78
Переходный резонанс
в схемах с кабелями 6–500 кВ
УДК
621.315.21
Дмитриев
М
.
В
.,
к
.
т
.
н
.,
доцент
Санкт
-
Петербургского
политехнического
университета
С
годами
в
сетях
классов
6–500
кВ
появляется
все
больше
кабелей
с
изо
-
ляцией
из
сшитого
по
-
лиэтилена
(
СПЭ
).
В
частности
,
их
применяют
для
ремонта
аварий
-
ных
участков
старых
кабелей
с
бу
-
мажно
-
масляной
изоляцией
и
для
перевода
в
кабель
отдельных
участков
воздушных
линий
,
также
и
для
питания
трансформаторов
.
Волновые
параметры
новых
ка
-
белей
отличаются
от
параметров
старых
,
и
еще
сильнее
они
отли
-
чаются
от
параметров
воздушных
линий
и
силовых
трансформато
-
ров
.
В
результате
этого
в
сетях
ста
-
новится
все
больше
объектов
,
для
которых
следует
ожидать
возник
-
новения
сложных
многочастотных
переходных
процессов
,
сопрово
-
ждаемых
опасными
перенапряже
-
ниями
.
Данная
статья
не
является
за
-
конченным
исследованием
,
бази
-
рующимся
на
результатах
подроб
-
ного
компьютерного
моделирова
-
ния
.
Здесь
высказываются
всего
лишь
гипотезы
,
однако
они
могли
бы
быть
положены
в
основу
целой
научной
работы
,
в
ходе
которой
,
возможно
,
удалось
бы
достоверно
объяснить
ряд
уже
случившихся
повреждений
изоляции
и
предот
-
вратить
новые
.
ВВЕДЕНИЕ
В
[1]
отмечалось
,
что
погонная
емкость
современных
кабелей
до
нескольких
раз
может
превышать
таковую
для
старых
кабелей
с
бу
-
мажно
-
масляной
изоляцией
,
так
-
же
новые
линии
нередко
строятся
большой
длины
и
/
или
содержат
по
несколько
кабелей
на
каждую
фазу
.
Как
следствие
,
емкость
КЛ
оказывается
значительной
.
Один
из
примеров
негативных
последствий
большой
емкости
дан
в
статье
[2],
где
рассматри
-
вался
случай
,
когда
в
момент
подключения
к
сборным
шинам
(
СШ
)
кабельной
линии
проис
-
ходили
повреждения
витковой
изоляции
обмоток
питающего
трансформатора
,
соединенных
в
треугольник
(
рисунок
1).
Схе
-
ма
была
такова
,
что
КЛ
имела
емкость
,
в
разы
большую
сум
-
марной
емкости
других
линий
и
оборудования
,
и
из
-
за
этого
коммутация
включения
КЛ
по
сути
вызывала
трехфазное
ко
-
роткое
замыкание
на
выводах
трансформатора
с
соответству
-
ющим
скачкообразным
срезом
напряжения
почти
до
нулевых
значений
и
его
восстановлением
в
ходе
интенсивного
переходно
-
го
процесса
,
сопровождавшего
-
ся
перенапряжениями
.
В
статье
анализируется
влияние
нового
поколения
кабельных
линий
на
переходные
процессы
в
электри
-
ческих
сетях
,
показывается
,
что
современные
кабели
с
изоляцией
из
сшитого
полиэтилена
имеют
малые
волно
-
вые
сопротивления
.
Это
обстоятельство
в
схемах
,
содер
-
жащих
воздушные
линии
или
силовые
трансформаторы
,
способно
приводить
к
возникновению
интенсивных
пере
-
ходных
процессов
,
сопровождаемых
перенапряжениями
,
опасными
для
изоляции
оборудования
.
Ключевые
слова
:
кабельная
линия
,
кабель
с
изоляцией
из
сшитого
полиэтилена
,
волновое
сопротивление
кабеля
,
переходные
процессы
,
грозовые
перенапряжения
,
коммутационные
перенапряжения
Keywords:
power cable, XLPE cable, cable
surge impedance, transient
processes, lightning overvoltage,
switching overvoltage
Т
КЛ
СШ
Сеть
t
k
Рис
. 1.
Пример
схемы
,
где
трансформатор
питает
отходящую
КЛ
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
79
t
k
КЛ -1
КЛ -2
а)
КЛ
ВЛ
б)
t
k
Т
КЛ
t
k
в)
Сеть
Сеть
Сеть
Рис
. 2.
Примеры
схем
с
кабельными
линиями
и
кабельными
вставками
Рис
. 4.
Напряжение
на
конце
линии
при
ее
включении
(
схема
рисунка
3)
Другое
негативное
проявле
-
ние
большой
погонной
емкости
заключается
в
том
,
что
у
совре
-
менных
кабелей
очень
маленькое
волновое
сопротивление
,
уровня
10–30
Ом
,
а
прокладка
несколь
-
ких
кабелей
на
фазу
еще
сильнее
его
снижает
.
Неприятные
послед
-
ствия
малого
Z
,
как
ожидается
,
могут
возникать
в
схемах
,
где
на
-
пряжение
через
такую
КЛ
подает
-
ся
на
элементы
сети
с
более
вы
-
соким
Z
,
например
:
–
на
старую
кабельную
линию
(
рисунок
2
а
),
–
на
воздушную
линию
(
рису
-
нок
2
б
),
–
на
трансформатор
(
рисунок
2
в
).
0
5
10
15
20
25
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
t
, мс
T
1
u
1
(
t
)
, о.е.
Рассмотрим
указанные
случаи
подробнее
и
сформулируем
при
-
чины
опасений
.
ВОЛНОВЫЕ
ПАРАМЕТРЫ
КАБЕЛЯ
Как
правило
,
говоря
о
параме
-
трах
линии
,
имеют
в
виду
ее
погонную
емкость
и
индуктив
-
ность
.
Однако
существует
целая
серия
задач
,
когда
линию
пред
-
ставляют
не
сосредоточенными
параметрами
,
а
иначе
—
при
по
-
мощи
волнового
сопротивления
Z
и
скорости
распространения
волны
.
Одна
из
подобных
за
-
дач
—
это
исследование
пере
-
ходных
процессов
при
вклю
-
чении
под
напряжение
линии
длиной
l
(
рисунок
3).
На
рисунке
4
дана
осцилло
-
грамма
напряжения
в
конце
ли
-
нии
при
ее
включении
вблизи
от
максимума
синусоиды
фазного
напряжения
сети
.
В
момент
вклю
-
чения
в
линию
уходит
волна
на
-
пряжения
,
величина
которой
рав
-
на
амплитуде
напряжения
сети
,
а
фронт
имеет
прямоугольную
форму
.
Далее
эта
волна
распро
-
страняется
из
начала
линии
в
ее
конец
и
обратно
,
претерпевает
серию
отражений
и
постепенно
затухает
в
силу
влияния
потерь
.
В
результате
напряжение
в
кон
-
це
линии
получается
в
виде
за
-
тухающих
колебаний
П
-
образной
формы
.
Скорость
волны
при
ее
рас
-
пространении
вдоль
линии
может
быть
оценена
как
=
0
/
√
,
где
0
—
скорость
электромагнит
-
ной
волны
в
вакууме
(300
м
/
мкс
или
3·10
8
м
/
с
),
—
относитель
-
ная
диэлектрическая
проница
-
емость
изоляции
линии
(
для
воздуха
это
1,0
о
.
е
.,
для
полиэти
-
лена
— 2,4
о
.
е
.).
Таким
образом
,
для
воздушной
линии
скорость
составляет
300
м
/
мкс
,
а
для
ка
-
бельной
в
полтора
раза
мень
-
ше
—
около
200
м
/
мкс
.
Период
колебаний
напряжения
в
конце
линии
T
может
быть
рас
-
считан
как
4
времени
пробега
волны
из
ее
начала
в
конец
T
= 4 ·
= 4 · (
l
/
).
Связь
волн
напряжения
и
то
-
ка
,
которые
уходят
в
линию
в
момент
подачи
на
нее
напря
-
жения
,
определяется
волновым
сопротивлением
линии
Z
.
Его
величина
для
современных
КЛ
представлена
на
рисунке
5 (
по
материалам
каталога
АВВ
).
Так
-
же
волновое
сопротивление
за
-
частую
известно
как
Z
=
√
L
*
/
C
*
,
где
L
*
и
C
*
—
погонные
индуктив
-
ность
и
емкость
линии
.
Из
рисунка
5
видно
,
что
волно
-
вое
сопротивление
современных
кабельных
линий
может
варьи
-
роваться
в
широком
диапазоне
значений
от
5
до
40
Ом
.
Если
го
-
ворить
о
наиболее
распростра
-
ненных
сечениях
жилы
,
то
:
–
на
6–35
кВ
имеем
Z
≈
10 ÷ 15
Ом
–
на
110
кВ
имеем
Z
≈
15 ÷ 20
Ом
;
Рис
. 3.
Включение
под
напряжение
линии
длиной
l
t
k
e
(
t
)
u
1
(
t
)
Z
1
,
υ
1
,
l
1
№
1 (40) 2017
80
–
на
220–500
кВ
имеем
Z
≈
20 ÷ 30
Ом
.
Указанные
сопротивления
характерны
для
двустороннего
заземления
экранов
.
При
одно
-
стороннем
заземлении
экранов
или
их
транспозиции
поведение
кабелей
иное
,
нежели
это
пока
-
зано
на
рисунке
4.
Например
,
при
одностороннем
заземлении
про
-
цессы
зависят
от
того
,
включает
-
ся
ли
линия
под
напряжение
с
той
стороны
,
где
экран
заземлен
,
или
с
той
стороны
,
где
экран
раз
-
землен
.
Если
говорить
о
кабелях
с
транспозицией
экранов
,
то
здесь
процессы
еще
сложнее
,
поскольку
помимо
концов
линии
отражения
волн
происходят
и
в
промежуточ
-
ных
точках
трассы
,
а
их
характер
зависит
от
того
,
какие
волны
рас
-
пространяются
не
только
по
рас
-
сматриваемой
фазе
линии
,
но
и
по
двум
соседним
.
Однако
не
будем
детализировать
,
а
сосредо
-
точимся
на
главном
—
на
явлении
переходного
резонанса
.
УСЛОВИЯ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ
РЕЗОНАНСА
При
включении
незаряженной
линии
напряжение
в
ее
конце
не
превысит
двух
амплитуд
фазно
-
го
напряжения
сети
(
рисунок
4).
Импульсные
перенапряжения
кратности
1,5–2,0
о
.
е
.
не
пред
-
ставляют
опасности
для
изоляции
исправного
оборудования
.
Одна
-
ко
уровень
перенапряжений
мо
-
жет
существенно
возрасти
,
если
коммутируется
цепочка
из
двух
последовательно
расположенных
линий
(
рисунок
6
а
).
При
включении
под
напряже
-
ние
двух
последовательно
рас
-
положенных
линий
в
месте
сопря
-
жения
участков
,
имеющих
Z
1
≠
Z
2
,
возникают
процессы
преломле
-
ния
и
отражения
волн
.
Наиболее
интенсивные
процессы
характер
-
ны
при
существенном
отличии
волновых
сопротивлений
(
Z
1
<<
Z
2
или
Z
1
>>
Z
2
).
Однако
интересен
только
лишь
случай
Z
1
<<
Z
2
,
когда
волна
,
преломляясь
при
переходе
из
1-
й
линии
во
2-
ю
,
возрастает
по
величине
,
становясь
опаснее
для
изоляции
оборудования
.
Ситуация
,
когда
Z
1
<<
Z
2
,
при
-
мечательна
еще
и
тем
,
что
пере
-
ход
волн
из
1-
й
линии
во
2-
ю
почти
не
сопровождается
их
отражени
-
ем
назад
в
1-
ю
линию
.
Если
же
волна
дошла
до
конца
цепочки
линий
,
отразилась
и
вернулась
в
переходной
пункт
уже
со
сторо
-
ны
2-
й
линии
,
то
она
отражается
назад
во
2-
ю
линию
,
не
вызывая
преломлений
в
1-
ю
линию
.
Таким
образом
,
условие
Z
1
<<
Z
2
гаран
-
тирует
,
что
1-
я
линия
нагнетает
опасное
напряжение
во
2-
й
линии
,
однако
при
этом
2-
я
линия
никак
не
способна
влиять
на
процессы
в
1-
й
линии
.
Следовательно
, 1-
ю
линию
допустимо
рассматривать
как
источник
напряжения
,
воздей
-
ствующего
на
2-
ю
линию
(
рису
-
нок
6
б
).
В
схеме
рисунка
6
б
напряже
-
ние
источника
имеет
периодиче
-
скую
форму
сигнала
П
-
образной
формы
с
периодом
колебаний
T
1
и
частотой
f
1
= 1/
T
1
.
Если
говорить
о
2-
й
линии
,
то
здесь
колебания
напряжения
также
имеют
форму
П
-
образных
импульсов
с
перио
-
дом
T
2
и
частотой
f
2
= 1/
T
2
.
Известно
,
что
в
случае
f
1
=
f
2
,
когда
совпадают
частоты
вынуж
-
дающей
силы
источника
и
соб
-
ственных
колебаний
линии
,
в
схе
-
мах
вида
рисунка
6
б
на
конце
линии
возникает
резонансное
по
-
вышение
напряжения
.
Например
,
частным
случаем
здесь
можно
считать
достаточно
хорошо
из
-
ученный
емкостный
эффект
даль
-
них
линий
электропередачи
,
когда
при
увеличении
длины
односто
-
ронне
питаемых
ВЛ
330–750
кВ
в
их
конце
возрастает
напряже
-
ние
,
достигая
при
длине
1500
км
опаснейших
значений
,
поскольку
собственная
частота
колебаний
ВЛ
близка
сетевым
50
Гц
.
Итак
,
путем
несложных
рас
-
суждений
удалось
показать
,
что
в
схемах
с
двумя
последователь
-
но
включенными
линиями
услови
-
ем
для
возникновения
резонанс
-
ных
перенапряжений
является
:
–
существенное
отличие
волно
-
вых
сопротивлений
Z
1
<<
Z
2
;
–
совпадение
частот
f
1
=
f
2
(
пери
-
одов
T
1
=
T
2
,
времени
пробега
1
=
2
).
10 к В
Z
, Ом
F
Ж
, мм
2
20 к В
35 к В
110 к В
150 к В
220 к В
330 к В
500 к В
Рис
. 5.
Волновые
сопротивления
КЛ
6–500
кВ
с
двусторонним
заземлением
экранов
в
зависимости
от
сечения
жилы
F
Ж
а)
б)
t
k
e
(
t
)
u
1
(
t
)
Z
1
,
υ
1
,
l
1
u
1
(
t
)
Z
2
,
υ
2
,
l
2
Z
2
,
υ
2
,
l
2
u
2
(
t
)
u
2
(
t
)
Рис
. 6.
Включение
под
напряжение
цепочки
из
двух
последовательно
распо
-
ложенных
линий
(
а
)
и
эквивалентная
схема
(
б
)
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
81
Примеры
расчетов
напряже
-
ния
в
конце
линии
представле
-
ны
на
рисунке
7.
Видно
,
что
чем
сильнее
различаются
волновые
сопротивления
линий
при
условии
равенства
периодов
,
тем
опаснее
могут
быть
перенапряжения
.
На
данном
этапе
пока
не
будем
учи
-
тывать
действие
ограничителей
перенапряжений
ОПН
.
Двухчастотные
контуры
рас
-
сматривались
и
ранее
,
напри
-
мер
,
в
одной
из
глав
научной
ра
-
боты
[3],
однако
там
речь
шла
об
элементах
сети
с
сосредоточен
-
ными
индуктивностью
и
емкостью
,
а
вовсе
не
о
линиях
с
распреде
-
ленными
параметрами
,
ха
рак
-
теризующимися
тем
или
иным
временем
пробега
волны
.
Также
в
[3]
не
было
дано
какого
-
то
про
-
стого
объяснения
сущности
на
-
блюдаемого
явления
.
Схема
рисунка
6
и
резонансное
повышение
напряжения
в
конце
линии
позволяют
предположить
,
по
какой
причине
и
при
каких
ус
-
ловиях
в
сетях
с
современными
кабелями
может
повреждаться
оборудование
.
Если
волновое
со
-
противление
кабеля
с
изоляцией
из
СПЭ
составляет
всего
не
более
30
Ом
,
то
у
воздушной
линии
—
уже
на
порядок
выше
,
у
трансфор
-
матора
—
на
2–3
порядка
выше
.
Именно
в
схемах
вида
рисунка
2
б
и
рисунка
2
в
,
когда
через
кабель
с
малым
волновым
сопротивлени
-
ем
питание
подается
на
элемент
сети
с
большим
волновым
сопро
-
тивлением
,
могут
выполняться
обозначенные
выше
условия
ре
-
зонанса
.
Особую
опасность
представ
-
ляют
случаи
T
1
≈
T
2
(
1
=
2
),
ха
-
рактерные
для
схем
,
где
длина
кабельного
участка
оказывается
одного
порядка
с
длиной
воздуш
-
ного
,
или
же
с
длиной
обмотки
трансформатора
.
КАБЕЛЬНО
-
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
Для
кабельно
-
воздушных
линий
в
настоящее
время
имеется
це
-
лый
комплекс
проблемных
вопро
-
сов
,
среди
которых
:
–
требования
к
составу
обору
-
дования
переходных
пунктов
(
ПП
);
–
требования
к
сопротивлению
заземления
ПП
;
–
организация
автоматического
повторного
включения
(
АПВ
);
–
организация
защиты
от
грозо
-
вых
перенапряжений
.
Оптимальный
состав
оборудо
-
вания
ПП
,
то
есть
необходимость
установки
на
ПП
разъединителей
и
измерительных
трансформато
-
ров
,
является
проблемой
,
которая
не
нашла
пока
еще
единого
реше
-
ния
.
Также
и
требования
к
зазем
-
лению
ПП
.
Предложения
по
АПВ
были
высказаны
в
[4]
и
заключались
в
оснащении
мест
заземления
экранов
кабелей
специальными
измерительными
трансформато
-
рами
тока
,
позволяющими
в
слу
-
чае
повреждения
на
кабельном
участке
сформировать
команду
на
запрет
АПВ
.
Соображения
по
защите
от
перенапряжений
были
высказа
-
ны
в
статье
[5],
где
полагалось
,
что
основную
опасность
пред
-
ставляют
не
коммутационные
,
а
грозовые
процессы
.
В
частно
-
сти
,
в
[5]
отмечена
ошибочность
положений
ПУЭ
,
разрешающих
не
ставить
ограничители
перенапря
-
жений
(
ОПН
)
по
концам
кабель
-
ных
вставок
длиной
более
1,5
км
.
Отсутствие
указанных
ОПН
уже
привело
к
значительному
ущербу
на
ряде
объектов
,
и
поэтому
,
без
-
условно
,
на
всех
переходных
пун
-
ктах
вне
зависимости
от
длины
кабельной
линии
следует
разме
-
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
5,4
5,5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
5,4
5,5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
5,4
5,5
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
5,4
5,5
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
а)
б)
в)
г)
t
, мс
t
, мс
t
, мс
t
, мс
Z
2
=
Z
1
Z
2
= 10
Z
1
Z
2
= 100
Z
1
Z
2
= 1000
Z
1
T
2
=
T
1
T
2
=
T
1
T
2
=
T
1
T
2
=
T
1
u
2
(
t
)
, о.е.
u
2
(
t
)
, о.е.
u
2
(
t
)
, о.е.
u
2
(
t
)
, о.е.
Рис
. 7.
Напряжение
на
конце
цепочки
из
двух
линий
при
ее
включении
(
схема
рисунка
6)
в
зависимости
от
соотношения
волновых
сопротивлений
Z
1
и
Z
2
№
1 (40) 2017
82
щать
ОПН
( #1
на
рисунке
8
а
).
Так
-
же
по
[5]
ОПН
нужны
и
на
входе
КЛ
в
распределительное
устрой
-
ство
(#2
на
рисунке
8
а
).
Новые
исследования
дали
ос
-
нования
полагать
,
что
для
кабель
-
но
-
воздушных
линий
серьезную
опасность
могут
представлять
не
только
грозовые
,
но
даже
и
ком
-
мутационные
перенапряжения
,
а
именно
—
рассмотренное
явле
-
ние
переходного
резонанса
.
Для
борьбы
с
этими
перенапряжени
-
ями
,
которые
при
коммутациях
могут
возникать
в
конце
воздуш
-
ной
линии
,
на
ее
входе
в
распре
-
делительное
устройство
должны
быть
установлены
ОПН
(
см
. #3
на
рисунке
8
а
).
Такие
ОПН
весьма
полезны
и
для
защиты
изоляции
распределительного
устройства
от
набегающих
с
линии
грозовых
волн
,
но
,
увы
,
зачастую
ОПН
от
-
сутствуют
.
Если
этих
ОПН
дей
-
ствительно
нет
,
то
снизить
воз
-
действия
на
оборудование
можно
,
если
подавать
напряжение
на
ли
-
нию
не
со
стороны
ее
кабельного
участка
,
а
со
стороны
воздушного
(
уровни
грозовых
перенапряже
-
ний
не
изменятся
,
но
переходный
резонанс
будет
исключен
).
Только
наличие
комплектов
ОПН
на
всех
ПП
,
а
также
на
всех
входах
КЛ
и
ВЛ
в
распределитель
-
ные
устройства
,
полностью
защи
-
тит
кабельно
-
воздушные
линии
от
перенапряжений
как
грозовых
,
так
и
коммутационных
(
в
том
числе
от
переходного
резонанса
).
СИЛОВЫЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Считается
,
что
волновым
сопро
-
тивлением
можно
характери
-
зовать
лишь
те
линии
,
которые
расположены
вдоль
поверхности
земли
(
или
заземленного
экрана
),
поскольку
в
таком
случае
погон
-
ные
параметры
,
такие
как
индук
-
тивность
и
емкость
,
неизменны
вдоль
трассы
линии
.
Однако
,
на
-
пример
,
в
мировой
литературе
волновое
сопротивление
вводят
и
для
опор
ВЛ
,
хотя
они
перпенди
-
кулярны
земле
,
и
емкость
на
зем
-
лю
существенно
различается
для
верхних
и
нижних
элементов
опо
-
ры
.
Также
,
волновое
сопротивле
-
ние
вводится
и
для
канала
молнии
на
участке
между
облаком
и
зем
-
лей
,
и
даже
для
обмоток
силового
трансформатора
.
Использование
волновой
модели
обмоток
транс
-
форматора
отчасти
спорно
,
одна
-
ко
позволяет
сделать
новые
пред
-
положения
о
возможных
причинах
повреждения
изоляции
,
что
может
оказаться
полезно
,
поскольку
со
-
гласно
[6]
многие
аварии
до
сих
пор
не
нашли
объяснения
.
Если
рассматривать
обмотку
трансформатора
как
линию
с
рас
-
пределенными
параметрами
,
то
ее
волновое
сопротивление
мож
-
но
оценить
в
тысячи
Ом
,
скорость
распространения
волны
—
на
уровне
150–200
м
/
мкс
(
и
для
об
-
моток
в
масле
,
и
для
сухих
транс
-
форматоров
).
Длина
обмоток
трансформаторов
может
дости
-
гать
сразу
нескольких
километров
,
как
и
длина
кабельных
линий
.
Волновые
сопротивления
ка
-
беля
и
обмотки
трансформатора
гораздо
лучше
отвечают
условию
резонанса
Z
1
<<
Z
2
,
нежели
это
было
для
кабеля
и
воздушной
ли
-
нии
.
Также
и
второе
условие
резо
-
нанса
T
1
=
T
2
чаще
всего
выполни
-
мо
именно
для
кабелей
и
обмоток
трансформаторов
,
поскольку
ско
-
рости
волн
и
длины
у
них
могут
быть
сопоставимы
(
тогда
как
дли
-
на
воздушной
линии
,
как
правило
,
в
разы
больше
длины
кабельных
участков
).
Таким
образом
,
самых
опасных
последствий
от
явле
-
ния
переходного
резонанса
сле
-
дует
ждать
для
схем
с
кабелями
и
трансформаторами
,
а
вовсе
не
для
кабельно
-
воздушных
линий
.
При
включении
силового
транс
-
форматора
под
напряжение
через
кабельную
линию
(
схема
рисун
-
ка
2
в
)
процессы
в
нем
будут
зави
-
сеть
от
схемы
соединения
обмоток
(
звезда
,
треугольник
),
а
также
от
состояния
нейтрали
трансфор
-
матора
:
–
при
соединении
обмоток
в
звез
-
ду
с
незаземленным
выводом
нейтрали
наиболее
опасные
перенапряжения
возникают
вблизи
от
нейтрали
обмотки
,
достигая
максимальных
зна
-
чений
при
условии
T
1
=
T
2
(
при
1
≈
2
кабель
и
обмотка
равной
длины
);
–
при
соединении
обмоток
в
звезду
с
заземленным
выво
-
дом
нейтрали
или
при
соеди
-
нении
в
треугольник
наиболее
опасные
перенапряжения
воз
-
никают
в
средней
части
обмот
-
ки
,
достигая
максимальных
значений
при
условии
T
1
=
T
2
/2
(
при
1
≈
2
кабель
в
2
раза
короче
обмотки
).
Например
,
если
обмотка
транс
-
форматора
имеет
длину
2000
м
и
соединена
в
звезду
с
незазем
-
ленной
нейтралью
,
то
опасным
будет
ее
включение
под
напря
-
жение
через
кабель
длиной
око
-
ло
2000
м
,
а
если
нейтраль
за
-
землена
,
то
опасной
было
бы
включение
через
кабель
длиной
около
1000
м
.
Автору
известно
сразу
несколько
случаев
пробоя
изоляции
соединенных
в
звезду
обмоток
в
момент
их
включения
на
сетевое
напряжение
через
ка
-
бели
с
изоляцией
из
сшитого
по
-
лиэтилена
.
Среди
них
:
–
обмотки
6–35
кВ
сухих
транс
-
форматоров
без
заземления
нейтрали
при
длинах
кабелей
6–35
кВ
в
диапазоне
1000–
2000
м
;
–
обмотки
500
кВ
блочных
транс
-
форматоров
с
заземленной
нейтралью
на
ГЭС
и
АЭС
в
Рос
-
сии
и
Китае
при
длинах
кабелей
500
кВ
в
диапазоне
500–1000
м
(
ряд
аварий
был
и
когда
вместо
кабеля
применялся
элегазо
-
вый
токопровод
500
кВ
,
также
обладающий
малым
волновым
сопротивлением
).
Дополнительно
поясним
,
что
принципиальными
являются
схе
-
ма
соединения
обмоток
(
звезда
ВЛ
КЛ
а)
Т
КЛ
б)
#2
#1
#3
#4
#5
#6
ПП
t
k
t
k
Сеть
Сеть
Рис
. 8.
Схемы
защиты
кабельно
-
воздушных
линий
(
а
)
и
трансформаторов
(
б
)
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
83
или
треугольник
)
конкретного
трансформатора
и
состояние
вы
-
вода
его
нейтрали
(
заземлена
или
не
заземлена
).
При
этом
способ
заземления
нейтрали
сети
(
изоли
-
рованная
,
разземляемая
,
зазем
-
ленная
)
и
класс
напряжения
обмо
-
ток
(6–35
кВ
, 110
кВ
, 220–500
кВ
)
здесь
не
имеют
особого
значения
.
Также
отметим
,
что
для
неза
-
земленной
нейтрали
трансформа
-
тора
напряжение
в
ней
отсутству
-
ет
,
когда
три
фазы
выключателя
(
рисунок
8
б
)
работают
синхронно
.
Если
же
одна
из
фаз
в
силу
име
-
ющегося
разброса
включается
чуть
раньше
двух
других
(
скажем
,
раньше
всего
на
0,1
мс
),
то
этого
уже
достаточно
,
чтобы
в
незазем
-
ленной
нейтрали
трансформато
-
ра
за
это
время
успели
развиться
опасные
перенапряжения
и
вы
-
звать
повреждения
изоляции
.
Если
для
защиты
кабельно
-
воз
-
душных
линий
достаточно
было
разместить
в
необходимых
местах
комплекты
ОПН
,
то
с
трансфор
-
маторами
в
кабельных
сетях
так
поступить
получается
не
всегда
.
Например
,
ОПН
на
вводах
транс
-
форматора
(#4
на
рисунке
8
б
)
не
повлияет
на
перенапряжения
пе
-
реходного
резонанса
в
середине
обмотки
или
вблизи
от
нейтрали
.
Или
при
разземленной
нейтрали
не
всегда
можно
установить
в
нее
ОПН
(#5
на
рисунке
8
б
),
так
как
она
не
каждый
раз
выводится
на
корпус
трансформатора
.
В
названных
случаях
,
когда
применение
ОПН
невозможно
,
следует
избегать
схем
коммута
-
ции
трансформатора
через
ка
-
бель
опасной
длины
.
Также
здесь
можно
предложить
устанавли
-
вать
на
выводах
трансформато
-
ра
специальные
RC-
цепи
(#6
на
рисунке
8
б
),
сопротивление
кото
-
рых
близко
волновому
сопротив
-
лению
кабеля
,
однако
конечно
речь
может
идти
только
о
сетях
6–20
кВ
,
где
габариты
таких
це
-
пей
еще
разумны
.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Моделирование
переходных
про
-
цессов
в
линиях
и
трансформа
-
торах
—
весьма
сложная
задача
,
которой
посвящены
многие
обсто
-
ятельные
исследования
.
Не
ста
-
вя
под
сомнение
их
результаты
,
в
статье
предложен
доступный
для
понимания
простой
меха
-
низм
,
который
позволяет
предпо
-
ложить
,
по
какой
причине
в
сетях
с
кабелями
нового
поколения
воз
-
можны
повреждения
различного
оборудования
.
1.
Современные
кабели
с
изоля
-
цией
из
сшитого
полиэтилена
классов
6–500
кВ
имеют
повы
-
шенную
емкость
и
сниженное
волновое
сопротивление
.
2.
По
причине
малого
волнового
сопротивления
данные
кабели
при
коммутациях
вместе
с
воз
-
душными
линиями
или
силовы
-
ми
трансформаторами
могут
оказаться
склонны
к
провоци
-
рованию
такого
явления
,
как
переходный
резонанс
.
3.
Опасность
переходного
резо
-
нанса
в
кабельно
-
воздушных
линиях
исключается
путем
размещения
защитных
ОПН
на
вводе
ВЛ
в
распредели
-
тельное
устройство
.
Что
ка
-
сается
ОПН
по
концам
ка
-
бельного
участка
,
то
их
тоже
надо
устанавливать
,
но
уже
по
условиям
защиты
от
гро
-
зовых
перенапряжений
(
даже
если
вставка
очень
короткая
или
,
напротив
,
длиной
более
1,5
км
).
4.
Опасность
переходного
резо
-
нанса
в
схемах
питания
си
-
ловых
трансформаторов
про
-
является
в
случаях
,
когда
длина
кабельной
линии
близ
-
ка
к
0,5–1,0
от
длины
обмотки
трансформатора
.
Для
защиты
трансформаторов
можно
реко
-
мендовать
исключать
опасные
схемы
путем
рационального
выбора
центра
питания
и
дли
-
ны
кабеля
.
При
невозможно
-
сти
этого
рекомендуется
хотя
бы
что
-
то
из
следующего
:
–
размещать
в
нейтрали
(
если
выведена
,
но
не
заземлена
)
защитные
ОПН
;
–
устанавливать
на
фазных
выводах
RC-
цепи
;
–
осторожнее
выбирать
схе
-
му
соединения
обмоток
трансформатора
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Дмитриев
М
.
В
.
Заземление
нейтрали
в
ка
-
бельных
сетях
6–35
кВ
// «
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
:
передача
и
распределение
», 2016,
№
5(38).
С
. 76–81.
2.
Дмитриев
М
.
В
.
Повреждения
силовых
транс
-
форматоров
при
коммутациях
кабелей
6–35
кВ
// «
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
:
передача
и
распределе
-
ние
», 2016,
№
2(35).
С
. 86–91.
3.
Евдокунин
Г
.
А
.,
Титенков
С
.
С
.
Внутренние
пере
-
напряжения
в
сетях
6–35
кВ
//
Издательство
Тер
-
ция
, 2004. 188
с
.
4.
Дмитриев
М
.
В
.
АПВ
на
воздушно
-
кабельных
ли
-
ниях
// «
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
:
передача
и
распре
-
деление
», 2015,
№
1(28).
С
. 68–73.
5.
Дмитриев
М
.
В
.
Применение
ОПН
для
защиты
кабелей
6–500
кВ
//
Кабель
-news, 2014,
№
4.
С
. 14–19.
6.
Никонец
Л
.
А
.
и
др
.
Моделирование
электромаг
-
нитных
процессов
в
обмотках
трансформаторов
при
действии
на
них
перенапряжений
сети
//
Из
-
вестия
Томского
политехнического
университета
,
2015,
т
. 326,
№
4.
REFERENCES
1. Dmitriev M.V. Neutral grounding in 6–35 kV cable networks.
ELEKTROENERGIYa: peredacha i raspredelenie [ELECTRIC
POWER: Transmission and Distribution], 2016, no. 5(38), pp.
76–81. (in Russian)
2. Dmitriev M.V. Damage of power transformers when switching
of 6–35 kV cables. ELEKTROENERGIYa: peredacha i
raspredelenie [ELECTRIC POWER: Transmission and
Distribution], 2016, no. 2(35), pp. 86–91. (in Russian)
3. Evdokunin G.A., Titenkov S.S. Vnutrennie perenapryazheniya
v sety
akh 6–35 kV [Internal overvoltages in the 6–35 kV
networks]. St. Petersburg, Tertsiya Publ., 2004. 188 p.
4. Dmitriev M.V. Automatic reclosing on overhead-to-underground
transmission lines. ELEKTROENERGIYa: peredacha i
raspredelenie [ELECTRIC POWER: Transmission and
Distribution], 2015, no. 1(28), pp. 68–73. (in Russian)
5. Dmitriev M.V. Surge protection device application for 6–500 kV
cables protection. Kabel-news [Cable-news], 2014, no. 4, pp.
14–19. (in Russian)
6. L.A. Nikonec and others. Modeling of electromagnetic processes
in transformer windings caused by network overvoltage.
Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [News of
Tomsk Polytechnic University]. Tomsk, 2015, vol. 326, no. 4.
№
1 (40) 2017
Оригинал статьи: Переходный резонанс в схемах с кабелями 6–500 кВ
В статье анализируется влияние нового поколения кабельных линий на переходные процессы в электрических сетях, показывается, что современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют малые волновые сопротивления. Это обстоятельство в схемах, содержащих воздушные линии или силовые трансформаторы, способно приводить к возникновению интенсивных переходных процессов, сопровождаемых перенапряжениями, опасными для изоляции оборудования.
