Кабельные линии

В последние годы в профессиональной среде, в том числе и на страницах «Новостей ЭлектроТехники», неоднократно рассматривались проблемы, связанные с потерями мощности в экранах однофазных кабелей со СПЭ-изоляцией.
Однако до сих пор в рамках этих выступлений и публикаций не были затронуты такие аспекты, как возникновение и передача высокого потенциала при ОКЗ и ОЗЗ в сеть низкого напряжения. Как считает Владимир Семенович Фишман, данные явления заслуживают особого внимания, так как могут существенно повлиять на выбор технических решений при проектировании энергообъектов.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

КАБЕЛЬНЫЕ СЕТИ 6(10) кВ СО СПЭ-ИЗОЛЯЦИЕЙ
Возникновение и распространение опасных потенциалов

ВЫНОС ОПАСНОГО ПОТЕНЦИАЛА С ПС 110(220) кВ В СЕТИ СРЕДНЕГО И НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В разделе ПУЭ [1], посвященном заземлению в сетях выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью (п. 1.7.89 – 1.7.95), говорится о том, что при однофазных коротких замыканиях (ОКЗ) в таких сетях на заземляющем контуре подстанций (ПС) возникает потенциал, который может достигать величины 10 кВ и даже более. При напряжении на заземляющем устройстве (ЗУ) более 5 кВ должны быть предусмотрены меры по предотвращению выноса опасных потенциалов за пределы электроустановки.

Если же ЗУ электроустановки в сети с эффективно заземленной нейтралью соединено с ЗУ электроустановок 6(10) кВ с изолированной нейтралью при помощи кабеля с металлической оболочкой или броней, то для выравнивания потенциалов вокруг указанных электроустановок в п. 1.7.94 ПУЭ приводится перечень ряда технических мероприятий.

Влияние кабельной сети 6(10) кВ

Очевидно, что для «выравнивания», а точнее было бы сказать «для обеспечения безопасных напряжений прикосновения», перечисленных мероприятий было бы недостаточно, если бы не дополнительное влияние металлических оболочек кабельной сети 6(10) кВ.

О том, как авторы ПУЭ представляли себе это влияние, можно судить по п. 1.7.97 ПУЭ, согласно которому 1 км кабеля с заземленной металлической оболочкой и броней обеспечивает требуемую величину сопротивления заземления ПС 10/0,4 кВ, т.е. около 4 Ом. При этом подразумевались широко применявшиеся кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, поверх которой имеются металлические оболочки, имеющие электрическую связь с землей. Таким образом, если предположить, что ПС 110/10 кВ имеет подобную кабельную сеть общей протяженностью 100 км, то эквивалентное сопротивление этой сети току замыкания на землю приблизительно составит:

Понятно, что такое сопротивление способно резко уменьшить потенциал, возникающий на ЗУ при ОКЗ на стороне 110 кВ ПС и тем самым обеспечить безопасные напряжения прикосновения.

Иная картина будет наблюдаться при использовании кабелей со СПЭ-изоляцией, отличительной особенностью которых является наличие наружной пластмассовой оболочки, надежно изолирующей медный экран кабеля от земли. Так, по данным [2], наружная оболочка таких кабелей должна выдерживать воздействие переменного напряжения не менее 20 кВ одной из частот в диапазоне от 50 до 10⁶ Гц. Время приложения испытательного напряжения – не менее 0,1 с.

Сеть 6(10) кВ, выполненная этим кабелем, уже не сможет оказывать такого влияния на возникающий потенциал, какое оказывает сеть, выполненная кабелем с бумажно-пропитанной изоляцией. Одновременно при заземлении экрана СПЭ-кабеля на питающей и приемной ПС создается низкоомное соединение их контуров заземления, по которому высокий потенциал с ПС 110(220) кВ будет беспрепятственно передаваться на контур заземления и корпуса электрооборудования приемных ПС и распределительных пунктов (РП) 6(10) кВ (рис. 1).

Рис. 1. Вынос потенциала с ПС 110/10 кВ в сеть 10 кВ и 400/230 В

Следует учитывать, что каждая городская ПС или РП 10 кВ питается как минимум двумя фидерами. При использовании однофазных кабелей это означает, что контуры заземления приемной и питающей подстанций будут связаны между собой не менее чем шестью медными кабельными экранами сечением до 120 мм² каждый с суммарным импедансом порядка Z_к ≈ 0,15 Ом/км, который не может существенно снизить высокий потенциал, передаваемый с источника питания.

Передача потенциала в сеть низкого напряжения

Особую опасность представляет возможность передачи высокого потенциала в сеть 400/230 В бытовых потребителей. Такая передача будет осуществляться через присоединенную к контуру заземления ПС 6(10)/0,4 кВ нейтраль низковольтной обмотки трансформатора и далее по изолированным от земли жилам питающего кабеля в сеть 230 В жилых зданий. Величина передаваемого потенциала зависит от сопротивлений заземляющего устройства (ЗУ) ПС 6(10)/0,4 кВ и от повторного заземления вводно-распределительного устройства (ВРУ) 400/230 В здания, которое в кабельной сети не считается обязательным и не нормируется. Появление высокого потенциала в сети 230 В представляет угрозу не только для людей, но в ряде случаев и для многочисленного и разнообразного электрооборудования со-временных жилых квартир и административно-бытовых зданий.

По этой причине ГОСТ [3] вводит соответствующие ограничения. Так, согласно п. 442.4.2 этого документа нейтраль обмотки 0,4 кВ трансформатора может быть присоединена к общему контуру заземления ПС 6(10)/0,4 кВ только при условии, если временные характеристики защиты, реагирующей на повреждение, оказываются в области, ограниченной кривыми на рис. 44А из [3] (рис. 2). Это условие ограничивает предельно допустимую величину ожидаемого напряжения прикосновения и критического напряжения для оборудования.

Рис. 2. Зависимость напряжения замыкания (кривая F) и ожидаемого напряжения прикосновения (кривая T) от максимальной длительности замыкания на землю на стороне выше 1 кВ (рис. 44А из [3])

Значения потенциалов на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ

Определим величину предельно допустимого напряжения на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ, при котором в рассматриваемом случае нейтраль обмотки 0,4 кВ трансформатора может быть присоединена к общему контуру заземления ПС 6(10)/0,4 кВ. Для этого зададимся временем отключения повреждения – в данном случае ОКЗ на стороне 110 кВ питающей ПС.

В сетях 110 кВ это время, с учетом необходимости отстройки от времени срабатывания трубчатых разрядников на ВЛ 110 кВ, можно принять равным: t₁ = 0,2 с (первая ступень защиты) и t₂ = 0,5 с (вторая ступень защиты). По рис. 2 определяем соответствующие предельно допустимые напряжения на ЗУ:

С другой стороны, напряжение, возникающее на ЗУ при ОКЗ на оборудовании 110 кВ, определяется формулой:

где I_окз – часть тока ОКЗ в сети 110 кВ, протекающая через ЗУ;
R_з – сопротивление ЗУ, величина которого согласно п. 1.7.90 ПУЭ должна быть не более 0,5 Ом с учетом сопротивления всех естественных и искусственных заземлителей (при расчете ЗУ с соблюдением требований к напряжению прикосновения сопротивление ЗУ может оказаться больше 0,5 Ом).

Токи ОКЗ в сетях 110 кВ обычно находятся в пределах I_окз ≈ 10÷50 кА, а токи через ЗУ ПС 110 кВ можно принять в пределах I_окз = 10÷30 кА. Тогда напряжение на ЗУ ПС 110 кВ (а значит, и на ЗУ приемных ПС) составит величину порядка:

Разница между возможными величинами потенциалов на ПС 110/10 кВ (2) и предельно допустимыми значениями потенциалов на ПС 6(10)/0,4 кВ (1) слишком велика, и она не может быть погашена за счет низкоомной связи между ЗУ питающей и приемной ПС.

Можно возразить, что при «жесткой» связи ЗУ питающей и приемных ПС следует учитывать их эквивалентное сопротивление. Действительно, сопротивления ЗУ приемных ПС способны существенно снизить общий потенциал, возникающий при ОКЗ, однако желаемого результата это влияние, как правило, не приносит.

Рассмотрим простой пример. Возьмем городской район, получающий питание от подстанции 110/10 кВ с двумя трансформаторами мощностью по 40 МВА. Расчетная нагрузка трансформаторов при К_зтр = 0,7 составит:

Предположим, что городские потребители питаются от ТП 6(10)/0,4 кВ с трансформаторами мощностью 2 · 630 кВА с расчетной нагрузкой на каждой подстанции Р_рi = 1 МВА (К_зтр ≈ 0,8).

Тогда количество присоединенных ПС 10/0,4 кВ составит:

Допустимое сопротивление ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ согласно п. 1.7.101 ПУЭ определяется формулой:

где ρ – удельное сопротивление грунта.

Приняв среднее значение ρ = 200 Ом·м, получим R_зтп = 8 Ом.

Общее эквивалентное сопротивление ЗУ подстанций R_зуэ = = 8 / 56 = 0,143 Ом.

Результирующее сопротивление с учетом сопротивления ЗУ ПС 110/10 кВ, равного R_зпс = 0,5 Ом:

В результате при ОКЗ напряжение на общем контуре ЗУ ПС 110/10 кВ и ПС 6(10)/0,4 кВ составит:

что значительно превышает допустимые значения (1).

Кроме того, рассчитывать на одновременное появление всех 56 ПС 6(10)/0,4 кВ нельзя, поскольку строительство происходит очередями и оно может растянуться на несколько лет. Однако требования безопасности должны выполняться на всех стадиях строительства и эксплуатации, о чем будет указано в готовящихся технических регламентах по энергетике [4].

Таким образом, очевидно, что условие, указанное в п. 442.4.2 [3], в большинстве случаев выполняться не будет. Это значит, что согласно требованиям [3] нейтраль обмотки 0,4 кВ силового трансформатора должна быть заземлена через отдельный заземлитель, электрически независимый от заземлителя высоковольтной части данной подстанции (рис. 3) . В принципе такое решение существует и используется в некоторых европейских странах, правда, в основном в сельской местности [5].

Рис. 3. Нейтральный проводник электроустановки до 1 кВ потребителя электроэнергии заземлен через электрически независимый заземлитель (рис. 44В TN-b из [3]).

Однако для внедрения этого решения в России необходимо, во-первых, изменить требования ПУЭ (п. 1.7.98 и др.), согласно которым должно сооружаться общее ЗУ на ПС 6(10)/0,4 кВ с подключением к нему в т.ч. и нейтрали обмотки НН силового трансформатора. Во-вторых, для городских ПС 6(10)/0,4 кВ необходима предварительная проработка конструктивного исполнения ПС с независимыми заземлителями, т.к. аналогичное решение, применяемое в западных странах для сельской местности, для городских подстанций окажется неприемлемым. При этом могут возникнуть сложности с размещением ПС, поскольку они потребуют большей площади.

Кроме того, необходима проверка изоляции низковольтного оборудования на ПС. Возникающее на нем напряжение не должно превышать критического:

В качестве критического напряжения U_кр в [3] рекомендуетcя принимать величину:

где U_n – номинальное напряжение электрооборудования, В.

Для отдельного электрооборудования U_кр может быть больше. Вопрос о том, какое именно электрооборудование должно проверяться, зависит от конструктивного исполнения ПС.

На действующих предприятиях при замене старых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией на кабели со СПЭ-изоляцией могут возникнуть другие проблемы.

Дело в том, что металлические оболочки кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией, не одно десятилетие пролежавших в земле, уже не представляют собой непрерывную электрическую цепь. Под воздействием коррозии эти оболочки разрушаются во многих местах, что подтвердили проведенные экспериментальные работы [6]. Причем надо учитывать, что коррозия разрушает не только металлические оболочки кабелей, но и заземлители подстанций, которые в отечественной практике (в отличие от зарубежной) выполняют из черного металла без специальной защиты от коррозии.

В такой ситуации, как ни странно, есть свой плюс, заключающийся в том, что высокий потенциал с ПС 110/6(10) кВ не может передаваться по «разорванным» металлическим оболочкам старых кабелей на ЗУ подстанций 6(10)/0,4 кВ. Минус же заключается в том, что влияние таких оболочек и ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ на потенциал, возникающий на ПС 110/6(10) кВ, становится минимальным. Это в свою очередь означает, что вероятность передачи высокого потенциала по вновь проложенному кабелю со СПЭ-изоляцией будет возрастать.

Указанные выводы в равной степени относятся к случаям использования как одножильных, так и трехжильных кабелей 6(10) кВ со СПЭ-изоляцией. Причем одножильных кабелей это касается и при применении транспозиции экранов.

Следует отметить, что электроустановок выше 1000 В, таких как РП 10 кВ, внутренняя сеть до 1000 В которых не выходит за пределы их зданий и находится в пределах общей системы уравнивания потенциалов, требование п. 442.4.2 [3] не касается. Однако при наличии упомянутого низкоомного соединения их ЗУ с контуром ЗУ ПС 110/6(10) кВ возникает основание для применения к таким установкам требований п. 1.7.99 ПУЭ, согласно которым их заземляющее устройство должно удовлетворять требованиям ПУЭ к заземляющим устройствам электроустановок в сети выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью.

Для выполнения этих требований необходимы специальные мероприятия по выравниванию потенциалов вокруг таких электроустановок, аналогичные мероприятиям для ПС 110 кВ. Эти же требования в равной мере можно отнести не только к РП, но и ко всем электроустановкам, питающимся с ПС 110/6(10) кВ при помощи кабелей со СПЭ-изоляцией.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЫСОКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ ОЗЗ В СЕТЯХ 6(10) кВ

В противоположность изложенному выше, при замыканиях на землю в сетях 6(10) кВ возникновение высокого потенциала становится наиболее опасным, когда связь между ЗУ ПС через металлические оболочки кабелей отсутствует. Такие условия могут быть либо в старых кабельных сетях, либо при заземлении экранов кабелей со СПЭ-изоляцией в одной точке (как с разделением, так и без разделения экранов на секции). Подобные способы заземления кабелей рассматривались в [7], хотя в эксплуатирующих организациях данное решение признается неудобным.

Как уже отмечалось, вопрос с выносом опасного потенциала с ПС 110/6(10) кВ на ЗУ приемных ПС в таких условиях теряет актуальность, но возникает другая опасность, которая связана с особенностями протекания токов ОЗЗ при нарушении низкоомной связи между ЗУ ПС. Если при наличии сплошных экранов, заземленных с двух сторон, токи ОЗЗ протекают главным образом по экранам, т.к. их сопротивление много меньше сопротивлений ЗУ, то при нарушении электрических связей между ЗУ с помощью экранов кабелей, токи ОЗЗ поступают к точке повреждения исключительно через землю (рис. 4). Протекая через сопротивление ЗУ поврежденной секции кабеля, токи ОЗЗ создают на нем напряжение относительно земли, равное:

Рис. 4. Протекание емкостных токов ОЗЗ в сети 10 кВ в земле и по экранам кабелей при разделении их на секции.

Ток I_озз в современных городских сетях, как известно, может достигать нескольких сотен ампер. Однако согласно п. 1.7.96 ПУЭ в качестве расчетного тока при определении необходимого сопротивления ЗУ следует принимать ток ОЗЗ, возникающий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов (дугогасящего реактора – ДГР). Диапазон регулирования токов компенсации ДГР 10 кВ лежит в пределах I_н = 20÷200 А. Сопротивление ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ, как уже отмечалось выше, согласно требованиям ПУЭ не должно превышать:

где ρ – удельное сопротивление грунта.

При ρ = 200÷300 Ом·м напряжение на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ при ОЗЗ будет находиться в диапазоне:

Для таких случаев предельно допустимые напряжения на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ могут быть определены аналогично с помощью рис. 2. Время отключения ОЗЗ в сети 10 кВ можно принять равным:

• для ПС, не имеющих РУ 10 кВ, – 0,15 с;
• для ПС с РУ 10 кВ – 0,5 с (по условиям селективности).

Тогда предельно допустимые напряжения на ЗУ ПС составят:

Из сравнения вероятных (3) и допустимых (4) величин видно, что при ОЗЗ также могут сложиться условия, при которых нейтраль обмотки 0,4 кВ трансформатора 10/0,4 кВ потребуется заземлять через независимый заземлитель.

Снизить величину расчетного тока ОЗЗ и напряжение на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ в некоторых случаях можно путем дробления секций на источнике питания и уменьшения единичной мощности ДГР, что соответствует рекомендациям п. 1.2.16 ПУЭ.

Так, для достижения предельно допустимого напряжения на ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ, равного 130 В (4), при сопротивлении ЗУ, равном 4 Ом, величина тока компенсации наиболее мощного ДГР не должна превышать:

Гораздо более тяжелые условия с точки зрения электробезопасности могут сложиться в процессе ОЗЗ в сети 6(10) кВ в случае заземления ее нейтрали (даже кратковременном) с помощью низкоомных сопротивлений при токах через землю в несколько сот ампер. Предложения по низкоомному заземлению нейтралей, встречающиеся в ряде публикаций, требуют предварительного серьезного анализа.

Также нельзя игнорировать возможность возникновения двойного ОЗЗ (одновременного зависимого ОЗЗ двух разных фаз на разных фидерах). Как показали расчеты [8], при такого рода замыканиях в кабелях с заземлением экранов с двух сторон напряжения на ЗУ и напряжения прикосновения могут значительно превышать максимально допустимые величины.

При отсутствии электрической связи ЗУ разных ПС через экраны кабелей указанные напряжения оказываются еще больше и могут достигать 4–4,5 кВ. Всё это лишний раз подчеркивает необходимость проработки вопроса раздельного заземления на ПС 6(10)/0,4 кВ [3].

Отдельно следует сказать о высоком потенциале, возникающем вблизи железобетонных опор ВЛ 6(10)кВ при двойных ОЗЗ, а также вблизи оборванного провода. Избежать опасной ситуации в таких случаях поможет применение деревянных опор с СИП, получившее широкое применение за рубежом [9].

ВЫВОДЫ

Кабели 6(10) кВ со СПЭ-изоляцией (как одножильные, так и трехжильные), имеющие хорошо проводящий, изолированный экран, обеспечивают возможность передачи высокого потенциала с ПС 110(220)/6(10) кВ в сети среднего и низкого напряжения. Такой потенциал с большой долей вероятности может оказаться недопустимым по условиям электробезопасности и критического напряжения для низковольтного электрооборудования. Нельзя игнорировать весьма высокий потенциал, возникающий при двойных ОЗЗ в сетях 6(10) кВ, а также при больших значениях тока ОЗЗ.

Для ограничения напряжений прикосновения вокруг РП и ПС 6(10)/0,4 кВ в этих условиях необходимо предусматривать специальные технические мероприятия по выравниванию электрических потенциалов, имея в виду, что перечисленные в п. 1.7.94 ПУЭ меры могут оказаться недостаточными.

В тех случаях, когда существует возможность передачи недопустимо высокого потенциала в сеть низкого напряжения, ГОСТ [3] требует раздельного заземления высоковольтного оборудования ПС 6(10)/0,4 кВ и нейтрали обмотки низкого напряжения силового трансформатора на независимые заземлители. Однако действующие ПУЭ такого независимого заземления не допускают (п. 1.7.98 и др.). Очевидно, что требования ПУЭ в данном случае нуждаются в корректировке.

Вместе с тем конструктивное решение ПС 6(10)/0,4 кВ с независимыми заземлителями может оказаться непростым и потребует специальной проработки. Дополнительными мерами по снижению высокого потенциала могут быть:

• уменьшение нормируемой ПУЭ предельно допустимой величины сопротивления ЗУ ПС 6(10)/0,4 кВ;
• требование обязательного повторного заземления нейтральных проводников низковольтных питающих кабелей на вводах в здания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок, 7-е изд.
2. ГОСТ Р 55025-2012. Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно. Общие технические условия.
3. ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93). Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ.
4. Электроснабжение городов. Проблемы обсуждали в Петербурге // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 1(61).
5. Schneider Electric. Системы заземления в электроустановках низкого напряжения. Вып. № 20 / Пер. с англ. Божко С.В.; под ред. Мозырского В.И.
6. Кужеков С.Л., Хнычёв В.И. Предотвращение многоместных повреждений КЛ 6–10 кВ с помощью кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 3(63), № 4(64).
7. Евдокунин Г.А., Дмитриев М.В. Однофазные кабели 6–10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Расчет заземления экранов // Новости ЭлектроТехники. 2007. № 5(47).
8. Дмитриев М.В., Тихонова М.Р. Доклад на XIX заседании Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО».Ханты-Мансийск, февраль, 2013.
9. Боков Г.С., Жулев А.Н. Деревянные опоры для ВЛ с применением СИП. Обзор зарубежной практики // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 2(80).