Кабельные линии

В «Новостях ЭлектроТехники» опубликованы две статьи [1, 2], касающиеся поиска причин повреждения оборудования КЛ и, в частности, причин аварий в Петербурге на линии 330 кВ, связывающей ПС 330 кВ «Северная» с ПС 330 кВ «Василеостровская». На основании расчетов была сформулирована версия, объясняющая причины возникновения значительных перенапряжений в муфтах кабеля при коротких замыканиях (КЗ). Опасными в этом случае являются не только ВЧ-перенапряжения, но и большие токи, проходящие через ОПН.

По мнению авторов [1], уже на стадии проектирования необходимо обеспечить контроль напряжения, возникающего на заземляющих устройствах коробок обустройства экранов КЛ при однофазных КЗ.

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Анализ причин повреждаемости

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

Значительное число повреждений вспомогательного оборудования (например, ОПН, установленных для защиты изоляции экран–земля) высоковольтных кабельных линий (КЛ) с однофазными кабелями 110–330 кВ настоятельно требует выяснения причин этих повреждений и разработки мероприятий по их устранению. Подавляющее большинство повреждений КЛ приходится на соединительные муфты, особенно на муфты для транспозиции кабельных экранов. В работе [1] впервые было высказано предположение, что повреждение оборудования муфт может быть вызвано нерасчетными воздействиями токов и напряжений на них при внешних или внутренних однофазных коротких замыканиях (КЗ).

Последствия прохождения КЗ особенно опасны тем, что могут приводить к повреждению оборудования сразу в нескольких муфтах по длине кабеля. Именно поэтому утверждение в [2], что так как КЗ бывает реже, чем коммутационные операции с КЛ, то КЗ не следует считать расчетным, на наш взгляд, ошибочно, так как протекание тока КЗ в принципе не должно приводить к повреждению оборудования. Не согласны мы и со следующим суждением, высказанным в [2]: «Принципиальным отличием двух этих случаев (включение КЛ и возникновение КЗ на КЛ. – Примеч. авт.) будет лишь то, что, скорее всего, ОПН, установленные в коробках транспозиции, при КЗ на линии будут повреждены, не выдержав проходящего в них тока, тогда как при простом включении (КЛ. – Примеч. авт.) с ОПН этого не случится». Мы считаем, что повреждение любого элемента КЛ (в том числе и вспомогательного) при КЗ недопустимо и отключение линии по любой причине, тем более связанной с ремонтом оборудования, не должно иметь места.

Данная статья развивает идеи, высказанные в [1], и посвящена анализу причин недопустимых условий работы ОПН в транспозиционных и заземлительных (через ОПН) кабельных муфтах (подробное описание КЛ дано в [1]).

В настоящей публикации не только подтверждена правильность высказанного предположения в [1] о причине повреждения оборудования в таких точках КЛ, вызванного КЗ на кабеле или в сети, но и доказано простейшими расчетами, что недопустимые кратности перенапряжений на экранах в колодцах возникают из-за больших сопротивлений заземления в них, контроль за величиной которых проектными организациями не ведется.

ВЧ-ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В КЛ

Согласно рекомендациям максимальное напряжение на экране (в месте его разрыва при одностороннем заземлении и в коробках транспозиции при транспонированном экране) в нормальных режимах не должно превышать 100 В.

В аварийных режимах (при внешнем КЗ) напряжение на экране не должно превышать 5 кВ [3].

В качестве основного защитного аппарата на КЛ применяется такое вспомогательное оборудование, как ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН).

Рассматриваемая электропередача выполнена кабелем и арматурой компании Prysmian. На линии применены коробки для обустройства экранов КЛ производства ООО «ЗЭУ» типа КТ-Т, КТ-П, КК-Т, в которых установлены ОПН-П/ЗЭУ-6/7,2/10/550 УХЛ1 с рабочим остающимся напряжением U_НРО = 6 кВ, а также коробки заземления производства Prysmian типа 6SE-FS без ОПН.

Остающееся напряжение (наибольшее значение напряжения на ОПН при протекании через него импульса тока 8/20 мкс) для такого ОПН будет равно:

или

,

В качестве расчетных приняты аварийные возмущения, вызванные однофазными КЗ на КЛ, в тех точках, где они имели место в процессе эксплуатации (0,6 и 2,3 км от ПС1 и 3,38 км от ПС2) (рис. 1). Однофазное КЗ моделировалось посредством электрического соединения жилы с экраном той же фазы. В данных расчетах (непосредственно до пункта выяснения защитной роли ОПН) ОПН в схеме не учитывался.

Рис. 1. Полная расчетная схема КЛ 330 кВ

Основные результаты расчетов перенапряжений приведены на рис. 2–4. Так, при КЗ в точке 1 (внутреннее КЗ на участке кабеля с полным циклом транспозиции, рис. 1) в момент максимума напряжения на фазе А величина ВЧ-максимума перенапряжения на транспозиционной муфте 3 составляет 42 кВ (рис. 2). При этом квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих, т. е. на частоте 50 Гц) равно 71 кВ. Момент возникновения КЗ оказывает значительное влияние на величину ВЧ-перенапряжений. Так, в рассмотренном случае, если момент возникновения КЗ совпадает с нулевым значением напряжения на повреждаемой фазе, то в той же транспозиционной муфте высокочастотные перенапряжения практически отсутствуют. Что же касается квазистационарных перенапряжений, то, как будет показано ниже, высокое значение этого напряжения на экране обусловлено падением напряжения от протекания аварийных токов через сопротивление заземления на этом участке транспозиции.

Рис. 2. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте 3 при КЗ в точке 1 на фазе А

Рис. 3. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте 9 при КЗ в точке 2 на фазе А

Рис. 4. Перенапряжения на экране в транспозиционной муфте 17 при КЗ в точке 3 на фазе А

При КЗ в точке 2 (внешнее КЗ по отношению ко второму циклу транспозиции, экран в конце которого заземлен через ОПН) в момент максимума напряжения максимальное значение напряжения в транспозиционной муфте 9 (рис. 3) составляет 116 кВ. При этом заметим, что квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих) составило величину, равную 60 кВ. Высокое значение напряжения 50 Гц на участке экрана «концевая муфта 1–коробка заземления 13», как будет показано ниже, вызвано падением напряжения от протекания аварийных токов через сопротивление заземления.

При КЗ в точке 3 (внешнее КЗ по отношению к рассматриваемому циклу транспозиции) величина ВЧ-максимума перенапряжения в транспозиционной муфте 17 (рис. 4) составляет 63 кВ. Заметим, что квазиустановившееся напряжение (после затухания свободных составляющих, то есть на частоте 50 Гц) невелико и составляет 7,4 кВ. Малая величина этого напряжения объясняется тем, что этот участок экрана отделен от места КЗ разрывом в коробке заземления через ОПН 15.

Приведенные расчеты показывают возникновение при КЗ высокочастотных перенапряжений (порядка 10 кГц) большой кратности, а также значительных напряжений 50 Гц на изоляции экранов (при испытательном напряжении изоляции экрана, составляющем 10 кВ). Возникновение КЗ вызывает также значительные ВЧ-перенапряжения 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 в одной из ближайших к месту КЗ коробке транспозиции, ближе к местам разрыва экранов. Перенапряжения высокой кратности, которые имеют место и в других точках КЛ, приводят к возможности повреждения сразу в нескольких точках по трассе кабеля (в т. ч. и по причине снижения электрической прочности в некоторых из них из-за наличия воды в отдельных колодцах).

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

Роль защитного аппарата (ОПН), установленного, например, в коробке 13 (включенного на открытый конец экрана кабеля), можно видеть на рис. 5 а, б, в. По величине токов через ОПН видно, что скорее всего ОПН будет разрушен, т. к. воздействующие токи существенно превышают нормируемые испытательные воздействия на ОПН. В зависимости от места КЗ и места установки ОПН высокочастотные перенапряжения могут вообще не ограничиваться. Так, например, это происходит с ОПН в транспозиционном колодце 3 при КЗ в точке 1 [1].

Рис. 5. Процессы в коробке заземления 13 при КЗ в точке 1 на фазе А

а) Перенапряжения в коробке заземления (схема без ОПН)

б) Перенапряжения в коробке заземления (схема с ОПН)

в) Токи через ОПН в коробке заземления (схема с ОПН)

КВАЗИУСТАНОВИВШИЕСЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ КЛ

Проанализируем причины повышенных квазиустановившихся напряжений на экране КЛ. Для упрощения анализа и сокращения затрат времени на вычисления разделим схему на рис. 1 на две независимые схемы. При этом сохраняется исходный режим (режим передачи нулевой мощности) и величины токов КЗ (рис. 6 а, б) как в полной схеме.

Участок 1 (рис. 6а) содержит: два цикла транспозиции (один цикл в коробках 3 и 5, другой – в коробках 9 и 11); заземление с двух сторон в коробках 1 и 7 и с одной стороны в коробке 7 (открытый конец в коробке 13 с подключенным ОПН). ОПН установлены в каждой коробке транспозиции, а также в начале и конце КЛ. Первый участок был выбран от начала кабельной линии до первой коробки, где осуществляется разрыв (одностороннее заземление) ее экрана (коробка заземления через ОПН 13 и далее – пунктир к участку 2).

Короткое замыкание в точке 1 произведено на месте реальной аварии, при этом, как видно, ток КЗ на аварийном участке протекает непосредственно по пути «жила–экран–заземлители R_ЗУ1, R_ЗУ7». На неповрежденном участке экран заземлен только в заземлителе R_ЗУ7.

При КЗ в точке 2, выбранном на втором цикле транспозиции, ток КЗ на аварийном участке протекает по пути «жила–экран–заземлитель R_ЗУ7». На неповрежденном участке КЛ в экране протекает наведенный ток, замыкающийся в заземлителях R_ЗУ1, R_ЗУ7 (табл. 2, 3). В таблицах также приведено напряжение на экране, который заземлен через вспомогательный кабель, и сопротивления заземления контура коробок 1 и 7 (первая и вторая строка). Эти сопротивления заземления равны 21,3 и 1,77 Ом (на основании измерения сопротивления заземляющих устройств). Определить напряжения на экране легко: они равны падению напряжения от протекания токов КЗ через сопротивления заземления R_ЗУ1, R_ЗУ7 (табл. 2 и 3). Различие в величине токов при КЗ, протекающих в сопротивлениях заземления коробок 1 и 7, вызвано существенной разницей в величине сопротивлений заземления, однако напряжения примерно одинаковые. Расчеты, выполненные с помощью ЕМТР [4], подтверждают эти значения, остальные значения напряжений в табл. 2 и 3 также получены расчетами в ЕМТР. Как видно, квазистационарные напряжения в месте установки ОПН существенно превышают допустимые нормы.

Полный ток КЗ примерно равен 40 кА. По результатам табл. 2 можно удостовериться, что он полностью стекает через два заземлителя на данном участке схемы (коробки заземления 1 и 7). Стекая через эти сопротивления, ток создает на них большие уровни квазиустановившихся перенапряжений по всей длине кабеля вплоть до места разрыва (коробка заземления через ОПН 13). Вследствие малого продольного сопротивления кабеля уровни этих перенапряжений по всей длине примерно одинаковы.

Таблица 3. Квазиустановившиеся перенапряжения на ОПН при КЗ на фазе А в точке 2, рассчитанные с помощью ЕМТР (в схеме участка 1)

Участок 2 (рис. 6б) содержит комбинации двухстороннего и одностороннего заземления:

• двухстороннее заземление 1: коробка заземления через ОПН 13–коробка заземления 14;
• двухстороннее заземление 2: коробка заземления 14–коробка заземления 15А;
• одностороннее заземление: коробка заземления 15А–коробка заземления через ОПН 15.

Вследствие неидеального заземления КЗ в точке 1 будет внутренним (вызывающим протекание токов КЗ по экранам всех этих отрезков), что подтверждается высокими значениями токов и напряжений (табл. 4).

Таблица 4. Квазиустановившиеся перенапряжения на ОПН при КЗ на фазе А в точке 1, рассчитанные с помощью ЕМТР (в схеме участка 2)

Кроме того, в схеме (рис. 6б) представлены: один цикл транспозиции (в коробках 17 и 19, защищенных ОПН) с двухсторонним заземлением в коробке заземления 15 и в коробке заземления экрана 21, и участок с односторонним заземлением в коробке заземления 21–открытый конец экрана–концевая муфта 2.

Важное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что экран имеет реальный разрыв (коробка заземления через ОПН 15).

Полный ток КЗ (около 40 кА) делится на 3 коробки заземления (коробка заземления через ОПН 13, коробка заземления 14 и коробка заземления 15А), вызывая падения напряжения на их сопротивлениях (табл. 5). В данной схеме величина продольного сопротивления подводного участка КЛ длиной 4182 м вызывает дополнительное падение напряжения, что обуславливает разницу в уровнях напряжений между коробками 13 и 14 (около 13 кВ) и коробками 15А и 15 (38 кВ).

Таблица 5. Квазиустановившиеся перенапряжения на ОПН при КЗ на фазе А в точке 2, рассчитанные с помощью ЕМТР (в схеме участка 2)

Ток неповрежденного участка кабеля (от коробки заземления через ОПН 15 до концевой муфты 2) невелик и объясняется наводками от повышенных вследствие КЗ токов в жиле кабеля. Экранный контур замыкается через заземленный конец экрана (коробка 15) и коробку заземления 21 с током порядка 1 кА.

Как уже было отмечено, главное отличие этой схемы в том, что между неповрежденным и поврежденным участками нет гальванической связи. Поэтому ток на неповрежденных участках экрана имеет меньшие значения и каждое из этих КЗ можно считать внешним по отношению к другому участку.

В таком случае опасные квазиустановившиеся перенапряжения от внешнего КЗ могут возникнуть только при большом сопротивлении заземления (например, на R_ЗУ15А = 10,6 Ом в коробке заземления 15А). Снизить недопустимые значения квазиустановившихся перенапряжений можно путем уменьшения сопротивления заземления в коробках. Это не будет приводить к ощутимому росту токов КЗ, так как уровни токов КЗ определяются в первую очередь мощностью примыкающих систем.

ВЫВОДЫ

1. Однофазные КЗ в КЛ опасны для изоляции экран–земля этого кабеля. Опасными для данного кабеля могут быть и удаленные КЗ, если они случаются на другом кабеле, включенном на общие шины.
2. Однофазные КЗ могут вызвать (при неблагоприятном моменте их возникновения) значительные ВЧ-перенапряжения на изоляции экран–земля кабеля (десятки кВ при частоте в несколько кГц).
3. На поврежденных участках КЛ ток КЗ, проходя через сопротивления заземления, вызывает высокие уровни напряжения 50 Гц на всем экране (до места разрыва).
4. На неповрежденных участках КЛ при внешних КЗ большие перенапряжения также могут возникать (при протекании наведенных токов), если экранные контуры заземлены через значительные сопротивления.
5. При проектировании КЛ следует проводить расчеты (контролировать) напряжения на заземляющих устройствах коробок обустройства экранов КЛ при КЗ, а также разрабатывать мероприятия по уменьшению сопротивлений заземления для обеспечения допустимого напряжения на ОПН U_нро.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бурлаков Е.С., Евдокунин Г.А., Карпов А.С., Шатилов Д.А. Высоковольтные линии с однофазными кабелями. Переходные процессы и перенапряжения // Новости ЭлектроТехники. 2016. № 5(101). С. 42–45.
2. Дмитриев М.В. Высоковольтные линии с однофазными кабелями. Защита от перенапряжений // Новости ЭлектроТехники. 2016. № 6(102). С. 38–41.
3. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во «ЗЭУ», 2010. 152 с.
4. EMTP Rulebook: Bonneville Power Administration. Portland: BPA, 1986. [http://www.emtp.org].