Способы заземления экранов кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена
В данной статье речь пойдет о способах заземления экранов кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, для уменьшения потерь в экранах кабеля и рассмотрены схемы быстродействующей защиты кабеля при заземлении экранов.
Так при обследовании линии 10 кВ длиной 4,1 км, обнаружено, что при подаче транзитного тока в одну из фаз от постороннего источника питания, экран которой заземлен с двух концов, то в этом случае ток в экране этой фазы равен току в жиле фазы. Отсюда возникло подозрение о больших потерях в экранах кабелей, которые заземлены с обоих концов. ПУЭ это подтверждает (с. 226, 227). Однако под рабочей нагрузкой 200 Ампер ток в экране при замере, составил всего 50 Ампер. Но и это создает значительные потери.
Более рациональным выглядит способ заземления экрана с одного конца кабеля, логично — со стороны питания. Таким образом достигаются два положительных эффекта: значительно уменьшаются потери в кабелях, и появляется возможность выполнить быструю и селективную защиту кабеля при к.з. между жилой и экраном, в результате чего есть возможность прокладывать кабель с минимальной площадью сечения экрана, что значительно уменьшает затраты.
Согласно ПУЭ, для защиты изоляции именно экрана в варианте заземления с одного конца кабеля, необходимо подключить три ОПН к экранам с другого конца. Если ОПН устанавливать только один на три фазы и при этом соединить между собой три экрана, то такой режим по потерях, идентичен варианту двустороннего заземления экранов, следовательно он не дает положительного эффекта (и не рассматривается в ПУЭ).
Проведенный в соответствии с ПУЭ расчет наведенного в экранах напряжения от внешнего трехфазного к.з. между фазами в кабельной линии длиной 4,1 км, не подтверждает необходимость применения защиты от перенапряжений (наведенное напряжение составляет около 1,5 кВ при трехфазном к.з. в конце линии). Однако, рекомендации ПУЭ не учитывают того, что напряжение на незаземленном конце экрана, будет значительно выше в момент к.з. между двумя фазами через экран одной из этих фаз. Поясню это на примере рис. 1.
Как мы видим, к суммарному сопротивлению фазы А кабеля и его экрана, прикладывается линейное напряжение. Сопротивление экрана больше от сопротивления жилы кабеля, поэтому и напряжение снижено из-за к.з. с 10,5 кВ до 7 кВ, напряжение (ориентировочное), что прикладывается к жиле и экрану в месте к.з. на экране может превысить и 4 кВ, что значительно больше от наведенного при трехфазном к.з., и больше от допустимого напряжения между экраном и землей.
Этот вывод вызывает подозрение, что при некоторых межфазных к.з., будут срабатывать ОПН защиты экранов. Берем во внимание, что напряжение испытания экранов кабелей относительно земли, составляет всего 5 кВ с частотой 0,1 Гц. Это по сути постоянное напряжение, полярность которого должно плавно меняться через 10 сек. Напряжение, которое прикладывается в момент к.з., имеет частоту 50 Гц. Из-за отсутствия информации о допустимом максимальном напряжении в экранах, предполагаем, что ОПН должен быть для кабелей сети 10 кВ с рабочим напряжением 3 кВ (минимальное напряжение для существующих ОПН).
На рис. 2 показан возможный вариант селективной быстродействующей защиты кабеля при заземлении экранов, только со стороны источника питания (пунктиром обозначено экраны кабелей).
При однофазном замыкании одной жилы кабеля с экраном, срабатывает сигнализация от кабельного трансформатора тока типа ТЗЛМ, охватывающий жили всех трех фаз.
При переходе однофазного к.з. в двухфазное, при внешнем втором к.з. через экран фазы с повреждением, протекает ток двухфазного к.з., который проходит через кабельный трансформатор к контуру заземления. Поэтому, без выдержки времени может сработать защита по такой схеме.
Однако при к.з. на двух фазах, именно кабельной линии, эта защита становится недееспособной, поскольку векторы токов экранов фаз, противоположны по направлению и равны по величине. Поэтому сумма векторов токов равна нулю и защита не сработает. Так что для достижения цели, заземление экранов, следует пропускать через два кабельных трансформаторы тока по схеме рис. 3. Этот вариант возникает из-за отсутствия альтернативы.
В этом варианте, вторичный ток к.з. между жилами и экранами фаз А и В в ТАА дают двойной эффект, а при к.з. фаз А и С, и фаз В и С защита также работоспособная от ТАС. Таким образом, мы получим полноценную токовую отсечку, которая соответствует требованиям к релейной защите, абсолютно селективную, и которая не имеет мертвой зоны.
Тогда и токовую отсечку со схемы межфазной защиты возможно демонтировать. Дополнительный эффект — можно уменьшить затраты на медь экрана. Экран при такой защите, может быть минимального сечения. Несмотря на то, что экран рассчитывается с учетом времени продолжительности к.з., который в свою очередь, зависит не только от уставок защиты, а и от возможного отказа выключателя в момент повреждения кабеля, то правомерно предлагаемую защиту нужно выполнять с отключением также дублирующих выключателей по схеме приведенной на рис.4.
Тогда продолжительность тока при к.з. на экране, не превысит 0,4 сек, что дает возможность уменьшить площадь сечения экрана кабеля.
Идеальная защита кабеля может быть выполнена по схеме рис.5, если каждый экран с конца от подачи напряжения, заземлить через трансформаторы тока, к которым присоединены токовые реле защиты. Предполагаем, что трансформаторы тока могут быть и низковольтными, за неимением места для установки и низкий уровень напряжения от к.з. в экранах при контуре заземления.
Удаленность кабеля или участка кабеля от источника питания облегчает условия для экранов кабеля в связи с уменьшением токов к.з. Лучшим вариантом защиты кабеля мог бы быть пока, только теоретический. Для реализации данного варианта нужно релейное устройство, которое может быть установлено вместо трансформаторов тока по схеме на рис. 5.
Устройство должно контролировать ток каждого экрана всех фаз и мгновенно действовать на отключение выключателя при появлении на экране тока, что превышает 100-200 Ампер (надежная отстройка от емкостного тока сети).
Предложенные схемы защиты соответствуют высокому уровню надежности, быстродействию и селективности. Следует учитывать еще и тот факт, что межфазный ток к.з. в конце кабеля из сшитого полиэтилена будет меньше тока к.з. за кабелем, ибо, тот что в кабеле, перетечет к месту заземления через экраны жил, что значительно увеличивает сопротивление тока. Это обстоятельство не дает возможности организовать селективно токовую (дистанционную) защиту.
ПУЭ предлагает более сложные и дорогие варианты устранения этой проблемы, не являющие ни совершенными, ни дешевле (п. 3.2.94):
- дистанционная защита в простейшем исполнении;
- поперечная или продольная дифференциальная защита и тому подобная.
Поперечная дифференциальная защита возможна при наличии двух параллельных линий, а продольная требует прокладки дополнительного контрольного кабеля и дополнительного комплекта трансформаторов тока.
Вышеуказанный вариант защиты, не подходит для кабелей, которые могут питаться поочередно с обоих концов. Но эти кабели несколько удалены от источников питания, поэтому последствия при их повреждении несколько легче.
Данный материал подается как стартовый материал для профессиональной критики.
Р.А. Данько — начальник СРЗА «Самарские распределительные сети»
Источник
Заземление кабеля 110 кв сшитого полиэтилена
Введение
Ранее была опубликована статья [1], посвященная проблеме заземления экранов однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, дана методика расчета токов и напряжений в экранах, приведен пример ее использования для кабеля 110 кВ. Было показано, что способ заземления экрана кабеля влияет:
— на величину тока в экране в нормальных и аварийных режимах и при неправильном заземлении экрана может привести к повреждению кабеля;
— на электрические потери в экране, а значит на его тепловой режим и пропускную способность;
— на величину напряжения на экране в нормальных и аварийных режимах (при его разземлении), т.е. на надежность работы кабеля и безопасность его обслуживания;
— на основные электрические параметры кабеля (активное и индуктивное сопротивления).
Учитывая повышенный интерес к применению однофазных кабелей 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, постепенно вытесняющих из эксплуатации все другие кабели традиционного исполнения, мы решили посвятить этой теме данную публикацию. В статье поясняется механизм появления опасных токов и напряжений в экранах, а также приведены результаты некоторых обобщающих расчетов для однофазных кабелей 6-10 кВ. Необходимость в публикации также следует из известных нам фактов о неправильном заземлении экранов однофазных кабелей уже находящихся в эксплуатации. В качестве примера приведем результаты прямых измерений токов в экранах кабеля 10 кВ, заземленных в обоих концах согласно нормативным документам (измерения выполнены в одной из энергосистем Центра). Параметры кабеля: сечение жилы 500 мм 2 и сечение экрана 95 мм 2 , длина 1500 м. При токах 186 А в жилах трех фаз измеренный ток в экране каждой фазы составлял 115 А! В случае выхода указанного кабеля на номинальную нагрузку (ток в жиле около 500 А), ток в экране пропорционально возрастет и составит 310 А, что совершенно недопустимо для сечения экрана 95 мм 2 . В настоящее время от повреждений, вызванных нерасчетным тепловым режимом, рассмотренный кабель спасает лишь его сравнительно малая нагрузка, это же спасает и многие другие неверно спроектированные и уже находящиеся в эксплуатации кабельные линии с однофазными кабелями.
1. Механизм появления токов и напряжений в экранах
Основным назначением экрана является обеспечение равномерности электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля (изоляцию «жила-экран»), что достигается только в случае заземления экрана. Для более или менее простого объяснения механизма возникновения токов в заземленных экранах приведем несколько рисунков и комментарии к ним.
В начале положим, что имеет место однофазная сеть, т. е. однофазный источник переменной эдс Е, однофазный кабель с заземленным экраном (в начале и конце) и нагрузка, имеющая сопротивление ZH (рис. 1, 2).
В токоведущей жиле протекает ток Iж, который, пройдя через нагрузку, должен вернуться к источнику E. Для этого у тока есть два пути: пройти по экрану ?э и пройти в толще земли Iз = Iж — Iэ.
Ток в земле Iз будет возвращаться из нагрузки в источник, занимая всю толщу земли, протекая как на небольшой глубине, так и на значительной.
Несмотря на это, оказывается возможным приближенно считать (рис. 3), что весь распределенный в земле ток протекает на одной определенной глубине
зависящей от частоты тока ω = 2πƒ и удельного сопротивления грунта ρ3 (магнитная проницаемость постоянна и равна μ0 = 4π·10 -7 Гн/м).
С увеличением частоты тока и снижением сопротивления грунта в толще земли все более заметным окажется поверхностный эффект, из-за которого линии тока (см. рис. 3) будут с большой глубины подниматься ближе к поверхности земли, т. е. в условиях рис. 3 будет уменьшаться D3.
На промышленной частоте ƒ = 50 Гц и при типовых значениях ρ3=100÷1000 Ом · м эквивалентная глубина D3 составляет несколько сотен метров, т.е. оказывается заметно больше высоты hК, на которой относительно поверхности земли расположен кабель. Расположен ли кабель над землей (в лотке, на эстакаде), как это показано на рис. 2, или помещен в землю (в кабельный канал, в полиэтиленовую трубу), в любом случае расстояние hК от кабеля до поверхности земли будет заметно меньше D3.
С применением «идеологии D3» получается, что токи и напряжения в кабеле на промышленной частоте не зависят от того, размещен ли кабель над землей или в земле. Поэтому, не теряя общности, можно считать, что кабель размещен над землей, и для его расчета пользоваться формулами теории воздушных линий электропередач, т.е. считать один кабель двухпроводной линией (жила и экран), несколько кабелей — многопроводной. Это допущение применено в нашей статье [1] (емкость кабеля, разумеется, вычисляется с учетом того, лежит ли моделируемый кабель в земле или над землей).
Токи, показанные на рис. 2 (в жиле, в экране и в земле), можно представить протекающими в двух условных контурах, показанных на рис. 3: первый контур образован жилой кабеля и обратным проводом, находящимся на расстоянии D3 от жилы; второй контур образован экраном кабеля и тем же обратным проводом на расстоянии D3 от экрана.
Таким образом, процессы в однофазном кабеле могут быть пояснены как результат взаимодействия двух указанных на рис. 3 контуров (за положительные направления токов, как и в [1], было принято направление от источника к нагрузке).
Уравнения, описывающие взаимодействие контуров рис. 3, следующие:
где ΔÙж= È — Zн Iж и ΔÙж — продольные падения напряжения на жиле и экране; Z — комплексные сопротивления, смысл которых пояснен в таблице; Rж, Rэ, Rз — активные сопротивления жилы, экрана, земли; Lж, Lэ — собственные индуктивности жилы, экрана; Мжэ, Мк — взаимная индуктивность жилы и экрана одного и того же кабеля, взаимная индуктивность экрана и соседнего кабеля; j =√-1 — мнимая единица.
В случае, когда экран заземлен с обоих концов кабеля, справедливо ΔÙэ = 0, и из второго уравнения системы
т.е. соотношение |Iэ / Iж| 2 , соотношение IЭ/IЖ согласно расчетам сильно не изменяется (см. таблицу) по сравнению с данными, приведенным на рис. 5.
Уже упоминавшиеся экспериментальные данные, полученные в одной энергосистеме Центра, для кабеля 10 кВ, имеющего FЖ = 500 мм 2 и FЭ = 95 мм 2 при токе в жиле IЖ = 186 А, таковы: ток в экране одной фазы составлял IЭ = 130 А, в другом IЭ = 100 А (в третьем экране измерения нельзя было провести из-за ограниченности места в канале). Средний ток в экране оценим как IЭ = 115 А, что соответствует IЭ / IЖ = 115/186 = 0,62 и хорошо согласуется с кривыми 1-2 на рис. 5 (при типовом расстоянии s = 0,1÷0,2 м).
Напряжение на экране в случае, когда он заземлен только в одном из концов (схема рис. 7), можно определить на основе данных рис. 6 с использованием выражения:
Например, для кабеля FЖ = 500 мм 2 , s = 0,2 м по рис. 6 получим UЭ рис.6 = 175 В, а результаты расчетов напряжений на экране сведены в таблицу (LК = 500 м).
Если для конкретного кабеля возможно прикосновение человека к незаземленному концу экрана, то в качестве допустимого напряжения на экране необходимо принять то напряжение, которое отвечает нормам безопасности, т.е. UЭ ≤ UЭ ДОП-1 .
Если для конкретного кабеля исключено прикосновение человека к экрану, то в качестве допустимого напряжения на экране необходимо принять то напряжение, которое отвечает прочности изоляции экрана, т.е. во всех режимах кабеля, имеющего незаземленный конец экрана, должно выполняться условие UЭ ≤ UЭ ДОП-2 .
Из таблицы видно, что для рассмотренного кабеля в нормальном режиме отмеченное условие безопасности не выполняется, т.е. экран кабеля обязательно заземлять и в начале, и в конце кабеля. Напряжение на экране при трехфазном коротком замыкании заметно больше такового в нормальном режиме, и с точки зрения прочности изоляции экрана всегда должно проверяться. Перед вводом в эксплуатацию изоляцию экранов кабелей 6-500 кВ испытывают постоянным напряжением 5 кВ, при времени воздействия примерно 1 минута.
Поэтому можно оценочно считать, что для изоляции экрана кабелей 6-10 кВ на время короткого замыкания в сети допустимо напряжение промышленной частоты, действующее значение которого составляет UЭ ≤ UЭ ДОП-2 = 5000 В (с учетом необходимого запаса оно должно быть несколько меньше). Итак, при возможности прикосновения человека к экрану рассмотренный кабель длиной 500 метров должен иметь экран, заземленный и в начале, и в конце.
При невозможности прикосновения человека к экрану рассмотренный кабель длиной 500 метров можно эксплуатировать с экраном, заземленным лишь в одном из концов (рис. 7).
3. Отличие способов заземления экранов кабелей 6-10 кВ и 110-500 кВ
В [1] были приведены результаты расчетов для трехфазной группы однофазных кабелей 110 кВ длиной 8.1 км, указывалось на то, что напряжение на незаземленном конце экрана в симметричном режиме составляет 0.88 В на каждый ампер тока жилы, а при однофазном коротком замыкании — 5.8 В на каждый ампер тока жилы, т. е. существенно выше, чем в симметричном режиме. Поэтому для кабелей 110-500 кВ в сетях с эффективно или глухо заземленной нейтралью расчетным случаем, определяющим обустройство экранов, является лишь режим однофазного короткого замыкания.
В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью 6-10 кВ (или 6-35 кВ) однофазное повреждение изоляции сопровождается протеканием в кабеле токов, значительно меньших, чем токи трехфазного короткого замыкания. Поэтому в сетях 6-10 кВ расчетным случаем, определяющим обустройство экранов, является лишь режим трехфазного короткого замыкания.
Сделанные выводы относительно расчетного случая можно подтвердить при помощи данных таблицы, позволяющей определить напряжение в разземленном конце экрана в схеме рис. 7.
В этой таблице среди различных коротких замыканий самый большой коэффициент имеет место при однофазном коротком замыкании К(1), чуть меньший для случая К(1,1), а самые маленькие коэффициенты — в случаях К(2) и К(3).
Поскольку в сетях 110-500 кВ токи однофазного короткого замыкания близки по величине к токам трехфазного К(3), то наибольшее напряжение на разземленном экране получается именно при К(1).
В сетях 6-35 кВ токи однофазного замыкания на землю малы по сравнению с токами К(1,1), К(2), К(3) и, поэтому К(1) не является расчетным. В случае К(1,1) токи в земле практически отсутствуют Iз ≈ 0 т.е. случаи К(1,1), К(2), К(3) оказываются равноправными с точки зрения коэффициента, определяющего напряжение на экране. Так как максимальные токи в жиле кабеля бывают при К(3), то, несмотря на равенство коэффициентов, расчетным в сетях 6-35 кВ все же является случай трехфазного короткого замыкания.
И в сетях 6-10 кВ, и в сетях 110-500 кВ в случае заземления экранов по концам кабеля в экранах протекают значительные токи. Эффективными способами снижения токов в экранах могут быть названы:
— заземление экранов только в одном из концов кабеля (рис. 7);
— деление экрана на секции и соединение секций через транспозиционные коробки (рис. 8);
— деление экрана на несоединенные друг с другом секции, в каждой из которых экран заземлен только один раз (рис. 9).
Окончательный выбор способа борьбы с токами в экранах зависит от допустимого напряжения на изоляции экрана в расчетном случае. Если схема рис. 7 не обеспечивает условие UЭ≤Uдоп, то приходится выбирать между рис. 8 и рис. 9. Следует отметить, что схема рис. 9 (б) безопаснее для персонала, чем рис. 9 (а), и, кроме того, по концам кабеля уже есть заземляющие устройства, а на трассе кабеля их надо специально организовывать.
В схемах рис. 8-9 необходимо предусматривать разделение экранов на то или иное число секций. Разумеется, предпочтение будет отдано тому способу обустройства экранов, который потребует меньшего числа секций.
В [1] для кабеля 110 кВ было показано, что в случае применения всего одного цикла транспозиции (две транспозиционные коробки, три секции экранов) при расчетном однофазном коротком замыкании наводимое на экран напряжение снизится с 5.8 В до 0.195 В на каждый ампер тока жилы.
Если бы для кабеля 110 кВ применялась схема типа рис. 9, то чтобы достичь напряжения 0.195 В пришлось бы разрезать экран на K = 5,8/0,195 = 30 секций (на рис. 9 показано всего K = 2 секции)! Как видно, в кабелях 110-500 кВ транспозиция является наиболее простым решением по снижению токов в экранах.
Для кабеля 6-10 кВ при расчетном трехфазном коротком замыкании наводимое на экран напряжение в случае применения полных циклов транспозиции (на рис. 8 показано N = 1) составит
а в случае деления экрана на K секций (экран надо разрезать K — 1 раз):
Для кабелей 6-10 кВ применение транспозиции (3N секций экранов) одинаково эффективно с простым делением экрана на K = 3N однократно заземленных секций. Применение дорогостоящих транспозиционных коробок, соединяющих соседние секции между собой, в сетях 6-10 кВ не обязательно.
4. Однофазное замыкание на землю в кабельной сети 6-10 кВ
Особым расчетным случаем для проверки токов и напряжений в экранах и, в конечном счете, выбора способа их заземления, является однофазное повреждение изоляции в сети 6-10 кВ (однофазное замыкание на землю).
При возникновении однофазного замыкания на землю за кабелем (вблизи от нагрузки — рис. 10) весь емкостный ток сети IEMK проходит по жиле соответствующего кабеля, создавая в его экране, заземленном по концам, ток, близкий по величине к IEMK.
Предположим, что в сети 6-10 кВ имеется большое число кабельных линий, и ток IEMK составляет десятки или даже сотни ампер, но при этом у каждого кабеля сравнительно малые сечения жилы и экрана (а значит — малые допустимые токи). Тогда за время устранения замыкания на землю, которое может составлять несколько часов, вероятен нерасчетный разогрев током IEMK экрана того кабеля, за которым в сети имеется повреждение изоляции (на рис. 10 это КЛ 1).
Заключение
В однофазных кабелях 6-10 кВ, как и в однофазных кабелях 110-500 кВ, необходимо предъявлять повышенное внимание к выбору способа заземления экранов и проводить соответствующие обосновывающие расчеты.
Источник
