WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 |

«РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 6-500 КВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БЫСТРОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ

ОДНОЖИЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО

ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 6-500 КВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Хевсуриани И.М.

Москва

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ В СИСТЕМАХ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

1. Нормативная база для проектирования кабельных линий.............. 1. Анализ пропускной способности кабельной линии

1. Проблема выбора способа заземления металлических экранов..... 1. Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ................. Анализ электромагнитных процессов в кабеле

2. Расчет параметров кабеля

2. Схемы соединения экранов

2. 2.3.1 Двухстороннее заземление экранов

2.3.2 Одностороннее заземление экранов

2.3.3 Транспозиция экранов

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ

ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ

Постановка задачи

3. Составление алгоритма исследования

3. Выбор кабелей

3. 3.3.1 Выбор трассы кабельной линии

3.3.2 Выбор сечения токопроводящей жилы

3.3.3 Выбор сечения экрана

Расчет параметров «разомкнутой» системы заземления 3. экранов

Расчет параметров «замкнутой» системы заземления экранов...... Экономическое сравнение систем заземления

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ВЫБОРА СИСТЕМЫ

ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ

Обзор существующих решений

Описание программы

Разработка структуры программы

4.3.1 Ввод исходных данных

4.3.2 Обработка базы данных кабелей

4.3.3 Проведение расчета

4.3.4 Генерация отчета

Расчетно-экспериментальное исследование

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

В вопросе электроснабжения предприятий, организаций, городов важная роль отведена исследованию кабельных линий, улучшению технологий их производства, проектирования и эксплуатации.

Силовые кабели на напряжение выше 1000 В распространены по большей части в распределительных сетях среднего напряжения 6-35 кВ, встречаются на линиях электропередачи напряжением от 110 кВ и выше.

В настоящее время актуален вопрос перевода части воздушных линий в кабельные. Так, например, для подстанций глубокого ввода (ПГВ) в крупных городах сооружение питающих линий в воздушном исполнении затруднительно.

К тому же в виду тенденции на строительство подстанций закрытого типа на базе комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) все большее предпочтение отдается кабельным линиям. Площадь отвода земли для строительства кабельной линии во много раз меньше по сравнению с воздушной линией того же напряжения. Кабельные линии электропередачи в условиях мегаполиса являются наиболее приемлемым решением: они позволяют высвободить для дальнейшего строительства участки дорогостоящей городской земли, которые сейчас занимают воздушные линии, практически полностью защищены от внешних воздействий – грозовых разрядов, ветра и низких температур, вандализма, не изменяют исторический облик города.

В настоящее время в России ведется активное внедрение кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена для всех уровней среднего и высокого напряжений. В конструкции этих кабелей имеется металлический экран, предназначенный для отвода токов короткого замыкания в заземляющее устройство. Наибольшее распространение получили кабели одножильного исполнения. В линиях электропередачи с применением одножильных кабелей схема заземления металлических экранов влияет на пропускную способность, то есть на передаваемую мощность. Схемы соединения экранов могут быть с двухсторонним заземлением, односторонним заземлением и транспозицией экранов. При двухстороннем заземлении экранов протекание тока по экрану кабеля в нормальном рабочем режиме вызывает потери мощности, которые снижают пропускную способность кабельной линии. Исключить ток в экране можно с помощью одностороннего заземления или транспозиции экранов. Однако это требует дополнительных капиталовложений.

предусматривает расчет сечения токопроводящих жил кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, учет возможности применения способов заземления с отсутствием токов в экране кабеля. Различные энергоснабжающие организации пытаются вводить правила и стандарты по проектированию и обслуживанию кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена, что приводит к разночтениям и имеет рекомендательный характер. Причем внимание уделяется в основном линиям на напряжение 110 кВ и выше, хотя проблема заземления экранов не теряет актуальности и для кабелей на среднее напряжение 6-35 кВ.

Вопрос выбора системы заземления экранов кабельной линии на сегодняшний день не имеет однозначного ответа. В различных источниках, в том числе в руководствах по проектированию от кабельных заводов, выбор системы заземления объясняется условными понятиями «большой длины» кабельной линии, «высокой нагрузкой» при протекании больших токов по жиле кабеля, маленьким коэффициентом использования пропускной способности. При этом выбор границы, за которой линия становится «большой», нагрузка «высокой», а пропускная способность недостаточной остается на совести проектировщика и носит субъективный характер.

С решением этой проблемы сталкиваются при проектировании и эксплуатации линий с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Данный вид новой кабельной продукции не имеет широкой нормативной базы, необходимо наличие единых технологических норм и правил в электротехническом комплексе, методик по выбору систем заземления экранов.

В связи с этим разработка методики выбора системы заземления экранов для кабельных линий 6-500 кВ является актуальной.

Степень разработанности темы. Понятия о способах заземления экранов не раскрыты в отраслевых нормативных документах, имеют место лишь в стандартах отдельных организаций, рекомендуются к применению на линиях напряжением от 110 кВ и выше, несмотря на то, что оказывают влияние и на кабели среднего напряжения.

Поэтому нельзя однозначно подходить к выбору системы заземления экранов одножильных силовых кабелей при проектировании и эксплуатации кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

однозначный критерий выбора системы заземления экранов одножильных силовых кабелей с изоляций из сшитого полиэтилена на напряжения 6-500 кВ.

Научной задачей является разработка теоретических положений по расчету сечения токопроводящей жилы с учетом режима работы экрана и создание методики выбора системы заземления экранов одножильных кабелей для линий напряжением 6-500 кВ в системах электроснабжения.

Научная новизна заключается в том, что для одножильных силовых кабелей на напряжение 6-500 кВ предложена математическая модель для выбора сечения токопроводящей жилы, которая, учитывая схему соединения экранов, позволяет определить потери мощности и наведенное напряжение на экране. На основании математической модели разработана методика выбора системы заземления экранов трехфазной группы, по которой проводится экономическое сравнение.

Предложен критерий выбора, определяющий относительную окупаемость «разомкнутой» системы заземления с отсутствием тока в экранах по отношению к «замкнутой», в экранах которой протекают паразитные токи.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическую значимость работы заключается в разработке математической модели и методики выбора системы заземления одножильных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Практическую значимость представляет разработанная компьютерная программа «Screen Bonding Method» для операционной системы Windows (приложение А), реализованная по предложенной методике выбора системы заземления экранов. Экспериментальное применение программы было осуществлено в проекте распределительной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково». В настоящий момент программа внедрена в проектную деятельность ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» (приложение Б) и московского филиала ОАО «ЭНЕКС» (приложение В).

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы положения из теорий электрических цепей, электрических сетей, электроснабжения и методы компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Рекомендации по учету режима работы экрана при расчете сечения жилы в зависимости от системы заземления экранов.

2. Методика выбора системы заземления экранов по алгоритму расчета двух вариантов исполнения кабельной линии и их технико-экономическому сравнению.

3. Использование критерия выбора для однозначного определения системы заземления экранов.

4. Программа для ЭВМ, реализованная по разработанной методике для автоматизации процесса проектирования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

II-й всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика – «Тинчуринские чтения» (Казань, 2012) [2];

«Тинчуринские чтения» (Казань, 2013) [3];

«Тинчуринские чтения» (Казань, 2014) [4];

XIX-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»

XX-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»

XI-й международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2013) [7];

IV-й международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, III-й всероссийской научно-технической конференции студентов, энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2014) VI-й всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими процессами» (Тула, 2012) [10];

конференции (с международным участием) «Фёдоровские чтения – 2012» (Москва, 2012) [11];

конференции (с международным участием) «Фёдоровские чтения – 2013» (Москва, 2013) [12].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук [13,14]. Одна работа сдана в издательство и готовится к публикации [15]. Программа, разработанная в диссертации, получила свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности [16].

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 62 наименований и 4 приложений. Материал изложен на 92 страницах текста и иллюстрирован 32 рисунками.

ГЛАВА 1 КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Силовые кабели классифицируются по номинальному напряжению, току, а также по виду изоляции токоведущей жилы [17].

Опыт применения кабельной продукции на сегодняшний день насчитывает совершенствуются технологии, появляются новые изоляционные материалы.

Долгое время для среднего напряжения (6-35 кВ) применяются кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией, а для высокого напряжения (110- кВ) – маслонаполненные кабели низкого и высокого давления [18,19,20].

В целом технологический процесс изготовления кабелей с пропитанной маслом бумажной изоляцией сложен и малопроизводителен. Применение металлической оболочки удорожает и утяжеляет конструкцию. Из-за стекания пропиточного состава имеются ограничения при вертикальных прокладках.

Использование масла в качестве изолирующей среды, свинцовой защитной оболочки также отрицательно сказывается на экологии.

С начала 60-х годов прошлого века дальнейший прогресс в технологии изготовление. Процесс выдавливания пластмассы имеет преимущества перед обмоткой бумажными лентами. Пропадает необходимость сушки и пропитки изоляции, облегчается конструкция, упрощается процесс прокладки кабеля.

Среди пластмасс особыми диэлектрическими свойствами выделяется полиэтилен. Он обладает высокой электрической прочностью, меньшей диэлектрических потерь, хорошей гибкостью и влагостойкостью [21]. Полиэтилен может быть получен в очень чистом виде, что позволяет применять его при высоких напряженностях электрического поля.

Наиболее подходящим для изоляции кабелей материалом является сшитый полиэтилен (СПЭ). Высокий температурный коэффициент линейного расширения полиэтилена (0,00015-0,00018 °С-1) приводит к появлению в нем высоких механических напряжений при смене температуры, что вызывает снижение срока службы изоляции. В целях повышения нагревостойкости полиэтилен подвергают сшиванию, при котором линейная структура переходит в пространственную.

Нагревостойкость такого материала выше и может достигать 90°С в длительном режиме работы и 250°С при коротких замыканиях.

Существуют три основных способа сшивания полиэтилена низкой плотности: пероксидный, силанольный и радиационный [22]. Для изоляции силовых кабелей на рабочее напряжение 6 – 500 кВ в мире пока отдано предпочтение сшитому полиэтилену на основе пероксидов.

Изготовление сшитой изоляции по пероксидному способу осуществляется на кабельных линиях непрерывной вулканизации. В едином технологическом процессе происходит наложение трех слоев полимеров (экрана по жиле, изоляции и экрана по изоляции) с их вулканизацией в среде азота под давлением до атмосфер и при температуре до 450°С. «Сухой» процесс пероксидной сшивки позволяет производить кабели на напряжение от 6 до 500 кВ (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена: 1 – алюминиевая или медная токопроводящая жила, 2 – экран по жиле из полупроводящего сшитого полиэтилена, 3 – изоляция из сшитого полиэтилена, 4 – экран по изоляции из полупроводящего сшитого полиэтилена, 5 – водоблокирующий слой, 6 – экран из медных проволок, 7 – водоблокирующий слой, 8 – слой алюмополимерной ленты, Кабели могут быть как трехжильного, так и одножильного исполнения.

Одножильные кабели получили более широкое распространение благодаря меньшему наружному диаметру, большим строительным длинам и возможным эксплуатации.

Жилы изготавливают из меди или алюминия. Бывают секторные или многопроволочные. Для борьбы с частичными разрядами между жилой и изоляцией наносят полупроводящий слой из триингостойкого сшиваемого полиэтилена. Разделительные слои выполняются из полупроводящей водоблокирующей ленты, которая при повреждении кабеля препятствует распространению влаги в области экрана. Медный экран состоит из проволок и скрепляется медной лентой. Наружная оболочка кабеля выполняется из полиэтилена высокой плотности или ПВХ-пластиката [23,24,25].

Впервые полиэтилен был применен для силовых кабелей на напряжение кВ в США в 1944 году. В 1963 году компанией General Electric была разработана изоляция из сшитого полиэтилена. Первым российским производителем кабеля с изоляцией из СПЭ в 1996 году стал «АББ Москабель», использующий технологию пероксидной сшивки полиэтилена (XLPE).

В таких странах, как США и Канада кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена занимают 80-85% на рынке силовых кабелей 10 — 220 кВ. В Германии и Дании эта цифра возрастает до 95%, а во Франции, Японии, Финляндии и Швеции — до 100%.

В последнее время в России ведущие энергосистемы также ориентированы на использование кабелей с изоляцией из СПЭ при прокладке новых кабельных линий и замене либо капитальном ремонте старых [26]. Производство кабелей с бумажной изоляцией сокращается, а номенклатура кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена постоянно растет.

Подводя итог вышесказанному, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют ряд преимуществ перед кабелями с бумажной пропитанной изоляцией по физико-механическим, диэлектрическим и технологическим свойствам [27,28,29]:

длительно допустимая температура (90°С), допустимый нагрев при перегрузках (130°С), предельно допустимая температура при протекании тока короткого замыкания (250°С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с бумажной изоляцией;

большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой большой выдерживаемый ток короткого замыкания;

меньший тангенс угла диэлектрических потерь;

меньшая диэлектрическая проницаемость;

меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что облегчает прокладку кабеля;

возможность вести монтажные работы при температурах до -20°С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;

низкая удельная повреждаемость;

отсутствие жидких компонентов, ограничений по разнице уровней прокладки, что уменьшает время и стоимость монтажных работ;

большие строительные длины.

Помимо преимуществ, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют и существенный недостаток. Для пластмассовой изоляции в отличие от бумажной пропитанной характерно отсутствие эффекта самозалечивания изоляции. При однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью при пробое твердого диэлектрика кабель не может восстановить свою электрическую прочность, что приводит к аварийному режиму. Именно поэтому для применения кабелей из сшитого полиэтилена необходимо введение резистивно-заземленной нейтрали для отключения замыканий на землю релейной защитой.

Нормативная база для проектирования кабельных линий Проектирование кабельных линий среднего (6-35 кВ) и высокого (110кВ) напряжения является ответственной задачей в вопросе электроснабжения.

Применяемые решения должны соответствовать высоким требованиям по надежности и сохранности кабельной продукции, а также обеспечению безопасности и здоровья людей, связанных с прокладкой и последующей эксплуатации линии.

Кабельные линии являются одним из наиболее дорогостоящих элементов электроэнергетических систем. При их проектировании особое внимание необходимо уделять экономическим аспектам выбора параметров линии.

Основными нормативными документами для проектирования кабельных линий являются Правила устройств электроустановок (ПУЭ), Правила технической эксплуатации (ПТЭ), строительные нормы и правила (СНиП), государственные стандарты (ГОСТ). На сегодня объем нормативной документации не отвечает запросам отрасли для внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена [30]. СНиПы и ГОСТы редко обновляются и не успевают за технологическим прогрессом. Об изоляции из сшитого полиэтилена в ПУЭ не написано. Подобная ситуация является катализатором ошибок проектировщиков, монтажников, ведет к авариям при эксплуатации, неизбежным при столкновении с новой техникой. В таких условиях требуется разработка единого подхода к проектированию кабельных линий.

Главным вопросом при проектировании кабельной линии является выбор сечения токоведущей жилы. Увеличение пропускной способности кабеля позволяет уменьшать выбранное сечение жилы и сэкономить на его цене.

Выбор сечения кабелей с бумажной пропитанной изоляцией ниже 110 кВ регламентирован ПУЭ и производится по экономической плотности тока с проверкой по пропускной способности и термической стойкости к токам короткого замыкания [31].

Для маслонаполненных кабелей напряжением выше 110 кВ выбор сечения по экономической плотности тока не имеет смысла, поскольку сечения соответствующей экономической плотности меньше, допустимых по пропускной способности. Экономические сечения жил – это сечения, для которых сумма стоимостей капиталовложений и потерь электроэнергии минимальна. Для высоковольтных кабелей они существенно меньше, чем для кабелей меньших напряжений из-за большей стоимости кабельных линий и меньших потерь электроэнергии [32].

Выбор сечения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, как на среднее, так и на высокое напряжение по экономической плотности также не имеет смысла из-за еще более высокой стоимости кабельной продукции.

Таким образом, основным критерием для выбора сечения этих кабелей является предельная токовая нагрузка, зависящая от допустимой температуры токоведущей жилы и изоляции.

Расчет номинальной токовой нагрузки в соответствии с [33] основан на параметрах теплового режима кабеля.

где – разница температур между токоведущей жилой и окружающей средой, °С; Wd – диэлектрические потери на единицу длины, Вт/м; Т1 – тепловое сопротивление между жилой и металлическим экраном, °См/Вт; Т2 – тепловое сопротивление между металлическим экраном и броней, °См/Вт; Т3 – тепловое сопротивление наружного покрова, °См/Вт; Т4 – тепловое сопротивление окружающей кабель среды, °См/Вт (для земли эта величина обусловлена процессом теплопроводности, а для воздуха - процессом конвекции и излучения);

R – электрическое сопротивление токопроводящей жилы переменному току при максимально допустимой температуре жилы, Ом/м; 1, 2 – отношение общих потерь в металлических экранах и броне к сумме потерь в токопроводящих жилах.

рационализации теплового режима: улучшении условий теплоотвода или уменьшении тепловыделения. К ним относятся: уменьшение потерь, применение засыпочных составов с пониженным тепловым сопротивлением, увлажнение засыпочного материала, улучшение теплоотвода путем рационального расположения кабелей, внедрение систем искусственного охлаждения кабелей [20]. Эти способы не равноценны как по эффективности, так и по затратам, необходимым для их осуществления.

Наиболее эффективным и при этом наиболее сложным путем увеличения пропускной способности является искусственное охлаждение кабеля. Способ основан на использовании потока жидкости для отвода тепла, выделяемого кабелем при его работе. Для его реализации необходима разработка специальных конструкций кабелей с внутренним каналом, обеспечивающим циркуляцию охладителя. Требуется изменение существующих технологий производства кабелей, а также конструкций насосных станций и оборудования для питания системы охлаждения, изолированных на полное рабочее напряжение линии в связи с тем, что охладитель соприкасается с токоведущей жилой. Решение этих вопросов является задачей исполнения кабельной продукции следующего поколения.

Допустимая нагрузка на кабель, проложенный в земле, зависит от внешнего теплового сопротивления кабеля, которое определяется удельным тепловым сопротивлением грунта. Занижение расчетного значения может привести к местному перегреву кабеля и даже тепловому пробою. Распространение тепла в грунте связано с рядом факторов, из которых определяющими являются теплопроводность частиц грунта, передача тепла в пустотах, частично заполненных влагой, связанная с проводимостью воздуха и влаги. Распределение частиц в грунте сказывается на тепловом сопротивлении вследствие изменения числа точек соприкосновения между частицами с одной стороны, либо изменения пористости с другой. Таким образом, тепловое сопротивление грунта может быть снижено при улучшении состава почвы: увеличении содержания частиц с низким удельным тепловым сопротивлением, увеличении плотности, увеличении содержания влаги.

расположения кабелей. Расположение кабелей треугольником является наиболее удобным при монтаже, но не может считаться оптимальным с точки зрения отвода тепла от кабелей. Наиболее перспективным с точки зрения увеличения пропускной способности выглядит расположение кабелей в вершинах равностороннего треугольника на определенном расстоянии друг от друга. Кроме того, на внешнее тепловое сопротивление влияет глубина заложения кабеля. Но при этом необходимо учитывать, что при увеличении расстояния между осями кабелей при двухстороннем заземлении экранов пропускная способность кабеля ухудшается из-за возрастания токов в экране.

Для маслонаполненных кабелей известна проблема потерь в заземленных металлических оболочках [20,32]. Они связаны с материалом оболочки, ее геометрическими размерами и взаимным расположением кабелей. Пока на большинстве линий низкого давления монтировались бронированные кабели, либо кабели со слоистыми защитными покровами, применялась схема с заземлением кабелей с двух концов. Внедрение шланговых защитных покрытий позволило применять схемы соединения оболочек, исключающих потери мощности в них. При такой схеме соединения экранов на оболочках наводится напряжение. Требовалось применение ограничивающих устройств и повышение электрической прочности, которая у шланговых покрытий оказалась больше, чем у применяемых ранее материалов.

Для линий с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена среди способов увеличения пропускной способности особую актуальность представляет выбор схемы заземления экранов, исключающей потери мощности. Решение этого вопроса является технологическим, требующим точного расчета и обоснованности применения.

Проблема выбора способа заземления металлических экранов В кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена металлический экран необходим для отвода в землю емкостных токов и токов короткого замыкания и создания нулевого потенциала на поверхности кабеля. Для выполнения своих функций экран должен быть присоединен к заземляющему устройству. При прокладке кабеля экран заземляют на концах кабельной лини, в местах, где есть физическая возможность вывести его наружу – перед концевыми муфтами, и есть контур заземления.

Существуют три основных способа соединения экранов: двухстороннее, одностороннее и транспозиция экранов. Важной характеристикой системы заземления экранов является протекание или отсутствие токов в экранных контурах. Введем классификацию систем заземления экранов по этому признаку (рисунок 1.2).

С протеканием тока по «замкнутые» системы Рисунок 1.2 – Классификация систем заземления экранов При протекании тока по экрану кабеля возникают потери мощности в экране. Из выражения (1.1) видно, что отношение потерь мощности в металлическом экране к потерям мощности в жиле 1 влияет на пропускную способность токопроводящей жилы. Для «разомкнутых» систем 1 равна нулю, поэтому пропускная способность кабеля при использовании одностороннего заземления экранов или транспозиции выше, чем при двухстороннем заземлении экранов.

Вопрос выбора системы заземления экранов кабельной линии на сегодняшний день не имеет однозначного ответа, однако является актуальным с точки зрения конкретной прикладной задачи. Для ее решения необходимо воспользоваться рекомендациями, описанными в теоретических работах М.В.

Дмитриева [34], вывести критерий сравнения систем, используя научные положения о расчетах параметров систем заземления экранов.

минимальный среднегодовой ток в жиле также не является оптимальным. При проектировании кабельной линии в системах электроснабжения величина потребляемой мощности на нагрузке является исходным данным. Именно от этого значения отталкивается проектировщик при создании схемы электроснабжения потребителя и выборе электротехнического оборудования.

Среднегодовой ток в жиле в таком случае не что иное, как ток кабельной линии в нормальном режиме, рассчитывающийся из заявленной потребителем выбираемой мощности.

Для выбора «разомкнутой» системы необходимо произвести расчет электрических параметров, которые определяют техническую целесообразность применения либо одностороннего заземления, либо транспозиции экранов.

С точки зрения финансовых затрат, устройство двухстороннего заземления является наиболее дешевой системой заземления экранов кабелей, потому что не требует дополнительных капиталовложений при строительстве. Стоимость «разомкнутой» системы зависит от выбранной схемы соединения экранов.

Однако, в «замкнутой» системе существуют дополнительные эксплуатационные издержки в виде оплаты потерь мощности в экранах. Таким образом, для выбора между «замкнутой» и «разомкнутой» системами заземления необходимо провести экономическое сравнение вариантов исполнения кабельной линии и определить критерий, объективно показывающий однозначность выбора.

При повсеместном внедрении кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена вопрос выбора системы заземления экранов становится особенно актуальным.

Выбор сечения токопроводящей жилы должен учитывать режим заземления экрана. Необходимо разработать методику на основании технико-экономического сравнения систем заземления экранов при проектировании кабельной линии, для чего определить электрические параметры систем и ввести критерий выбора.

1. Проведенный анализ показывает, что в России практически на всех новых кабельных линиях 6-500 кВ применяются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Наибольшее распространение получили одножильные кабели благодаря меньшему наружному диаметру, большим строительным длинам и удобству при прокладке.

2. Одной из главных проблем трехфазных линий с одножильными кабелями является протекание токов в экране, которые приводят к снижению пропускной способности и увеличению потерь кабельной 3. Согласно проведенному анализу схем соединения экранов их можно разделить на два вида: с протеканием тока в экранах (двухстороннее заземление) и с отсутствием тока в экранах (одностороннее заземление и транспозиция).

4. Увеличения пропускной способности кабеля можно добиться за счет использования системы заземления экранов, исключающей потери мощности в них. Но это требует дополнительных финансовых затрат.

5. Применение систем заземления экранов с отсутствием в них тока должно быть подтверждено технико-экономическим расчетом.

6. Актуальность разработки методики выбора кабеля с учетом системы

ГЛАВА 2 ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ

При передаче переменного тока кабель находится под действием магнитного поля, как собственного, так и создаваемого соседними кабелями. В изоляции кабеля, являющейся диэлектриком, протекает ток утечки, обусловленный наличием емкости между находящейся под напряжением жилы и имеющим потенциал земли экраном.

где Uф – фазное напряжение, Хс – емкостное сопротивление кабеля, с0 – удельная емкость изоляции, LK – длина кабеля.

Таким образом, стекая через экран в землю, он вызывает потери мощности прямо пропорциональные длине кабеля.

Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена удельная емкость составляет примерно от 0,15 до 1,3 мкФ/км, а емкостной ток может достигать единиц ампер на километр для напряжения 6-35 кВ, 10-30 А/км на напряжении 110-500 кВ для максимальных сечений кабеля 2500-3000 мм2. Эти величины не столь велики по сравнению с токами в жиле кабеля и поэтому емкостной ток не оказывает негативного влияния на температурный режим кабеля.

Помимо емкостного в экране кабеля могут протекать токи, имеющие индуктивный характер и возникающие в любом замкнутом контуре под действием электромагнитной индукции [35].

Возьмем трехфазную группу одножильных кабелей. Экраны всех фаз по концам линии должны быть заземлены, то есть, присоединены к одному заземляющему устройству. Получается, что они все соединены между собой и образуют замкнутые контуры. Ток каждой жилы, протекая по контуру, создает вокруг проводников переменное магнитное поле. Магнитная индукция В пронизывает контур и вызывает в нем протекание тока Iэ.

Рассмотрим замкнутый контур (рисунок 2.1), попадающий в магнитное поле.

Рисунок 2.1 – Замкнутый контур в магнитном поле проводника с током Потокосцепление равно:

где S – площадь контура, В – вектор магнитной индукции.

Так как по длине контура LK поток не меняется, справедливо:

где h1 – расстояние до ближней стороны контура, h2 – расстояние до дальней стороны, lk – длина кабеля.

где µ – магнитная проницаемость среды, µ0 – магнитная постоянная, Н – напряженность магнитного поля, I – ток в проводнике.

Соответственно взаимоиндукция:

где Em, Im – амплитуды ЭДС и тока.

Подставив (7) и (8) в (5):

В трехфазной системе на ток и напряжения в экране фазы влияют не только ток жилы, но и токи жил и экранов соседних фаз. Рассмотрим влияние на падение напряжения в жиле токов в ней, ее экране, жилах и экранах соседних фаз.

Без учета емкостных параметров кабеля падения напряжений вдоль жил и экранов связаны с токами в них системой из шести уравнений [34]:

U ЖА Z Ж I ЖА Z ЖЭ I ЭА Z К ( I ЖВ I ЭВ ) Z К ( I ЖС I ЭС )

U ЖВ Z Ж I ЖВ Z ЖЭ I ЭВ Z К ( I ЖА I ЭА ) Z К ( I ЖС I ЭС )

U ЖС Z Ж I ЖС Z ЖЭ I ЭС Z К ( I ЖА I ЭА ) Z К ( I ЖВ I ЭВ )

ЭА Э ЭА ЖЭ ЖА К ЖВ ЭВ К ЖС ЭС

U ЭВ Z Э I ЭВ Z ЖЭ I ЖВ Z К ( I ЖА I ЭА ) Z К ( I ЖС I ЭС )

где Zж – полное сопротивление жилы, Zэ – полное сопротивление экрана, Zжэ – полное взаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеля, Zк – полное взаимное сопротивление жилы (экрана) и соседнего кабеля, Iж – ток в жиле, Iэ – ток в экране.

Для определения электрических параметров систем заземления необходимо решать (2.12) с введением дополнительных уравнений, характеризующих условие состояния схемы соединения экранов.

Также введем дополнительные условия для нахождения параметров кабеля при определении сопротивления прямой последовательности:

При определении сопротивления нулевой последовательности:

Анализ литературы [36,37,38,34,39] показал, что для решения задачи определения электрических параметров систем заземления экранов с учетом особенностей кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена целесообразно воспользоваться результатами, приведенными в работах Дмитриева М.В. Поэтому за основу математической модели системы заземления приняты теоретические положения [34] по расчету электрических параметров кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Предлагаемая математическая модель дает возможность рассчитать токи и напряжения в экранах кабелей с учетом активных и реактивных сопротивлений, сопротивлений взаимоиндукции в трехфазной системе с одножильными кабелями, учитывая режим работы экранов.

Значения параметров кабеля необходимы при расчете токов и напряжений в кабельной линии. Введем основные обозначения конструкции кабеля и кабельных линий.

Рассмотрим одножильный кабель (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Эскиз сечения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: 1 токоведущая жила, 2 – изоляция, 3 – экран кабеля, 4 – оболочка Для обозначения радиуса жилы примем r1, диаметра – dж. Для экрана внутренний радиус обозначим r2, внешний – r3, а диаметр экрана – dэ. Внешний радиус кабеля – r4, наружный диаметр – dнар.

Рассмотрим расположение трехфазной группы одножильных кабелей (рисунок 2.3) при прокладке кабельных линий.

Рисунок 2.3 – Слева – прокладка треугольником, справа – в плоскости Для обозначения среднего геометрического расстояния между фазами примем параметр s [38].

При прокладке треугольником расстояние между каждой парой фаз одинаковое и равно внешнему диаметру кабеля:

где dij – расстояние между осями i и j фазных кабелей, dнар – наружный диаметр кабеля.

При прокладке в плоскости расстояние между крайними кабелями в два раза больше, чем между крайним и центральным, поэтому среднее расстояние высчитывается как:

Рассмотрим схему протекания тока по кабельным линиям. В сетях на напряжение 6-500 кВ применяются схемы с глухозаземленной, изолированной и резистивно-заземленной нейтралью, в которой роль нейтрального провода играет земля. Ток в земле обычно учитывают токами в трех фиктивных проводах, оси которых находятся на расстоянии Dз от осей фазных проводников [40]. Это расстояние называют эквивалентной глубиной протекания обратного тока, оно зависит от частоты переменного тока и удельной проводимости грунта:

где з – удельная проводимость грунта.

Данное понятие взято из теории воздушных линий, применяемых в основном за пределами застроенных территорий. На всем протяжении трассы воздушной линии практически не встречаются естественные заземлители, поэтому эквивалентная глубина протекания обратного тока определяется лишь свойствами грунта.

Кабельные линии прокладываются в городах на застроенной территории с электросетевых объектов устроены искусственные контуры заземления, поэтому эквивалентную глубину протекания обратного тока принимают равной глубине залегания контура заземления.

К тому же длины воздушных линий намного превосходят кабельные, и пренебрегать концевыми эффектами при расчете Dз не совсем правильно.

Для решения системы уравнений (2.12) необходимо определить погонные параметры кабелей. Расчет параметров кабелей приведен в [36]. Если принять что параметры не зависят от частоты и взаимного влияния друг на друга, а расстояниями внутри кабеля по отношению с межкабельным при рассмотрении их расположения в трехфазной системе можно пренебречь, то допустимо использовать математическую модель расчета сопротивлений по [34].

Сопротивление жилы Сопротивление жилы складывается из контура протекания тока жилы – это активное сопротивление жилы, индуктивное сопротивление жилы, активное сопротивление земли.

где Rз – активное сопротивление земли, Rж – активное сопротивление жилы, Lж – индуктивность жилы.

Индуктивность жилы определяется по (2.7), где ближней стороной контура является поверхность жилы, находящаяся на расстоянии r1, а дальней – фиктивный проводник на расстоянии Dз:

Сопротивление экрана Сопротивление экрана складывается из контура протекания тока экрана – это активное сопротивление экрана, индуктивное сопротивление экрана, активное сопротивление земли.

где Rэ – активное сопротивление экрана, Lэ – индуктивность экрана.

Индуктивность экрана определяется по (2.7), где ближней стороной контура является поверхность экрана, находящаяся на расстоянии r2, а дальней – фиктивный проводник на расстоянии Dз:

Взаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеля Взаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеля объясняется влиянием протекания тока в соседнем контуре кабеля: для жилы в экранном, а для экранного – в жиле. И складывается из активного сопротивления земли и взаимного индуктивного сопротивления между жилой и экраном в кабеле.

где Mжэ – взаимная индуктивность жилы и экрана одного кабеля.

Взаимная индуктивность жилы и экрана определяется по (2.7), где ближней стороной контура является поверхность экрана, находящаяся на расстоянии r2, а дальней – фиктивный проводник на расстоянии Dз:

Взаимное сопротивление между соседними кабелями Взаимное сопротивление между соседними кабелями объясняется влиянием протекания тока в контуре соседнего кабеля. Причем пренебрегая расстояниями внутри одного кабеля относительно расстояний между соседними кабелями, допустимо считать взаимные сопротивления «жила-жила», «жилаэкран» или «экран-экран» между соседними кабелями равными друг другу. Тогда взаимное сопротивление между соседними кабелями складывается из активного сопротивления земли и взаимного индуктивного сопротивления между кабелями.

где Mк – взаимная индуктивность между кабелями.

Взаимная индуктивность между кабелями определяется по (2.7), где ближней стороной контура является поверхность жилы (экрана) соседнего кабеля, находящаяся на расстоянии s, а дальней – фиктивный проводник на расстоянии Dз:

преимущества и недостатки, определим электрические параметры систем.

Расчеты токов и напряжений произведем по математической модели, предложенной [34], в которой с введением среднего геометрического расстояния между кабелями используются упрощенные выражения по сравнению с математической моделью [37]. Снижение точности расчетов допустимо, так как не дает большой погрешности при сравнении и выборе системы заземления.

Согласно требованиям [31] металлические оболочки кабелей должны быть заземлены с двух сторон (рисунок 2.4) кабельной линии.

Рисунок 2.4 – Схема двухстороннего заземления экранов В конструкции кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена металлический экран является контуром заземления для отвода токов короткого замыкания из токопроводящей жилы в заземляющее устройство, присоединение к которому проще исполнить на концах линии.

Выполнение двухстороннего заземления не требует больших трудозатрат, монтаж заключается лишь в выводе экрана кабеля перед концевой муфтой (рисунок 2.5) и присоединении его к существующему контуру заземления, имеющемуся около электроустановки.

При такой схеме соединения экраны всех кабелей имеют потенциал земли, дополнительные потери мощности и ухудшающие температурный режим кабеля, что негативно влияет на его пропускную способность и срок службы [41,42].

При заземлении экранов кабелей с двух сторон условие состояния схемы соединения:

однофазных кабелей:

однофазных кабелей:

Учитывая (2.31) при решении системы уравнений (2.12), получим токи в экранах кабелей в нормальном режиме:

I ЭА ЖЭ I ЖА

I ЭВ ЖЭ I ЖВ

I ЭС ЖЭ I ЖС

Таким образом, учитывая (2.24), (2.27) и (2.29) :

I Э ЖЭ IЖ З IЖ IЖ

По модулю комплексного числа:

заземлением экранов – величину тока в экране, которая зависит от:

активного сопротивления экрана Rэ (то есть от материала и сечения диаметра кабеля по экрану dэ, расстояния между фазными кабелями s [43,44].

Доля тока в экране от тока в жиле составляет:

Также можно определить долю потерь мощности в экране от потери мощности в жиле.

Отношение потерь составит:

Преимуществами двухстороннего заземления экранов являются отсутствие напряжения на экране, простота монтажа, низкая стоимость исполнения.

К недостаткам системы необходимо отнести протекание токов в экранах, дополнительный источник тепловыделения, дополнительные потери мощности, сокращение срока службы.

При заземлении экранов на одном конце кабельной линии металлические экраны трех фаз соединяются между собой и заземляются на общем заземляющем устройстве с нормируемым сопротивлением (рисунок 2.6).

При одностороннем заземлении экрана путь для протекания в нем продольных токов разорван. Относительно небольшие потери в экране обусловлены лишь вихревыми токами, которые не определяют тепловой режим эксплуатации кабеля.

Рисунок 2.6 – Схема одностороннего заземления экранов Однако при таком режиме эксплуатации экранов необходимо учесть следующие факторы:

перенапряжений, величина которых может превысить электрическую прочность изоляционной оболочки, может привести к проникновению в изоляционную конструкцию кабеля влаги (при подземной прокладке и применении кабеля без герметизации).

2. Установка дополнительного оборудования: концевых муфт с изолированными экранами, защитных аппаратов на незаземленном конце экрана. Требует определенных дополнительных затрат при строительстве системы заземления экранов.

3. Наведенный потенциал на незаземленном конце экрана, величина которого пропорциональна рабочему току в жиле и длине кабеля, может быть опасен для обслуживающего ремонтного персонала, а также может явиться причиной коррозионного повреждения при нарушении целостности оболочки кабеля.

Наведенный потенциал возникает как в нормальном режиме работы кабеля, так и в аварийном при коротком замыкании в сети за кабелем. В этом случае ток короткого замыкания полностью проходит по жиле, не переходя в экран, а пробоя изоляции не происходит.

Если короткое замыкание происходит непосредственно в кабеле при пробое изоляции, то потенциал не наводится, а происходит стекание тока короткого замыкания в заземляющее устройство по контуру «жила – место короткого замыкания – экран – заземлитель».

Если прикосновение человека к экрану при исполнении кабельной линии исключено, то наведенный потенциал не должен превышать значение напряжения, определяющего прочность изоляции экрана, то есть оболочки кабеля. При механическом повреждении оболочки кабеля потенциал экрана не должен создавать опасного для людей и животных шагового напряжения или напряжения прикосновения.

При осуществлении одностороннего заземления рекомендуется принимать допустимую величину наведенного на экране напряжения не более 100 В в нормальном режиме [45]. При коротком замыкании максимальная величина наведенного напряжения на экране не должна превышать 5 кВ [46], что может привести к нарушению электрической прочности изоляционной оболочки и проникновению влаги в конструкцию кабеля.

По требованиям электробезопасности напряжение на разомкнутом конце экрана относительно земли во всех режимах не должно превышать 25 В [47]. В противном случае должны быть установлены специальные концевые коробки (рисунок 2.7), ограничивающие доступ к экрану кабеля, а все работы, связанные с прикосновением к оболочкам кабелей, должны выполняться только на отключенном кабеле.

Концевая коробка (рисунок 2.8) представляет собой открывающийся короб с входами для кабелей (три или один), соединенных с экранами кабельной линии, установленными внутри ограничителем перенапряжений нелинейным (ОПН) и выводом для присоединения кабеля, подключенного к устройству заземления [48,49]. Концевые коробки бывают как однофазного, так и трехфазного исполнения. Устанавливаются на разомкнутом конце экрана.

Импульсные перенапряжения (возникающие при грозовом поражении ВЛ или при коротком замыкании в месте сопряжения ВЛ и КЛ), воздействующие на защитную оболочку кабелей должны быть ограничены до допустимого уровня с перенапряжений) на разомкнутой стороне экранов.

Выбор защитных характеристик ОПН необходимо осуществлять по максимально возможному импульсному напряжению, которое прикладывается к ОПН, и максимальной длительности КЗ на землю в схеме применения КЛ.

Для защиты оболочки от импульсных перенапряжений необходимо устанавливать ОПН с наибольшим рабочим напряжением 6 кВ и удельной поглощаемой энергией 2-3 кДж/кВ. Конкретное значение наибольшего рабочего напряжения ОПН определяется как напряжение в месте его установки при внешнем коротком замыкании кабеля, деленное на 1,25 [50].

При разрыве контура протекания тока в экранах условие состояния схемы соединения:

однофазных кабелей:

однофазных кабелей:

Учитывая (2.41) при решении системы уравнений (2.12) запишем напряжение на экранах разных фаз:

U ЭА Z ЖЭ I ЖА Z К I ЖВ Z К I ЖС

U ЭВ Z ЖЭ I ЖВ Z К I ЖА Z К I ЖС

U ЭС Z ЖЭ I ЖС Z К I ЖА Z К I ЖВ

Введем допущения для различных режимов работы кабеля и определим напряжения на экране относительно земли в нормальном режиме работы и при различных симметричных и несимметричных кротких замыканиях в сети за кабелем.

В нормальном режиме работы и при трехфазном коротком замыкании сумма токов трех фаз равна нулю:

Тогда напряжения на экране по (2.44):

В режиме однофазного короткого замыкания при повреждении в фазе А токи в фазах В и С равны нулю:

Тогда напряжения на экране по (2.44):

U ЭА Z ЖЭ I ЖА

U ЭВ Z К I ЖА

U ЭС Z К I ЖА

В режиме межфазного короткого замыкания на землю при повреждениях в фазах В и С ток в фазе А равен нулю, а сумма токов в фазах В и С – току в земле:

Тогда напряжения на экране по (2.44):

U ЭА Z К I З

В режиме двухфазного короткого замыкания при повреждениях в фазах В и С ток в фазе А и сумма токов в фазах В и С равны нулю:

Тогда напряжения на экране по (2.44):

Для снижения напряжения на экране кабеля одностороннее заземление на кабельной линии можно выполнить несколько раз. Для этого линию разделяют на отрезки равной длины (секции), в каждом из которых он заземляется лишь один раз.

одностороннем заземлении экранов в симметричном режиме с использованием погонных параметров имеет вид:

где К – количество секций одностороннего заземления экранов.

Или с учетом (2.27) и (2.29):

В несимметричном режиме однофазного короткого замыкания:

U Э Z ЖЭ I Ж LК

Или с учетом (2.27):

Выражения (2.55) и (2.58) определяют параметры системы с односторонним заземлением экранов – величины напряжений наводимых на экране относительно земли, которые зависят от:

длины кабельной линии Lк, диаметра кабеля по экрану dэ, расстояния между фазными кабелями s, глубины протекания обратного тока в земле Dз.

В общем виде график зависимости напряжения на экране от длины кабеля (рисунок 2.9) имеет линейную характеристику, поэтому максимальный потенциал будет наводиться на разомкнутом конце экрана.

Рисунок 2.9 – График зависимости Uэ(L) при одностороннем заземлении экранов Преимуществами одностороннего заземления экранов являются отсутствие токов и дополнительных потерь мощности в экране, дополнительного источника нагрева кабеля. К недостаткам системы относятся наличие наведенного потенциала на экране, необходимость монтажа защитных аппаратов от перенапряжений, дополнительные затраты при строительстве.

Транспозиция экрана (рисунок 2.10) выполняется таким образом, чтобы на всем протяжении кабельной линии экран проходил по трем участкам вдоль каждой из фаз, представляющим полный цикл транспозиции.

Так как на разных участках одинаковой длины ЭДС на экране наводится от разных фаз, то суммарная ЭДС контура равна нулю. В результате продольные токи отсутствуют, а наводятся лишь вихревые, как и в случае одностороннего заземления.

Смена положения экранов происходит в узлах транспозиции. В случае неравенства участков в экране будут протекать токи [51].

При транспозиции экранов необходимо учитывать:

перенапряжений в узлах транспозиции;

2. Установку дополнительного оборудования: экранно-разделительных соединительных муфт, коробок транспозиции (рисунок 2.11) с защитными аппаратами в узлах транспозиции экранов.

Рисунок 2.11 – Установка коробки транспозиции экранов Конструкция муфты с разделением экранов аналогична конструкции обычной соединительной муфты. Она имеет дополнительные герметизирующие компоненты и соединители, которые используются для обеспечения вывода экрана наружу.

Коробка транспозиции (рисунок 2.12) представляет собой открывающийся короб с шестью входами для кабелей, соединенных с экранами кабельной линии, перемычками, установленными внутри для смены положения экрана и ОПН, и имеет вывод для присоединения кабеля, подключенного к устройству заземления [52]. Коробки транспозиции устанавливаются в узлах транспозиции.

Рисунок 2.12 – Схема коробки транспозиции экранов В случае прокладки кабеля в земле необходимо предусматривать строительство специальных транспозиционных камер (рисунок 2.13) с заземляющим устройством [53,54] для установки коробок транспозиции экранов.

Это увеличивает стоимость системы заземления экранов. Узлы транспозиции можно обустраивать в камерах установки соединительных муфт, если они располагаются в подходящих для этого местах по трассе кабельной линии. В этом случае дополнительные затраты составят лишь разница в стоимости соединительных муфт и оплата труда монтажников по установке устройства транспозиции.

Рисунок 2.13 – Строительство камеры транспозиции При полном цикле транспозиции экран становится общим для всех трех фаз.

На первом и третьем участках напряжение экрана относительно земли равно соответствующему наведенному потенциалу с линейной зависимостью от длины.

Для среднего участка наведенный потенциал определяется и ЭДС первого участка и ЭДС третьего участка, для которых определяющими являются токи разных жил.

Наибольший потенциал наводится в узлах транспозиции (рисунок 2.14).

Допустимые напряжения на экране, выбор характеристик защитных аппаратов от перенапряжений совпадают с решениями для одностороннего заземления экранов.

Система заземления с транспозицией экранов является самой дорогой с точки зрения строительства, потому что требует двух соединительных муфт, возможно, кабельных колодцев с наличием устройства заземления для установки коробок с защитными аппаратами.

Рисунок 2.14 – График зависимости Uэ(L) при транспозиции экранов При заземлении экранов кабелей с двух сторон, условие состояния схемы соединения:

однофазных кабелей:

однофазных кабелей:

Для транспозиции экранов система уравнений (2.12) записывается для каждого из трех участков, учитывая смену положения экрана.

На первом участке каждый экран проходит вдоль «своей» фазы, поэтому в нормальном режиме работы и при трехфазном коротком замыкании справедлива система уравнений (2.44), и, соответственно, (2.46). Так как первый участок занимает треть длины кабельной линии, напряжение, наводимое на экране, в узле транспозиции имеет вид:

где N – количество циклов транспозиции экранов.

Или подобно (2.54):

В режиме однофазного короткого замыкания рассмотрим повреждение в фазе А. Токи в фазах В и С равны нулю:

Запишем уравнение напряжения на экране фазы А из (2.12) для каждого участка цикла транспозиции.

На первом участке экран фазы А проходит вдоль фазы А:

На втором участке – вдоль фазы В:

На третьем участке – вдоль фазы С:

По всей длине кабельной линии для цикла транспозиции:

Решим систему (2.65) – (2.69):

Подставим (2.71) в (2.66):

Z Э I ЭА Z ЖЭ I ЖА Z Э I ЭА Z ЖЭ I ЖА I ЖА Z К ( Z ЖЭ Z К ) I ЖА

Так как первый участок занимает треть длины кабельной линии, напряжение, наводимое на экране, в узле транспозиции имеет вид:

Выражения (2.64) и (2.74) определяют параметры системы с транспозицией экранов – величины напряжений наведенных на экране относительно земли, которые зависят от:

длины кабельной линии Lк, диаметра кабеля по экрану dэ, расстояния между фазными кабелями s.

Преимуществами системы с транспозицией экранов являются отсутствие токов и дополнительных потерь мощности в экране, отсутствие дополнительного источника нагрева кабеля, заземление экранов с обоих концов кабельной линии. К недостаткам относятся необходимость установки защитных аппаратов от перенапряжений, возможное дополнительное строительство камер для установки оборудования в узлах транспозиции (минимум в двух точках), наибольшая стоимость строительства схемы заземления.

1. Показано, что токи в экранах кабеля возникают при их соединении и 2. По анализу литературы выбрана математическая модель, которая позволяет рассчитать электрические параметры систем заземления.

3. Для двухстороннего заземления экранов необходимо рассчитывать токи и потери мощности в экранах, которые зависят от величины тока в жиле, сечения экрана, диаметра кабеля по экрану и расстояния 4. Для одностороннего заземления экранов необходимо рассчитывать наведенный потенциал на разомкнутом конце экрана, который зависит от тока в жиле, длины кабельной линии, диаметра кабеля по экрану, расстояния между кабелями и глубины протекания обратного 5. Для транспозиции экранов необходимо рассчитывать наведенный потенциал в узлах транспозиции, который зависит от тока в жиле, длины кабельной линии, диаметра кабеля по экрану, расстояния

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ

Крупнейшей электросетевой компанией в России является ОАО «Россети», которая объединяет в своей структуре федеральные и региональные электросетевые компании.

Основными направлениями технической политики при проектировании, строительстве, реконструкции, техническом перевооружении и эксплуатации кабельных линий, обеспечивающие повышение надежности и эффективности электроснабжения, являются [55]:

применение кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и арматуры, полученных на высокотехнологичных производствах, гарантирующих низкую дефектность производимых кабелей и являющихся ключевым использование кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена для замены маслонаполненных кабелей и кабелей с пропитанной в однофазных кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена до 500 кВ включительно необходимо обращать повышенное внимание на выбор сечения, способы соединения и заземления экранов;

выбор конструкции, сечения экрана и способ его заземления должен осуществляться по условиям допустимого нагрева КЛ в нормальном режиме работы, а также по условиям его термической стойкости, в том числе в режиме протекания токов КЗ, с обеспечением электробезопасности обслуживания коробок транспозиции согласно расположения и проектирования КЛ по принципу минимизации количества соединительных транспозиционных муфт;

проверка допустимости выбранного способа заземления экранов кабелей и расчет транспозиции экранов, должны осуществляться при проектировании с учетом допустимых напряжений на экранах кабелей при протекании по жиле максимального рабочего тока и тока проектировании в каждом отдельном случае с учетом конкретных условий в зависимости, прежде всего, от значений токов короткого замыкания и условий безопасного проведения работ при эксплуатации Наличие данных пунктов совпадает с выводами к главе 1 и подтверждает необходимость учета системы заземления экранов на стадии проектирования кабельных линий. Конкретной задачей является разработка методики расчета сечения токопроводящей жилы кабеля совместно с параметрами схем заземления экранов, описанных в главе 2.

Анализ схем соединения экранов показал, что их можно разделить на две группы: «замкнутые» с протеканием тока по экрану кабеля (двухстороннее заземление) и «разомкнутые» при его отсутствии (одностороннее заземление и транспозиция экранов).

Наличие тока в экране влияет на пропускную способность токопроводящей жилы. Сечение жилы необходимо выбирать, учитывая схему заземления экранов.

Следовательно, кабельную линию при проектировании необходимо представить в двух вариантах исполнения: кабель, сечение которого учитывает протекание тока по экрану, в «замкнутой» системе и кабель, сечение которого учитывает отсутствие тока в экране, в «разомкнутой» системе.

Для «замкнутой» системы заземления экранов пропускная способность линии меньше, соответственно сечение токопроводящей жилы может быть больше. В «замкнутой» системе постоянно происходят дополнительные потери мощности. Вариант исполнения «разомкнутой» системы эти потери исключает, но его строительство, в отличие от «замкнутой» системы требует определенных затрат.

Имея два варианта исполнения кабельной линии, можно провести их экономическое сравнение, что будет являться обоснованием выбора системы заземления экранов.

Таким образом, представим пошаговый алгоритм (рисунок 3.1) выбора системы заземления экранов.

Расчет «разомкнутой» системы заземления экранов Расчет «замкнутой» системы заземления экранов Рисунок 3.1 – Алгоритм выбора системы заземления экранов На первом этапе необходимо выбрать сечения кабелей, удовлетворяющих максимальной нагрузке линии в послеаварийном режиме и требованиям термической стойкости. Далее для выбранных сечений, характеризующих также геометрические параметры кабеля, следует провести расчеты технических параметров систем заземления, определив токи и напряжения, возникающие при различных схемах соединения экранов. Потом выбранные системы заземления надлежит сравнить по экономическому критерию, который и определит целесообразность применения одного из вариантов исполнения кабельной линии.

Выбор кабеля (рисунок 3.2) зависит от трассы прокладки кабельной линии и заключается в расчете сечений токопроводящей жилы и металлического экрана.

Сечения жил кабелей должны выбираться по участку трассы с худшими условиями охлаждения, если длина его составляет более 10 метров [56,50].

Сечение экрана зависит от максимального тока короткого замыкания, протекающего по нему.

электроснабжения, заключается в определении трассы прокладки кабелей, удовлетворяющей требованиям норм и правил.

Трасса кабельной линии должна выбираться с учетом наименьшего расхода кабеля, обеспечения его сохранности при механических воздействиях, обеспечения защиты оболочки от химического воздействия, вибрации, перегрева и от повреждений соседних кабелей электрической дугой при возникновении КЗ на одном из кабелей. При размещении кабелей следует избегать пересечения их коммуникации, прокладывают в трубах.

В зависимости от окружающей среды кабельные трассы разделяют на два вида: прокладываемые в земле или на воздухе.

В земле кабели прокладываются в отдельных траншеях и должны иметь снизу подсыпку, а сверху засыпку слоем мелкой земли, не содержащей камней, строительного мусора и шлака. Характеристиками траншеи служат глубина заложения, термическое сопротивление засыпочного материала грунта, количество параллельных кабелей. В одной траншее рекомендуется прокладывать не более шести кабелей.

К прокладке на воздухе относятся различные виды кабельных сооружений:

туннели, коллектора, эстакады, галереи, блоки, каналы и т.д. Чаще всего подобные сооружения предназначены для большого количества кабелей, которые прокладываются по сборным металлоконструкциям, либо сплошным полкам.

Характеристикой таких сооружений является взаимное геометрическое расположение кабелей в поперечном сечении: количество полок, расстояние между ними, расстояние между кабелями на полке и их количество.

Кабели одножильного исполнения в трехфазной системе возможно располагать в пространстве двумя способами. Они могут прокладываться параллельно в одной плоскости или в вершинах равностороннего треугольника [57].

При параллельной прокладке кабелей в плоскости (в земле или воздухе) расстояния по горизонтали в свету между кабелями отдельной цепи должно быть не менее размера наружного диаметра кабеля.

Расположение кабелей в вершинах равностороннего треугольника на практике осуществляется в основном вплотную для удобства монтажа, эксплуатации и экономии места.

Номинальное сечение токопроводящих жил кабелей (рисунок 3.3) выбирается на основе расчетного длительного допустимого тока согласно каталожным данным заводов-изготовителей:

где Iмакс.раб – максимальный рабочий ток линии, Iдл.доп – длительно допустимый ток кабеля выбранного сечения.

Рисунок 3.3 – Выбор сечения токопроводящей жилы Для пересчета длительного допустимого тока по условиям прокладки, применяемым в проекте, заводы-изготовители кабеля в каталожных данных указывают поправочные коэффициенты на свою продукцию, которые учитывают изменения исходных условий и зависят от:

температуры окружающей среды, величины удельного теплового сопротивления грунта, взаимного расположения кабелей и расстояния между ними, взаимного расположения и количества цепей, возможной прокладки кабелей в трубах.

где I0дл.доп – длительно допустимый ток кабеля, приведенный в каталоге для исходных условий; k1 - kn – поправочные коэффициенты.

В каталожных данных заводам-изготовителям рекомендуется представлять два длительно допустимых тока кабеля для каждого сечения токопроводящей жилы. Это необходимо для корректного выбора кабеля для каждой системы заземления экранов. Для «замкнутой» – с учетом протекания тока в экране. Для «разомкнутой» – с учетом отсутствия тока в экране.

Выбранное сечение токопроводящей жилы должно быть проверено по условию термической стойкости:

где Iк – максимальный возможный ток короткого замыкания, Iт – ток термической стойкости кабеля выбранного сечения.

Ток термической стойкости [58] рассчитывается по формуле:

где j – допустимая плотность тока, F – сечение проводника.

где k1 – коэффициент, зависящий от материала, - коэффициент, учитывающий отвод тепла, tКЗ – время отключения короткого замыкания выключателем, – величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0°С, ТH – начальная температура проводника, ТK – конечная температура проводника.

Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена начальной температурой при расчете допустимой плотности тока в жиле является максимальная рабочая температура жилы 90°С, конечной – предельно допустимая температура жилы при коротком замыкании 250°С.

Коэффициенты k1 и зависят от материала жилы. Для алюминия они равны соответственно 148 А с1/2/мм2 и 228 К. Для меди – 226 А с1/2/мм2 и 234,5 К.

Таким образом, допустимая плотность односекундного тока в жиле равна 0,095 кА/мм2 для алюминия и 0,143 кА/мм2 для меди.

Сечение экрана (рисунок 3.4) выбирается по условию термической стойкости (3.3) – (3.5).

При расчете допустимой плотности тока в экране кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена конечной температурой является максимальная температура нагрева экрана при коротком замыкании 350°С.

Выбор вида повреждения изоляции, при котором возникает максимальный ток короткого замыкания в экране кабеля, зависит от способа заземления нейтрали сети [59].

В кабельных сетях рассматриваются различные виды аварийных режимов:

однофазное короткое замыкание К(1), двойное короткое замыкание на землю К(1,1), двухфазное короткое замыкание К(2), трехфазное короткое замыкание К(3).

В одножильном кабеле при повреждении изоляции возникает пробой между жилой и экраном. Из-за того, что экран заземлен, двухфазное короткое замыкание К(2) без земли не возможно. Трехфазное короткое замыкание К(3) является маловероятным и не рассматривается в качестве критерия термической стойкости.

В сетях с глухозаземленной нейтралью (110-500 кВ) однофазное короткое замыкание К(1) сопровождается большими токами, поэтому оно является расчетным при выборе сечения экрана.

В сетях с изолированной нейтралью (6-35 кВ) однофазное короткое замыкание не является аварийным режимом и характеризуется протеканием лишь емкостных токов. Отключение линии релейной защитой не происходит. При этом есть вероятность возникновения пробоя изоляции во втором кабеле, тогда режим становится двойным повреждением на землю К(1,1) и уже является аварийным, а значит расчетным при выборе сечения экрана.

Величину тока двойного короткого замыкания на землю допустимо определить как:

где IK(3) – ток трехфазного короткого замыкания сети.

Заземление нейтрали через резистор (6-35 кВ) может быть двух видов:

высокоомное и низкоомное [60,61]. Сеть с высокоомным заземлением нейтрали является частным случаем сети с изолированной нейтралью. Соответственно при выборе сечения экрана расчетным является случай двойного короткого замыкания на землю К(1,1).

В сетях с низкоомным заземлением нейтрали релейная защита настроена на отключение линии при возникновении повреждения изоляции. Таким образом, расчетным является случай однофазного короткого замыкания К(1), а максимальный ток, который может протекать по экрану кабеля, складывается из реактивного (емкостного) и активного (ток через резистор):

где RN – сопротивление резистора в нейтрали.

Принимая во внимание то, что уровни токов однофазного замыкания в сети с низкоомным резистивным заземлением нейтрали составляют 100-1000 А, целесообразно рассмотреть случай внешнего короткого замыкания. При двухстороннем заземлении экранов кабеля по экрану протекает ток, величина которого зависит от тока в жиле и определяется по формуле (2.36). В таком случае экран необходимо проверять на термическую устойчивость при протекании в жиле аварийного тока:

где IK(3)’ – ток трехфазного короткого замыкания в сети за кабелем, протекающий по жиле.

Номинальное сечение медного экрана согласно [23] должно быть не менее:

16 мм2 для кабелей с жилами сечением 35-120 мм2, 25 мм2 для кабелей с жилами сечением 150-300 мм2, 35 мм2 для кабелей с жилами сечением 400 мм2 и более.

Выбор способа прокладки и конструкции кабеля необходимо осуществлять предприятий-изготовителей кабелей. Как правило, предприятия-изготовители кабелей осуществляют техническую поддержку по принятию рациональных эксплуатационную надежность кабельных линий.

Расчет параметров «разомкнутой» системы заземления экранов Выбрав сечение кабеля для «разомкнутой» системы заземления экранов, по каталожным данным необходимо определить диаметр жилы dж, диаметр экрана dэ и наружный диаметр dнар.

Негативным фактором при варианте исполнения кабельной линии с «разомкнутыми» экранными контурами является напряжение, наводимое на экране от протекания тока по жиле кабеля.

Проверку наведенного напряжения (рисунок 3.5) на экране кабеля необходимо производить для трех режимов работы кабельной линии:

трехфазное короткое замыкание со стороны нагрузки, однофазное короткое замыкание со стороны нагрузки.

Рисунок 3.5 – Проверка наведенного напряжения на экране Изначально в качестве «разомкнутой» системы необходимо рассматривать одностороннее заземление экранов, как наиболее дешевую схему заземления с отсутствием тока в экранах. Наибольший потенциал наводится на разомкнутом конце экрана.

В симметричных режимах наведенное напряжение рассчитывается по формуле (2.55). Для нормального режима она имеет вид:

В режиме трехфазного короткого замыкания за кабелем:

где Iнорм – ток, протекающий по жиле в нормальном режиме, IK(3)’ – ток трехфазного короткого замыкания со стороны нагрузки.

В несимметричном режиме однофазного короткого замыкания за кабелем наведенное напряжение рассчитывается по формуле (2.56) и имеет вид:

где IK(1)’ – ток однофазного короткого замыкания со стороны нагрузки.

Для расчета наведенных напряжений необходимо вычислить взаимное сопротивление между жилой и экраном ZЖЭ по (2.27) и разность сопротивлений между жилой и экраном и между жилой и соседним кабелем X по (2.35).

Если наведенные напряжения на экране превышают допустимые значения необходимо увеличить количество секций одностороннего заземления.

Тогда в нормальном режиме напряжение на экране составит:

U Э.Н XI НОРМ LК

В режиме трехфазного короткого замыкания за кабелем:

В режиме однофазного короткого замыкания за кабелем:

где К – количество секций одностороннего заземления экранов.

На практике применение более двух секций не является целесообразным.

Более действенным методом снижения напряжения на экране кабеля является транспозиция экранов. Наибольший потенциал наводится в узлах транспозиции.

В симметричных режимах напряжение на экране рассчитывается по формуле (2.64). Для нормального режима она имеет вид:

U Э.Н XI НОРМ LК

В режиме трехфазного короткого замыкания за кабелем:

В режиме однофазного короткого замыкания за кабелем:

где N – количество циклов транспозиции экранов.

Расчет параметров «замкнутой» системы заземления экранов Выбрав сечение кабеля для «замкнутой» системы заземления экранов, по каталожным данным необходимо определить диаметр жилы dж, диаметр экрана dэ и наружный диаметр dнар.

Негативным фактором в системе с замкнутыми экранными контурами (рисунок 3.6) является протекание тока в экране, который прямо пропорционален току в жиле и связан только с геометрическими параметрами кабеля, но при этом не зависит от длины кабельной линии.

Доля тока в экране относительно тока в жиле рассчитывается по формуле (2.37):

В нормальном режиме по экрану протекает ток:

I Э DI I НОРМ

где Iнорм – ток, протекающий по жиле в нормальном режиме.

Доля потерь мощности в экране от потерь мощности в жиле рассчитывается по формуле (2.40):

Для расчета долей тока и потерь мощности в экране относительно жилы необходимо вычислить активные сопротивления жилы по (2.22) и экрана по (2.25) и разность сопротивлений между жилой и экраном и между жилой и соседним кабелем X по (2.35).

Если сравнить потери мощности для двух вариантов исполнения кабельной линии, то уместно говорить об общих избыточных потерях в «замкнутой»

системе, учитывающих разность потерь мощности в жилах и экранах кабелей.

Обозначим потери в «замкнутой» системе индексом 1, а в «разомкнутой» – 2. Тогда, учитывая отсутствие потерь мощности в «разомкнутой» системе:

Подставим (2.38) в (3.22):

Доля избыточных потерь к потерям в жиле составит:

Очевидно, что общие избыточные потери в «замкнутой» системе равны потерям мощности в экране, если сечения жил кабелей, выбранных для двух вариантов исполнения, одинаковы, то есть RЖ1= RЖ2.

Исследование вариантов схем соединения экранов показало, что для «разомкнутых» систем характерны разовые затраты на строительство и обустройство систем заземления, в то время как для «замкнутых» систем помимо разовых вложений неотъемлемыми являются постоянные расходы в течение всего срока службы кабельной линии (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Экономическое сравнение систем Согласно [33] части 3-2 «Разделы, касающиеся условий эксплуатации.

Экономическая оптимизация размера силовых кабелей» общая стоимость монтажа и обеспечения функционирования кабеля в течение срока его эксплуатации складывается из стоимости прокладываемого отрезка кабеля и затрат вследствие потерь:

где CT – общая стоимость, CI – цена прокладываемого кабеля, CJ – затраты на джоулевы потери в течение срока эксплуатации N лет.

По нормативным документам срок службы кабельной линии N должен составлять 30 лет [23,24].

Так как стоимость строительства «разомкнутой» системы выше чем «замкнутой», справедливо полагать, что в течение срока эксплуатации кабельной линии может наступить момент, когда общие затраты в «замкнутой» системе превысят стоимость «разомкнутой». И до конца срока службы кабельной линии эта разница будет только увеличиваться.

Найдем момент времени Т, когда общая стоимость двух вариантов исполнения кабельной линии становится одинаковой. Обозначим стоимость в «замкнутой» системе индексом 1, а в «разомкнутой» – 2.

Для момента времени Т (рисунок 3.7):

Отношение момента времени Т к сроку эксплуатации кабельной линии N примем в качестве критерия выбора системы заземления экранов:

где kВ – критерий выбора.

Из (3.26) справедливо:

Разница в стоимости прокладываемых кабелей зависит не только от цены силового кабеля (в случае различного сечения), но и от затрат на строительство «разомкнутой» системы заземления:

где СК – цена кабеля, ССЗ2 – затраты на строительство «разомкнутой»

системы.

Цена на кабель для трехфазной кабельной линии составляет:

где сК – удельная погонная цена кабеля.

Затраты на строительство «разомкнутой» системы:

где сСЗ – цена устройства заземления, КСЗ – количество устройств заземления, Сдоп – дополнительные затраты на строительство.

Разница в затратах на джоулевы потери будет выражаться в стоимости общих избыточных потерь в «замкнутой» системе:

где Ц – цена за электроэнергию, Р12 – избыточные потери в «замкнутой»

системе.

Решив систему уравнений (3.28) - (3.32), определим момент времени Т:

Тогда значение критерия выбора:

экономическим обоснованием для определения варианта исполнения кабельной линии:

если kВ 1, то в проекте кабельной линии необходимо применить «разомкнутую» систему заземления экранов;

если kВ 1, то «замкнутую» систему заземления экранов.

1. Разработана методика выбора системы заземления экранов для кабельных линий 6-500 кВ, состоящих из одножильных силовых кабелей из сшитого полиэтилена, на стадии проектирования объектов 2. Методика заключается в параллельном расчете двух вариантов исполнения кабельной линии: с «замкнутой» и «разомкнутой»

системами заземления экранов.

3. Созданный алгоритм выбора системы заземления экранов состоит из четырёх этапов: выбор кабелей, расчет параметров «замкнутой» и «разомкнутой» систем, экономическое сравнение двух вариантов.

4. Техническим обоснованием применения системы заземления в разработанной методике является расчет параметров «замкнутой» и «разомкнутой» систем.

5. Предложен экономической критерий выбора системы заземления экранов. Если его относительное значение меньше единицы, то необходимо применить «разомкнутую» систему заземления экранов.

Если больше, то «замкнутую» систему заземления экранов.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

ЭКРАНОВ

Сегодня при проектировании и эксплуатации кабельных линий инженеры предпочитают пользоваться автоматизированными средствами расчетов, выбирая специализированный САПР. Одним из таких решений является программа «Экран», разработанная ЗАО «Завод энергозащитных устройств». Программа предназначена для расчета токов и напряжений в экранах однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

В основу программы «Экран» положена методика расчета токов и напряжений, опубликованная в книге Дмитриева М.В. «Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6-500 кВ» [34], а также формулы из стандартов федеральной сетевой компании (ФСК) [46] и международной электротехнической комиссии (МЭК).

Несмотря на свою простоту, программа способна проводить большой объем расчетов и решать важные задачи в строительстве кабельных линий. Но при этом она имеет свои минусы.

Программа «Экран» предназначена для расчета параметров системы заземления существующей кабельной линии. Тогда как вопрос выбора системы заземления должен решаться на стадии проектирования и влияет на выбор токопроводящей жилы кабеля, сечение которой используется программой в качестве исходных данных (рисунок 4.1), хотя может отличаться для разных систем заземления.

Рисунок 4.1 – Ввод исходных данных в программе «Экран»

Результатом работы программы является вывод параметров возможных систем заземления при различных среднегодовых токах в жиле (рисунок 4.2).

Хотя среднегодовой ток кабельной линии определяется проектом – ток в нормальном режиме работы.

Рисунок 4.2 – Вывод результатов в программе «Экран»

При этом проектировщик, имея свод различных данных, не получает четкого критерия выбора системы. Таким образом, программа «Экран» полезна для расчетов параметров систем заземления имеющегося кабеля, но не совсем подходит для решения задачи выбора кабеля при проектировании линии, так как нарушается логика последовательности действий и расчетов.

В связи с этим, на основании разработанной методики выбора системы заземления экранов кабельных линий 6-500 кВ, состоящих из однофазных силовых кабелей с изоляций из сшитого полиэтилена, была создана программа «Screen Bonding Method».

Программа представляет собой приложение для Microsoft Windows, написанное в среде Microsoft Visual Studio на языке программирования Visual Basic. Программа зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Выбор заземления экранов» №2014612060 от 17.02.2014 [16].

Реализация программного обеспечения для выбора системы заземления экранов позволяет:

сократить время, затраченное проектировщиком на расчеты;

избежать ошибок, возникающих за счет человеческого фактора;

повысить гибкость расчетов, благодаря возможности внесения изменений и быстрого пересчета результатов;

наблюдать промежуточные величины, выводимые в окне программы;

получить расчет для включения в проектную документацию, благодаря генерации отчета с результатами расчета;

придать разработанной методике прикладной характер.

Структура программы (рисунок 4.3) построена на одновременном расчете «замкнутой» и «разомкнутой» системы с поэтапным выполнением промежуточных операций.

Для удобства восприятия окно приложения (рисунок 4.4) визуально разделено на три области: «исходные данные», «при замкнутой системе заземления экранов», «при разомкнутой системе заземления экранов». Форма содержит шесть кнопок для выполнения операций расчета.

Проведение экономического сравнения систем Генерация результатов расчета в документ Microsoft Word Сначала перед пользователем стоит задача ввода исходных данных, которые содержат сведения о сети и трассе прокладки проектируемой кабельной линии:

номинальное напряжение сети, режим заземления нейтрали, токи в нормальном и максимальном режимах, коэффициент пропускной способности, токи трех- и однофазного коротких замыканий, предельные плотности тока в жиле и экране, время отключения короткого замыкания, материал жилы кабеля (медь или алюминий), среда прокладки кабеля (в земле или на воздухе), способ прокладки кабеля (в плоскости или треугольником), прокладка по территории подстанции (да или нет), расстояние между фазными кабелями (если кабели прокладываются в удельное сопротивление грунта по кабельной трассе (если прокладка осуществляется не по территории электросетевого объекта).

Для выбора сечения токопроводящей жилы по максимальному рабочему току по условию (3.1) составлена база данных кабелей.

База данных представляет собой книгу в формате Microsoft Excel (рисунок 4.5), которая имеет несколько листов по количеству уровней напряжения с соответствующей номенклатурой кабелей.

Для каждого сечения жилы Fж представлены характеристики по:

длительно допустимым токам Iдоп Х1 Х2 Х3 Х4 в зависимости от:

способа прокладки Х3: П – в плоскости, Т – треугольником;

системы заземления экранов Х4: РЭ – «разомкнутая», ЗЭ – геометрическим параметрам:

индуктивности кабеля:

Изначально база данных составлена для кабелей уровня напряжений, принятых в нашей стране: 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500 кВ. Характеристики взяты в каталожных данных фирмы ABB [62], единственной, имеющей все необходимые параметры в свободном доступе. Кабели на напряжения 6 кВ в каталогах АВВ не представлены, поэтому они отсутствуют в базе данных.

Зачастую в каталогах заводов-изготовителей отсутствуют значения длительно допустимых токов для «разомкнутых» систем. А также такие важные данные для расчета параметров заземления экранов, как диаметр жилы и диаметр по экрану. База данных находится в открытом доступе, и при появлении у проектировщика данных по кабелям других фирм может быть изменена по образу и подобию исходных значений.

В зависимости от выбранного пользователем в исходных данных напряжения сети в программу подгружается лист книги Excel с характеристиками кабелей соответствующего напряжения. По исходным данным о трассе прокладки выбирается соответствующий столбец с длительно допустимым током кабеля и по нему выбирается сечение токопроводящей жилы. После чего из базы данных в таблицу (рисунок 4.6) загружаются характеристики кабеля выбранного сечения.

Таким образом, программа выбирает кабели для двух вариантов исполнения кабельной линии.

Рисунок 4.6 – Таблица характеристик выбранного кабеля По характеристикам выбранных кабелей программа производит расчет параметров систем заземления:

для «замкнутой» по формулам (3.19) – (3.24), для «разомкнутой» по формулам (3.10) – (3.18), по результатам которых происходит выбор между односторонним заземлением или транспозицией, а также подсчет количества секций/циклов.

Полученные параметры систем заземления выводятся в соответствующих областях формы.

Для экономического сравнения вариантов кабельной линии производится расчет момента времени Т, когда общая стоимость вариантов становится одинакова. В данном случае он выступает в качестве срока окупаемости «разомкнутой» системы заземления экранов (рисунок 4.7) и вычисляется по выражению (3.33).

Для выполнения расчета пользователю необходимо внести данные об экономических характеристиках кабельной линии:

электроснабжение потребителя;

стоимость кабелей, выбранных программой для реализации вариантов линии с «замкнутой» и «разомкнутой» системами заземления экранов;

стоимость концевой или транспозиционной коробки, в зависимости от выбранной «разомкнутой» системы заземления;

дополнительные расходы, определяемые проектировщиком в каждом После завершения расчетов двух вариантов исполнения кабельной линии и получения срока окупаемости «разомкнутой» системы заземления, пользователь принимает решение о выборе системы заземления экранов, а программа формирует и выдает отчет.

промежуточными расчетами, формулами и пояснениями. Генерация отчета осуществляется на основе шаблона документа, приложенного к программе.

Документ отчета является наглядной формой результата работы программы и может вкладываться в проектную документацию как расчет кабельной линии.

Практическое применение методики выбора системы заземления экранов и программы «Screen Bonding Method» было опробовано [15] для проекта распределительной кабельной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково».

Сеть 20 кВ построена по встречной двухлучевой схеме от трех центров питания. Для распределения мощности предусмотрено 15 распределительных трансформаторных подстанций (рисунок 4.8). Каждое РТП подключено двумя взаиморезервируемыми питающими линиям от разных источников, а также имеет резервные связи с соседним РТП. Для распределения нагрузки на 0,4 кВ от РТП построены кольца трансформаторных подстанций 20/0,4 кВ, мощность которых не должна превышать 20 МВА. Всего трансформаторных подстанций 162.

Для питания РТП были выбраны одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена с медными жилами. Кабели прокладываются в коллекторе по металлоконструкциям с креплением трехфазной группы треугольником.

По данным проекта токи по линиям в нормальном режиме достигают 304 А, в максимальном – до 655 А, длины линий от 140 до 6460 м.

В программе были рассчитаны 30 питающих кабельных линий. На основании результатов расчета выбраны кабели сечением 500/35 мм2 с односторонним заземлением экрана. В среднем срок окупаемости «разомкнутой»

системы составил около 4 лет (рисунок 4.9).

Срок окупаемости варьировался в зависимости от длины и нормальной загрузки линии.

Результаты расчета были сформированы программой в виде отчетов.

Пример отчета на одну из линий представлен в приложении Г.

Кол-во линий Рисунок 4.9 – Распределение линий по срокам окупаемости «разокнутой»

1. Разработана программа «Screen Bonding Method» на основании 2. Программа реализована в виде приложения для Microsoft Windows и 3. По результатам расчета программа формирует отчет по шаблону документа Microsoft Word, который можно использовать в проектной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Показано, что при проектировании кабельных линий 6-500 кВ наибольшее применение получили одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, пропускная способность которых зависит от системы заземления экранов кабелей.

2. Проведена классификация схем соединения экранов кабелей, выбраны математические модели определения параметров систем заземления 3. Разработана методика выбора системы заземления экранов и сечения кабелей, которая заключается в одновременном расчете двух «разомкнутой» системах. Методика учитывает способ соединения экранов при расчете сечения токопроводящей жилы, параметры сети, условия проектирования кабельной линии.

4. В качестве экономического критерия выбора системы заземления экранов предложено использовать отношение момента времени, при одинакова, к сроку эксплуатации кабеля.

5. Реализована программа «Screen Bonding Method» в виде приложения для операционной системы Windows. Получено свидетельство о заземления экранов» №2014612060 от 17.02.2014 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. Она была применена для инновационного центра «Сколково» и рекомендована к внедрению проектным организациям для проведения расчетов кабельных линий 6. Получены акты внедрения результатов диссертационной работы в проектную деятельность ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» и московского филиала ОАО «ЭНЕКС».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«Фризен Василий Эдуардович ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.09.10 Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич Екатеринбург 2014 Оглавление Перечень встречающихся сокращений 5 Введение 1. Аналитический обзор...»

«КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.