Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией

Копырюлин, Петр Владимирович

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией

кандидата технических наук: Копырюлин, Петр Владимирович
город: Самара
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование эксплуатационных свойств кабельных линий с полимерной изоляцией"

005537506

На правах рукописи

Копырюлин Петр Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2013

005537506

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (г. Самара).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Гольдштейн Валерий Геннадьевич

доктор технических наук, профессор Таджибаев Алексей Ибрагимович доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», ректор

Кокин Сергей Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по науке и инновациям УралЭНИН ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург), доцент кафедры «Автоматизированные электрические системы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (г. Н. Новгород)

Защита состоится «27» ноября в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, аудитория №4 (учебный центр СамГТУ-Электрощит).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 242-3690, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (443100, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1)

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

доктор технических наук, доцент

A.A. Базаров

Актуальность темы. Кабельные сети 6 220 кВ являются основой систем энергоснабжения промышленных предприятий, коммунального и бытового электропотребления, поэтому научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности их работы можно считать важной научно-технической проблемой, требующей тщательного исследования и корректного решения.

Повышение надежности кабельных линий (КЛ) с полимерной изоляцией во многом определяет совершенствование методов их проектирования, производства и эксплуатации, реализация которого позволит повысить их пропускную способность, снизить аварийность при воздействиях на изоляцию КЛ мощных электромагнитных помех, минимизировать потери в экранах, улучшить их эксплуатационные свойства и характеристики и т.д.

При совершенствовании эксплуатационных свойств КЛ с полимерной изоляцией наибольший интерес представляют проблемы обеспечения защиты изоляции КЛ от грозовых перенапряжений при воздействиях токов молний, приходящих с воздушных линий (ВЛ), а также внутренних, связанных с работой коммутационных и защитных аппаратов. Их ограничение позволяет обеспечить необходимый ресурс полимерной изоляции КЛ и предотвратить возможный недоотпуск электроэнергии в жестких условиях по резервированию Я системах электроснабжения.

Значительные проблемы возникают на этапах проектирования и эксплуатации КЛ в связи с необходимостью ограничения продольных токов и напряжений в экранах КЛ. Ограничение токов, индуцируемых в экранах с односторонним разземлением или их транспозицией, приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность оболочки, и тем самым представляют опасность для людей находящихся вблизи КЛ. Потому, необходимо уточнение математических моделей для определения токов и напряжений, индуцируемых в экранах, с целью корректного выбора сечения экрана, необходимого количества его секций или циклов транспозиции. Углубленное изучение процессов связанных с возникновением продольных токов в экранах, позволит не допустить ввода в эксплуатацию КЛ с заниженным сечением экрана, наличие значительных потерь в котором приводит к ускоренному старению изоляции и снижению пропускной способности КЛ, а в случае не удовлетворения термической стойкости к выгоранию экрана по ходу трассы КЛ.

Не менее важно изучение тепловых процессов, проходящих в КЛ с полимерной изоляцией, учет которых при проектировании позволяет обеспечить требуемую пропускную способность при минимальном сечении жилы КЛ.

Сказанное выше определяет актуальность проблем и темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы разработка положений и рекомендаций, направленных на снижение аварийности, повышение экономичности, корректности проектирования и организации эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией.

Для реализации этой цели проведен анализ и обобщение физико-химических свойств, опыта производства и эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, а также аналитические исследования и компьютерные эксперименты электромагнитных процессов, выполненные с учетом специфики КЛ с полимерной изоляцией, построены математические модели, разработаны мероприятия для повышения их надежности и энергоэффективности работы. Задачи работы, сформулированные в соответствие с поставленной целью.

1. Совершенствование математической модели тепловых процессов в кабельных линиях с полимерной изоляцией.

2. Разработка уточненной математической модели продольных токов и напряжений в экранах в нормальном, аварийном симметричном и несимметричных режимах.

3. Определение параметров математической модели КЛ с полимерной изоляцией для анализа волновых процессов распространения импульсов перенапряжений.

4. Построение статистической модели дуговых и коммутационных перенапряжений, воздействующих на главную изоляцию КЛ 6-220 кВ.

5. Разработка математических моделей волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов КЛ 6-220 кВ.

Научная новизна работы заключаются в следующем.

1. Описание волновых процессов импульсных перенапряжений в схеме с транспонированными экранами трехфазной системы с кабелями однофазного исполнения.

2. Создание математических моделей защиты изоляции экранов КЛ с полимерной изоляцией от дуговых, коммутационных и грозовых перенапряжений, а так же индуцируемых токами КЗ.

3. Упрощенная модель токов в экранах при КЗ вне КЛ. Практическая ценность.

1. Рекомендации по обеспечению защиты от перенапряжений, возникающих на полимерной изоляции КЛ.

2. Методика приближенного определения напряжений в узлах транспозиции и одностороннего разземления экранов КЛ с полимерной изоляцией.

3. Совершенствование методики выбора КЛ с полимерной изоляцией по допустимым тепловым воздействиям.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Уточненная математическая модель тепловых процессов в КЛ с полимерной изоляцией.

2. Совершенствование определения продольных токов и напряжений в экранах для нормальных и аварийных режимов.

3. Математическая модель волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.

Основные методы научных исследований. В диссертационной работе были использованы методы математического анализа, физического математического моделирования, теории матриц и математической статистики. Оценка корректности моделирования производилась с учетом опыта эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, данными эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, системным научным обоснованием принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов известных исследований и проведенных автором расчетов и экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах: «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.); «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Екатеринбург, 2010 г.); «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2011 г.); «Электроэнергетика глазами молодежи», (Самара, 2011 г.); «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», (Пенза, 2011 -2013 г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по ограничению перенапряжений на полимерной изоляции КЛ переданы в подразделения ОАО «Роснефть», в частности, ОАО «Самаранеф-тегаз», а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проектэлектро» (г. Самара), ОАО «МРСК Волги» и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара). Разработанные методы моделирования процессов в кабельных электрических сетях и системах электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 12 публикациях, в том числе 2 публикации в рецензируемых научных журналах из Перечня, утверждённого ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 125 стр. основного текста и приложения.

П. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткое описание накопленных сведений по опыту эксплуатации и процесса производства КЛ с полимерной изоляцией. Обосновывается актуальность выбранного направления исследования, формулируются цели, задачи диссертационной работы, приводятся основные положения выносимые на защиту. Также приведены сведения о апробации работы на международных и всероссийских конференциях и семинарах, публикациях, в которых освещено содержание работы по существу и структуре диссертации.

В первой главе определены цель и задачи диссертации, а также дан сравнительный анализ проблем сооружения и эксплуатации новых и существующих ЮТ, различных по конструкции, характеристикам и изоляционным материалам.

В настоящее время в электроэнергетике России все шире внедряются инновационные решения повышающие надежность, безопасносгь, энергосбережение и энергоэффективность электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Все перечисленные нововведения в полной мере относятся к КЛ, которые занимают основное место в обеспечении бесперебойного электроснабжения и при этом являются элементами с наибольшей аварийностью из за малого опыта эксплуатации кабелей с полимерной изоляцией, в частности, из сшитого полиэтилена (СПЭ) и этилен-пропиленовой резины (ЭГ1Р).

Сравнительный анализ достоинств и недостатков традиционных и перспективных видов твердой изоляции, конструкций КЛ и особенностей их прокладки, монтажа и эксплуатации производится по положениям электромагнитной совместимости (ЭМС). При этом показатели всех видов внутренней стойкости КЛ сравниваются с такими характеристиками как: стационарные, импульсные токи и напряжения; внешние и внутренние тепловые воздействия; разные виды излучений: световые, ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и др.; химически агрессивные газовые, жидкостные (в том числе вода) среды и грунты; взрывоопасные среды; общее внутреннее увлажнение структур изоляции; подверженность возникновения полостей и трещин в твердой полимерной изоляции; стойкость к механическим деформациям и ударам и др.

Исходя из результатов сравнения характеристик различных видов изоляции, можно сделать вывод о преобладании в ближайшем будущем на рынке кабельной продукции образцов с изоляцией из улучшенных образцов СПЭ и ЭПР, которые обладают характеристиками, превосходящими существующие аналоги, внедренные в эксплуатацию электроэнергетики РФ, таких как изоляция из кабельной бумаги пропитанной маслом, полихлорвинила, полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката. Необходимо отметить, что как изоляционный материал ЭПР уступает СПЭ, но имеет ряд преимуществ в отношении монтажа, прокладки, развития дефектов и удобства эксплуатации.

Резиновая изоляция для кабельных линий не является новой, но ее разновидность ЭПР совсем не давно была внедрена в эксплуатацию и пока не получила столь широкого распространения, как СПЭ. Можно констатировать, что опыт эксплуатации КЛ с такой полимерной изоляции требует решения выявленного ряда задач и проведения соответствующих исследований.

Одной го задач является уточнение математической модели импульсных грозовых перенапряжений приходящих с воздушных линий и внутренних перенапряжений, возникающих вследствие коммутации выключателей, перенапряжений индуцируемых в экранах при возникновении КЗ в сети, методика защиты от которых так же требует доработки ввиду большого числа выходов из строя КЛ по причине преждевременного износа изоляции.

На этапе проектирования при выборе сечения экрана возникает необхо димость минимизации в них потерь, которые, в ряде случаев, могут превосходить потери в жилах, что Елечет финансовые затраты, и нагрев экрана, и как следствие главной изоляции, что снижает пропускную способность всей КЛ ввиду ограничения нагрева изоляции до 90 °С, данный не учет приводит к не обеспечению требуемой пропускной способности или же вынужденному выбору большего сечения жилы.

Основные принципы анализа тепловых и электромагнитных процессов базируются на многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных ученых: Войтовича P.A., Гольдштейна В.Г., Дмитриева М.В., Евдокунина Г.А., Кадомской K.TL, Канискина В.А., Лариной Э.Т., Таджибаева А.И., Ха-лилова Ф.Х., и др.

Во второй главе разработана уточненная математическая модель тепловых процессов в элементах силовых кабелей с изоляцией из СПЭ, на основании которой производится оценка пропускной способности KJI при различных значений токов в экранах, потерь в них, а следовательно нагрева изоляции для нестандартных решений при проектировании и сооружении KJI.

Для одножильного кабеля, проложенного в воздухе и состоящего из круглой жилы, изоляции из СПЭ, металлического экрана и полимерной защитной оболочки, на основе уравнений теплового баланса для каждого из приведенных элементов составлена система, решая которую можно определить температуру главной изоляции и оболочки:

для жилы: г ■ R

для изоляции:

0 "dr

= 0;

гИ)-^

для экрана:

ertgS

rQnR/r0)2

= 0;

ll-R-lx-R-X,

+ 2л-г„ Я„

Л 'dr

-0;

для оболочки:

d_

dr\ dr на поверхности кабеля: „ dt

Mb

Рис. 1. Расчетные зависимости теплоемкости (а) и теплопроводности (б) полимерных материалов от температуры: 1 - СПЭ; 2 - шланговый ПЭ с содержанием 2,5% сажи; 3 - сополимер этилена с винилацегатом с содержанием 30% сажи (полупровояящие экраны в кабеле).

• dr

В приведенной математической модели используются следующие обозначения: 1,13 - токи в жиле и экране; Дж, Л3 - электрические сопротивления жилы и экрана; г0, й, гэ, Гоб„ - радиусы по жиле,

изоляции, экрану и оболочке; Лт, Хобл - удельные теплопроводности изоляции и оболочки, зависящие от температуры; г, г - радиус и температура в рассматриваемой точке кабеля; а - коэффициент теплоотдачи с поверхности кабеля; /об, /0 - температуры на оболочке и в окружающей среде.

При расчете допустимых нагрузок в кабеле необходимо учитывать зависимость теплофизических свойств (теплопроводность и теплоемкость) от температуры, расчетные зависимости которых приведены на рис. 1.

На основе решения системы уравнений тепловых процессов в элементах КЛ с изоляцией из СПЭ были получены аналитические выражения для определения:

- температуры главной изоляции КЛ из СПЭ:

А, ( Р Л С.Лпг + С,---£-*Лп2г ( 4 ,МЯ1г0) J

А,

ч р > СЬгг + С,--г-%Ьг2г + к

К для 81 <( <105° С

- температуры оболочки КЛ: КЛГ)=-г-•

Приведенные соотношения позволяют рассчитывать температуру главной изоляции и оболочки, учитывая не только нагрев жилы, но и экрана, температура которого, в случае заземления с обеих сторон, и малого его сечения, может превышать температуру в жиле. Уточненный учет потерь в элементах КЛ с изоляцией из СПЭ позволяет адекватно оценить ее пропускную способность ограниченную нагревом главной изоляции до 90 °С и принять меры по их ограничения на этапе проектирования.

В третьей главе разработаны математические модели расчета токов и напряжений в экранах однофазных КЛ с изоляцией из СПЭ для нормальных и аварийных режимов работы. При проектировании по умолчанию экраны КЛ принимаются заземленными с обеих сторон, но при такой схеме соединения и заземления в них индуцируются значительные продольные токи сопровождающиеся потерями энергии, а главное, выделением тепла, что ведет к снижению пропускной способности КЛ. Наиболее распространенными и действенными способами ограничения продольных токов в экранах является их одностороннее разземление и транспозиция, снижающие токи до десятков и единиц ампер. При значительных длинах КЛ в узле разземления экрана или его транспозиции,

возникает повышенное значение напряжения превосходящее электрическую прочность оболочки, снижение которого достигается дроблением экрана на секции или увеличением количества циклов транспозиции.

В табл. 1. приведены расчетные выражения для определения токов в экранах однофазных КЛ в нормальном и аварийных режимах. Разработанная математическая модель индуцируемых токов в экранах позволяет обеспечивать выбор сечения экрана по критерию минимальных потерь и термической стойкости к токам короткого замыкания (индексы Ж, Э, ЖЭК - соответственно, жила, экран и жила-экран).

Таблица 1.

Схема соединения и заземления экранов КЛ Симметричный режим работы (нормальный и трехфазное короткое замыкание вне кабеля) Режим однофазного КЗ вне кабеля

Заземлен с одной стороны Iэл~ }<£>' Сжэ' Ужа I э/г3 )<о • Сжэ* и жв I эс~ .¡(о-Сжу 1/жс 1ЭА~ jen- Сжз- 1ГЖ4 J э£г~ jo>' Сжэ' Um Iэл~ .¡со'Сжэ' Uже

Заземлен с двух сторон I ЭЛ~ -1жл ■ %жэк 1эвг -1жв • 2ЖЭК /эс= -I же' 2жэк I'ja= -їжа '(?жэ - Z¡( %жк)1(2э -Zk) ІЗІГ -1жв' Z¡c Zx3K¡ Іжг же' Ztf Zжэкз

Применена транспозиция (ЛГ полных циклов) 1ЭА= ]а)-Сжэ- ижл'{З-л/З ) /12 I ЭА~ 1ЭВ~ 1ЭС= 1ЭА~ ~ 0,5-у®- Сжэ' ижлт л/3 ) 1ЭА = - ZXK 7 ш / 3 1эв=- Zxx ■1ш/3 /эс=" 2яас 'Iже! 3

По разработанной математической модели табл. 1. для различных фаз кабеля были вычислены соотношения /, / 1Ж в зависимости от сечения жилы и экрана 5Э на 1 км длинны КЛ с токов в жиле 1000 А, при расчете принимались «типовые» (г/ = 0,1 и 0,2 м) и «нетиповые» (А = 0,5 м) расстояния между фазами КЛ.

Рис. 2. Ток в экране однофазного кабеля 6-10 кВ в сравнении с током в жиле в зависимости от сечения жилы 5Ж и экрана Расстояние между кабелями соседних фаз, расположенными в ряд, составляет: для рис. а) 0,1 м, для рис. б) 0,2, для рис. в) 0,5. Экран заземлен в обоих концах кабеля, рассматривается симметричный режим. Кривые с 1 по 5 соответствуют сечениям экрана: 200, 150,100,50,25 мм2.

Для снижения напряжения на экранах, значение которого превышает 5 . кВ в узлах транспозиции и со стороны разземления, производится расчет напряжений, на основании которого осуществляется выбор требуемого количе-

ства циклов транспозиции (Г/э/#<1/эД0П. где С/э - напряжение на экране; N -количество циклов транспозиции) и секций экранов заземленных с одной стороны {иэ1К<иэрр, где К - количество секций экрана). В табл. 2. приведены основные расчетные случаи по определению напряжения на экране.

Таблица 2.

Состояние нейтрали сети Состояние экрана Расчетный режим

Изолированная или компенсированная нейтраль (6-35 кВ) Разземлены с одной стороны, транспонированы. Трехфазное короткое замыкание в сети за кабелем.

Эффективно и глухо-заземленная нейтраль (110-500 кВ) Заземлены с одной стороны Однофазное короткое замыкание в сети за кабелем.

Транспонированы Трехфазное короткое замыкание в сети за кабелем

В табл. 3 приведены расчетные выражения для определения напряжений в экранах однофазных КЛ в нормальном и аварийных режимах.

Таблица 3.

Схема соединения и заземления экранов КЛ Симметричный режим работы (нормальный и трехфазпое короткое замыкание вне кабеля) Режим однофазного КЗ вне кабеля

Заземлен с одной стороны иэл = - 2к)-1ш иэв — (%жэ - %к)'1жв Уэс~ (2жэ - 2у)-1 же и^а = (2жэ - 2К)-1ЖА иэв ~ (2ую - 2ц)-1жв У-у- = (2жэ - 2ц)-1 же

Применена транспозиция (/V полных циклов) иэл1 - '/з (2ЖЭ - 2ц)-1 жл иэл2 = '/з (¿жэ - 2к)'1жв иЭлз = (2жз - 2к)-¡же иэа1 =2- {¿жэ - 2к)-/жл>9 иэа2=2- (2жэ-2к)-1жа/9 Ь'эаз =2- (2жэ

По разработанной математической модели табл. 3. для различных фаз кабеля были вычислены напряжения рис. 3. для различных сечений жилы при длине КЛ в один км и с токов в жиле 1000 А, при расчете принимались «типовые» (с? = ОД и 0,2 м) и «нетиповые» (<1 = 0,5 м) расстояния между фазами КЛ.

Приведенные математические модели позволяют с допустимой

, и, в

Рис. 3. Напряжение на экране однофазного кабеля 6-10 кВ в зависимости от сечения жилы 5Ж и расстояния сі между кабелями соседних фаз расположенными в ряд. Напряжение дано на длину кабеля 1000 м и ток в жиле 1000 А. Экран заземлен с одной стороны, рассматривается симметричный режим. Кривые с 1 по 3 соответствуют расстояниям 0,5; 0,2 и 0,1 между кабелями соседних фаз, расположенных в ряд.

погрешностью в 5 % рассчитывать значения токов, тем самым осуществлять выбор сечения экрана КЛ обеспечивая его термическую стойкость к токам КЗ и минимальных потерях в них, так же получая значения напряжений возникающих в узлах транспозиции и на разземленной стороне экрана определять необходимое их количество для обеспечения напряжения не превышающего электрическую прочность оболочки КЛ.

В четвертой главе разработаны математические модели волновых процессов импульсных перенапряжений воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий для схем с транспозицией и разрывом экранных контуров.

В процессе эксплуатации на изоляцию КЛ воздействуют коммутационные и атмосферные перенапряжения. Кроме того, в случае возникновения КЗ за пределами КЛ, ток КЗ проходящий по жиле индуцирует ЭДС в экране, значение которой, как правило, превышает испытательное напряжение оболочки КЛ.

Анализ параметров электромагнитных полей, инициированных элементами КЛ, позволяет записать телеграфные уравнения для напряжений и токов в жиле и экране КЛ:

сЫ с£с

Хъ+т

сИж

(¡X

ах

Г, -У1 -71 У|+У2

(1)

(2)

где У/ =еоС,(/ + ?ё<51); У// =(oC2{j + tgS■¡)^, 7Л - активное и внутреннее индуктивное сопротивление жилы, обусловленное электромагнитным полем в жиле; ¿2 - внешнее индуктивное сопротивление жилы, определяемое электромагнитным полем в изоляции между жилой и экраном; ¿3 - активное и внутреннее сопротивление экрана, определяемое падением напряжения на внутренней стороне экрана от тока, возвращающегося по жиле (канал <окила - экран»); ¿4 - взаимное сопротивление между каналами жила-экран и экран-земля; ¿5 - активное и внутреннее сопротивление экрана, определяемое падением напряжения на внешней стороне экрана от тока, возвращающегося по земле (канал «экран - земля»); ¿6 - внешнее индуктивное сопротивление экрана, определяемое электромагнитным полем в изоляции между экраном и землей; ¿7 - сопротивление, обусловленное проникновением электромагнитного поля в землю; С1 - удельная емкость между жилой и экраном; С2 - удельная емкость между экраном и землей.

Приближенные расчетные формулы для определения сведены в

таблицу 4.

Параметр Приближенные расчетные формулы

——-сЩАх-тх) + ---Д—1--

¿2 2-я- г,

¿3 —^-с/Л(Д^ •«„)+---

¿4 , -с»сЛ(Д0б -т^)

¿5 —^-+ --^-,-

и 2 • /г гг

¿7 1,78,иЛ + 1 4 Л 2-х { 2 2 3 3 )

Решая телеграфные уравнения (1) и (2) в операторной форме, можно получить аналитические выражения для операционных изображений напряжения между жилой и экраном, экраном и землей:

£/ж(х) = -

гиГг-у? У\ ~ У 2

-Г,-г,2

(3)

иэ{х) =

Е г* Ух

(4)

При проектировании, эксплуатации и реконструкции близлежащих сетей, возникает потребность оценки максимумов перенапряжений инженерным персоналом по упрощенным математическим моделям без углубленного анализа и учет всех возможных воздействий на волновые процессы при возникновении импульсов перенапряжений. Для решения подобных задач допустимо пренебречь сопротивлениями Ъ\,Ъъ, индуктивной составляющей и активной составляющей и принять процессы, происходящие в канале экран-земля не оказывающими влияния на характеристики процессов в канале жила-экран, параметры коаксиальной системы не зависящими от частоты.

С учетом принятых выше допущений телеграфные уравнения имеют вид:

*УЖ

дх ск

р-Ц

.и

О

Р1и

(5),

(¡X

I <к

р-С, О

О

Р-Сц.

их и,

(6)

Решая телеграфные уравнения (5) и (6) в операторной форме, и переходя к оригиналам, можно получить аналитические выражения для напряжения между жилой и экраном, экраном и землей:

= (7)

б.у,

из(х) = Е

где ¿„0-0 =

\IVft-\IVf О, ктх

[(л - )8« с -*■*)-(/- тт)д0 (/ - т,и)],

(8)

I1' <>тг

- обобщенная единичная функция; У1 =1 ЦЬ,С,,

УуЕ

V,, = \1^Ь„С„ - скорости распространения волн по каналам жила-экран и экран-земля; ги - х/Уг, г2х = х/Уц - время пробега волн по названным каналам до точки с координатой х.

Из приведенных на рис. 4. результатов расчетов видно, что выражения (7), (8) дают вполне достоверные, хотя и несколько завышенные результаты и могут быть использованы для анализа максимумов перенапряжений возникающих на оболочке КЛ.

Представленная математическая модель расчета значений токов и напряжений в жилах и экранах кабелей трехфазной системы однофазного исполнения получена при условии двухстороннего заземления экранов КЛ. Это принимается по умолчанию при проектировании КЛ и составлении документации заводов-изготовителей кабельной продукции. Однако, в целях борьбы с продольными токами, индуцируемыми в экранах, в большинстве случаев, применяется их одностороннее разземление и транспозиция, для которых волновые процессы распространения импульсов перенапряжений будут иметь иной характер ввиду изме-

/ ' |

/ ! ' I ! I / ! | 1

» 1 3

Рис. 4. Напряжение на экране при распространении прямоугольного импульса по двухканальной коаксиальной системе. 1 -расчет проводился на основании решения телеграфных уравнений (1), (2); 2 - расчет

проводился по выражению (7), (8). нившихся волновых сопротивлений и электрической схемы КЛ.

В случае одностороннего разземления экранов рис. 5а) вектор обобщенных волн примет вид:

V, и,

К и,

Г.. _ 4_

где Хц - волновое сопротивление канала экран-экран.

Рис. 5. а) схема КЛ с экраном разделенном на секции при его одностороннем разземлении; б), в) эквивалентная и расчетная схемы для определения напряжения на изоляции оболочки в месте нарушения ее непрерывности с учетом взаимного влияния двух близко расположенных фаз КЛ.

Решения уравнения (9) напряжения между жилой и экраном, экраном и землей в случае одностороннего разземления экрана, имеют вид:

г^-а-г.+г,)2 у2+(1+2-хУ

,07**) (11)

г^-ц-г.+г,)2 У2+(1+2-х)2

где;г=2,/22, у=га12г.

Эквивалентная расчетная схема, отвечающая выражениям (10) и (11), приведена на рис. 5, автор рекомендует использовать ее для оценки максимумов перенапряжений, возникающих на экранах КЛ при их одностороннем разземлении.

Длительность униполярного импульса, воздействующего на оболочку КЛ, определяется приходом в рассматриваемый узел отраженных от места заземления экранов волн по каналу экран-экран.

Учет взаимного влияния фаз приводит как к уменьшению амплитуды импульса, так и к сокращению времени его воздействия, что видно из результатов расчетов приведенных на рис. 6.

Следовательно, для расчета не завышенных уровней максимумов перенапряжений в математической модели необходимо учитывать взаимное влияние между каналами экран-экран соседних фаз. Для приведенной схемы рис. 5 был проведен расчет уровня перенапряжения воздействующего на изоляцию КЛ, результаты приведены на рис. 7.

ЛЫЕ

ии_

«¡ГТ,ис

\ (

1

\ ! 1 ! I

1 1 1 1 1 I 1 4 "5 ■■ -1

Рис. 6. Расчетная осциллограмма импульсов

Рис. 7. Уровни перенапряжений

напряжения на оболочке КЛ. Сплошная линия - на изоляции экранов в КЛ с при учете взаимного влияния фаз, пунктирная - односторонним заземлением в при не учете взаимного влияния фаз. конце секций.

В случае транспозиции экранов исходная, эквивалентная и расчетная схемы для оценки максимума перенапряжений имеют вид представленный на рис. 8.

■ргл-.

Рис. 8. Исходная (а) и эквивалентные расчетные Рис. 9. Уровни перенапряжений схемы (б, в) для определения первого максимума на изоляции экранов в КЛ с перенапряжений на изоляции оболочек в первом транспозицией экранов, узле транспозиции.

Согласно схеме рис. 8, в максимумы напряжений на оболочке определя-

^ . Напряжение на изолирующей муф-

ются как: = С/тахй - 11тгх[) =

1,5 + 2-*

те, между экранами одной и той же фазы: и^^и^-и^-2-и^-

На рис. 9. приведена зависимость Е = /{%), определенная по выше представленным выражениям. Как видно из расчета, при транспозиции экранов, перенапряжения, возникающие в узлах транспозиции на изоляции экра-

15

нов, как правило, превышают ее импульсное допустимое напряжение и^а,»,., что вызывает потребность в соответствующей защите.

.Ь'о:

Рис. 10. Результаты расчетов перенапряжений на оболочке КЛ в узле транспозиции экранов. Сплошные линии - при учете взаимного влияния соседних фазах, пунктирные - при их неучете.

Анализ расчетных осциллограмм рис. 10. показывает, что максимумы перенапряжений на экране в первом узле транспозиции, отвечают моменту прихода в этот узел волны по каналу, скорость распространения волн в котором не зависит от наличия или отсутствия других фаз.

Снижение напряжения на экране фазы А в первом узле транспозиции наступает в момент прихода по каналу волны, отраженной от второго узла транспозиции. Дальнейший характер процессов при учете и не учете взаимного влияния фаз существенно различен. Суммарная длина униполярного импульса напряжения при не учете взаимного влияния фаз определяется моментом прихода по каналу экран-земля в первый узел транспозиции волны, отраженной от заземленной оболочки в конце цикла транспозиции. Как амплитуда первого импульса напряжения на оболочке КЛ поврежденной фазы, так и суммарная длительность этого импульса практически совпали с соот-

ветствующкми параметрами импульса при учете взаимного влияния фаз. На основе проведенного анализа можно при оценке максимума напряжения на оболочках КЛ не учитывать волны, отраженные от узлов, расположенных за рассматриваемым узлом по ходу движения волны и, наоборот, рекомендуется учитывать взаимное влияние фаз, если волновое сопротивление канала экран-земля принять равным волновому сопротивлению межэкранного канала.

Дуговые замыкания опасны не только по величине, но и по длительности, а также по запасаемой энергии. Опасность для оборудования, от которых, определяется интенсивностью горения и гашения дуги, наличия или отсутствия дугогасящего реактора в сети, наличием активного переходного сопротивления в месте замыкания, а также другими активными потерями (в том числе кабелей) и соотношением емкостей на землю и междуфазных емкостей.

Варьирование названных влияющих факторов в МаЙ1са£1 и непосредственные полевые измерения, проведенных в процессе написания диссертационной работы, позволили получить статистические данные по дуговым перенапряжениям (рис. 11).

Кратностйй перенапряжений Кт определ^ся зависимостью:

Рис. 11. Зависимость кратности дуговых перенапряжений К„ ожидаемой хотя бы 1 раз за г лет в кабельных сетях 10 кВ: 1, 2, 3 - усредненная граница, верхняя граница 90% - го и 95% -го доверительного интервала.

л:г = с+--1па г,

А

(12)

. оценку среднегодового

где А, С, а - параметры определяющие количества перенапряжений.

Как видно из этого рисунка, дуговые перенапряжения в некоторых случаях могут представить опасность для ослабленной изоляции кабелей, например, в соединительных и концевых муфтах.

Заключение

Основные научные и практические результаты диссертационной работы. 1. Уточнена математическая модель, позволяющая определять температуру главной изоляции и оболочки КЛ с полимерной изоляцией, учитывая нагрев жилы и экрана. Уточненный учет потерь в экранах КЛ позволяет оценить ее пропускную способность, значение которой при полном отсутствии токов в экранах увеличится до 20%.

2. Разработана методика выбора (с допустимой погрешностью в 5 %) сечения экрана KJI с учетом требований по термической стойкости к тохам КЗ и минимума потерь энергии в них.

3. Установлено, что учет взаимного влияния фаз приводит к уменьшению амплитуды импульса и сокращению времени его воздействия на 15 %, следовательно, для расчета максимумов перенапряжений необходимо учитывать взаимное влияние между каналами экран-экран соседних фаз, дабы не допустить выбор защитного оборудования большей стоимости.

4. Построена статистическая модель дуговых перенапряжений, позволяющая с учетом верхней границы доверительного интервала 95%, определить одногодичные, десятилетние, пятидесятилетние расчетные кратности в среднем ожидаемые хотя бы на одной фазе KJI с полимерной изоляцией в один год, в десять и пятьдесят лет /^=2,98; ЛТю=3,35; ^0=3,55.

5. Предложены эквивалентные и расчетные схемы одностороннего раззем-ления и транспозиции экранов KJI, для которых получены аналитические выражения максимумов перенапряжений.

6. На основе проведенного анализа волновых процессов, происходящих в транспонированных экранах трехфазной системы, установлено, что при оценке максимума напряжения на оболочках KJI допустимо не учитывать волны, отраженные от узлов, расположенных за рассматриваемым узлом по ходу движения волны. Напротив, рекомендуется учитывать взаимное влияние фаз, если приближенно принять волновое сопротивление канала экран-земля, равным волновому сопротивлению межэкранного канала.

Основное содержание работы отражено в следующих пу бликациях.

В изданиях по списку ВАК:

1. Копырюлин П.В. Зависимости тангенса дельта бумажно-масляной изоляции, использующегося при измерении под рабочим напряжением [Текст] / Поляков B.C., Косорлуков И.А. // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2011. -№3 - С. 96-99.

2. Копырюлин П.В. О проблемах обеспечения электромагнитной совместимости при передаче перенапряжений в электроустановках 0,4 35 кв. [Текст] / Гольдштейн В.Г., Севостьянова О.М. // Вестник СамГТУ. - 2013. -№1 - С. 180-191.

В других изданиях:

3. Копырюлин П.В. Планирование ремонтов электрооборудования электроэнергетических систем [Текст] / Горбушкин М.А., Косорлуков И.А., Рыга-лов А.Ю. // Сб. докладов по международной молодежной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» том 2. - Самара: СамГТУ, 2011.-С. 314-318.

4. Копырюлин П.В. Электромагнитная совместимость при передаче перенапряжений в электроустановках 0,4-35 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г., Засып-кин И.С.// Международная конференция «Инженерная поддержка инновации и модернизации» - Екатеринбург, 2010. - Выпуск 1 - С. 162-165.

5. Копырюлин П.В. Анализ диагностических параметров при оценке техни-

чески го состояния электроустановок [Текст] / Горбушкин М.А., Косорлу-ков И.А. // Сб. тез.доют. семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. - Т.З - С. 358-359.

6. Копырюлин П.В. Дуговые, коммутационные и феррорезонансные перенапряжения воздействующие на изоляцию кабельных линий 6-35 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г., Алтунин М.В., Танаев А.К.// Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 22-25.

7. Копырюлин П.В. Импульсные перенапряжения на экранах кабелей 6-110 кВ в различных режимах работы [Текст] / Гольдштейн В.Г., Танаев А.К.// Сб. статей ио 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 25-28.

8. Копырюлин П.В. Ограничение токов короткого замыкания в экранах силовых кабелей [Текст] / Гольдштейн В.Г.// Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 1720.

9. Копырюлин П.В. Способы борьбы с индуктированными токами в экранах однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-110 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г., Танаев А.К.// Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 28-31.

10. Копырюлин П.В. Сравнительный анализ перспективных видов изоляции кабельных линий электропередачи [Текст] / Гольдштейн В.Г.// Сб. статей по 4 международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Пенза, 2013. С. 20-22.

11. Копырюлин П.В. Анализ перенапряжений воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий 6-110 кВ [Текст] / Гольдштейн В.Г.// Международная научно-практическая конференция «Закономерности и тенденции развития науки в современном обществе» - Уфа, 2013. С. 154157.

12. Копырюлин П.В. Анализ способов ограничения продольных токов в экранах однофазных кабелей трехфазной системы [Текст] / Гольдштейн В.Г.// Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» - Иваново, 2013. С. 254-256.

Личный вклад автора. В работах с [1,2,4,6-9,11] автору принадлежит разработка математических моделей, расчетная часть и выводы, а в работах [3, 5,10,12] постановка задачи и методический подход.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол №20 от 03 сентября 2013 г.)

Заказ № 935 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244.

Текст работы Копырюлин, Петр Владимирович, диссертация по теме Электротехнические комплексы и системы

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Научная специальность: 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201452764

Копырюлин Петр Владимирович

Научный руководитель: д.т.н., профессор Гольдштейн В.Г.

Самара - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ 6-220 кВ.

1.1. Сравнительный анализ изоляционных материалов кабельных линий 6220 кВ....................................................................................... 10

1.2. Физико-химические основы твердой полимерной изоляции................ 17

1.3. Химическая структура и ее влияние на свойства полимерной изоляции............................................................................................ 22

1.4. Особенности сшивки полиэтилена для главной изоляции кабельных линий 6-220 кВ........................................................................... 29

1.5. Выводы................................................................................. 35

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА.

2.1. Основы теплового расчета кабельных линий с изоляцией из сшитого

полиэтилена 6-220 кВ................................................................... 36

2.2. Уравнения теплового баланса для кабельных линий 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.......................................................... 38

2.3. Математическая модель тепловых процессов в кабельных линиях из сшитого полиэтилена 6-220 кВ......................................................... 42

2.4. Математическая модель пропускной способности кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ........................................ 46

2.5. Выводы................................................................................. 53

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ В ЭКРАНАХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ 6-220 кВ.

3.1. О проблемах ограничения токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена........................................ 54

3.2. Симметричные и несимметричные режимы работы кабелей с изоляцией

из сшитого полиэтилена 6-220 кВ...................................................... 61

3.3. Основные расчетные случаи кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ. Определение параметров прямой и нулевой последовательностей............................................................................ 65

3.4. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220

кВ.............................................................................................................. 77

3.4.1. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для нормального режима....................................................................................... 77

3.4.2. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для аварийного режима однофазного КЗ.................................................................... 80

3.4.3. Моделирование напряжений и токов в кабельных линиях с полимерной изоляцией 6-220 кВ................................................................. 85

3.5. Выводы............................................................................... 88

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА 6-220 КВ..................................................................

4.1. Параметры кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6220 кВ....................................................................................... 90

4.2. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линиях с односторонним разземлением экранов и изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ............................................ 102

4.3. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линий с транспонированными экранами и изоляцией

из сшитого полиэтилена и 6-220 кВ......................................................... 107

4.4. Математическая модель коммутационных и дуговых перенапряже-

ний воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий 6-220

кВ....................................................................................................................................................................................114

4.5. Феррорезонансные перенапряжения на полимерной изоляции кабельных линий 6-220 кВ........................................................................................................................116

4.6. Выводы..............................................................................................................................................................119

Заключение....................................................................................................................................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................122,

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................................................................130

Введение

Актуальность темы. Кабельные сети 6 ^ 220 кВ являются основой систем энергоснабжения промышленных предприятий, коммунального и бытового электропотребления, поэтому научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности их работы можно считать важной научно-технической проблемой, требующей тщательного исследования и корректного решения.

Повышение надежности кабельных линий (КЛ) с полимерной изоляцией во многом определяет совершенствование методов их проектирования, производства и эксплуатации, реализация которого позволит повысить их пропускную способность, снизить аварийность при воздействиях на изоляцию КЛ мощных электромагнитных помех, минимизировать потери в экранах, улучшить их эксплуатационные свойства и характеристики и т.д.

При совершенствовании эксплуатационных свойств КЛ с полимерной изоляцией наибольший интерес представляют проблемы обеспечения защиты изоляции К Л от грозовых перенапряжений при воздействиях токов молний, приходящих с воздушных линий (ВЛ), а также внутренних, связанных с работой коммутационных и защитных аппаратов. Их ограничение позволяет обеспечить необходимый ресурс полимерной изоляции КЛ и предотвратить возможный недоотпуск электроэнергии в жестких условиях по резервированию в системах электроснабжения.

Значительные проблемы возникают на этапах проектирования и эксплуатации КЛ в связи с необходимостью ограничения продольных токов и напряжений в экранах КЛ. Ограничение токов, индуцируемых в экранах с односторонним разземлением или их транспозицией, приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность оболочки, и тем самым представляют опасность для людей находящихся вблизи КЛ. Потому, необходимо уточнение математических моделей для определения токов и напряжений, индуцируемых в экранах, с целью корректного выбора сечения

экрана, необходимого количества его секций или циклов транспозиции. Углубленное изучение процессов связанных с возникновением продольных токов в экранах, позволит не допустить ввода в эксплуатацию КЛ с заниженным сечением экрана, наличие значительных потерь в котором приводит к ускоренному старению изоляции и снижению пропускной способности КЛ, а в случае не удовлетворения термической стойкости к выгоранию экрана по ходу трассы КЛ.