поэтому, не теряя общности, можно принять, что кабель проложен 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, находящимся 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).
Уравнения, описывающие взаимодействие контуров, следующие:

где

– продольные падения напряжения на жиле и экране;
– комплексные сопротивления, смысл которых пояснен в таблице 1;
RЖ, RЭ, RЗ – активные сопротивления жилы, экрана, земли;
LЖ, LЭ – собственные индуктивности жилы, экрана;
МЖЭ, МК – взаимная индуктивность жилы и экрана одного и того же кабеля, взаимная индуктивность экрана и соседнего кабеля;
– мнимая единица.

В случае, когда экран заземлен с обоих концов кабеля, справедливо DUэ = 0
Из второго уравнения системы следует:

Согласно [1],

т.е. соотношение

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 Э = 0. Из системы уравнений найдем падение напряжения на экране: D э = ЖЭ Ж.

Оно, по сути, представляет собой напряжение незаземленного конца экрана относительно земли. Видно, что напряжение на незаземленном экране пропорционально длине кабеля (она скрыта в ЖЭ = ЖЭ*·LK) и току в жиле, под которым можно понимать как ток нормального режима (десятки-сотни ампер), так и ток КЗ (тысячи ампер). Ясно, что максимальные токи и напряжения на экране появляются при КЗ на нагрузке ZH 0, т.е. при КЗ в сети вне кабеля (ведь именно тогда по жиле кабеля пусть кратковременно, но всё же протекают значительные токи Ж). Поэтому предложенная в [1] методика включала в себя рассмотрение токов и напряжений:
  • для нормального режима работы;
  • для аварийного режима работы сети (однофазное, трехфазное повреждения изоляции сети вне кабеля).

На рис. 2, 3 рассматривалась однофазная сеть и 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 фазы «А», описывающие взаимодействия кабелей на рис. 4, следующие:

Ранее в однофазной постановке было получено, что для медных экранов э ж.
Таким образом, справедливо (жв + эв) 0 и (жс + эс) 0, 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.

Согласно [1] имеет место соотношение:

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 2r2, но всё равно это не обеспечит МЖ = 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 применять 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).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ СИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ

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»:

где dЖЭ = 3,4 мм – по каталожным данным для кабелей 6–10 кВ. 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.

При сечениях жилы, отличных от FЖ = 500 мм2, соотношение IЭ / IЖ согласно расчетам сильно не изменяется (см. табл. 2) по сравнению с данными, приведенными на рис. 5.

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 IЭ = 130 А, в другом IЭ = 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 IЭ / IЖ = 115 / 186 = 0,62 и хорошо согласуется с кривыми 1–2 на рис. 5 (при типовом расстоянии s = 0,1÷0,2 м).

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:

Например, для кабеля FЖ = 500 мм2, s = 0,2 м по рис. 6 получим UЭрис.6 = 175 В, а результаты расчетов напряжений на экране сведены в табл. 3 (LК = 500 м).

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. UЭ UЭДОП–1.

Если 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 UЭ UЭДОП–2.

Из табл. 3 видно, что для рассмотренного кабеля в нормальном режиме отмеченное условие безопасности не выполняется. Экран кабеля необходимо обязательно заземлять и в начале, и в конце кабеля, но это приводит к появлению токов в экранах. Напряжение на экране при трехфазном КЗ 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 мин. 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 UЭДОП–2 = 5000 В (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. В противном случае рассмотренный кабель длиной 500 метров можно эксплуатировать с экраном, заземленным лишь в одном из концов (рис. 7).

ОТЛИЧИЕ СПОСОБОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ КАБЕЛЕЙ 6–10 кВ И 110–500 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 КЗ – 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 КЗ.
В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью 6–10 кВ (или 6–35 кВ) однофазное повреждение изоляции сопровождается протеканием в кабеле токов, которые значительно меньше токов трехфазного КЗ. Поэтому в сетях 6–10 кВ расчетным случаем, определяющим обустройство экранов, является лишь режим трехфазного КЗ.
Сделанные выводы относительно расчетного случая можно подтвердить при помощи данных табл. 4, позволяющей определить напряжение в разземленном конце экрана в схеме рис. 7. В этой таблице среди различных КЗ 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 КЗ близки по величине к токам трехфазного К3, 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, З 0, т.е. случаи К(1,1), К(2), К(3) оказываются равноправными с точки зрения коэффициента, определяющего напряжение на экране. Так как случай К(3) более прост в рассмотрении по сравнению с К(1,1) и К(2), то именно он рекомендуется в качестве расчетного в сетях 6–35 кВ.
И в сетях 6–10 кВ, и в сетях 110–500 кВ в случае заземления экранов по концам кабеля в экранах протекают значительные токи. Эффективными способами 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 не соединенные друг с другом секции, в каждой из которых экран заземлен только один раз (рис. 9).

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. 9б безопаснее для персонала, чем рис. 9а, 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 КЗ 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 K = 5,8 / 0,195 = 30 секций (на рис. 9 показано всего К = 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 КЗ наводимое на экран напряжение в случае применения N полных циклов транспозиции (на рис. 8 показано N = 1) составит:

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

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

ОДНОФАЗНОЕ ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ

Особым расчетным случаем для проверки токов и напряжений в экранах и в конечном счете выбора способа их заземления является однофазное повреждение изоляции в сети 6–10 кВ (однофазное замыкание на землю).
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 сети 6–10 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 КЛ 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При прокладке однофазных кабелей напряжением 6–10 кВ, как и однофазных кабелей 110–500 кВ, необходимо предъявлять повышенное внимание выбору способа заземления экранов и проводить соответствующие обосновывающие расчеты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6–500 кВ. Расчет заземления экранов // Новости ЭлектроТехники.





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2020