84
Особенности выбора кабелей
110–500 кВ для кабельных
и кабельно-воздушных линий
УДК
621.315.2.016.2
Алексеев
В
.
Г
.,
к
.
т
.
н
,
АО
НТЦ
«
ФСК
ЕЭС
»
Дементьев
Ю
.
А
.,
АО
НТЦ
«
ФСК
ЕЭС
»
Смекалов
В
.
В
.,
к
.
т
.
н
,
АО
НТЦ
«
ФСК
ЕЭС
»
Ерохин
Е
.
Ю
.,
ОАО
«
ВНИИР
»
Сдобин
А
.
В
.,
ОАО
«
ВНИИР
»
ТРЕБОВАНИЯ
НОРМАТИВНЫХ
ДОКУМЕНТОВ
Порядок
выбора
кабелей
для
кабельных
линий
110-500
кВ
определен
стандартом
организации
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
»
СТО
56947007-29.060.20.071-2011 «
Си
-
ловые
кабельные
линии
напряжением
110–500
кВ
.
Условия
создания
.
Нормы
и
требования
» [1].
Этот
стандарт
устанавливает
нормы
и
требования
по
соз
-
данию
кабельных
линий
классов
напряжения
от
110
до
500
кВ
на
основе
кабелей
с
изоляцией
из
сшитого
полиэтилена
одножильного
исполнения
.
Он
предна
-
значен
для
применения
проектными
организациями
,
строительно
-
монтажными
,
наладочными
,
эксплуата
-
ционными
и
ремонтными
организациями
,
занимаю
-
щимися
силовыми
кабельными
линиями
.
Согласно
требованиям
указанного
стандарта
максимально
допустимые
температуры
жилы
и
ме
-
таллического
экрана
при
нормальном
режиме
рабо
-
ты
кабеля
соответственно
составляют
90°
С
и
70°
С
,
а
при
коротких
замыканиях
250°
С
и
350°
С
и
опреде
-
ляются
с
учетом
главной
изоляции
и
материала
обо
-
лочки
согласно
рекомендациям
[2].
При
этом
сечение
жилы
кабеля
выбирается
по
ус
-
ловию
нагрева
кабеля
в
нормальном
режиме
работы
нагрузочными
токами
и
в
аварийном
режиме
токами
короткого
замыкания
.
Выбор
сечения
экрана
кабе
-
ля
определяется
допустимыми
токами
КЗ
,
которые
может
пропустить
через
себя
экран
,
не
нагреваясь
при
этом
свыше
допустимой
температуры
(350°
С
).
Сечение
экрана
кабеля
,
как
правило
,
значительно
меньше
сечения
жилы
,
и
это
обстоятельство
обычно
определяет
термическую
стойкость
кабеля
в
целом
.
Кабельно
-
воздушные
линии
(
КВЛ
) 110–500
кВ
имеют
ряд
специфических
особенностей
по
сравнению
с
чисто
кабельными
линиями
.
К
особенностям
таких
линий
относится
применение
на
них
устройств
автоматического
повторного
включения
.
Повторное
включение
на
короткое
замыкание
(
КЗ
)
увеличивает
тепловую
нагрузку
на
материалы
кабельной
вставки
особенно
,
если
короткое
замыкание
произошло
в
пределах
кабельного
участка
.
Поэтому
в
некоторых
странах
на
КВЛ
применяются
специальные
селективные
устройства
,
разрешающие
АПВ
при
КЗ
на
воздушном
участке
и
запрещающие
АПВ
при
КЗ
в
кабеле
.
Рассмотрены
тепловые
режимы
кабелей
110–500
кВ
на
таких
линиях
в
аварийных
режимах
с
учетом
дополнительного
теплового
воздействия
от
токов
КЗ
при
АПВ
и
наличии
апериодической
составляющей
в
отключаемом
токе
.
Показана
необходимость
учета
теплового
воздействия
перечисленных
факторов
при
выборе
кабелей
в
процессе
проектирования
.
Показаны
возможные
последствия
воздействия
на
кабель
токов
КЗ
различной
величины
и
длительности
на
КВЛ
с
устройствами
селективного
запрета
АПВ
и
без
таковых
.
Ключевые
слова
:
кабель
,
кабельная
линия
,
кабельно
-
воздушная
линия
,
короткое
замыкание
,
АПВ
,
температура
нагрева
жилы
кабеля
,
температура
нагрева
экрана
кабеля
,
сшитый
полиэтилен
,
апериодическая
составляющая
в
отключаемом
токе
Keywords:
cable, cable line, overhead-to-underground transmission line,
short circuit fault, automatic reclosing, heating temperature
of cable cores, heating temperature of cable screen,
cross-linked polyethylene, aperiodic component
in the breaking current
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
85
В
данной
статье
при
анализе
аварийных
режимов
работы
кабеля
будем
считать
,
что
в
нагрузочных
пре
-
даварийных
режимах
температуры
жилы
и
экрана
равны
длительно
допустимым
максимальным
значе
-
ниям
.
Нагрев
жилы
и
экрана
кабеля
,
возникающий
во
время
КЗ
,
определяют
по
величине
тока
КЗ
и
дли
-
тельности
аварийного
режима
.
При
проектировании
допустимый
ток
КЗ
рассчитывают
по
односекундно
-
му
допустимому
току
КЗ
,
приведенному
в
каталогах
на
кабели
и
длительности
КЗ
.
Для
длительности
КЗ
от
0,2
до
5
секунд
допустимый
через
экран
ток
КЗ
(
I
КЗДОП
)
определяется
в
соответствии
с
формулой
:
I
КЗДОП
=
I
1
СЕК
/
√
t
К
,
(1)
где
I
1
СЕК
—
допустимый
ток
короткого
замыкания
дли
-
тельностью
1
секунда
,
приводящийся
в
каталогах
фирм
производителей
кабелей
;
t
К
—
длительность
аварийного
режима
(
короткого
замыкания
).
В
нормативных
документах
нигде
не
оговорено
,
какую
длительность
короткого
замыкания
необхо
-
димо
принимать
в
качестве
расчетной
,
для
выбора
сечения
экрана
при
определении
допустимого
тока
КЗ
в
кабеле
.
А
это
обстоятельство
является
решаю
-
щим
,
поскольку
КЗ
может
быть
ликвидировано
либо
основной
защитой
линии
,
либо
резервной
,
либо
дей
-
ствием
УРОВ
(
при
отказе
выключателя
).
Учитывая
возможность
отказа
основной
защиты
,
ее
время
действия
нельзя
использовать
в
качестве
расчетного
значения
для
определения
допустимого
тока
КЗ
.
Длительность
протекания
тока
КЗ
больше
времени
действия
основной
защиты
в
этом
случае
приведет
к
перегреву
экрана
кабеля
сверх
допу
-
стимых
значений
,
и
выходу
его
из
строя
не
только
в
месте
пробоя
изоляции
,
но
и
в
неопределенных
местах
по
всей
длине
кабеля
.
Такая
авария
может
потребовать
не
только
установки
соединительной
муфты
в
месте
пробоя
кабеля
,
но
и
его
замены
по
всей
длине
или
установки
нескольких
соединитель
-
ных
муфт
.
Использовать
в
качестве
расчетного
времени
в
формуле
(1)
время
действия
ступеней
резервных
защит
,
имеющих
выдержки
времени
,
можно
,
но
необ
-
ходимо
иметь
в
виду
,
что
в
таком
случае
при
отказе
как
основной
,
так
и
всех
ступеней
резервной
защиты
линии
и
отключения
КЗ
защитами
дальнего
резер
-
вирования
,
экран
кабеля
так
же
как
и
в
первом
слу
-
чае
,
будет
перегреваться
свыше
допустимых
значе
-
ний
.
Соответственно
,
такой
нагрев
может
приводить
к
выходу
кабеля
из
строя
по
сценарию
,
описанному
в
предыдущем
абзаце
.
Очевидно
,
что
перегрев
оболочки
кабеля
токами
КЗ
сверх
допустимых
значений
будет
невозможен
при
выборе
в
качестве
расчетного
времени
t
К
наи
-
большего
времени
из
числа
возможных
времен
дей
-
ствия
релейной
защиты
(
основной
,
резервной
или
УРОВ
).
Однако
при
таком
подходе
при
больших
токах
КЗ
в
электрической
сети
мы
будем
вынуждены
при
-
менять
кабели
с
большим
сечением
экрана
,
то
есть
более
дорогие
варианты
исполнения
кабельной
ли
-
нии
.
Таким
образом
,
имеет
место
противоречие
меж
-
ду
желанием
экономить
средства
при
строительстве
кабельной
линии
,
применяя
кабели
с
наименьшими
сечениями
экранов
и
вероятностью
выхода
кабеля
из
строя
при
отказе
защиты
с
выбранным
временем
действия
t
К
.
Общий
подход
при
выборе
указанного
времени
t
К
может
быть
предложен
следующий
.
При
проек
-
тировании
кабельной
линии
необходимо
проводить
технико
-
экономические
сравнения
затрат
на
соору
-
жение
КЛ
по
варианту
максимального
времени
дей
-
ствия
релейной
защиты
из
числа
возможных
и
вари
-
анта
выхода
кабеля
из
строя
при
отказе
основной
,
а
также
ступеней
резервной
защиты
,
действующих
при
КЗ
на
данной
линии
,
или
отказа
линейного
вы
-
ключателя
,
с
учетом
вероятности
отказа
,
и
стоимо
-
сти
дополнительных
затрат
на
восстановление
по
-
врежденной
КЛ
.
Если
речь
идет
о
коротких
кабельных
заходах
,
может
оказаться
более
выгодным
заменить
весь
ко
-
роткий
отрезок
кабеля
на
кабельном
заходе
при
его
пробое
или
повреждении
кабельных
муфт
при
очень
редком
отказе
всех
защит
линии
или
выключателя
,
чем
изначально
вкладывать
во
все
заходы
дополни
-
тельные
средства
на
более
дорогой
кабель
.
Тем
бо
-
лее
,
что
кабельная
линия
(
сам
кабель
или
кабельная
муфта
)
все
равно
уже
повреждены
и
требуют
либо
замены
,
либо
ремонта
.
На
длинных
кабельных
вставках
очевидным
яв
-
ляется
выбор
в
качестве
расчетного
t
К
максимально
возможного
времени
действия
релейной
защиты
,
в
качестве
которого
целесообразно
принять
время
действия
вторых
и
третьих
ступеней
резервных
за
-
щит
линии
или
УРОВ
.
При
выборе
сечения
жилы
и
экрана
кабеля
следует
рассматривать
случай
,
ког
-
да
короткое
замыкание
отключается
с
одной
стороны
линии
действием
второй
(
третьей
)
ступени
резерв
-
ной
защиты
или
действием
УРОВ
(
максимальное
время
),
а
с
противоположной
стороны
—
действием
первой
ступени
,
обычно
без
выдержки
времени
.
Дли
-
тельность
протекания
тока
КЗ
при
действии
первой
ступени
целесообразно
принять
с
некоторым
запа
-
сом
равной
50–100
мс
.
Очевидность
выбора
такого
подхода
обусловле
-
на
необходимостью
при
аварии
на
кабельной
линии
установки
на
ней
дополнительной
кабельной
муфты
в
месте
пробоя
кабеля
или
замены
повредившейся
кабельной
муфты
при
сохранении
всего
длинного
и
дорогостоящего
кабеля
.
Выбор
другого
варианта
приводит
к
необходимости
замены
самого
кабеля
,
повредившегося
вследствие
перегрева
по
всей
дли
-
не
или
на
неопределенных
достаточно
протяженных
участках
при
отказе
защит
или
выключателя
.
Как
на
КЛ
,
так
и
на
КВЛ
при
расчете
допустимого
тока
КЗ
по
формуле
(1)
необходимо
учитывать
апе
-
риодическую
составляющую
тока
КЗ
,
наличие
кото
-
рой
будет
приводить
к
увеличению
тепловыделения
в
кабеле
и
к
увеличению
температуры
жилы
и
экрана
кабеля
при
КЗ
.
В
[3]
рассматриваются
процессы
на
-
грева
КЛ
при
коротких
замыканиях
,
а
в
[4]
предложено
учет
апериодической
составляющей
тока
КЗ
осущест
-
влять
,
заложив
дополнительный
запас
в
величину
времени
отключения
КЗ
t
К
.
При
этом
формула
(1)
при
-
мет
вид
:
________
I
КЗДОП
=
I
1
СЕК
/
√
t
К
·
К
A
,
(2)
№
1 (40) 2017
86
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
где
К
A
—
коэффициент
учета
апериодической
со
-
ставляющей
тока
,
который
рассчитывается
по
фор
-
муле
(3).
1 – exp(–2 ·
t
К
/
К
)
К
A
= 1 + — · sin
, (3)
t
К
/
К
Из
формулы
(3)
следует
,
что
коэффициент
К
A
за
-
висит
от
начальной
фазы
тока
КЗ
(
)
и
постоянной
времени
затухания
апериодической
составляющей
тока
(
К
),
которая
в
свою
очередь
зависит
от
схемы
и
класса
напряжения
сети
,
но
в
первом
приближении
может
быть
принята
равной
75
мс
для
шин
подстан
-
ций
110
кВ
и
выше
и
315
мс
для
шин
электростанций
.
Расчет
К
A
проведен
в
[4].
Тепловое
воздействие
токов
КЗ
на
чисто
кабель
-
ной
линии
отличается
от
воздействия
тока
КЗ
на
кабельно
-
воздушной
линии
(
КВЛ
)
тем
,
что
на
КВЛ
дополнительно
может
иметь
место
автоматическое
повторное
включение
(
АПВ
)
линии
,
а
на
КЛ
АПВ
за
-
прещено
.
Таким
образом
,
на
КВЛ
может
иметь
место
дополнительное
тепловое
воздействие
токов
КЗ
на
жилу
и
экран
кабеля
при
неуспешных
АПВ
.
Целесообразно
проиллюстрировать
эти
рассуж
-
дения
некоторыми
конкретными
расчетами
.
Расчет
проводился
двумя
методами
:
аналитическим
и
ме
-
тодом
математического
моделиро
вания
.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ
МЕТОД
РАСЧЕТА
Температура
жилы
и
экрана
кабеля
при
протекании
по
ним
токов
КЗ
может
быть
рассчитана
из
условия
теплового
баланса
.
Учитывая
,
что
длительность
про
-
текания
токов
КЗ
(
десятые
доли
и
единицы
секунд
)
несоизмеримо
меньше
постоянных
времени
нагрева
(
остывания
)
основной
изоляции
кабеля
(
часы
)
и
обо
-
лочки
кабеля
(
минуты
) [3],
процесс
нагревания
жилы
и
экрана
при
КЗ
можно
считать
адиабатическим
.
Вся
энергия
,
выделяемая
в
активном
сопротивлении
жилы
кабеля
и
экрана
,
при
протекании
по
ним
тока
КЗ
тратится
на
нагрев
.
При
аналитическом
расчете
уравнение
теплового
баланса
для
кабельной
линии
определяется
выра
-
жениями
(4)
и
(5),
где
левая
часть
это
—
количество
энергии
,
выделившейся
в
жиле
(
dW
Ж
)
или
экране
(
dW
Э
)
кабеля
при
протекании
тока
I
К
(
A
)
в
течение
времени
dt
,
а
правая
часть
—
количество
тепла
,
ко
-
торое
необходимо
за
это
же
время
на
повышение
температуры
жилы
кабеля
сечением
F
Ж
(
м
2
)
на
d
Ж
или
экрана
кабеля
сечением
F
Э
на
d
Э
.
dW
Ж
=
I
2
К
·
R
Ж
·
dt = C
М
·
F
Ж
·
М
· 1000
·
d
Ж
,
(4)
dW
Э
=
I
2
К
·
R
Э
·
dt = C
М
·
F
Э
·
М
· 1000
·
d
Э
,
(5)
где
I
К
—
действующее
значение
тока
КЗ
;
R
Ж
и
R
Э
—
удельные
активные
сопротивления
жилы
и
экрана
(
Ом
/
км
);
C
М
—
теплоемкость
меди
(
Дж
/ (
кГ
·°
С
));
F
Ж
и
F
Э
—
поперечное
сечение
жилы
и
экрана
по
меди
(
м
2
);
М
—
плотность
меди
(
кГ
/
м
3); 1000 —
ко
-
эффициент
,
учитывающий
,
что
при
задании
удельно
-
го
активного
сопротивления
,
единичная
длина
кабе
-
ля
принята
1
км
.
Удельное
сопротивление
медной
жилы
R
Ж
или
экрана
R
Э
постоянному
току
при
температуре
,
от
-
личной
от
20°
С
,
рассчитывается
в
соответствии
с
[6]
по
формуле
:
R
=
R
20
· (242,5 +
) / 262,5 ,
(6)
где
R
20
—
удельное
сопротивление
жилы
или
экрана
кабеля
при
температуре
20°
С
(
приведены
в
катало
-
гах
кабелей
).
Разделив
переменные
и
преобразовав
уравне
-
ние
(4),
в
общем
случае
с
учетом
апериодической
со
-
ставляющей
в
токе
КЗ
для
жилы
или
экрана
кабеля
будем
иметь
:
R
20
·
∫
0
t
(
i
K
· sin
t
+
К
·
i
K
·
e
–
t
/
)
2
·
dt
=
=
C
М
·
F
·
М
· 262500
·
∫
РАБ
1/(242,5 +
) ·
d
, (7)
где
i
K
—
амплитудное
значение
периодической
со
-
ставляющей
тока
КЗ
;
К
—
коэффициент
,
учитываю
-
щий
соотношение
начального
значения
апериоди
-
ческой
составляющей
и
амплитуды
периодической
составляющей
тока
КЗ
,
зависящий
от
момента
воз
-
никновения
КЗ
и
изменяющийся
от
нуля
до
единицы
;
—
постоянная
времени
затухания
апериодической
составляющей
тока
КЗ
.
Решение
относительно
температуры
Θ
данного
интегрального
уравнения
имеет
вид
:
= (
РАБ
+ 242,5) ·
e
A
·
B
–
242,5 ,
(8)
где
—
текущая
температура
жилы
или
экрана
ка
-
беля
;
РАБ
—
рабочая
(
начальная
)
температура
жилы
или
экрана
кабеля
до
возникновения
КЗ
;
A
и
B
—
ко
-
эффициенты
,
определяемые
в
соответствии
с
ниже
-
приведенными
выражениями
:
A = t
+ 4 ·
K
·
/ ((1/
)
2
+
2
) · [1 – (
e
–
t
/
) · (1/
·
sin
t +
+ cos
t
)] +
·
K
2
(1 –
e
–2
t
/
) ;
B
=
I
2
К
·
R
20
/
262500 /
C
М
/
F
/
М
.
С
использованием
полученного
выражения
про
-
изведены
расчеты
температур
жилы
и
оболочки
ка
-
беля
для
следующих
расчетных
вариантов
:
–
воздействие
тока
КЗ
без
апериодической
состав
-
ляющей
;
–
воздействие
тока
КЗ
без
апериодической
состав
-
ляющей
при
наличии
неуспешного
АПВ
;
–
воздействие
тока
КЗ
при
наличии
апериодической
составляющей
;
–
воздействие
тока
КЗ
при
наличии
апериодической
составляющей
и
неуспешном
АПВ
.
Параметры
кабеля
,
по
каталогу
группы
компаний
«
Севкабель
» [6],
приняты
следующими
.
Изоляция
из
сшитого
полиэтилена
,
жила
и
экран
выполнены
из
меди
;
F
Ж
= 300
мм
2
;
F
Э
= 120
мм
2
;
R
Ж
20
= 0,0601
Ом
/
км
;
R
Э
20
= 0,153
Ом
/
км
;
длительная
допустимая
темпера
-
тура
жилы
ЖДОП
= 90°
С
;
предельно
допустимая
тем
-
пература
жилы
при
КЗ
ЖПРЕД
= 250°
С
;
предельно
до
-
пустимая
температура
экрана
при
КЗ
ЭПРЕД
= 350°
С
.
Время
отключения
КЗ
действием
релейной
защи
-
ты
при
первичном
КЗ
t
РЗА
в
процессе
расчета
варьи
-
руется
,
время
отключения
КЗ
при
неуспешном
АПВ
принимается
0,1
с
.
При
расчете
приняты
следующие
допущения
:
–
процесс
нагревания
жилы
и
экрана
адиабатиче
-
ский
;
–
расчет
температур
жилы
и
кабеля
проводится
для
протяженных
кабельных
участков
;
не
учитывает
-
ся
температура
жилы
и
экрана
кабеля
в
месте
пробоя
,
которая
определяется
параметрами
элек
-
трической
дуги
;
87
–
экран
кабеля
заземлен
в
одной
точке
со
стороны
питающей
подстанции
;
–
по
жиле
и
экрану
протекает
один
и
тот
же
ток
,
который
не
зависит
от
места
возникновения
КЗ
в
кабеле
;
–
учет
повторного
воздействия
тока
КЗ
при
неу
-
спешном
АПВ
осуществлялся
увеличением
вре
-
мени
общего
воздействия
тока
КЗ
на
кабель
на
время
ускоренного
действия
защиты
линии
при
АПВ
(0,1
с
);
–
остывание
жилы
и
экрана
кабеля
за
время
бес
-
токовой
паузы
(1,0–1,5
с
)
перед
АПВ
в
расчетах
не
учитывается
;
–
апериодическая
составляющая
тока
КЗ
(
как
с
уче
-
том
АПВ
,
так
и
без
учета
АПВ
)
имеет
начальное
значение
,
равное
амплитуде
периодической
составляющей
(
К
= 1),
или
половине
амплитуды
периодической
составляющей
(
К
= 0,5).
Результаты
расчетов
приведены
в
таблице
1.
Красным
шрифтом
выделены
значения
температуры
экрана
кабеля
,
превышающие
предельно
допусти
-
мый
уровень
(350°
С
).
Синим
—
температуры
,
при
-
ближающиеся
к
предельно
-
допустимым
значениям
.
В
скобках
указаны
температуры
жилы
и
экрана
кабеля
при
начальном
значении
апериодической
со
-
ставляющей
в
токе
КЗ
,
равном
50%
от
максималь
-
ного
значения
(
К
= 0,5).
Коэффициенты
К
A
для
учета
апериодической
составляющей
кабеля
при
опреде
-
лении
допустимого
тока
КЗ
соответствуют
предло
-
женным
в
[4].
Результаты
расчета
иллюстрируются
рисунком
1,
на
котором
показано
изменение
температуры
экрана
кабеля
Э
при
протекании
тока
I
КЗДОП
и
принятом
рас
-
четном
времени
протекания
тока
t
К
.
В
первом
случае
,
Табл
. 1.
Результаты
расчета
температуры
жилы
и
экрана
кабеля
при
КЗ
на
КЛ
110
кВ
Ток
КЗ
без
апе
-
риодической
со
-
ставляющей
при
отсутствии
АПВ
Ток
КЗ
без
апериоди
-
ческой
составляющей
при
наличии
АПВ
Ток
КЗ
с
апериодической
составляющей
К
=1 (
К
=0,5)
при
отсутствии
АПВ
Ток
КЗ
с
апериодической
составляющей
К
=1 (
К
=0,5)
при
наличии
АПВ
t
К
,
с
0,1
0,5
1
0,1+0,1
0,5+0,1
1+0,1
0,1
0,5
1
0,1+0,1
0,5+0,1
1+0,1
Допустимый
ток
КЗ
I
КЗДОП
= 21400
А
выбран
по
условию
:
t
К
= 1
с
,
ток
без
апериодической
составляющей
(
К
A
=1)
ж
, °
С
93
106
122
96
109
126
95 (94)
108 (106)
125 (123)
99 (97)
112 (110)
128 (126)
э
, °
С
99
190
340
120
217
375
114 (103)
210 (196)
367
(346)
136 (125)
238 (225)
404 (382)
Допустимый
ток
КЗ
I
КЗДОП
= 20640
А
выбран
по
условию
:
t
К
= 1
с
,
апериодическая
составляющая
тока
с
= 75
мс
, (
К
A
=1,075)
ж
, °
С
93
105
120
96
108
123
95
107
122
98
110
126
э
, °
С
98
182
316
117
206
348
112
200
340
133
225
373
Допустимый
ток
КЗ
I
КЗДОП
= 30264
А
выбран
по
условию
:
t
К
= 0,5
с
,
ток
без
апериодической
составляющей
(
К
A
=1)
ж
, °
С
96
122
157
103
129
165
101 (97)
127 (124)
163 (159)
107 (104)
134 (131)
171 (167)
э
, °
С
120
340
809
166
413
941
152 (128)
395 (353)
908 (833)
204 (175)
474 (428)
1052 (968)
Допустимый
ток
КЗ
I
КЗДОП
= 28148
А
выбран
по
условию
:
t
К
= 0,5
с
,
апериодическая
составляющая
тока
с
= 75
мс
(
К
A
=1,14)
ж
, °
С
95
118
148
101
124
154
99
122
153
105
128
159
э
, °
С
114
295
654
153
353
751
141
339
727
185
401
831
Рис
. 1.
Повышение
температуры
экрана
кабеля
от
действия
тока
КЗ
при
отсутствии
и
наличии
апериоди
-
ческой
составляющей
,
при
отключении
КЗ
при
наличии
и
отсутствии
неуспешного
АПВ
КЗ
отключается
c
максимальным
временем
t
К
и
за
-
претом
АПВ
.
Во
втором
случае
,
после
первичного
КЗ
имеет
место
неуспешное
АПВ
.
Суммарное
время
протекания
тока
КЗ
в
этом
случае
составляет
t
К
+
t
АПВ
.
Полученные
результаты
,
приведенные
в
таблице
1
и
на
рисунке
1,
позволяют
констатировать
несколь
-
ко
важных
положений
.
1.
При
выборе
сечения
экрана
кабеля
по
заданному
периодическому
току
КЗ
и
расчетному
времени
действия
релейной
защиты
(1
секунда
),
темпера
-
тура
жилы
и
экрана
кабеля
при
КЗ
в
кабеле
не
будут
превышать
допустимых
значений
только
при
отсутствии
АПВ
линии
и
отсутствии
аперио
-
дической
составляющей
в
токе
КЗ
.
Если
для
чи
-
№
1 (40) 2017
88
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
сто
кабельных
линий
АПВ
запрещено
,
то
на
КВЛ
АПВ
может
присутствовать
.
Наличие
АПВ
приве
-
дет
к
дополнительному
незначительному
нагреву
жилы
до
температуры
126°
С
,
но
экран
при
этом
нагреется
до
температуры
375°
С
,
что
превысит
максимально
допустимую
температуру
.
2.
Аналогичное
воздействие
на
жилу
и
экран
кабе
-
ля
будет
иметь
апериодическая
составляющая
в
токе
КЗ
.
Экран
кабеля
будет
при
этом
нагревать
-
ся
до
температуры
367°
С
.
Совместное
воздей
-
ствие
тока
КЗ
с
апериодической
составляющей
и
повторное
воздействие
тока
КЗ
при
АПВ
так
же
с
наличием
в
нем
апериодической
составляющей
приведет
к
нагреву
экрана
до
температуры
404°
С
,
то
есть
не
только
превысит
предельно
допусти
-
мое
значение
350°
С
,
но
достигнет
температуры
,
при
которой
имеет
место
деструкции
сшитого
полиэтилена
.
Снижение
апериодической
состав
-
ляющей
в
токе
КЗ
до
50%
от
максимальной
ве
-
личины
несколько
улучшает
,
но
кардинально
не
изменяет
ситуацию
.
Температура
нагрева
экрана
кабеля
в
этом
случае
все
равно
превышает
пре
-
дельно
-
допустимое
значение
.
3.
При
времени
действия
релейной
защиты
0,5
се
-
кунды
(2
ступень
резервной
защиты
)
при
КЗ
в
ка
-
бельной
линии
допустимый
ток
КЗ
для
кабеля
будет
в
1,41
раза
больше
,
чем
в
предыдущем
слу
-
чае
.
Температура
нагрева
жилы
и
экрана
кабеля
при
совокупном
действии
тока
КЗ
с
апериодиче
-
ской
составляющей
и
повторного
воздействия
тока
КЗ
при
АПВ
будет
составлять
соответственно
134
и
474°
С
.
4.
Учет
апериодической
составляющей
в
токе
КЗ
при
выборе
допустимого
тока
КЗ
по
методике
,
пред
-
ложенной
в
[3],
требует
снижения
допустимого
тока
КЗ
,
и
соответственно
снижается
темпера
-
тура
нагрева
экранов
до
нормируемых
значений
при
условии
отказа
от
АПВ
при
КЗ
в
кабеле
.
Раз
-
решение
АПВ
приведет
к
нагреву
экрана
кабеля
сверх
допустимого
значения
.
Хотя
нагрев
будет
несколько
меньше
(401°
С
),
но
,
тем
не
менее
,
тем
-
пература
достигнет
значений
,
приводящих
к
де
-
струкции
сшитого
полиэтилена
.
Отсюда
следует
вывод
о
необходимости
учета
апериодической
со
-
ставляющей
в
токе
КЗ
при
выборе
параметров
как
чисто
кабельной
линии
,
так
и
кабельного
участ
-
ка
КВЛ
и
о
необходимости
запрета
АПВ
при
КЗ
в
кабеле
КЛ
и
кабельной
части
КВЛ
.
Положение
о
запрете
АПВ
в
чисто
кабельной
линии
в
нор
-
мативной
документации
уже
имеется
[7].
Данные
положения
должны
быть
отражены
в
норматив
-
ной
документации
и
применительно
к
кабельным
участкам
КВЛ
,
путем
внесения
соответствующих
изменений
и
дополнений
.
5.
Если
в
качестве
расчетного
времени
отключения
КЗ
было
выбрано
время
0,5
секунды
,
то
отказ
ос
-
новной
и
резервной
защит
или
отказ
выключате
-
ля
линии
и
отключение
КЗ
с
временем
порядка
1
секунды
,
приведет
к
нагреву
экрана
кабеля
до
температур
900–1050°
С
.
Такой
перегрев
может
оказаться
катастрофическим
для
кабельной
ли
-
нии
и
потребовать
полной
ее
замены
.
Поэтому
принятию
решения
о
выборе
данного
расчетного
времени
должен
предшествовать
технико
-
эконо
-
мический
расчет
,
о
чем
говорилось
выше
,
либо
достаточно
редкая
замена
всей
кабельной
линии
при
отказе
всех
защит
,
что
может
быть
оправда
-
но
при
коротких
кабельных
заходах
,
либо
выбор
в
качестве
расчетного
времени
—
время
действия
самой
медленной
защиты
линии
(
обычно
2
сту
-
пень
резервной
дистанционной
защиты
линии
или
3
ступень
токовой
защиты
нулевой
после
-
довательности
,
действие
ступеней
при
дальнем
резервировании
не
рассматривается
)
при
запа
-
сах
по
материалам
экрана
кабеля
для
длинных
кабельных
вставок
.
При
этом
максимально
допу
-
стимый
ток
,
рассчитанный
по
формуле
(1)
с
уче
-
том
поправок
на
наличие
в
токе
апериодической
составляющей
,
должен
сравниваться
не
с
общим
током
КЗ
в
кабеле
,
а
с
током
,
который
отключает
-
ся
самой
медленной
выбранной
защитой
.
Другие
источники
питания
будут
отключены
к
этому
вре
-
мени
соответствующими
защитами
с
меньшими
временами
действия
.
Учет
нагрева
кабеля
токами
КЗ
до
действия
этих
защит
,
тем
не
менее
,
в
рас
-
чете
конкретных
тепловых
режимов
при
проекти
-
ровании
КЛ
или
кабельных
участков
КВЛ
должен
присутствовать
(
то
есть
начало
нагрева
кабеля
осуществляется
большими
токами
и
продолжает
-
ся
меньшими
токами
,
после
отключения
питания
с
одной
из
сторон
).
МЕТОД
МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для
расчета
токов
в
кабельной
линии
и
в
экранах
ка
-
белей
,
напряжений
на
разземленных
концах
экранов
и
в
местах
их
транспозиции
,
температур
жил
и
экра
-
нов
кабелей
при
более
сложных
конфигурациях
элек
-
трической
схемы
и
питании
кабельной
линии
с
двух
концов
были
проведены
дополнительные
расчеты
электрических
и
тепловых
величин
для
нескольких
вариантов
расчетных
режимов
.
Расчет
выполняет
-
ся
методом
математического
моделирования
элек
-
трических
и
тепловых
процессов
.
При
проведении
расчетов
принят
кабель
класса
напряжения
110
кВ
группы
компаний
«
Севкабель
»
с
параметрами
,
при
-
веденными
выше
при
аналитическом
методе
расче
-
та
температуры
экрана
и
жилы
.
Моделируется
одно
-
цепная
КВЛ
,
соединяющая
две
подстанции
,
при
этом
кабельная
часть
КВЛ
примыкает
к
подстанции
(
заход
на
подстанцию
).
Длина
воздушной
части
линии
—
15
км
,
длина
кабельной
части
(
l
К
)
варьируется
.
Элек
-
трические
параметры
воздушной
части
линии
соот
-
ветствуют
типовым
для
ВЛ
110
кВ
.
Периодическая
составляющая
тока
КЗ
на
шинах
подстанции
,
к
кото
-
рой
примыкает
КЛ
(
ПС
-2),
принята
по
максимально
допустимому
току
экрана
кабеля
в
течение
1
секун
-
ды
(21,4
кА
)
в
соответствии
с
каталогом
,
а
ток
КЗ
на
шинах
противоположной
подстанции
(
ПС
-1)
принят
20
кА
.
Постоянная
времени
затухания
апериодиче
-
ской
составляющей
тока
КЗ
на
обеих
подстанциях
принята
0,1
с
.
Модели
выключателей
на
подстанци
-
ях
позволяют
пофазно
задавать
моменты
включения
и
отключения
КВЛ
.
89
Рассматриваются
варианты
вы
-
полнения
КЛ
как
без
транспозиции
,
так
и
при
полной
транспозиции
экранов
кабелей
.
В
местах
транс
-
позиции
,
а
также
на
разземленном
конце
экрана
кабеля
,
предусматри
-
вается
включение
ограничителей
перенапряжений
с
заданной
в
мгно
-
венных
значениях
вольт
-
амперной
характеристикой
.
Расчет
электрических
параме
-
тров
кабеля
выполнен
в
соответ
-
ствии
с
его
геометрическими
раз
-
мерами
,
заданными
в
каталоге
[6],
по
методикам
,
изложенным
в
[5].
Структурная
схема
математиче
-
ской
модели
сети
с
КВЛ
приведена
на
рисунке
2.
Энергосистемы
со
стороны
ПС
-1
и
ПС
-2
моделируются
ЭДС
и
их
фазовыми
углами
,
а
так
-
же
активными
и
реактивными
со
-
противлениями
прямой
и
нулевой
последовательности
.
Воздушная
часть
КВЛ
моделируется
сопротивлениями
прямой
и
нулевой
последовательности
,
а
также
емкостями
фаз
на
землю
и
междуфазными
емкостями
.
Ключи
K
Z
,
с
заданным
моментом
включения
моделируют
короткое
замыкание
на
стыке
воздушной
и
кабель
-
ной
части
КВЛ
.
Режим
заземления
экранов
по
кон
-
цам
КВЛ
определяется
положением
ключей
К
1
и
К
2.
Сопротивления
R
Z
1
,
R
Z
2
и
R
Z
соответствуют
активно
-
му
сопротивлению
заземления
экранов
и
сопротив
-
лению
участка
земли
между
концами
кабельного
участка
.
В
вариантах
расчета
при
односторонне
раз
-
емленных
экранах
КВЛ
ключи
К
1
заменяются
моде
-
лями
ОПН
.
Жилы
и
экраны
КЛ
рассматриваются
как
совокупность
проводников
,
связанных
между
собой
и
с
землей
взаимными
емкостями
и
индуктивнос
-
тями
.
Модель
кабельной
части
по
каждой
фазе
содержит
:
–
активные
сопротивления
жилы
и
экрана
для
начального
момента
времени
(
перед
КЗ
)
R
Ж
и
R
Э
;
–
ЭДС
E
R
Ж
и
E
R
Э
,
моделирующие
динамически
изменяющееся
активное
сопротивление
жилы
и
экрана
в
процессе
разогрева
током
КЗ
;
–
ЭДС
E
L
Ж
и
E
L
Э
,
моделирующие
собственную
индук
-
тивность
жилы
и
экрана
,
а
также
сумму
ЭДС
наве
-
денных
за
счет
взаимной
индуктивности
между
данным
элементом
(
жилой
или
экраном
)
и
всеми
другими
параллельными
проводниками
;
–
емкости
C
ЖЭ
и
C
Э
Z
,
моделирующие
междуфазные
емкости
между
экранами
и
емкости
экранов
на
землю
.
В
вариантах
расчета
при
транс
-
позиции
экранов
модель
КЛ
пред
-
ставляется
тремя
последовательно
включенными
моделями
с
пофаз
-
ным
переключением
экранов
по
участкам
КЛ
в
месте
транспозиции
(
фаза
A
на
фазу
B
,
фаза
B
на
фазу
C
,
фаза
C
на
фазу
A
)
и
установкой
в
месте
переключения
ОПН
.
Вольт
-
амперная
характеристика
принята
для
ОПН
типа
ОПНн
-6/550/6,0.
Расчет
температуры
жил
и
экранов
КЛ
выпол
-
няется
путем
моделирования
тепловых
потоков
и
температуры
с
помощью
электрических
вели
-
чин
.
При
этом
:
тепловой
поток
(
P
Т
)
моделируется
током
(
i
М
),
количество
тепла
(
Q
Т
) —
электрическим
зарядом
(
Q
М
),
температура
(
) —
электрическим
напряжением
(
u
М
),
теплоемкость
(
C
Т
) —
электри
-
ческой
емкостью
(
C
М
),
тепловое
сопротивление
(
R
Т
) —
активным
электрическим
сопротивлением
(
R
М
).
Структурная
схема
тепловой
модели
КЛ
при
-
ведена
на
рисунке
3.
Обозначения
на
структурной
схеме
приняты
сле
-
дующими
:
P
T
Ж
—
тепловой
поток
жилы
,
вызванный
протеканием
по
ней
тока
(
Вт
=
Дж
/
с
);
P
T
Э
—
тепловой
поток
экрана
,
вызванный
протекани
-
ем
по
нему
тока
(
Вт
=
Дж
/
с
);
C
T
Ж
—
теплоемкость
жилы
сечением
S
Ж
и
длиной
L
КАБ
(
Дж
/°
С
);
C
T
Э
—
теплоемкость
экрана
сечением
S
Э
и
длиной
L
КАБ
(
Дж
/°
С
);
C
T
И
—
теплоемкость
изоляции
жила
-
экран
(
Дж
/°
С
);
C
T
О
—
теплоемкость
оболочки
кабеля
(
Дж
/°
С
);
R
T
И
—
тепловое
сопротивление
изоляции
жила
-
экран
(°
С
/
Вт
);
R
T
О
—
тепловое
сопротивление
оболочки
кабеля
(°
С
/
Вт
);
Рис
. 2.
Структурная
схема
электрической
части
модели
для
кабельного
участка
без
транспозиции
экранов
Рис
. 3.
Структурная
схема
тепловой
модели
КЛ
№
1 (40) 2017
90
R
T
ОС
—
тепловое
сопротивление
оболочка
-
окружаю
-
щая
среда
(°
С
/
Вт
).
Количество
тепла
в
джоулях
,
выделившееся
в
жиле
кабеля
с
начальной
температурой
ЖН
при
прохождении
тока
i
Ж
в
течение
времени
t
1
(
длитель
-
ность
КЗ
),
может
быть
найдено
как
:
Q
ТЖ
=
∫
0
t
1
P
ТЖ
·
dt
=
∫
0
t
1
(
i
2
Ж
·
R
Ж
i
Ж
·
E
Ж
t
) ·
dt
,
где
E
Ж
t
=
i
Ж
·
R
Ж
· 0,004 · (
Ж
–
ЖН
) —
ЭДС
,
эквива
-
лентирующая
приращение
активного
сопротивления
жилы
при
повышении
ее
температуры
за
время
t
;
Ж
—
текущая
температура
жилы
на
момент
време
-
ни
t
;
ЖН
—
начальная
температура
жилы
; 0,004 —
температурный
коэффициент
сопротивления
меди
.
Тепловые
сопротивления
изоляции
жила
-
экран
(
R
T
И
),
экран
-
оболочка
(
R
T
О
)
и
оболочки
относительно
окружающей
среды
(
R
T
ОС
)
определялись
в
соответ
-
ствии
с
рекомендациями
[8].
Теплоемкости
жилы
,
экрана
,
основной
изоляции
кабеля
и
изоляции
его
оболочки
соответствуют
справочным
значениям
[9].
При
проведении
расчетов
по
тепловой
модели
,
как
и
в
предыдущих
расчетах
,
принято
допущение
об
адиабатическом
процессе
нагрева
жилы
и
экра
-
на
кабеля
при
КЗ
.
При
этом
тепловые
сопротивле
-
ния
изоляции
жила
-
экран
(
R
T
И
)
и
экран
-
оболочка
(
R
T
О
)
в
режиме
КЗ
принимаются
в
первом
приближении
равными
бесконечности
(
тепло
жилы
и
экрана
не
рассеивается
).
При
расчете
тепловых
режимов
кабеля
рассма
-
триваются
наиболее
тяжелые
случаи
в
отношении
нагрева
жилы
и
экрана
токами
КЗ
.
В
связи
с
этим
,
рассматривается
отключение
КЗ
действием
резерв
-
ных
защит
и
действием
УРОВ
.
Основные
защиты
КВЛ
выведены
,
введено
оперативное
ускорение
3
ступени
ТЗНП
по
обоим
концам
линии
(
t
УСК
.3
СТ
.
ТЗНП
)
с
временем
0,4
секунды
и
ускоренная
ступень
дис
-
танционной
защиты
с
временем
0,4
секунды
.
Авто
-
матическое
ускорение
при
АПВ
принимается
равным
0,1
секунды
.
Длительность
протекания
тока
КЗ
при
действии
ускоренной
3
ступени
с
учетом
собственного
време
-
ни
измерительных
органов
защиты
и
выключателя
принимается
0,48
секунды
.
Длительность
протекания
тока
КЗ
при
действии
УРОВ
(
t
КЗ
)
определяется
для
следующих
наихудших
условий
.
t
КЗ
=
t
1
СТ
.
ТЗНП
+
t
УРОВ
+
t
ВЫКЛ
.
СМ
.
ПРИС
.
= 0,04 + 0,4 + 0,1 = 0,54
с
,
где
t
1
СТ
.
ТЗНП
= 0,04
с
—
время
работы
первых
ступеней
защит
,
запускающих
УРОВ
;
t
УРОВ
= 0,4
с
—
уставка
по
времени
УРОВ
;
t
ВЫКЛ
.
СМ
.
ПРИС
.
= 0,1
с
—
собственное
время
отключения
выключателей
всех
смежных
при
-
соединений
.
При
математическом
моделировании
рассматри
-
вались
случаи
однофазных
и
многофазных
КЗ
в
ме
-
сте
перехода
ВЛ
в
КЛ
,
однофазные
КЗ
жила
–
экран
в
середине
КЛ
,
в
местах
полного
однократного
цик
-
ла
транспозиции
,
а
также
КЗ
разных
видов
на
воз
-
душной
части
КВЛ
.
В
плане
времени
отключения
,
рассматривались
режимы
при
действии
УРОВ
со
стороны
ПС
-2,
а
также
режимы
с
неуспешным
одно
-
кратным
АПВ
со
стороны
ПС
-2.
Время
отключения
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
КЗ
при
АПВ
принималось
0,1
с
.
Все
режимы
КЗ
со
-
провождаются
апериодической
составляющей
тока
максимальной
начальной
амплитуды
.
В
процессе
моделирования
снимались
осцилло
-
граммы
токов
в
жиле
и
экране
кабеля
,
напряжений
на
разземленном
конце
экрана
(
U
Э
)
и
температуры
жилы
и
экрана
.
Принималось
,
что
в
предшествую
-
щем
режиме
по
кабелю
протекает
нагрузочный
ток
равный
500
А
и
температура
жилы
и
экрана
соот
-
ветственно
равны
90
и
70°
С
.
Длина
КЛ
для
режима
без
транспозиции
варьировалась
в
пределах
от
50
до
800
м
,
а
в
режимах
с
транспозицией
от
2
до
20
км
.
Расстояние
между
осями
фаз
КЛ
(
S
К
)
изменялось
от
0,07
до
0,6
м
.
По
результатам
проведенного
моделирования
можно
сделать
следующие
выводы
.
Для
КЛ
без
транспозиции
экранов
1.
Напряжение
на
разземленном
конце
экрана
(
U
Э
)
для
нормального
нагрузочного
режима
в
зави
-
симости
от
S
К
(0,07÷0,6
м
)
составляет
от
0,03
до
0,09
В
на
метр
длины
КЛ
и
изменяется
от
длины
практически
линейно
.
2.
При
однофазном
КЗ
в
месте
перехода
ВЛ
в
КЛ
U
Э
составляет
4,5÷5,1
В
/
м
и
практически
не
за
-
висит
от
S
К
.
Максимальная
температура
жилы
Ж
= 109°
С
.
3.
При
однофазном
КЗ
между
экраном
и
жилой
в
се
-
редине
КЛ
ток
жилы
и
экрана
I
Ж
= 21,1÷21,4
кА
;
максимальное
мгновенное
значение
напряжения
u
Э
= 5,6÷6,1
В
/
м
.
Максимальные
температуры
:
Ж
= 109°
С
,
Э
= 293°
С
—
при
отключении
от
УРОВ
и
Ж
= 102°
С
,
Э
= 168°
С
—
при
неуспешном
АПВ
со
стороны
ПС
-2.
Для
КЛ
с
транспозицией
экранов
1.
В
нормальном
нагрузочном
режиме
токи
экранов
кабелей
(
I
Э
)
составляют
от
0,67
А
/
км
(
S
К
= 0,07
м
)
до
0,93
А
/
км
(
S
К
= 0,6
м
)
и
линейно
увеличиваются
при
увеличении
длины
КЛ
.
Напряжение
на
экра
-
нах
в
месте
транспозиции
составляет
от
9,9
В
/
км
до
26,9
В
/
км
соответственно
.
2.
При
однофазном
КЗ
в
месте
перехода
ВЛ
в
КЛ
,
наведенные
токи
в
цепях
экранов
кабелей
при
S
К
= 0,07
м
составляют
от
9,3
кА
при
КЛ
длиной
2
км
,
до
4,3
кА
при
длине
КЛ
20
км
.
Зависимость
токов
от
S
К
относительно
слабая
.
При
двухфазном
КЗ
в
рассматриваемой
точке
токи
экранов
практи
-
чески
не
изменяются
,
но
при
трехфазном
КЗ
стре
-
мятся
к
нулю
.
Максимальная
температура
жилы
и
экранов
в
режимах
с
отключением
действием
УРОВ
не
превышает
соответственно
106
и
82°
С
.
Максимальное
мгновенное
напряжение
u
Э
на
экранах
КЛ
в
местах
транспозиции
составляет
от
3
кВ
при
длине
КЛ
2
км
до
14,5
кВ
при
длине
КЛ
20
км
(
S
К
= 0,6
м
).
При
снижении
S
К
с
0,6
м
до
0,07
м
напряжение
на
экранах
снижается
примерно
в
три
раза
.
Срабатывание
ОПН
не
зарегистрировано
.
3.
При
однофазном
КЗ
между
жилой
и
экраном
КЛ
в
месте
транспозиции
,
токи
в
цепях
экранов
кабе
-
лей
достигают
10,4
кА
,
при
КЛ
длиной
2
км
,
и
5,3
кА
,
при
длине
КЛ
20
км
.
Максимальные
температуры
жилы
и
экранов
равны
:
Ж
= 108°
С
,
Э
= 152°
С
.
На
-
пряжение
u
Э
на
экранах
КЛ
в
местах
транспозиции
91
Рис
. 4.
Растекание
токов
при
однофазных
КЗ
в
кабеле
и
на
воздушной
части
КВЛ
:
а
)
при
КЗ
в
кабеле
,
зазем
-
ление
экрана
кабеля
только
со
стороны
ПС
;
б
)
при
КЗ
в
кабеле
,
заземление
экрана
кабеля
со
стороны
ПС
и
со
стороны
ВЛ
;
в
)
при
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
,
заземление
экрана
кабеля
со
стороны
ПС
;
г
)
при
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
,
заземление
экрана
кабеля
со
стороны
ПС
и
со
стороны
ВЛ
ПС1
ПС2
I
К1
I
К2
I
Э
=
I
К1
I
К2
ВЛ
I
К2
I
К1
R
ЗПС1
ЗПС2
I
K =
I
K1
+
I
K2
— ток КЗ
I
K1
— ток КЗ от ПС1
I
K2
— ток КЗ от ПС1
I
Э
— ток в экране кабеля
R
ЗПС1
— сопротивление заземления ПС1
R
ЗПС2
— сопротивление заземления ПС2
I
Э2
= 0
Место КЗ
I
K =
I
K1
+
I
K2
I
K
=
I
K1
+
I
K2
R
а)
ПС1
ПС2
I
К1
I
К2
I
Э1
I
К1
I
К2
ВЛ
I
К2
I
К1
R
ЗПС1
R
ЗПП
R
ЗПС1
I
Э1
— ток в экране кабеля в сторону ПС1
I
Э2
— ток в экране кабеля в сторону ПС2
I
К(ПП-ПС1)
— переток по земле между ПП и ПС1
I
K1
=
I
Э1
+
I
К(ПП-ПС1)
— ток КЗ от ПС1
I
K2
— ток КЗ от ПС2
— ток КЗ
R
ЗПП
— сопротивление заземления переходного пункта
I
Э2
I
К(ПП-ПС1)
R
ЗПС1
— сопротивление заземления ПС1
R
ЗПС2
— сопротивление заземления ПС2
Место КЗ
I
K =
I
K1
+
I
K2
I
K =
I
K1
+
I
K2
в)
ПС1
ПС2
I
К1
I
К2
I
Э
= 0
I
К1
ВЛ
I
К2
I
К1
R
ЗПС1
R
ЗПС2
R
ЗВЛ
I
К1
I
К1
I
K =
I
K1
+
I
K2
— ток КЗ
I
K1
— ток КЗ от ПС1
I
K2
— ток КЗ от ПС1
Место КЗ
I
K =
I
K1
+
I
K2
R
ЗВЛ
— сопротивление заземления в месте КЗ на ВЛ
R
ЗПС1
— сопротивление заземления ПС1
R
ЗПС2
— сопротивление заземления ПС2
б)
ПС1
ПС2
I
Э
R
ЗВЛ
— сопротивление заземления в месте КЗ на ВЛ
R
ЗПС1
— сопротивление заземления ПС1
R
ЗПС2
— сопротивление заземления ПС2
R
ЗПП
— сопротивление заземления переходного пункта
I
К2
R
ЗПС2
R
ЗВЛ
I
К1
Место КЗ
I
K =
I
K1
+
I
K2
I
К2
I
К1
R
ЗПС1
I
К1
I
К1
I
К1
ВЛ
I
К(ПП-ПС1)
I
K1
=
I
Э1
+
I
К(ПП-ПС1)
— ток КЗ от ПС1
I
K2
— ток КЗ от ПС2
— ток КЗ
I
K =
I
K1
+
I
K2
I
Э
R
ЗПП
г)
составляет
от
5,6
кВ
при
длине
КЛ
2
км
до
16,5
кВ
при
длине
КЛ
20
км
.
При
напряжениях
выше
14,5
кВ
отмечается
срабатывание
ОПН
.
4.
При
КЗ
всех
видов
на
воздушной
части
КВЛ
с
уче
-
том
неуспешного
АПВ
температура
жилы
и
экра
-
нов
КЛ
не
превышает
97
и
87°
С
.
Таким
образом
,
математическое
моделирование
показало
,
что
при
выборе
сечения
экрана
кабеля
по
односекундной
термической
стойкости
к
току
КЗ
в
рассмотренных
режимах
перегрева
жилы
и
экрана
кабеля
выше
допустимых
температур
не
происходит
.
При
одностороннем
заземлении
экранов
напря
-
жение
на
незаземленных
концах
экранов
кабелей
в
нормальном
нагрузочном
режиме
не
достигает
предельно
допустимого
значения
100
В
[1]
ни
при
каких
реальных
(
до
800
м
)
длинах
кабельных
участ
-
ков
и
значениях
расстояний
между
осями
жил
фаз
от
0,07
до
0,6
м
.
Напряжение
на
экранах
кабелей
при
КЗ
может
достигать
значений
опасных
для
изоляции
экрана
по
отношению
к
окружающей
среде
.
При
однофазных
КЗ
,
сопровождающихся
полной
апериодической
со
-
ставляющей
тока
,
момент
воз
-
никновения
КЗ
примерно
соответствует
прохожде
-
нию
мгновенного
фазного
напряжения
через
нуле
-
вое
значение
.
При
этом
свободные
периодические
составляющие
в
напряжении
экрана
кабеля
практи
-
чески
отсутствуют
.
Напротив
,
при
возникновении
КЗ
в
момент
прохождения
мгновенного
значения
фазно
-
го
напряжения
через
максимум
,
свободные
периоди
-
ческие
составляющие
в
напряжении
экрана
кабеля
максимальны
,
а
апериодическая
составляющая
тока
КЗ
отсутствует
.
Возникающий
колебательный
про
-
цесс
заряда
емкостей
кабеля
через
взаимные
индук
-
тивности
на
разомкнутом
конце
экрана
,
может
иметь
амплитуду
в
несколько
раз
превосходящую
ампли
-
туду
составляющей
50
Гц
.
Частота
колебаний
имеет
порядок
единиц
килогерц
.
Учитывая
,
что
в
тех
местах
,
где
напряжение
на
экране
будет
превышать
порог
срабатывания
ОПН
,
он
будет
срабатывать
каждый
полупериод
,
пока
су
-
ществует
режим
КЗ
,
выбор
ОПН
по
энергоемкости
должен
осуществляться
с
учетом
такой
возможности
и
длительности
режима
КЗ
.
Наличие
двух
заземлений
экрана
,
как
со
стороны
ПС
,
так
и
со
стороны
ВЛ
,
при
однофазных
КЗ
жила
-
экран
в
кабеле
приводит
к
уменьшению
токов
,
про
-
текающих
по
экрану
.
При
этом
температура
каждой
части
экрана
будет
определяться
соотношением
то
-
ков
КЗ
,
протекающего
по
экрану
в
сторону
каждого
из
заземлений
.
Чаще
всего
эти
токи
остаются
меньше
предельно
допустимого
уровня
.
Наличие
транспо
-
зиции
экранов
при
данном
виде
повреждения
суще
-
ственно
не
меняет
ситуацию
.
Данное
положение
может
быть
проиллюстриро
-
вано
рисунком
4,
где
показаны
четыре
варианта
про
-
текания
токов
КЗ
:
–
при
заземлении
экрана
кабеля
только
со
стороны
ПС
при
КЗ
в
кабеле
(
рисунок
4
а
)
весь
ток
КЗ
про
-
текает
по
оболочке
кабеля
;
–
при
заземлении
экрана
кабеля
только
со
стороны
ПС
при
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
(
рисунок
4
б
)
ток
КЗ
по
экрану
кабеля
протекать
не
будет
;
№
1 (40) 2017
92
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
–
при
заземлении
экрана
кабеля
с
двух
сторон
(
со
стороны
ПС
и
со
стороны
ВЛ
)
при
КЗ
в
кабеле
(
рисунок
4
б
)
от
места
КЗ
в
кабеле
по
экрану
кабеля
в
сторону
ПС
и
в
сторону
ВЛ
протекают
соответ
-
ствующие
части
тока
КЗ
,
определяемые
соотно
-
шением
сопротивлений
частей
экрана
и
контуров
заземлений
подстанций
и
переходного
пункта
;
–
при
заземлении
кабеля
с
двух
сторон
(
со
стороны
ПС
и
со
стороны
ВЛ
)
при
КЗ
в
воздушной
части
КВЛ
от
места
КЗ
по
земле
,
а
затем
по
экрану
кабеля
в
сторону
ПС
протекают
только
часть
тока
КЗ
,
определяемая
соотношением
сопротивлений
экрана
кабеля
и
контуров
заземлений
подстан
-
ций
,
переходного
пункта
и
места
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
(
чаще
всего
это
сопротивление
зазем
-
ления
опоры
ВЛ
).
ВЫВОДЫ
1.
Выбор
параметров
кабелей
для
КЛ
и
КВЛ
110–
500
кВ
должен
осуществляться
с
учетом
апери
-
одической
составляющей
в
токе
КЗ
.
Неучет
дан
-
ного
требования
при
возникновении
КЗ
в
кабеле
может
приводить
к
нагреву
экрана
кабеля
на
про
-
тяженных
участках
выше
предельно
-
допустимого
уровня
и
соответственно
к
выходу
его
из
строя
.
2.
При
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
110–500
кВ
АПВ
должно
быть
разрешено
,
поскольку
токи
КЗ
,
про
-
текающие
через
жилы
и
экраны
кабелей
в
таком
случае
не
приводят
к
их
нагреву
выше
предельно
допустимых
уровней
,
а
процент
успешных
АПВ
при
КЗ
на
воздушной
части
КВЛ
так
же
,
как
и
на
ВЛ
,
составляет
80–85%.
3.
Для
КВЛ
110–500
кВ
,
как
это
уже
введено
для
КЛ
,
целесообразен
запрет
АПВ
при
КЗ
в
кабельной
части
линии
.
Неучет
данного
требования
при
воз
-
никновении
КЗ
в
кабеле
(
даже
для
кабелей
,
вы
-
бранных
с
учетом
апериодической
составляющей
в
токе
КЗ
,
но
без
учета
АПВ
)
может
приводить
к
нагреву
экрана
кабеля
выше
предельно
допу
-
стимого
уровня
на
протяженных
участках
и
соот
-
ветственно
к
выходу
его
из
строя
.
4.
Выбор
сечения
экрана
кабеля
при
заданном
максимальном
времени
отключения
КЗ
,
опреде
-
ляемым
временем
действия
релейной
защиты
,
должен
осуществляться
с
учетом
технико
-
эконо
-
мических
сопоставлений
последствий
аварии
на
кабеле
:
–
расчет
сечения
экрана
по
времени
действия
основной
защиты
и
полная
замена
кабеля
или
его
протяженных
участков
при
достаточно
редком
случае
отказа
основной
защиты
или
выключателя
и
действии
резервных
защит
или
УРОВ
;
–
расчет
сечения
экрана
на
максимальное
время
протекания
тока
КЗ
при
работе
резервных
защит
или
УРОВ
.
Первый
подход
может
быть
оправданным
для
коротких
кабельных
заходов
,
а
второй
для
протя
-
женных
кабельных
вставок
.
5.
Выбор
ОПН
для
защиты
оболочки
кабелей
от
пробоя
в
местах
транспозиции
экранов
кабелей
110–500
кВ
должен
осуществляться
с
учетом
воз
-
можности
работы
ОПН
каждый
полупериод
в
те
-
чение
всего
времени
существования
режима
КЗ
.
6.
Предложенные
изменения
и
дополнения
долж
-
ны
быть
внесены
в
нормативно
-
техническую
до
-
кументацию
,
регламентирующую
выбор
пара
-
метров
,
сооружение
и
эксплуатацию
КЛ
и
КВЛ
110–500
кВ
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Стандарт
организации
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
»
СТО
56947007-
29.060.20.071-2011 «
Силовые
кабельные
линии
напря
-
жением
110–500
кВ
.
Условия
создания
.
Нормы
и
требо
-
вания
»
2.
МЭК
61443
Предельные
значения
температуры
корот
-
кого
замыкания
электрических
кабелей
на
номинальное
напряжение
свыше
30
кВ
(Um = 36
кВ
).
3.
Дмитриев
М
.
В
.
Кабельные
линии
6–500
кВ
.
Тепловой
расчет
при
коротком
замыкании
//
Новости
ЭлектроТех
-
ники
, 2014,
№
5(89).
4.
Дмитриев
М
.
В
.
Экраны
однофазных
кабелей
6–500
кВ
.
Выбор
сечения
с
учетом
апериодической
составляющей
тока
//
Новости
ЭлектроТехники
, 2014,
№
4(88).
5.
Дмитриев
М
.
В
.
Заземление
экранов
однофазных
сило
-
вых
кабелей
.
СПб
:
Из
-
во
Политехнического
университе
-
та
, 2010.
6.
Каталог
продукции
2013
г
.
Кабели
на
напряжение
110/220
кВ
.
Группа
компаний
«
Севкабель
».
7.
Правила
устройства
электроустановок
.
8.
Леонов
В
.
М
.,
Пешков
И
.
Б
.,
Рязанов
И
.
Б
.,
Холодный
С
.
Д
.
Основы
кабельной
техники
.
М
.:
Издательский
центр
«
Академия
», 2006.
9.
ГОСТ
Р
МЭК
60287-2-1-2009.
Кабели
электрические
.
Расчет
номинальной
токовой
нагрузки
.
Часть
2.1.
Тепловое
сопротивление
.
Расчет
теплового
сопротив
-
ления
.
REFERENCES
1. STO 56947007-29.060.20.071-2011. 110-550 kV power
cables. Production requirements. Rules and regulations.
Moscow, "FGC UES" PJSC Publ., 2011. 126 p. (in Russian)
2. IEC 61443:1999. Short-circuit temperature limits of electric
cables with rated voltages above 30 kV (
U
m
= 36 kV). IEC
Publ., 1999. 20 p.
3. Dmitriev M.V. 6–500 kV cable lines. Thermal calculation
under short circuit conditions. Novosti ElektroTekhniki
[Electrical engineering news], 2014, no. 5(89). (in Russian)
4. Dmitriev M.V. 6–500 kV single-phase cable screens.
Cable cross-section selection considering aperiodic
current component. Novosti ElektroTekhniki [Electrical
engineering news], 2014, no. 4(88). (in Russian)
5. Dmitriev M.V. Zazemlenie ekranov odnofaznykh silovykh
kabeley [Grounding of single-phase power cable screens].
SPb., Polytechnic University Publ., 2010. 154 p.
6. 2013 "Sevkabel" group product catalogue. 110-220 kV
cables. (in Russian, unpublished)
7. Electrical installation code.
8. Leonov V.M., Peshkov I.B., Ryazanov I.B., Kholodnyy S.D.
Basics of cable engineering. Moscow, "Academy" Publ.,
2006. 432 p.
9. State Standard IEC 60287-2-1:1994. Electric cables.
Calculation of the current rating. Part 2.1. Thermal
resistance. Calculation of thermal resistance. Moscow,
Standartinform Publ., 2009. 34 p. (in Russian)
Оригинал статьи: Особенности выбора кабелей 110–500 кВ для кабельных и кабельно-воздушных линий
Кабельно-воздушные линии (КВЛ) 110–500 кВ имеют ряд специфических особенностей по сравнению с чисто кабельными линиями. К особенностям таких линий относится применение на них устройств автоматического повторного включения. Повторное включение на короткое замыкание (КЗ) увеличивает тепловую нагрузку на материалы кабельной вставки особенно, если короткое замыкание произошло в пределах кабельного участка. Поэтому в некоторых странах на КВЛ применяются специальные селективные устройства, разрешающие АПВ при КЗ на воздушном участке и запрещающие АПВ при КЗ в кабеле. Рассмотрены тепловые режимы кабелей 110–500 кВ на таких линиях в аварийных режимах с учетом дополнительного теплового воздействия от токов КЗ при АПВ и наличии апериодической составляющей в отключаемом токе. Показана необходимость учета теплового воздействия перечисленных факторов при выборе кабелей в процессе проектирования. Показаны возможные последствия воздействия на кабель токов КЗ различной величины и длительности на КВЛ с устройствами селективного запрета АПВ и без таковых.
