Кабельные линии

Аварии в линиях электропередачи высокого напряжения, сооруженных с применением однофазных кабелей, наносят значительный ущерб энергокомпаниям. При этом во многих случаях причины повреждения элементов линий (муфт, кабелей и др.) не до конца ясны.
Петербургские специалисты предположили, что причина подобных аварий – высокочастотные перенапряжения на изоляции экрана кабеля, вызванные однофазными КЗ, провели исследование и рассказывают о его результатах.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЛИНИИ С ОДНОФАЗНЫМИ КАБЕЛЯМИ
Переходные процессы и перенапряжения

Евгений Бурлаков, студент
Георгий Евдокунин, д.т.н., профессор
Алексей Карпов, к.т.н., доцент
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Денис Шатилов, начальник Службы кабельных линий, Ленинградское ПМЭС, филиал ПАО «ФСК ЕЭС»,
г. Санкт-Петербург

В настоящее время большое распространение получили воздушно-кабельные линии и кабельные линии (КЛ) высокого напряжения. Примером такой линии может служить энергетическое кольцо 220 кВ вокруг г. Алма-Ата в Казахстане (ПС «Ерменсай»–ПС «Кенсай»). Данная электропередача включает в себя воздушные участки общей длиной около 8,47 км и кабельные вставки протяженностью около 19,13 км. Следует также отметить, что кабельные участки данной линии насчитывают 32 места сопряжения кабелей (96 однофазных соединительных муфт), 2 полных цикла транспозиции (15 соединительных муфт с выводом экрана примерно через каждые 2,5 км, в том числе 3 муфты для заземления экранов в точке между циклами транспозиции) и 15 однофазных концевых муфт. Меньше чем за год эксплуатации на этой электропередаче было 10 аварий, из которых 5 произошли на муфтах, 2 на кабеле и 3 на ВЛ, причем явных предпосылок к авариям, таких как большое количество грозовых дней или зафиксированные маловероятные большие грозовые токи, не было. Расчеты коммутационных перенапряжений также не дают недопустимых значений перенапряжений.

Другим примером может служить КЛ 330 кВ в Санкт-Петербурге. Данная линия длиной около 14 км соединяет ПС «Северная» с ПС «Василеостровская». Она выполнена однофазными кабелями, проложенными в земле преимущественно сомкнутым треугольником, а на подводном участке в 4182 м кабели проложены в ряд. На передаче имеются 72 однофазные муфты: 18 кабельных муфт для осуществления транспозиции экранов, 15 кабельных муфт, где осуществляется промежуточное заземление экрана (заземлительных муфт) без ОПН, 6 муфт, где промежуточное заземление экрана осуществляется через ОПН (заземлительные муфты через ОПН), и 33 соединительные муфты. На линии выполнены 3 полных цикла транспозиции с расстоянием между транспозиционными муфтами примерно в 1 км. За 7 месяцев эксплуатации на электропередаче произошли 3 аварии, сопровождавшиеся повреждением большого числа разных муфт по всей длине кабеля.

Подобные аварии происходили и на других электропередачах (на электропередаче 220 кВ в Китае [1] и т.д.), что говорит о реально существующей проблеме повышения надежности работы изоляции в кабельных и воздушно-кабельных сетях.

В этой статье изложена одна из версий, объясняющих причины повреждения изоляции в кабельных муфтах, согласно которой аварии вызваны перенапряжениями на экранах при однофазных коротких замыканиях (КЗ) на КЛ 330 кВ.

В дальнейшем предполагается публикация статьи для объяснения причин повреждений в воздушно-кабельной сети 220 кВ в Казахстане.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

Для исследования процессов, происходящих при нормальных и аварийных режимах работы, в программном комплексе ЕМТР [2] была собрана схема, близкая к реально существующей кабельной сети 330 кВ (рис. 1). Значками обозначены места установки вольтметров, которые позволяли регистрировать напряжения переходных процессов.

Рис.1. Полная расчетная схема кабельной линии электропередачи 330 кВ

Схема состоит из двух источников ЭДС напряжением 330 кВ, из эквивалентных индуктивностей систем, равных 38 мГн на ПС 1 и 45 мГн на ПС 2, а также из трехфазной КЛ, выполненной однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена сечением 2500/339 мм², с медными жилой и экраном. Однофазные кабели на сухопутной части трассы электропередачи проложены сомкнутым или разомкнутым треугольником, на подводной части уложены в ряд. На КЛ установлены заземляющие и транспозиционные муфты, образующие 3 полных цикла транспозиции экранов.

Транспозиционные пункты моделировались приближенными к реальным: подводы экранов из муфт к колодцам выполнялись с помощью шести однофазных специальных кабелей без экрана с сечением жил 2500 мм², с которыми соединялись экраны кабелей разных фаз. Экран рабочего кабеля, выходящий из муфты, соединялся с жилой данного кабеля, прокладывался до колодца и другим кабелем возвращался обратно. Длина этих кабелей принималась равной 15 м. Существуют и другие способы соединения экранов с транспозиционными или заземляющими колодцами, например с использованием кабелей с экраном, с использованием 3 кабелей и др. Различия в конструкциях соединительных кабелей влияют на частоту и величину ВЧ-перенапряжений.

В схеме использовались следующие модели ЕМТР: трехфазные источники ЭДC; предвключенные индуктивности Х_пс1 и Х_пс2, определенные по данным токов КЗ; модели КЛ с распределенными параметрами для рабочих кабелей (модель Bergeron ЕМТР с учетом поверхностного эффекта), а также для кабелей, осуществляющих транспозиции экранов и кабелей, заземляющих экраны. Учитывались также сопротивления заземления в колодцах.

В качестве расчетных в этой статье показаны аварийные возмущения, вызванные однофазными КЗ на КЛ в тех точках, где они имели место в процессе эксплуатации (0,6 и 2,3 км от ПС 1 и 3,38 км от ПС 2). Однофазное КЗ выполнялось по­средством электрического соединения жилы с экраном той же фазы. В данных расчетах ОПН в схеме не учитывался вплоть до момента выяснения защитной роли этого аппарата.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

При КЗ в точке 1 (внутреннее КЗ на участке кабеля с полным циклом транспозиции) в момент максимума напряжения на этой фазе большая величина перенапряжений была зафиксирована в транспозиционной муфте № 3 (рис. 2): она составила 79 кВ при частоте колебаний напряжения около 17 кГц (на фазе А, помеченной красным цветом). При этом квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих, то есть на частоте 50 Гц) составило 67 кВ.

Рис. 2. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте № 3 при КЗ в точке 1 на фазе А

а)	б)

Момент возникновения КЗ играет важную роль в величине перенапряжений [3]. Так, если момент возникновения КЗ в рассмотренном случае совпадает с нулевым значением напряжения на повреждаемой фазе, то в той же транспозиционной муфте ВЧ-перенапряжения практически отсутствуют. Высокое значение напряжения 50 Гц на экране обусловлено внутренним КЗ на этом участке транспозиции [3]. В увеличенном масштабе начало процесса показано на рис. 2б.

При КЗ в точке 2 (внешнее КЗ по отношению ко второму циклу транспозиции, в конце которого экран заземлен через ОПН) в момент максимума напряжения на этой фазе большая величина перенапряжений была зафиксирована в транспозиционной муфте № 9 (рис. 3): 185 кВ при частоте колебаний напряжения около 2326 Гц. При этом квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих, то есть на частоте 50 Гц) составило 56 кВ. Высокое значение напряжения частотой 50 Гц на экране вызвано заземлением участка только с одной стороны.

Рис. 3. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте № 9 при КЗ в точке 2 на фазе А

При КЗ в точке 3 (внешнее КЗ по отношению к рассматриваемому третьему циклу транспозиции) в момент максимума напряжения на этой фазе большая величина перенапряжений была зафиксирована в транспозиционной муфте № 17 (рис. 4): 99 кВ при частоте колебаний напряжения около 19 кГц. Если момент возникновения КЗ совпадает с нулевым значением напряжения на повреждаемой фазе, то в той же транспозиционной муфте максимум ВЧ-перенапряжений не превышает 7,6 кВ.

Рис. 4. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте № 17 при КЗ в точке 3 на фазе А

Отметим, что квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих, то есть на частоте 50 Гц) невелико и составило 7,4 кВ, что близко к расчетной величине установившегося напряжения по формулам [3, 4]. Малая величина напряжения объясняется заземлением этого участка экрана с двух сторон.

Расчеты показывают, что при КЗ возникают как значительные напряжения частотой 50 Гц на изоляции экранов (в определенных условиях), так и ВЧ-перенапряжения большой кратности в начальный момент КЗ, причем значительные ВЧ-перенапряжения возникают на всех элементах, а не только в транспозиционных муфтах.

Так, в табл. 1 для примера показаны максимальные перенапряжения в коробках транспозиции и в коробках заземления через ОПН по длине кабеля для случая КЗ в точке 1. Данные табл. 1 и рис. 2–4 убедительно демонстрируют, что наибольшие ВЧ-перенапряжения возникают ближе к разомкнутому концу экрана. Высокая кратность перенапряжений, которые имеют место и в других точках КЛ, приводит к возможности повреждения сразу в нескольких точках по трассе кабеля (в том числе и в результате снижения электрической прочности в ряде из них из-за наличия воды в некоторых колодцах).

Таблица 1. Максимумы ВЧ-перенапряжений экран–земля в колодцах вдоль длины кабеля при однофазном КЗ в точке 1, кВ

Расчеты показывают, что уменьшение длины соединительных шлейфов от силового кабеля до колодцев снижает кратность ВЧ-перенапряжений (табл. 2). Квазистационарные напряжения при этом практически не меняются. Кроме того, на кратность ВЧ-перенапряжений (в сторону ее снижения) влияет конструкция соединительных кабелей, например, использование в качестве прямого провода жилы кабеля, а в качестве обратного провода – экрана того же кабеля.

Таблица 2. Максимумы ВЧ-перенапряжений экран–земля в колодцах вдоль длины кабеля при однофазном КЗ в точке 1 при длине соединительных шлейфов, равной 0 м, кВ

Как показано в [4], электрическая прочность изоляции экрана должна быть не менее 10 кВ при тестировании постоянным напряжением (около 5 кВ на частоте 50 Гц). Данные по испытаниям ВЧ-напряжением производитель не приводит (возможно, это испытание и не выполняется). Однако, учитывая обычное соотношение между выдерживаемым напряжением изоляции на импульсах и на рабочем напряжении (прочность изоляции на импульсах больше примерно в 3–5 раз, что ориентировочно составляет 40–50 кВ), можно предположить, что столь большое напряжение, приложенное к изоляции экрана при КЗ, приводит к повреждению изоляционных элементов в транспозиционных колодцах или в колодцах, где заземление экрана осуществляется через ОПН. Такие большие напряжения, приложенные к главной изоляции со стороны экрана, могут в итоге вызвать повреждение и главной изоляции кабеля.

Роль защитного аппарата (ОПН), вынесенного в колодец № 13 и присоединенного к открытому концу экрана кабеля, ясна из рис. 5, 6. По величине токов, проходящих через ОПН, можно заключить, что скорее всего ОПН будет разрушен, так как воздействующие токи существенно превышают испытательные. В зависимости от места КЗ и установки ОПН высокочастотные перенапряжения могут вообще не ограничиваться. Например, это происходит на ОПН в транспозиционном колодце № 3 при КЗ в точке 1.

Рис. 5. Перенапряжения в коробке заземления № 13 при КЗ в точке 1 на фазе А

а) без ОПН
б) с ОПН

Рис. 6. Токи через ОПН в коробке заземления №13 при КЗ в точке 1 на фазе А

ВЫВОДЫ

Однофазные КЗ в КЛ опасны для изоляции экрана данного кабеля. Опасными для него могут быть и удаленные КЗ, если они случаются на другом кабеле, включенном на общие шины (при относительно малой входной емкости подстанции).

Данные КЗ, возникнув в неблагоприятный момент, способны вызвать значительные ВЧ-перенапряжения на изоляции экрана кабеля – величиной в десятки кВ и частотой в несколько кГц.

Значительная длина транспозиционных и заземляющих кабелей, составляющая 10–15 м до соединительных коробок в колодцах, влияет на уровень перенапряжений. При заземлении экрана через ОПН на нем может возникнуть опасное длительное повышение напряжения частотой 50 Гц, вызывающее недопустимые токи через ОПН. Такое воздействие на ОПН может привести к его повреждению.

Значительные перенапряжения на изоляции экран–земля, не входящие в перечень испытательных воздействий, могут привести к повреждению этой изоляции и в итоге стать причиной пробоя главной изоляции кабеля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Duan X., Tang M., Lin F. and Ye H., Analysis on breakdown of main insulation on middle joint of 220 kV power cable // High Voltage App. Vol. 45, no. 6, 2009. P. 142–144.
2. Electromagnetic Transients Program (EMTP) Rule Book: Bonneville Power Administration. Portland, Oregon: BPA,1986. http://www.emtp.org.
3. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. СПб.: Издательский дом «Родная Ладога», 2016. 384 с.
4. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во «ЗЭУ», 2010. 152 с.