 |
ОДНОФАЗНЫЕ СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ 6–500 кВ
Потери в экранах
и эффективность транспозиции
В 2007 г. на страницах журнала [1, 2] наши питерские авторы уже обсуждали вопросы обустройства экранов трехфазных групп однофазных силовых кабелей
6–500 кВ. С тех пор положение с проектированием и строительством кабельных
передач, по крайней мере в сетях 110 кВ и выше, существенно улучшилось, однако, к сожалению, многие вопросы до сих пор трактуются неверно, приводя к
ошибочным техническим решениям.
В новой статье Михаил Викторович Дмитриев дает ряд разъяснений по потерям
в экранах однофазных силовых кабелей и по вопросам транспозиции экранов.
ИСТОЧНИКИ ПОТЕРЬ
На рис. 1 упрощенно показана конструкция однофазного силового
кабеля, включающего жилу, экран, главную изоляцию (между жилой
и экраном), а также оболочку экрана.
Активные сопротивления жилы RЖ и экрана RЭ по [1–3]:
Измерения для трехфазной группы однофазных кабелей 630/35 мм2
класса 35 кВ, проложенных «в ряд» и питающих один из металлургических комбинатов, показали, что при токе в жилах IЖ = 900
А, который согласно каталогу был допустим для кабеля, ток в заземленных по концам экранах (рис. 2а) составлял IЭ = 300 А. Для
этого кабеля, имевшего медную жилу и экран rЖ = rЭ = 2 ·10–8 Ом·м,
соотношение потерь (1) будет РЭ / РЖ  2. Столь большие паразитные
потери в экране привели к вплавлению экрана в изоляцию кабеля, т.е.
к повреждению кабеля.
Для проложенных «в ряд» однофазных кабелей 10 кВ из [2, 3] FЖ
= 500 мм2, FЭ = 95 мм2, rЖ = rЭ = 2 · 10–8 Ом·м (медь), IЖ = 186 А, IЭ
= 115 А, имеем примерно такое же соотношение потерь в экране и
жиле, как для кабеля 35 кВ, 630/35.
Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что если не принимать
меры по исключению длительного протекания токов в экранах, наводимых током жилы, то серьезным источником потерь в кабеле
являются потери в его экране – они могут до нескольких раз превосходить потери в жиле. Согласно [1–3] сопротивление кабеля по
прямой последовательности при заземлении экранов с двух сторон
(схема рис. 2а):
dЭ – средний диаметр экрана кабеля (он незначительно больше
удвоенного внутреннего радиуса экрана 2r2);
s – среднее расстояние между осями соседних фаз кабеля.
Потери в одной фазе кабеля составят РСУМ = РЖ + РЭ = IЖ
2R1, а в трех
фазах они будут 3 · РСУМ. Как это и должно быть, потери в нормальном
симметричном режиме работы определяются активным сопротивлением прямой последовательности R1 и током в жиле IЖ.
Из выражения (2) видно, что, к сожалению, потери в однофазных
силовых кабелях вызваны не только потерями в жиле, имеющей сопротивление RЖ, но и паразитными потерями в экранах (второе слагаемое
формулы). Одностороннее разземление экранов кабеля (рис. 2б) или
транспозиция экранов кабеля (рис. 2в) позволяют исключить потери
в экранах и достичь желаемого случая R1 = RЖ, когда потери в кабеле
определяются только сопротивлением жилы (ее сечением FЖ и ее материалом rЖ).
С помощью (2) определим соотношение потерь в экране и потерь
в жиле для случая заземления экрана по концам кабеля (рис. 2а):
где в качестве RЭ и X можно подставлять как значения на единицу
длины (Ом/м), так и полные значения (Ом) для кабеля длиной LК.
Формула (3), полученная аналитически на основе опубликованной
методики [1–3], совпадает с формулой п. 2.3.1, приведенной в международном стандарте МЭК [4]. К сожалению, в МЭК дано лишь конечное
выражение без его обоснования, однако совпадение независимых исследований [1–3] с мнением МЭК дает еще больше оснований считать
состоятельной предлагаемую методику расчета токов и напряжений,
хотя она и без того уже неоднократно подтверждалась сравнением расчетов с результатами реальных измерений на действующих кабелях.
Для всех однофазных кабелей, вне зависимости от класса их номинального напряжения, из (3) следует, что эффективного снижения
паразитных потерь в экранах можно добиться, прокладывая фазы кабеля
сомкнутым треугольником (рис. 3), так как в этом случае достигается
минимальное s / dЭ, а значит и X.
Величина PЭ / PЖ является важным критерием выбора способа
обустройства экрана. При расчете этого критерия следует учитывать,
что экран кабеля выполняется из меди, а жила – из меди или алюминия (табл. 1). При прокладке сомкнутым треугольником (s / dЭ >
1) результаты расчетов потерь PЭ / PЖ по формуле (3) для некоторых
типовых сечений FЖ медной или алюминиевой жилы приведены на
рис. 4, данные которого никак не зависят от длины кабеля.
Согласно (3) и рис. 4, для всех однофазных кабелей вне зависимости от класса их номинального напряжения и длины характерно, что паразитные потери в экране кабеля могут быть сопоставимы с потерями в жиле. Приемлемое соотношение PЭ / PЖ
возможно лишь при малых величинах FЭ, FЖ / FЭ, s / dЭ, т.е. для «тонких»
кабелей, проложенных сомкнутым треугольником.
При заданном токе в жиле и, следовательно, известной продольной ЭДС, наводимой на экран, рост сечения экрана FЭ (снижение его
сопротивления RЭ ) приводит к росту тока в экране IЭ . Поскольку
потери в экране РЭ = IЭ
2 RЭ зависят в большей степени от тока IЭ,
чем от сопротивления RЭ, то рост сечения экрана всё же приводит к
увеличению потерь PЭ / PЖ.
Итак, при заданном сечении жилы FЖ рост паразитных потерь и
снижение пропускной способности кабеля происходит с увеличением
сечения экрана FЭ.
В силу различных причин в настоящее время в сетях 6–35 кВ склоняются к повсеместному использованию кабелей с сечением экрана FЭ
. 70 мм2, а в сетях 110 кВ и выше сечение экрана достигает FЭ = 185
мм2 и более. Это означает, что разработка и внедрение мер по борьбе
с потерями в экранах является жизненно необходимым вопросом,
особенно в сетях 110–500 кВ.
Как правило, отечественные и зарубежные кабельные заводы
приводят длительно допустимую нагрузку однофазных кабелей лишь
в зависимости от сечения жилы FЖ, не давая никакой зависимости
от сечения экрана FЭ, серьезно влияющего на потери в кабеле и его
температуру. Ясно, что потери в экранах или вовсе не учтены, или
учтены ненадлежащим образом. Следовательно, указанные в каталогах нагрузки можно использовать только в случае одностороннего
заземления экрана или его транспозиции. В случае двустороннего
заземления экранов каталожные данные являются завышенными.
Если по расчетам потери в экранах PЭ / PЖ относительно невелики
и не превосходят 0,1-0,2 , то особой опасности для кабеля нет – его
можно нагружать до тех токов, которые приводятся в каталогах. Хотя
в подобных случаях в сети всё равно имеется источник паразитных
потерь, которые кто-то оплачивает.
Если по расчетам PЭ / PЖ > 0,2 , то при загрузке кабеля в соответствии
с данными каталогов существует реальная опасность сокращения срока
службы кабеля за счет длительного перегрева его изоляции сверх допустимых температур, не говоря уже о стоимости потерь мощности.
Анализ рис. 4 показывает, что при прокладке сомкнутым треугольником приемлемым соотношение PЭ / PЖ можно считать только для
«тонких» кабелей, у которых сравнительно малые сечения жилы FЖ
< 500 мм2 и экрана FЭ < 70 мм2.
При FЖ > 400-500 мм2 и/или FЭ > 50-70 мм2 необходимо бороться
с потерями в экранах, делая это и в целях снижения стоимости потерь
мощности в экранах, и из-за опасности перегрева изоляции кабеля.
Для этих целей следует использовать или частичное разземление экранов, или транспозицию экранов, без реализации которых эксплуатация
трехфазных групп однофазных кабелей недопустима.
ТРАНСПОЗИЦИЯ ЭКРАНОВ
Самым универсальным, эффективным и безопасным способом радикального снижения паразитных потерь в однофазных кабелях является
транспозиция экранов [1–3]. Для реализации транспозиции экранов
необходимо наличие специальных транспозиционных муфт, которые
вспомогательными кабелями соединяются с коробкой транспозиции,
внутри которой осуществляется их перекрестное соединение. Существуют два основных типа транспозиционных коробок – они показаны
на рис. 5–6. По трассе предусматриваются несколько транспозиционных
коробок, тогда как на рис. 5–6 в качестве примера приведена лишь одна
из них (остальные обустраиваются аналогично).
В условиях рис. 5 из соединительной муфты каждой фазы выводятся два вспомогательных одножильных кабеля, соответствующих
«левому» и «правому» участкам экрана силового кабеля: в коробку
транспозиции КТ, таким образом, необходимо завести шесть одножильных кабелей. В условиях рис. 6 из соединительной муфты каждой
фазы выводится один вспомогательный коаксиальный кабель, жила
и экран которого соответствуют «левому» и «правому» участкам
экрана силового кабеля: в коробку транспозиции КТ, таким образом,
необходимо завести три коаксиальных кабеля.
Тип коробки транспозиции (число входов и внутреннее обустройство) целиком определяется типом соединительных муфт. Некоторые
производители транспозиционных муфт выводят «левую» и «правую»
части экрана силового кабеля с помощью двух одножильных кабелей,
а другие – одним коаксиальным кабелем с равными сечениями жилы и
экрана. Это необходимо предусмотреть на стадии проектирования.
Внутри коробки транспозиции есть шесть опорных изоляторов,
незаземленные фланцы которых можно соединять металлическими
перемычками. Во время поиска повреждения внутри кабеля для
локализации аварийного участка удобной может быть схема рис. 7а.
При работе кабеля должна обеспечиваться транспозиция экранов – это
достигается в схеме рис. 7б. Схема рис. 7в может потребоваться во
время испытаний изоляции экрана (например, при измерении сопротивления изоляции экрана), когда важно выполнить замеры отдельно
для каждой фазы кабеля сразу на всем протяжении трассы.
Как видно, в процессе эксплуатации персонал должен иметь доступ
к коробке транспозиции с целью осуществления переключений перемычек, что приводит к необходимости размещения КТ в доступном
для персонала месте – в колодцах транспозиции, которые представляют собой железобетонные короба, размещаемые под землей. В колодец
транспозиции можно попасть через люк, имеющийся в его крыше.
Высота короба составляет около 2 м, а размер пола примерно 2.2 м.
В таком колодце, герметизированном для предотвращения попадания
воды, одновременно могут работать несколько человек.
Значительные размеры колодца связаны еще и с тем, что в нем
размещается не одна коробка транспозиции, а две, поскольку, как
правило, кабельные линии состоят из двух цепей (на рис. 5–6 показана одна цепь).
Проектировщикам следует быть осторожными, поскольку некоторые зарубежные коробки транспозиции достигают линейных размеров
более 0,6 метра и после строительства колодца транспозиции не могут
быть в него помещены, так как не пройдут в горловину люка. Не выбрав поставщика коробки транспозиции и поэтому не имея точной
информации о ее размере, крышку люка следует задавать максимально
большой из того, что предлагает промышленность.
До недавнего времени широкому применению транспозиции в
отечественных кабельных сетях мешала высокая стоимость и большие
сроки поставок коробок, которые изготавливались только за границей.
Однако в настоящее время уже появились отечественные запатентованные конструкции (рис. 8).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В заземленных по концам экранах однофазных силовых кабелей
6–500 кВ существуют паразитные потери мощности PЭ.
2. Соотношение PЭ / PЖ паразитных потерь мощности в экранах и
неизбежных потерь мощности в жилах кабеля легко определить по
выражению (3), полностью согласующемуся с МЭК.
3. Соотношение PЭ / PЖ никак не зависит от длины кабеля, снижается
при прокладке фаз сомкнутым треугольником, становится больше
с увеличением сечения жилы и сечения экрана.
4. Длительно допустимые нагрузки на однофазные кабели 6–500 кВ
в каталогах многих производителей являются завышенными, так
как указаны без учета паразитных потерь мощности в экранах.
5. Использование каталожных данных по нагрузкам возможно лишь
при малых PЭ / PЖ, т.е. для кабелей с сечением жилы до 400–500
мм2 и сечением экрана до 50–70 мм2. В других случаях, вне зависимости от длины кабеля и класса его напряжения, пропускная
способность кабеля оказывается заметно меньше, чем по каталогам.
6. Эффективность транспозиции экранов и других способов снижения потерь связана с повышением реальной пропускной способности кабелей 6–35 кВ и 110–500 кВ до тех значений, которые
приводятся в каталогах производителей.
7. Транспозиция является универсальным и эффективным средством
радикального снижения потерь в экранах однофазных кабелей
6–500 кВ. Длина кабеля никак не влияет на необходимость транспозиции, но влияет на рекомендуемое число циклов транспозиции
(один, два и т.п.).
8. Наибольшая эффективность транспозиции достигается в сетях
110–500 кВ, где вследствие значительных сечений экрана паразитные потери в экранах заметно снижают пропускную способность
кабеля. Поэтому в сетях 110–500 кВ для кабелей любой длины
(даже 1 км) необходима транспозиция.
9. Для коротких кабелей возможно применение неполного цикла транспозиции, что уже позволяет частично снизить потери в экранах при
некоторой экономии соединительных муфт.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6–500
кВ // Новости ЭлектроТехники. 2007. № 2(44).
2. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6–10 кВ
с изоляцией из сшитого полиэтилена // Новости ЭлектроТехники. 2007.
№ 5(47).
3. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей
6–500 кВ. СПб.: Изд-во «НИВА», 2008. 104 с.
4. МЭК 60287-1-1 (2006 г.). Кабели электрические. Расчет номинального
тока. Часть 1-1. Уравнения номинальных токовых нагрузок (при 100%-
ном коэффициенте нагрузок) и расчет потерь. Общие положения.
| 
|
