автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ режимов работы кабельных линий электропередачи и разработка мероприятий по повышению их надежности

На правах рукописи

ЛГ

Тихонова Маргарита Родионовна

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ИХ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2<ЪФЕВ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005050144

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Дмитриев Михаил Викторович

Назарычев Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Диагностика энергетического оборудования», проректор по научной работе ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации»;

Герасимов Юрий Александрович, кандидат технических наук, главный специалист ЗАО «ЭнергоПроект»

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения» (ОАО «НИИПТ»)

С>С

Защита состоится _2013 года в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.11 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (195251, Санкт-Петербург, ул.

ЛИ 1 СЛ1

Политехническая, 29, ¿/У /У..

-тг-

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « # »в^е^ОсЩ 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.11 ^ ■ кандидат технических наук, доцент

Попов Максим Георгиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для передачи и распределения электроэнергии, особенно в крупных городах и на промышленных предприятиях, где уровень электропотребления и плотность нагрузки значительны, в настоящее время широко используются силовые кабели высокого напряжения 6-500 кВ современных конструкций. Наибольшее распространение получают силовые однофазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (рис. 1). При построении трехфазных сетей однофазные кабели прокладывают, как правило, или в ряд, или сомкнутым треугольником (рис. 2).

Одной из главных особенностей однофазных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена является наличие в их конструкции проводящих экранов, требующих заземления по той или иной схеме (на рис. 3 показаны наиболее часто применяемые схемы).

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что от рационального выбора схемы соединения и заземления экранов однофазных кабелей 6-500 кВ напрямую зависит эффективность и безопасность работы кабельной линии. Однако существующая нормативная база и ранее произведенные научные разработки не дают полного представления о том, каким образом обеспечить эффективную и безопасную работу трехфазных кабельных линий с одножильными кабелями. Например, на сегодняшний день в нормативных документах (ПУЭ) содержится указание заземлять экраны кабелей с двух сторон; такой способ заземления на практике приводит к дополнительным потерям активной мощности в кабельных передачах, а в ряде случаев может привести к повреждению кабелей. Именно поэтому изучение процессов в экранах однофазных кабелей, разработка рекомендаций к проектированию кабельных сетей и, впоследствии, корректирование нормативных документов - весьма актуальная задача.

б)

Рис. 1. Однофазный кабель

Рис. 2. Основные способы взаимного расположения фаз: а - в ряд. б - треугольником

в- ну...............VII

с- ...............................................................Л

а) " 6) . в) .

Рис. 3. Основные схемы соединения и заземления экранов: а - заземление с двух сторон, б — заземление с одной стороны, в — транспозиция экранов

Цель диссертационной работы - разработка мероприятий по повышению

надежности, эффективности и безопасности кабельных линий электропередачи 6-500 кВ с

современными однофазными кабелями.

Основные задачи исследования

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка полной и упрощенной методик расчета токов, напряжений, потерь мощности в экранах однофазных кабелей как в нормальных режимах, так и при коротких замыканиях, в том числе для кабелей, имеющих броню.

2. Сравнение различных способов взаимного расположения кабелей трехфазных кабельных линий, а также схем соединения и заземления экранов кабелей, по критерию минимизации величин токов, напряжений, потерь мощности в экранах.

3. Поиск возможных вариантов расширения сравнительно небольшого диапазона длин кабельных линий, при которых допустимо одностороннее заземление экранов. Анализ эффективности прокладки металлической шины вдоль кабельной линии и разработка методики ее учета.

4. Разработка методики проверки эффективности транспозиции экранов с учетом разброса длин участков кабеля и различия способов взаимного расположения кабелей вдоль трассы линии, оценки необходимости заземления средних точек в случае нескольких циклов транспозиции.

5. Определение требований к величинам сопротивлений заземления экранов и колодцев транспозиции, вывод аналитических выражений для расчета этих величин в условиях конкретной кабельной линии с учетом требований безопасности людей и животных.

6. Исследование безопасности работ на одноцепных и многоцепных кабельных линиях, анализ условий выноса потенциала по экранам кабелей и анализ уровня наведенных напряжений в многоцепных линиях, способов их снижения и методов расчета.

7. Обоснование области рационального применения транспозиции самих кабелей, ее влияния на токи, напряжения, потери в экранах одноцепных и многоцепных кабельных линий, ее эффективность для симметрирования кабельной линии, для обеспечения безопасности работ на многоцепных кабельных линиях.

Методы исследования

Для проведения исследований и разработки указанных мероприятий использовались:

1) для аналитических расчетов - разделы теории электрических цепей, электрических систем и сетей, электромагнитного поля;

2) для компьютерного моделирования - программный комплекс Electromagnetic Transient Program (ЕМТР).

Научная новпзпа диссертационной работы заключается в следующем (на защиту выносится):

1. Уточнены выражения для определения токов и напряжений на экранах кабелей трехфазной кабельной линии.

2. Предложена методика учета брони однофазного кабеля.

3. Разработана методика учета заземленной металлической проводящей шины, проложенной вдоль кабельной линии, дан анализ необходимости ее использования.

4. Разработана методика проверки эффективности транспозиции экранов в случае, когда различаются длины участков кабеля между узлами транспозиции экранов или когда различны способы взаимного расположения фаз друг относительно друга.

5. Рассмотрены различные способы соединения экранов в узлах сопряжения соседних циклов транспозиции экранов, дан алгоритм выбора способа обустройства этих узлов.

6. Обоснованы требования к величинам сопротивлений заземления экранов и колодцев транспозиции.

7. Сформулирована область рационального применения транспозиции самих однофазных кабелей, рассмотрено ее влияние на симметрирование кабельной линии и на безопасность работ на многоцепных кабельных линиях.

8. Рассмотрен вынос потенциала по экранам однофазных кабелей высоковольтной кабельной линии в низковольтную сеть, предложены упрощенные выражения для оценки напряжения на заземляющем устройстве низковольтной сети, а также способы его снижения до безопасного уровня.

9. Установлена возможность ложного срабатывания релейной защиты на многоцепных кабельных линиях с однофазными кабелями, найдены его причины и даны способы исключения.

Достоверность научных положений, выводов п рекомендации подтверждается корректным использованием математического аппарата при проведении исследований и доказательстве теоретических положений, результатами компьютерного моделирования, экспериментами на ряде кабельных линий ОЛО «Вологдаэнерго», ОАО «Кубаньэнерго».

Практическая ценность диссертации. Предложенные в работе методики расчетов точны и удобны, а технические решения позволяют повысить надежность работы кабельных линий электропередачи. Результаты исследования уже используются при проектировании, строительстве и эксплуатации кабельных линий 6-500 кВ с однофазными кабелями, в подтверждение чего к работе приложено 4 акта их внедрения.

Апробация работы выполнена на кафедре «Электрические системы и сети» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (СПб, 2010), международной научно-практической конференции «Педеля науки СПбГПУ» (СПб, 2010).

Внедрение результатов проведено на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», ОАО «Холдинг МРСК», в проектных организациях ООО «К-Электротехник», ООО «Универсал-электрик» и др.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, 3 из них - в рекомендованных ВАК источниках.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников, включающего в себя 57 наименований, и приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации в связи с широким распространением современных однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена для строительства высоковольтных кабельных линий; отмечается недостаток литературы, нормативной базы и научных разработок в этой области. Содержится постановка задач исследования, отмечена новизна и практическая ценность работы.

Глава 1 содержит описание конструкций силовых однофазных кабелей и механизмов появления токов в экранах и напряжений на них; перечислены основные способы взаимного расположения кабелей и схемы заземления экранов в трехфазных группах однофазных кабелей.

Предложена методика оценки наведенных токов и напряжений экранов, основанная на выражениях для расчета падений напряжения на жилах и экранах кабелей трехфазной кабельной линии (КЛ) в установившемся режиме с учетом уникальности взаимных сопротивлений для каждой пары однофазных кабелей:

=7,Ж1ЖЛ +2Ж)1.)Л +2ИВ(/Ж„ +гм)+гкл с(/жг+/.„.).

^ ЖВ = ^Ж^ЖО + + жл -ц+ ' эс )■

^ же ~ ^ж^жс + + (^»в + ^ ^

>: 2жз/ж| + ¿л,,„ (/ жв + /3„ )+ ¿юс (/жс + 1Ж ),

ли )в = 2,1 з„ )1

Д(/,г = ¿,/,г + ¿ж,/жг + (/ж, + /,,)+ ¿АЖ. (/жв + /,в),

где 1.)с - токи экранов кабелей, 1жа, /жг - токи жил кабелей фаз А, В, С;

¿ж - собственное сопротивление жилы, ¿, - собственное сопротивление экрана, ¿жз -взаимное сопротивление между жилой и экраном одного и того же кабеля, ¿А.,„, ¿<ж-, ~ взаимные сопротивления кабелей соответствующих фаз. Выражения для сопротивлений, входящие в (1.1), являются достаточно точными и при этом относительно простыми. Например, для расчета погонного взаимного сопротивления кабелей фаз Л и В в работе предложено выражение

' 4 2ж ,д„

где / - частота напряжений и токов, а - круговая частота, $дв - расстояние между

осями кабелей фаз Л и В, £>, = 2,24^¡р1/ар0 - эквивалентная глубина залегания обратного провода, р1 - удельное сопротивление грунта.

Для более точного расчета величины этого сопротивления известна формула РоИасгек'а, записанная с учетом зависимости параметров кабельных линий от частоты и геометрического расположения в земле,

7 • _

. 1,781ш,х,„ 12/, ,

2л-

где/гд, Л„ - глубина заложения кабелей фаз А и В, /п, = ехр(у я / / /?, .

Очевидно, что предложенные в работе выражения проще и удобнее, точность же их подтверждается многочисленными расчетами.

Выражения (1.1) решаются относительно интересующих токов и напряжений путем задания дополнительных уравнений, характеризующих задачу, и граничных условий, описывающих состояние экранов (заземлены с двух сторон, заземлены с одной стороны, транспонированы).

Глава 2 посвящена расчету наведенных напряжений на экранах, наведенных экранных токов и вызванных ими потерь активной мощности 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. Расчеты были произведены по методике, изложенной в первой главе, и проверены компьютерным моделированием в программном комплексе ЕМТР.

Анализ результатов расчетов производился исходя из того, что протекание токов в экране нежелательно, так как приводит к появлению дополнительных потерь в кабельной передаче и перегреву кабелей. Также были обоснованы ограничения на допустимое напряжение промышленной частоты на экране относительно земли 1}эл°". На основании анализа результатов расчетов сделаны выводы и даны следующие рекомендации:

> В сетях 6-500 кВ при любом способе обустройства экранов предпочтительна прокладка однофазных кабелей сомкнутым треугольником, поскольку наведенные токи и напряжения экранов тем меньше, чем ближе расположены фазы.

В сетях 6-500 кВ следует использовать кабели с экранами минимального сечения -такого, при котором уже начинает обеспечиваться их термическая стойкость к токам замыкания жила-экран.

> При заземлении экранов с двух сторон и расположении фазных кабелей в ряд имеет смысл транспонировать кабели линии (рис. 4, а), что позволит симметрировать кабельную линию с рядным расположением фаз - выровнять токи по экранам фаз и, как следствие, снизить температуру самой нагретой фазы (см. таблицу 1).

Рис. 4. Транспозиция кабелей при двустороннем (а) и одностороннем (б) заземлении экранов

Таблица I. Токи /э//ж и потери Рэ/Рж в экранах при их двустороннем заземлении и

Взаимное расположение фаз Токи А,//ж Потери Р-,/Рх

Л, левая В, средняя С, правая А, левая В, средняя С, правая

рис. 3, а 0,503 0,416 0,593 1,332 0,911 1,851

рис. 4, а 0,509 0,509 0,509 1,364 1,364 1,364

При расположении кабелей линии в треугольник транспозиция кабелей не имеет смысла. При заземлении экранов изолированной одноцепной линии с одной стороны (рис. 4, б) нет необходимости транспонировать кабели линии (см. таблицу 2).

Таблица 2. Напряжение иВ (па 1000 м и 1000 А) на экранах при их одностороннем

Взаимное расположение фаз Л, левая В, средняя С, правая

рис. 3, б 138 112 139

рис. 4, б 126 126 126

> В сетях с заземленной нейтралью 110 кВ и выше параллельно группе однофазных кабелей можно, при наличии обоснования, прокладывать проводящую шину с двусторонним заземлением для снижения напряжения на заземлённых с одной стороны экранах (рис. 5) и увеличения максимальной длины КЛ, при которой ещё допустим такой простой и недорогой способ заземления экранов.

КЛ

Рис. 5. Схема заземления экранов кабелей и шины „ иэ. кП

О 1-]-1-1-1-1

нет Ш

есть Ш

О 200 400 600 800 х. м 1000

Рис. 6. Распределение напряжения экран-земля без шины и при ее наличии

Для кабельных линий, проложенных в городской черте (при большом количестве металлоконструкций в земле) величины напряжений на экранах меньше, а шина малоэффективна; на рис. 6 даны эпюры распределения напряжения на экране относительно земли при внешнем замыкании для аварийной фазы А кабельной линии, находящейся за пределами города, при отсутствии шины и её наличии сечением Г,,, = 300 мм2 (расстояние от КЛ до шины О,,, = 0.5 м, сопротивления заземляющих устройств шины в начале и конце КЛ = Я?У2 = 0.5 Ом, длина линии 1К = 1000 м, ток аварийной фазы /ЖА =10 кА).

> Выбор числа циклов транспозиции экранов N (рис. 7 - N=2 цикла транспозиции экранов) должен быть осуществлен исходя из условия допустимости величины напряжения, воздействующего на внешнюю изоляцию кабелей, иэ/М <£/./'"".

а)

\

( ( ! > [

7 ^ 1 Ь I Ь 1 & I 6? 1 КН У,

( г.................'

1 (

* Ь 1 , & Ь J

б)

Рис. 7. Схема соединения экранов группы из трех однофазных кабелей в случае, когда применено N = 2 полных цикла транспозиции; а- в узел сопряжения циклов установлена коробка транспозицгт, б —узел сопряжения циклов заземлен

> В случае, если при транспозиции экранов КЛ длины участков между узлами транспозиции отличаются, в экранах кабелей будут протекать токи, и транспозиция может оказаться неэффективной при значительной (в разы) разнице в длинах участков. Для оценки величины экранных токов можно использовать выражение

(2.1)

где 1Ж - ток жилы кабеля; '/,,- - взаимное сопротивление соседних кабелей, полученное с использованием среднегеометрического расстояния между фазами; К, - коэффициент транспозиции,

д. = /| + (- 0,5 - у ■ 0,5 • Уз )• 12 + (- 0,5 + 7 ■ 0,5 • Уз )■ I, /,+/2+/,

/,, /2, /, - длины участков транспонированной линии.

> При транспозиции экранов в трехфазной группе кабелей способ прокладки кабелей на участках не должен отличаться; в противном случае транспозиция экранов будет малоэффективна. Для приблизительной оценки максимального тока экрана при расположении кабелей линии на двух участках между узлами транспозиции треугольником, а на одном в ряд, в работе предложено простое выражение

7 (,)_7 (|'(

/ =_£ж__/

(2.2)

где ¿к''' - взаимное сопротивление между кабелями на участке с расположением кабелей линии в треугольник, ¿лс"' - взаимное сопротивление между кабелями Л и С на участке с расположением кабелей линии в ряд.

При выборе способа обустройства узлов сопряжения при нескольких циклах транспозиции (рис. 7, а или рис. 7, б) следует комплексно учесть два аспекта: - в аварийном режиме замыкания жила-экран напряжение, прикладываемое к оболочке кабеля, не должно превысить допустимую для данного кабеля величину; при малом сечении экранов кабелей и больших длинах кабельной линии это напряжение может быть заметно снижено путем заземления узлов сопряжения между циклами транспозиции на достаточно малое сопротивление. Проверить, допустима ли величина этого напряжения при выбранном способе обустройства узлов сопряжения между циклами транспозиции, можно с помощью компьютерного моделирования или оценочной формулы

(Я)1+Я1У1)(гЭ2 + Л,У2)1

^ . п . п 1'

: ~>У2Ч^ (23)

+И,у, +/<!),. 2

где ЯЭ1 - собственное активное сопротивление экрана участка линии до места замыкания, 7,.п - собственное сопротивление экрана участка линии после места замыкания, Д,У1 и К,уг - сопротивления заземляющих устройств в начале и конце линии соответственно, /? - ток замыкания жила-экран;

- в случаях, когда напряжение экран-земля в аварийных режимах находится в пределах допустимого, способ обустройства узла сопряжения циклов транспозиции следует выбирать из соображений экономической выгоды: сопоставления величин затрат на установку транспозиционных коробок в узлы сопряжения и разницы в стоимости потерь при двух способах обустройства этих узлов.

При заземлении узлов сопряжения циклов оценить величину относительных потерь в экранах к потерям в жилах можно по формуле

где К) - собственное активное сопротивление экрана, Кж - собственное активное сопротивление жилы, К- модуль коэффициента транспозиции г'-го цикла,

X ~ 1К —Мп| 1, (1Э - диаметр экрана, .V - расстояние между осями кабелей. 2л- {(1Э)

При установке в узлы сопряжения циклов коробок транспозиции можно оценить величину относительных потерь в экране по формуле

Г., Й-, / Ли

где при расчете модуля коэффициента транспозиции Кг длины всех первых, вторых и третьих участков циклов складываются между собой.

Глава 3 посвящена исследованию внутренних повреждений 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 (см. рис. 8), оценено влияние величин сопротивлений заземляющих устройств экранов и коробок транспозиции при повреждениях на кабельных линиях.

4Г

-и

Рис. 8. Вынос потенциала по экрану высоковольтного кабеля в сеть низкого напряжения через общее заземляющее устройство

По результатам исследований даны следующие рекомендации: > При выборе сопротивления заземления колодца транспозиции следует руководствоваться допустимостью величины шагового напряжения на поверхности земли при повреждении оболочки кабеля в нормальном режиме (рис. 9); в случае, если этого невозможно добиться выбором сопротивления заземления колодца транспозиции, следует увеличивать число циклов транспозиции экранов сверх числа, выбранного по условию допустимости величины напряжения экран-земля. А-В ■ С .

V V

•\г X «2" к ' Ч X "1"

Рис. 9. Повреждение внешней изоляции кабеля в колодце транспозиции

Для оценки величины напряжения экран-земля при повреждении оболочки в нормальном режиме предложено выражение

и

у _ ^'К-пк '(¿>- ¿ж ;)у ' 2-гэ+9-Япк

(3.1)

где 1Ж - ток жилы поврежденного кабеля в нормальном режиме, Кпк -сопротивление заземляющего устройства колодца транспозиции. Для оценки величины напряжения экран-земля при повреждении оболочки в режиме внешнего к.з. на той же фазе предложено выражение

3 2-г,+9-япк '

I,

(3.2)

где - ток подпитки внешнего к.з. по рассматриваемому кабелю. Для оценки

максимально возможного шагового напряжения на поверхности земли в таком случае можно использовать формулу

колодца, Н - его глубина.

В работе также предложены допустимые сочетания длин участков между узлами транспозиции и сопротивлений заземления транспозиционных колодцев.

> Самый простой способ борьбы с выносом потенциала - заземление высоковольтных кабелей только со стороны питающей подстанции. Однако эта схема заземления может оказаться неприемлемой, если напряжение экран-земля будет превышать допустимое значение.

~> При двустороннем заземлении экранов кабелей высоковольтной сети в целях недопущения выноса потенциала следует рассмотреть возможность заземления высоковольтного и низковольтного оборудования на разные заземляющие устройства.

> Если имеется техническая возможность выбора сопротивлений заземляющих устройств экранов КЛ, следует делать эти величины как можно меньше с целью недопущения разрушения оболочки в аварийных режимах. Снижение сопротивлений заземляющих устройств двусторонне заземленных экранов высоковольтных линий также может оказаться эффективным способом борьбы с выносом потенциала.

Глава 4 посвящена многоцепным кабельным линиям - исследованы задача обеспечения безопасности при работах на многоцепных кабельных линиях, а также проблема ложного срабатывания релейной защиты на многоцепных кабельных линиях. Рассмотрены примеры многоцепных линий, произведены аналитические и компьютерные расчеты, на основании которых сделаны следующие выводы:,

> Транспозиция фазных кабелей - это эффективный способ снижения наведенных токов и напряжений на экраны соседних цепей многоцепной кабельной линии, что весьма важно для безопасного монтажа, обслуживания, ремонта, особенно при прокладке фазных кабелей в ряд (см. таблицы 3, 4).

(3.3)

\аЬ + 2На + 2НЬ 2-л

, а и Ь - длины боковых сторон рассматриваемого

Таблгща 3. Токи в экранах 1Э/1Ж при их двустороннем заземлении и расположении кабелей двухцепной линии в ряд с расстоянием «в свету» между кабелями Ал = 0.1 м, между цепями Д.512 = 0.2 м

Взаимное расположение фаз (обе цепи) Работающая цепь Отключенная цепь

А, левая В, средняя С, правая А, левая В, средняя С, правая

рис. 3, а 0,495 0,453 0,553 0,092 0,042 0,027

рис. 4, а 0,509 0,509 0,509 0,020 0,020 0,020

Таблица 4. Напряжение С/э, В (на 1000 м и 1000 А) на экранах при их одностороннем заземлении и расположении кабелей двухцепной линии в ряд с расстоянием «в свету» между кабелями = 0.1 м, между цепями Д$]2 = 0.2 м

Взаимное расположение фаз (обе цепи) Работающая цепь Отключенная цепь

А, левая В, средняя С, правая А, левая В, средняя С, правая

рис. 3, б 138 112 139 44,6 31,4 24,3

рис. 4, б 126 126 126 5,90 5,90 5,90

Необходимость в транспозиции фазных кабелей зависит от взаимного расположения кабелей и схемы заземления их экранов, числа цепей и расстояния между ними, от длины кабеля и токов нагрузки, и может быть подтверждена расчетами токов и потерь в экранах (при их двустороннем заземлении), или напряжений экран-земля (при одностороннем заземлении).

> В дополнение к транспозиции фазных кабелей важным способом обеспечения безопасности работ на многоцепных кабельных линиях является заземление жил отключенных цепей.

> При соединении секций шин концевых подстанций секционными выключателями (СВ) есть риск наведения в жилах подключенных к ним кабелей токов нулевой последовательности; протекая по СВ, эти токи могут привести к ложному срабатыванию релейной защиты (рис. 10).

Рис. 10. Путь токов нулевой последовательности в экранах и в жилах (пунктиром) двух цепей кабельной линии, работающих на одну нагрузку И, при объединении их на подстанциях секционными выключателями СВ

Одностороннее заземление экранов кабелей не является гарантией отсутствия токов в СВ подстанций при их замыкании, если кабели линий проложены в ряд.

> Для исключения токов нулевой последовательности в контурах жил рекомендуется прокладка цепей кабельной линии в параллельных плоскостях (расстояние между одноименными фазами цепей одинаковое) или транспозиция кабелей. Прокладка кабелей сомкнутым треугольником не ликвидирует, но заметно уменьшает величину токов, которые могут протекать в выключателях; при двустороннем заземлении экранов и расположении кабелей треугольником можно рекомендовать прокладывать параллельные цепи линии максимально далеко друг от друга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе исследован ряд вопросов, касающихся проектирования кабельных линий 6-500 кВ из однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

2. Предложена методика, позволяющая с помощью простых выражений оценить величины токов и напряжений на экранах кабелей таких линий и выбрать способ соединения и заземления экранов.

3. Обоснована нежелательность заземления экранов кабелей с двух сторон по причине высоких потерь и возможности выноса потенциала по ним в сеть низкого напряжения.

4. Предложено транспонировать кабели трехфазной кабельной линии в случае, если их экраны заземлены с двух сторон и линия имеет рядное расположение кабелей. Также в этом случае на многоцепных линиях следует рассмотреть возможность расположения кабелей цепей в параллельных плоскостях.

5. При двустороннем заземлении экранов кабельных линий следует предотвратить возможность выноса потенциала в низковольтную сеть путем снижения сопротивления заземляющих устройств или их разделения.

6. Доказано, что использование двусторонне заземленной металлической шины, проложенной параллельно односторонне заземленной трехфазной кабельной линии, позволяет увеличивать длину линии, для которой допустим этот простой и недорогой способ обустройства экранов кабелей.

7. Показано снижение эффективности транспозиции экранов при различных длинах участков между узлами транспозиции, и тем более при различных способах прокладки кабелей на участках.

8. Предложены критерии выбора способа обустройства узлов сопряжения между циклами транспозиции экранов.

9. Исследовано влияние величин сопротивлений заземляющих устройств экранов кабелей и коробок транспозиции на безопасную работу кабельных линий и доказана необходимость снижения величин этих сопротивлений, если имеется такая возможность.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кияткина М.Р. Безопасность при проведении работ на многоцепных кабельных линиях // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: материалы XIV Всерос. конф. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - Т. I. - С. 171 -172.

2. Кияткина М.Р. Особенности трехфазной кабельной линии с рядным расположением фазных кабелей // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, Ч. II. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.-С. 21-24.

3. Кияткина М.Р. Расчет токов в экранах фазных кабелей трехфазной линии // XXXIX международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - С. 38-40.

4. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Кабельные линии 6-500 кВ. Транспозиция однофазных кабелей и их экранов // Новости электротехники. 2011. № 1 (67). С. 36-38.

5. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция однофазных кабелей и транспозиция их экранов // Энергетик. 2012. №4. С. 24-27.

6. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Заземленная металлическая шина. Эффективность при параллельной прокладке с однофазными кабелями // Новости электротехники. 2011. №5(71). С. 70-73.

7. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Эффективность применения металлической шины, параллельной однофазным кабелям // Энергетик. 2012. №6. С. 20-22.

8. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция экранов кабелей 6-500 кВ. Практические аспекты использования // Новости электротехники. 2012. №2(74). С. 80-84.

9. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция экранов кабелей // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. №2-1. С. 202-206.

Подписано в печать 11.02.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ ЮЗООЬ.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТОКОВ, НАПРЯЖЕНИЙ, ПОТЕРЬ.

1.1. Конструкция кабеля и механизм появления токов, напряжений, потерь.

1.2. Основные схемы заземления экранов и их назначение.

1.3. Методика расчета токов и напряжений экранов, наведенных током жилы.

1.3.1. Экраны кабелей заземлены с двух сторон.

1.3.2. Экраны кабелей заземлены с одной стороны.

1.3.3. Экраны кабелей транспонированы.

1.3.4. Кабели линии транспонированы.

1.3.5. Кабели линии имеют броню.

1.4. Методика расчета потерь мощности от токов в экранах, наведенных током жилы.

1.4.1. Относительные потери мощности.

1.4.2. Коэффициент использования пропускной способности.

1.4.3. Годовая стоимость потерь мощности.

1.5. Методика расчета токов и напряжений при повреждении кабеля.

ГЛАВА 2. НАВЕДЕННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКИ И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ.

2.1. Экраны кабелей заземлены с двух сторон.

2.1.1. Влияние расстояния между фазами.

2.1.2. Влияние сечения экранов.

2.1.3. Влияние транспозиции кабелей.

2.2. Экраны кабелей заземлены с одной стороны.

2.2.1. Влияние расстояния между фазами.

2.2.2. Влияние числа односторонне заземленных секций.

2.2.3. Влияние шины, проложенной вдоль кабеля.

2.2.4. Влияние транспозиции кабелей.

2.3. Экраны кабелей транспонированы.

2.3.1. Влияние расстояния между фазами.

2.3.2. Влияние числа циклов транспозиции.

2.3.3. Идеальная и неидеальная транспозиция.

2.3.4. Влияние способа обустройства узла сопряжения циклов.

ГЛАВА 3. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ КАБЕЛЯ.

3.1. Повреждение оболочки кабеля на трассе.

3.1.1. Методика расчета.

3.1.2. Оценка допустимых напряжений.

3.1.3. Результаты расчетов.

3.2. Повреждение оболочки кабеля в коробке транспозиции.

3.2.1. Методика расчета.

3.2.2. Оценка допустимых напряжений.

3.2.3. Результаты расчетов.

3.3. Короткое замыкание жила-экран в кабеле.

3.3.1. Занос потенциала по экранам кабельных линий и борьба с ним.

3.3.1.1. Методика расчета.

3.3.1.2. Оценка опасности заноса потенциала.

3.3.1.3. Результаты расчетов.

3.3.1.4. Методы борьбы с заносом потенциала.

3.3.2. Пробой оболочки кабеля вследствие короткого замыкания жила-экран.

3.3.2.1. Методика расчета.

3.3.2.2. Оценка допустимого напряжения экран-земля и результаты расчетов.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ МНОГОЦЕПНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ. Л

4Л. Безопасность работ на многоцепных кабельных линиях.

4.2. Ложная работа релейной защиты на многоцепных кабельных линиях.

Для передачи и распределения электроэнергии используются воздушные и кабельные линии; стоимость 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 кВ; получены аналитические выражения для токов и напряжений экранов кабеля, позволяющие обосновать выбор способа заземления экрана, необходимость частичного разземления экранов, секционирования экранов, применения транспозиции экранов; представлены 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 сети; приведены результаты обобщающих расчетов для кабелей 6-500 кВ, примеры расчета; содержатся рекомендации по повышению термической стойкости экранов и защите изоляции экранов от перенапряжений; есть 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 них; перечислены основные схемы заземления экранов в трехфазных группах однофазных кабелей; даны 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 проектированию; по 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 фазы; на 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 жил; нагрев 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 передачи; однако, 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-\

I-\ б) 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™ 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 1 ^зу 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 напряжений; способ симметрирования трехфазной кабельной линии с рядным расположением кабелей путем транспозиции фазных кабелей; критерии 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 экранов; метод оценки шаговых напряжений на поверхности земли при повреждениях оболочки кабеля на трассе линии или в кабельных колодцах; метод оценки величины потенциала, выносимого по экранам высоковольтных кабельных линий в сеть низкого напряжения, и возможные способы борьбы с выносом потенциала; рекомендации 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» фазах; способы 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 нежелательно; при 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 разделения; оценку 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 больше; для 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 идеальной; напряжения 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 транспозиции; в 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 меньшим; в случае, если сопротивления заземления коробок транспозиции велико, по условиям безопасности может потребоваться увеличение числа циклов транспозиции.

1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание, переработанное и дополненное. М., 2003.

2. Международный стандарт МЭК №60287, 2006.

3. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996. 464 с.

4. Костенко М.В. и др. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука: Ленингр. отд-ние, 1988. 302 с.

5. Голдобин Г.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Волновые процессы и перенапряжения в кабельных линиях высокого напряжения: Учебное пособие для студентов 4 и 5 курсов электротехнического факультета. Новосибирск: Новосиб. Электротехн. Ин-т, 1987. 76 с.

6. Тиходеев H.H. Передача электрической энергии / Под ред.

7. B.И.Попкова.-2-e изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние, 1984. 248 с.

8. Коровкин Н.В., Сморгонский A.B. Анализ электромагнитной обстановки на электрических подстанциях и станциях // Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб., 2010. №1(95). С. 19-24.

9. Шваб А.И. Электромагнитная совместимость. Перевод с немецкого под ред. Кужекина И.П. М.: Энергоатомиздат, 1995. 468 с.

10. Ю.Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995. 295 с.

11. П.Костенко М.В., Халилов Ф.Х., Михайлов Ю.А. Электроэнергетика. Электромагнитная совместимость: учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997. 103 с.

12. Костенко М.В., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Электромагнитная совместимость: учебное пособие / в двух частях. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004.

13. Халилов Ф.Х. Электромагнитная совместимость: Электромагнитная обстановка и совместимость на электрических станциях и подстанциях: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. 61 с.

14. Халилов Ф.Х. Электромагнитная совместимость: Электромагнитная совместимость линий электропередачи с биосферой: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. 64 с.

15. Цицикян Г.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. СПб.: Элмор, 2007. 182 с.

16. Яковлев В.И. Электромагнитная совместимость в энергетике: учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 324 с.

17. Канискин В. А., Михасев С.Ю., Троицкий Л.К., Халилов Ф.Х., Шилина H.A. Проблемы внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в сети средних классов напряжения // Электромагнитная совместимость в электроэнергетике, 2007.

18. A. Kladt, A., Bittencourt, S., Carvalho, A., Neves, M., Zakhia, W., "Evaluation tool of different substation concepts", VII SEPOPE, Brazil, SP-034, 2000.

19. Александров Г.Н., Горелов A.H., Ершевич B.B. и др. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения / Под ред. Г.Н. Александрова. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1993. 560 с.

20. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования, СПб, 2008.

21. Филиппов М.М. Влияние параметров и схем соединения экранов однофазных кабелей на уменьшение потерь в KJI // Электрические станции: ежемесячный производственно-технический журнал / Министерство промышленности и энергетики РФ. М., 2008. - №3. -С. 43-46.

22. Кузнецов Д.В., Смоловик C.B. Влияние систем заземления экранов кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 110 кВ и 330 кВ на их основные параметры // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. №1.

23. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6500 кВ. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. 154 с.

24. Технические условия ТУ 16.К71 273 - 98. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 64/110 кВ. 1998.

25. Проспекты и инструкции фирмы «АББ Москабель»: кабельные системы с изоляцией из сшитого полиэтилена. 2007.

26. Проспекты и инструкции фирмы «Nexans»: кабельные системы высокого напряжения 110-500 кВ. 2007.

27. Силовые кабели фирмы Pirelli Cables and Systems Oy. Проспекты, 2005.

28. Нейман JI.P., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники / в двух томах. Л.: Энергия, 1967.

29. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990. 575 с.

30. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

31. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные кабели 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Расчет заземления экранов // Новости Электротехники. 2007. № 5(47).

32. Дмитриев М.В. Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ. СПб.: Изд-во «НИВА», 2007. 60 с.

33. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ // Новости Электротехники. 2007. № 2(44).

34. Wedepohl L.M., Welcox D.J. Transient analysis of underground power transmission systems. Proc. Inst. El. Eng., 1973, vol.120, N2, pp.253-260.

35. Богородицкий Н.П., Пасынков B.B., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: учебник для вузов. 7-е из., изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1985. 303 с.

36. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учебник для вузов и факультетов. М.: Энергия, 1970. 519 с.

37. Сербиновский Г.В. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети. М.: Энергия, 1980. 576 с.

38. Кияткина М.Р. Особенности трехфазной кабельной линии с рядным расположением фазных кабелей // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, Ч. II. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. С. 21-24.

39. Кияткина М.Р. Расчет токов в экранах фазных кабелей трехфазной линии // XXXIX международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. С. 38-40.

40. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Кабельные линии 6-500 кВ. Транспозиция однофазных кабелей и их экранов // Новости электротехники. 2011. №1(67). С. 36-38.

41. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция однофазных кабелей и транспозиция их экранов // Энергетик. 2012. №4. С. 24-27.

42. ЕМТР Rule book. Bonneville Power Administration, Branch of System Engineering. Portland, Oregon 97208-3621, USA, 1986 (www.emtp.org).

43. Каталог 2010/2011 фирмы «Tyco Electronics»: высоковольтная кабельная арматура. 2010.

44. Каталог 2011/2012 фирмы «Tyco Electronics»: кабельная арматура. 2011.

45. Костенко М.В., Гумерова Н.И., Данилин А.Н. и др. Волновые процессы и перенапряжения в подземных линиях. СПб.: Энергоатомиздат Санкт-Петербургское отд-ние, 1991. 232 с.

46. Кадомская К.П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. 141 с.

47. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Заземленная металлическая шина. Эффективность при параллельной прокладке с однофазными кабелями // Новости электротехники. 2011. №5(71). С. 70-73.

48. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Эффективность применения металлической шины, параллельной однофазным кабелям // Энергетик. 2012. №6. С. 20-22.

49. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. СПб.: Издательство Сизова М.П.,2004. 304 с.

50. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция экранов кабелей 6500 кВ. Практические аспекты использования // Новости электротехники. 2012. №2(74). С. 80-84.

51. Дмитриев М.В., Кияткина М.Р. Транспозиция экранов кабелей // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. №2-1. С. 202206.

52. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Справочник. 2-е изд. М.: ЗАО «Энергосервис», 2006. 520 с.

53. Борисов Р.К. О выносе высокого потенциала при коротком замыкании на землю на питающем центре // Энергоэксперт. 2012. № 2 (31). С. 6466.

54. ГОСТ 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93) 4.4. Требования по обеспечению безопасности. Раздел 442. Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ.