< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал 6(96) 2015 год

Кабельные линии

Однофазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена получили широкое распространение и уже достаточно хорошо изучены. Некоторое время назад на рынке появилась модификация однофазных кабелей напряжением 6–35 кВ (и даже 110 кВ), в конструкцию которых добавлена броня из проволок алюминия или его сплава.
Михаил Викторович Дмитриев считает, что у бронированного кабеля имеется ряд особенностей, которые нельзя оставлять без внимания.

БРОНИРОВАННЫЕ КАБЕЛИ 6–35 кВ
Проблемы и возможные решения

Михаил Дмитриев,
к.т.н., доцент,
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Традиционно в сетях среднего напряжения применялись трехфазные кабели с бумажно-масляной изоляцией в свинцовой оболочке, покрытые броней из стальных лент. Свинцовая оболочка герметизировала кабель, защищая его от потери масла и проникновения воды, а броня предотвращала механические повреждения свинца и других элементов линии.

В настоящее время у силовых кабелей чаще всего твердая изоляция – сшитый полиэтилен (СПЭ), и поэтому герметизация кабеля при помощи свинцовой оболочки уже не требуется. Исключение составляют специализированные СПЭ-кабели для подводной прокладки, где используют свинцовую оболочку для защиты кабеля от проникновения воды внутрь изоляции.

Отсутствие свинцовой оболочки у подавляющего большинства СПЭ-кабелей повлекло за собой и отказ от применения в их конструкции металлической брони.

Кабели с изоляцией из СПЭ покрыты прочной полимерной оболочкой толщиной приблизительно 5 мм, которая не только защищает кабель от проникновения воды в его изоляцию, но и обеспечивает ему определенную механическую защиту. Тем не менее есть несколько случаев, когда требуется усиленная механическая защита кабеля, с которой полимерная оболочка может не справиться. Например, речь идет о прокладке линии:

в пучинистых грунтах;
в зонах подвижек грунта (оползни, землетрясения и пр.);
по дну водоемов в условиях судоходства.

Для подобных ситуаций заводы разработали модификацию СПЭ-кабелей, где в конструкцию добавлена проволочная броня из алюминия или его сплава. Кроме механической защиты уже проложенного кабеля, броня может оказаться полезна и на стадии монтажа, ведь она позволяет повысить допустимые усилия на кабель при его протяжке, а значит, увеличить строительную длину, снизить число соединительных муфт.

Бронированные СПЭ-кабели бывают трехфазными или однофазными, однако только однофазное исполнение дает возможность изготавливать кабели на большие напряжения и токи.

Схематично вид поперечного сечения однофазного бронированного кабеля 6–35 кВ представлен на рис. 1.

Рис. 1. Однофазный бронированный кабель

r₁ – внешний радиус жилы;
r₂– внутренний радиус экрана;
r₃– внешний радиус экрана;
r₄– внутренний радиус брони;
r₅– внешний радиус брони;
r₆– внешний радиус кабеля.

Такой кабель отличается от обычного тем, что оболочка делится на две части, между которыми размещается повив из проволок брони. В результате у бронированного кабеля образуется сразу две оболочки: первая (внутренняя) – между экраном и броней, вторая (наружная) – между броней и грунтом. Каждая из этих оболочек имеет толщину около 3 мм.

Принципиальным является вопрос о выборе материала для брони однофазного кабеля, поскольку за пределами медного экрана нет электрического поля (экран заземлен хотя бы в одной точке), но имеется магнитное поле. Очевидно, броня кабеля оказывается в зоне действия магнитного поля жилы кабеля и поэтому не может выполняться из склонных к намагничиванию материалов, так как иначе она будет существенно нагреваться, создавая риск перегрева и оплавления изоляции. Поэтому броню однофазных кабелей делают из немагнитного металла – алюминия или из его сплава (он имеет активное сопротивление, близкое к чистому алюминию). Конструкция брони проволочная, так как на заводах заведомо имеется необходимое оборудование для работы с проволоками, ведь и жила скручивается из отдельных проволок, и экран тоже является проволочным.

Однофазный бронированный кабель (рис. 1) имеет в отличие от обычного однофазного не один, а как бы два экрана (один медный, а второй алюминиевый). Вместе с тем известно, что даже единственный экран кабеля традиционной однофазной конструкции уже порождает большое число проблем, которые связаны с наведенными напряжением и током промышленной частоты, а также с паразитными потерями мощности [1]. Традиционно для борьбы с токами и потерями в экранах однофазных кабелей приходится оптимизировать схему их соединения и заземления. В частности, нужно отказываться от простого двустороннего заземления в пользу одностороннего (для линий небольшой длины) или же в пользу транспозиции экранов (для протяженных кабелей). Для однофазных бронированных кабелей подобные схемы соединения и заземления потребуются не только для экрана, но и для брони. Всё это снижает привлекательность бронированных кабелей 6–35 кВ.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ЭКРАНОВ И БРОНИ

Для экранов однофазных кабелей существуют три основные схемы соединения и заземления [1]:

двустороннее заземление экранов;
одностороннее заземление экранов;
транспозиция экранов (то или иное число циклов).

Такие же три базовые схемы теоретически можно предложить и для брони. Однако далее будет показано, что для брони в отличие от экранов возможен еще и четвертый вариант – ее полное разземление. Имея 3 разные схемы для экранов и 4 схемы для брони, всего получаем 12 вариантов, которые придется рассмотреть проектировщику, чтобы выбрать самое оптимальное решение.

К сожалению, в настоящее время при выборе схем даже для обычного однофазного кабеля приходится наблюдать большое число ошибок, а ведь уже опубликованы все необходимые материалы и даже введен в действие стандарт ПАО «ФСК ЕЭС» [2]. Учитывая изложенное, есть все основания полагать, что для проектировщика, и без того заваленного работой, задача выбора наилучшей из 12 схем бронированного кабеля, имеющего два экрана, окажется достаточно сложной.

Согласно располагаемой информации, для всех однофазных бронированных кабелей, которые уже проложены в действующих сетях 6–35 кВ, применено простое двустороннее заземление экранов и двустороннее заземление брони (на схеме рис. 2 показана только одна из трех фаз линии). С годами, по мере роста нагрузки, изоляция кабелей будет перегреваться теплом, выделяющимся в жиле, в экране, в броне, ускоренными темпами снижая ее ресурс или даже оплавляя ее. Например, автору известно, что только за 2015 год были выявлены две явно проблемные линии с бронированными кабелями 10 и 35 кВ. Трудно оценить, сколько случаев остались неизвестными и сколько еще произойдет.

Рис. 2. Двустороннее заземление экранов и брони однофазного кабеля

Очевидно, ситуация требует самого оперативного вмешательства с целью ограничения применения однофазных бронированных кабелей, а может быть, даже их полного запрета до тех пор, пока не будет наведен порядок в выборе схем соединения и заземления экранов и брони таких кабелей.

Первым шагом в решении накопившихся вопросов мог бы стать предложенный в настоящей статье экспресс-анализ всех 12 возможных схем соединения и заземления экранов и брони, а также формирование перечня наиболее перспективных из них.

Двустороннее заземление брони

Сравнивая тепловыделение в экране и в броне, можно показать, что в броне оно в несколько раз больше, чем в экране. Поэтому нет смысла в схемах соединения и заземления экранов и брони, где для экранов внедрены меры по борьбе с потерями и нагревом, а для брони нет и применено ее простое двустороннее заземление.

Транспозиция брони

Сечение брони однофазного кабеля 6–35 кВ достигает 500 мм². Сложно представить, что проводник такого большого сечения (а значит, и диаметра) удастся качественно вывести из транспозиционных муфт и подключить к неким коробкам транспозиции. Кроме того, транспозиция предполагает, что в муфте броня соседних строительных длин кабеля должна быть изолирована друг от друга. Следовательно, усилия продольного тяжения кабеля, возникающие, например, из-за подвижек грунта, не будут передаваться через муфту с одной строительной длины кабеля на соседнюю строительную длину. Это означает, что при подвижных грунтах бронированный кабель будет обрываться в муфте. По названным причинам и по ряду других транспозиция брони вряд ли получит распространение.

Транспозиция экранов

Во-первых, основная проблема бронированных кабелей связана с потерями в броне, т.е. о транспозиции экранов можно говорить лишь после того, как сделана транспозиция брони, а ее, к сожалению, сделать очень сложно. Во-вторых, конструкция муфты, из которой выводится экран, но не выводится броня, – наверное, не самая простая и надежная. Из сказанного следует, что транспозиция экранов бронированного кабеля затруднена.

Видно, что из трех возможных вариантов соединения и заземления экранов один (транспозиция) следует исключить, а всё внимание надо сосредоточить на двустороннем заземлении и на одностороннем заземлении.
Что касается брони, то обсуждению подлежат лишь одностороннее заземление брони или же ее полное разземление.

Таким образом, в ходе рассуждений удалось снизить число разнообразных вариантов соединения и заземления с 12 схем всего до 4 (они показаны на рис. 3). Предложим методику их расчета, взяв за основу подход, использованный в [1].

Рис. 3. Альтернативные схемы соединения и заземления экранов и брони:

а) двустороннее заземление экранов, одностороннее заземление брони;
б) двустороннее заземление экранов, полное разземление брони;
в) одностороннее заземление экранов, одностороннее заземление брони;
г) одностороннее заземление экранов, полное разземление брони

Обращаем внимание, что на рис. 3 для простоты не показаны ОПН, которые устанавливаются между экранами и землей в местах разземления экранов и нужны для защиты оболочки кабеля от импульсных перенапряжений. Также тут нет и ОПН, которые, возможно, было бы полезно иметь между броней и землей.

БАЗОВАЯ СХЕМА

Рассмотрим расчет схемы двустороннего заземления экранов и брони (рис. 2), чтобы любой желающий мог оценить конкретные последствия от ее использования.

Для расчета токов, наведенных в экранах и броне, можно воспользоваться уже известными формулами для экрана обычного однофазного кабеля, но подставлять в них параметры эквивалента медного экрана и алюминиевой брони.

Ток эквивалента (ЭБ) экрана (Э) и брони (Б) по отношению к току жилы (Ж):

где R_Э* = ρ_Э / F_Э; R_Б* = ρ_Б / F_Б – погонные активные сопротивления экрана и брони;
F_Э, F_Б – сечения экрана и брони;
ρ_Э = 2 · 10^–8 Ом·м; ρ_Б = 3,2 · 10^–8 Ом·м – удельные сопротивления медного экрана и алюминиевой брони;

– погонное активное и индуктивное сопротивление экрана и брони, включенных параллельно друг другу, где:
d_ЭБ = 0,5(d_Э + d_Б) – средний диаметр экрана и брони;
d_Э – средний диаметр экрана (он несколько больше, чем 2r₂);
d_Б – средний диаметр брони (он несколько больше, чем 2r₄);

– среднегеометрическое расстояние между осями фаз кабеля;
μ₀ = 4π · 10^–7 Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума;
ω = 2πf = 314 рад/с – круговая частота при f = 50 Гц.

Относительные потери в экране и броне:

Коэффициент использования пропускной способности кабеля:

Годовая стоимость потерь мощности в экранах и броне трех фаз:

где Ц – цена потерь электроэнергии, руб./(кВт·час);
8760 – число часов в году; 1000 – перевод Вт в кВт;
P_Э = (Р_Э / Р_Ж) · Р_Ж ; P_Б = (Р_Б / Р_Ж) · Р_Ж – потери мощности в экране и броне одной фазы, Вт;
P_Ж = I_Ж² · (R_Ж* · L_K) – потери мощности в жиле одной фазы, Вт;
I_Ж – усредненный за год ток жилы кабеля;
L_К – длина кабеля;
R_Ж* = ρ_Ж / F_Ж – погонное активное сопротивление жилы;
ρ_Ж – удельное сопротивление жилы (2 · 10^–8 Ом·м для медной жилы; 3,2 · 10^–8 Ом·м для алюминиевой жилы);
F_Ж – сечение жилы.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СХЕМЫ

Схема № 1 (рис. 3а)

Наведенный ток в экране и вызванные им потери мощности можно найти по формулам (1)–(4), считая R_Б* → ∞, d_ЭБ = d_Э, I_Б = 0, Р_Б = 0.

Напряжение на разземленном конце брони относительно земли:

где

– погонное индуктивное сопротивление, связанное с экраном;

– погонное индуктивное сопротивление, связанное с броней.

Формулу (5) несложно получить, если обратить внимание, что в схеме рис. 3а наведенное на броню напряжение обусловлено совместным действием магнитных полей тока жилы и наведенного тока в экране (связь тока жилы и экрана есть в [1]).

Схема № 2 (рис. 3б)

Напряжение на броне относительно земли в начале U_БН и в конце U_БК кабеля:

где продольное наведенное на броню напряжение U_Б может быть найдено по (5).

Как видно, напряжение на полностью разземленной броне оказалось в два раза ниже, чем в случае ее одностороннего заземления. Поэтому полное отсутствие заземления брони является интересным техническим решением.

Схема № 3 (рис. 3в)

Напряжение на разземленном конце экрана и брони относительно земли:

Если экран и броня соединены друг с другом в месте своего разземления, то напряжение U_Э = U_Б может быть найдено по (7), где при вычислении Х* и Х_Б* надо брать не диаметр экрана d_Э и брони d_Б, а их средний диаметр d_ЭБ = 0,5 · (d_Э + d_Б).

Схема № 4 (рис. 3г)

Напряжение на разземленном конце экрана можно найти по (7).

Напряжение на броне относительно земли в начале и в конце кабеля можно найти, обратившись к емкостной схеме замещения фазы кабеля (рис. 4). Здесь броня оказывается связана с экраном через емкость С_Э «экран–броня» и с землей через емкость С_Б «броня–земля», вычисляемые как:

где ε₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε = 2,4 о.е. – относительная диэлектрическая проницаемость оболочек.

Рис. 4. Схема для определения напряжения на концах брони однофазного кабеля

Записав для рис. 4 уравнения по 1-му и 2-му законам Кирхгофа, определим:

где расчет напряжения на экране U_Э и броне U_Б можно выполнить по формулам (7).

Расчеты показывают, что напряжения брони в начале кабеля U_БН и в его конце U_БК оказываются соответственно чуть меньше и чуть больше 0,5 · U_Б, т.е. являются менее опасными, чем в случае одностороннего заземления брони, когда напряжение на ее разземленном конце составляет U_Б. Поэтому полное отсутствие заземления брони, как и ранее, является интересным техническим решением.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Кабельная линия 35 кВ длиной L_К = 1000 м выполнена однофазными кабелями с алюминиевой жилой F_Ж = 630 мм², медным экраном F_Э = 50 мм², проволочной броней (59 проволок диаметром 3,2 мм) из сплава алюминия. Фазы проложены сомкнутым треугольником. Ток нормального режима I_Ж = 600 А, ток трехфазного короткого замыкания 10 кА. Требуется выбрать оптимальную схему соединения и заземления экранов и брони.

Диаметр кабеля по каталогу составляет d = 72 мм, диаметр по экрану d_Э = 48,9 мм, диаметр по броне d_Б = 58,8 мм. Тогда d_ЭБ = 0,5(d_Э + d_Б) = 53,8 мм.

При прокладке треугольником d_АВ = d_BC = d_AC = d, среднее расстояние между осями фаз Тогда s / d_Э = 72 / 48,9 = 1,472, s / d_Б = 72 / 58,8 = 1,224, s / d_ЭБ= 72 / 53,8 = 1,338.

Сечение брони F_Б = 59 · π · (3,2 / 2)² = 475 мм², активные сопротивления элементов R_Э* = 2 · 10^–8 / (50 · 10^–6) = 4 · 10^–4 Ом/м, R_Б* = 3,2 · 10^–8 / (475 · 10^–6) = 6,74 · 10^–5 Ом/м, R_ЭБ* = 5,77 · 10^–5 Ом/м.

Индуктивное сопротивление X_ЭБ* = 2π · 50 · (4π · 10^–7 / 2π) · ln(2 · 1,338) = 6,2 · 10^–5 Ом/м.

Схема рис. 2

По (1) относительные токи: I_ЭБ / I_Ж = 0,732 о.е, I_Э / I_Ж = 0,105 о.е, I_Б / I_Ж = 0,627 о.е.

Токи в именованных единицах: I_Э = (I_Э / I_Ж) · I_Ж = 0,105 · 600 = 63 А, I_Б = (I_Б / I_Ж) · I_Ж = 0,627 · 600 = 376 А.

По (2) относительные потери: Р_Э / Р_Ж = 0,087 о.е., Р_Б / Р_Ж = 0,521 о.е.

По (3) коэффициент для бронированного кабеля о.е. (79%), а для кабеля без брони он был бы о.е. (96%).

По (4) потери в жиле каждой фазы Р_Ж = 18,3 · 10³ Вт, потери в экране каждой фазы Р_Э = 0,087 · (18,3 · 10³) = 1,59 · 10³ Вт, потери в броне каждой фазы Р_Б = 0,521 · (18,3 · 10³) = 9,53 · 10³ Вт. Суммарная годовая стоимость потерь в экранах и броне трех фаз при цене потерь, например, Ц = 1 руб./(кВт·час) составит С_1год = 292 · 10³ руб./год (292 тыс. руб.), из которых в экранах 42 тыс. руб., а в броне 250 тыс. руб.

Из расчетов следует, что при заземлении экранов и брони с двух сторон (рис. 2) пропускная способность кабеля может быть использована лишь на 79% от своего предельного значения. Стоимость же потерь мощности в экранах и броне ежегодно составляет около 300 тыс. рублей в расчете на каждые L_К = 1000 м трассы, причем большая часть потерь приходится на броню. Очевидно, что двустороннее заземление экранов и брони невыгодно и даже недопустимо.

В качестве альтернативы рассмотрим схемы соединения и заземления без потерь в экранах и броне – это схемы рис. 3в и рис. 3г.

Схема рис. 3в

Индуктивные сопротивления

X* = 2π · 50 · (4π · 10^–7 / 2π) · ln(2 · 1,472) = 6,78 · 10^–5 Ом/м,
X_Б* = 2π · 50 · (4π · 10^–7 / 2π) · ln(2 · 1,224) = 5,62 · 10^–5 Ом/м.

По (7) в нормальном режиме при токе I_Ж = 600 А напряжение относительно земли в месте разземления экрана и брони составит U_Э = 41 В и U_Б = 34 В.

Согласно [1, 2] рекомендуется, чтобы напряжение промышленной частоты на экране кабеля относительно земли не превышало:

в нормальном режиме 100 В;
при внешнем коротком замыкании 5 кВ.

Поскольку указанные цифры нормируются с учетом прочности оболочки кабеля и безопасности людей и животных, то они в полной мере могут быть отнесены и к проволочной броне – тому металлическому элементу кабеля, который расположен ближе всего к внешним покровам кабеля.

Видно, что 41 и 34 В меньше допустимых 100 В. Также можно проверить, что на время короткого замыкания с током жилы 10 кА напряжение экрана и брони не превзойдет 5 кВ, которые считаются предельно допустимым значением (для этого в формулу (7) вместо тока 600 А надо подставить ток 10 кА).

Схема рис. 3г

По (7) на экране относительно земли U_Э = 41 В, продольно на броне U_Б = 34 В.

Напряжение по концам брони по (8) зависит от емкостей:

Тогда в соответствии с (8) имеем в начале кабеля U_БН = – 8В (т.е. 8 В), в конце U_БК = 26 В.

Согласно расчетам наибольшее напряжение на экране относительно земли составило 41 В, а на броне относительно земли 26 В. Как видно, оба значения менее допустимого значения 100 В. Также можно проверить, что на время короткого замыкания с током жилы 10 кА напряжение экрана и брони не превзойдет 5 кВ, которые считаются предельно допустимым значением (для этого в формулы (7) и (8) вместо тока 600 А надо подставить ток 10 кА).

Схемы рис. 3в и рис. 3г оказались оптимальными для рассмотренного кабеля. Некоторое преимущество полного отсутствия заземления брони (рис. 3г) состоит в том, что в случае повреждения внешней оболочки кабеля (и по этой причине соединения брони с землей) не будет образовываться замкнутый контур «броня–земля», опасный появлением наведенного тока промышленной частоты и разогревом брони и кабеля. Для образования такого контура в схеме рис. 3г надо иметь повреждение оболочки кабеля одновременно в двух местах, а вероятность этого низка. Если же броня имеет одностороннее заземление (рис. 3в), то, во-первых, как уже было показано, на ней больше наведенное напряжение, а во-вторых – для образования контура «броня–земля» с соответствующими последствиями по току, потерям, нагреву достаточно одного единственного повреждения оболочки.

Преимущество схемы рис. 3в, напротив, в том, что три ОПН, которые стоят в разземленных концах экрана относительно земли, можно использовать и для брони. Тогда в рамках каждой из трех фаз кабеля экран и броня не будут расцеплены (как на рис. 3в), а будут соединены друг с другом на верхнем фланце соответствующего экранного ОПН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Двустороннее заземление брони однофазных бронированных кабелей чревато перегревом кабеля и его повреждением вдоль всей трассы. Двустороннее заземление экранов таких кабелей также опасно, но в меньшей степени.

Для исключения повреждения бронированных кабелей необходимо внедрять альтернативные схемы соединения и заземления их экранов и брони, в частности одностороннее заземление брони или даже ее полное разземление. Всё это снизит потери в кабеле и их стоимость, повысит длительно допустимый ток для жилы.

Проблемы с перегревом брони однофазных кабелей классов 6–35 кВ должны склонять энергетиков к минимизации случаев использования таких кабелей при строительстве электрических сетей и к необходимости поиска альтернативных способов обеспечения механической защиты линий, например за счет их прокладки в толстостенных полимерных трубах большой протяженности.

Нормы предписывают периодически проверять целостность внешней оболочки однофазных кабелей постоянным напряжением 10 кВ, прикладывая его на 1 мин. У бронированного кабеля внешняя оболочка почти в два раза тоньше, чем у обычного, и поэтому для ее проверки желательно снизить испытательное напряжение с 10 кВ до, скажем, 5 кВ. При этом надежность кабеля не пострадает, ведь от проникновения воды его защищает внутренняя оболочка.

ЛИТЕРАТУРА

Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. –152 с.
СТО 56947007-29.060.20.103-2011. Силовые кабели. Методика расчета устройств заземления экранов, защиты от перенапряжений изоляции силовых кабелей на напряжение 110–500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Москва, ФСК ЕЭС.