Проверка экранов и оболочек КЛ 6–500 кВ

86

Проверка экранов 
и оболочек КЛ 6–500 кВ

УДК

 621.315.2

к

а

б

е

л

ь

н

ы

е

 л

и

н

и

и

кабельные линии

ВВЕДЕНИЕ

Для

кабельных

линий

  (

КЛ

), 

выполненных

однофаз

-

ными

кабелями

, 

согласно

СТО

 [1]: «7.3.8. 

Неравно

-

мерность

распределения

токов

по

жилам

и

экранам

кабелей

не

должна

превышать

 10%». 

Точно

такое

же

требование

есть

и

СТО

 [2]: «35.9. 

Неравномерность

распределения

токов

по

токопроводящим

жилам

и

оболочкам

  (

экранам

) 

кабелей

не

должна

быть

бо

-

лее

 10%».

Главная

причина

различия

токов

в

экранах

указа

-

на

в

самом

же

СТО

 [1]: «5.3. 

Неравномерность

рас

-

пределения

токов

в

экранах

может

быть

обусловлена

несимметрией

геометрического

взаимного

располо

-

жения

кабелей

». 

Хотя

причина

неравномерности

на

-

звана

верно

, 

авторы

стандартов

 [1] 

и

 [2] 

некорректно

оценили

ее

предельное

значение

, 

ограничившись

ве

-

личиной

 10%.

Опыт

измерений

на

действующих

КЛ

 6–500 

кВ

, 

а

также

опыт

моделирования

, 

говорят

о

том

, 

что

для

полностью

исправных

линий

, 

проложенных

в

соот

-

ветствии

с

действующими

нормами

, «

неравномер

-

ность

» 

может

достигать

 500%, 

не

представляя

при

этом

никакой

опасности

для

КЛ

. 

Столь

большие

раз

-

личия

токов

связаны

с

наличием

в

каждом

из

экранов

до

четырех

составляющих

токов

, 

имеющих

разную

природу

и

суммирующихся

друг

с

другом

сложным

образом

.

В

статье

токи

в

экранах

рассмотрены

для

самых

распространенных

способов

расположения

фаз

 (

ри

-

сунок

 1) 

и

схем

заземления

экранов

. 

Отметим

, 

что

все

расчеты

и

пояснения

даны

на

примере

одноцеп

-

ных

КЛ

, 

а

что

касается

двухцепных

КЛ

, 

то

для

них

выводы

сохранятся

, 

хотя

и

по

-

явятся

некоторые

особенности

Дмитриев

М

.

В

., 

к

.

т

.

н

., 

доцент

Санкт

-

Петербургского

политехнического

университета

Ключевые

слова

:

однофазный

кабель

, 

заземление

экранов

, 

токи

в

экранах

, 

испытания

кабеля

, 

ОПН

Keywords:

single-core cable, 
screen grounding, 
screen current, cable 
testing, surge arrester

Отечественные

нормативные

документы

предписывают

про

-

водить

испытания

линий

 6–500 

кВ

с

однофазными

кабелями

как

после

монтажа

, 

так

и

периодически

в

процессе

эксплуа

-

тации

. 

В

частности

, 

следует

проводить

измерения

токов

, 

наве

-

денных

в

экранах

, 

с

целью

их

сравнения

друг

с

другом

. 

Кроме

того

, 

надо

проверять

целостность

оболочки

путем

приложения

к

ней

постоянного

напряжения

 10 

кВ

на

время

 1 

мин

. 

В

статье

показано

, 

что

различие

токов

в

экранах

полностью

исправ

-

ной

кабельной

линии

может

быть

заметно

выше

порога

 10%, 

установленного

нормами

. 

Также

показано

, 

что

применение

в

схемах

заземления

экранов

специальных

ОПН

существенно

сокращает

время

подготовки

к

испытаниям

оболочки

напряже

-

нием

 10 

кВ

.

Рис

. 1. 

Основные

способы

прокладки

однофазных

кабелей

: 

а

) 

сомкнутым

треугольником

; 

б

) 

в

ряд

 (

в

плоскости

)

А

C

B

А

C

B

а

)

б

)

87

(

дополнительные

контуры

для

токов

нулевой

последовательности

 [3]). 

Также

обратим

внимание

, 

что

моделирование

КЛ

выполнялось

в

программе

 EMTP, 

из

-

вестной

во

всем

мире

.

СОСТАВЛЯЮЩИЕ

ТОКОВ

В

ЭКРАНАХ

В

общем

случае

токи

в

экранах

трех

фаз

КЛ

определяются

наложением

друг

на

друга

четырех

составляющих

, 

среди

которых

:

1) 

емкостный

ток

прямой

последова

-

тельности

;

2) 

индуктивный

ток

прямой

последова

-

тельности

;

3) 

индуктивный

ток

обратной

последо

-

вательности

;

4) 

индуктивный

ток

нулевой

последова

-

тельности

.

Емкостные

токи

в

экранах

есть

всегда

, 

когда

кабель

находится

под

рабо

-

чим

напряжением

сети

, 

в

том

числе

и

для

ненагруженных

 («

холостых

») 

кабелей

. 

Индуктивные

токи

в

экранах

появляются

толь

-

ко

для

кабелей

под

нагрузкой

. 

Даже

если

токи

в

жи

-

лах

образуют

тройку

токов

прямой

последователь

-

ности

, 

токи

в

экранах

могут

иметь

составляющие

не

только

прямой

последовательности

, 

но

еще

и

об

-

ратной

, 

и

нулевой

. 

Наличие

, 

величина

, 

соотношение

индуктивных

составляющих

прямой

, 

обратной

, 

нуле

-

вой

последовательностей

зависят

от

ряда

принципи

-

альных

факторов

, 

среди

которых

:

–

наличие

/

отсутствие

на

трассе

участков

с

несим

-

метричным

расположением

трех

фаз

друг

отно

-

сительно

друга

  (

когда

фазы

не

равносторонним

треугольником

);

–

схема

заземления

экранов

;

–

степень

  «

идеальности

» 

транспозиции

, 

если

при

-

менена

транспозиция

экранов

 [4];

–

наличие

/

отсутствие

транспозиции

самих

одно

-

фазных

кабелей

 [3];

–

сопротивление

заземления

экранов

по

концам

КЛ

и

то

, 

на

сколько

оно

больше

/ 

меньше

полного

продольного

активно

-

индук

-

тивного

сопротивления

экранов

.

Если

бы

токи

в

экранах

КЛ

являлись

лишь

токами

прямой

последовательно

-

сти

  (

емкостными

и

индуктивными

), 

то

измерения

этих

токов

, 

выполняемые

на

практике

после

монтажа

КЛ

и

в

процес

-

се

ее

эксплуатации

, 

показывали

бы

, 

что

токи

экранов

фаз

 «

А

», «

В

», «

С

» 

не

отли

-

чаются

друг

от

друга

 (

неравномерность

токов

 0%).

Поскольку

в

некоторых

случаях

в

экранах

КЛ

также

возникают

компо

-

ненты

обратной

и

нулевой

последова

-

тельностей

, 

то

токи

экранов

 «

А

», «

В

», 

«

С

» 

становятся

различной

величины

. 

Это

показано

на

рисунке

 2, 

где

к

току

экранов

прямой

последовательно

-

сти

I

ЭА

1

, 

I

Э

B1

, 

I

Э

C1

добавлены

токи

ну

-

левой

I

ЭА

0

, 

I

Э

B0

, 

I

Э

C0

, 

в

результате

чего

суммарные

токи

экранов

фаз

 «

А

», «

В

», «

С

» 

стали

заметно

от

-

личаться

.

В

схемах

без

транспозиции

экранов

каждый

из

них

на

протяжении

трассы

КЛ

принадлежит

одной

определенной

жиле

, 

и

поэтому

в

обозначении

экрана

корректно

использовать

буквы

 «

А

», «

В

», «

С

» . 

Если

же

сделана

транспозиция

экранов

, 

то

экран

переста

-

ет

принадлежать

какой

-

то

заданной

жиле

, 

а

пооче

-

редно

имеет

отношение

ко

всем

трем

. 

Следователь

-

но

, 

для

обозначения

экранов

лучше

использовать

, 

например

, 

цифры

 1, 2, 3 (

не

путать

с

последователь

-

ностями

), 

что

и

будем

делать

впредь

.

СХЕМЫ

БЕЗ

ТРАНСПОЗИЦИИ

ЭКРАНОВ

На

рисунке

 3 

приведены

простые

схемы

заземления

экранов

однофазных

кабелей

:

–

одностороннее

заземление

;

–

двустороннее

заземление

.

Рис

. 3. 

Простые

схемы

заземления

экранов

однофазных

кабелей

:

а

) 

заземление

с

одной

стороны

; 

б

) 

заземление

с

двух

сторон

Рис

. 2. 

Пример

токов

в

экранах

КЛ

: 

а

) 

составляющие

прямой

последова

-

тельности

; 

б

) 

составляющие

нулевой

последовательности

; 

в

) 

сумми

-

рование

составляющих

; 

г

) 

результирующие

токи

в

экранах

трех

фаз

жила А

жила В

жила С

экран 1

экран 2

экран 3

жила А

жила В

жила С

экран 1

экран 2

экран 3

а

)

б

)

I

ЭА1

I

ЭВ1

I

ЭС1

I

ЭА0

I

ЭВ0

I

ЭС0

w

 = 2

π

f

w

 = 2

π

f

I

ЭА

= I

ЭА1

+ I

ЭА0

I

ЭВ

= I

ЭВ1

+I

ЭВ0

I

ЭС

= I

ЭС1

+I

ЭС0

I

ЭА1

I

ЭВ1

I

ЭС1

I

ЭА0

I

ЭВ0

I

ЭС0

а

)

в

)

б

)

г

)

№

 6 (51) 2018

88

Одностороннее

заземление

При

одностороннем

заземлении

в

экранах

нет

индуктивных

токов

, 

поскольку

контур

, 

в

котором

они

могли

бы

наводиться

, 

разомкнут

. 

Следователь

-

но

, 

из

четырех

составляющих

в

схеме

рисунка

  3

а

остается

емкостный

ток

прямой

последовательно

-

сти

, 

обусловленный

приложением

к

изоляции

КЛ

рабочего

напряжения

, 

под

действием

которого

ток

с

жилы

стекает

в

экран

и

далее

, 

пройдя

вдоль

экра

-

на

, 

уходит

в

место

его

заземления

. 

Если

экран

КЛ

заземлен

в

одной

точке

 (

или

не

-

скольких

точках

), 

то

он

имеет

близкий

нулю

потен

-

циал

, 

и

за

его

пределами

отсутствует

электриче

-

ское

поле

. 

Поэтому

у

фаз

КЛ

нет

взаимной

емкости

, 

а

значит

вне

зависимости

от

вида

прокладки

КЛ

(

рисунок

 1) 

рабочие

емкости

фаз

одинаковы

и

опре

-

деляются

собственной

емкостью

  «

жила

-

экран

». 

Если

приложить

к

таким

емкостям

фаз

напряжение

сети

прямой

последовательности

, 

то

и

токи

в

жи

-

лах

, 

и

токи

в

экранах

также

будут

токами

прямой

последовательности

, 

то

есть

они

будут

лишены

«

неравномерности

».

Двусторонее

заземление

При

двустороннем

заземлении

в

экранах

кроме

емкостных

токов

появляются

также

и

индуктивные

(

индуктированные

) 

токи

. 

Индуктивные

токи

опреде

-

ляются

:

–

взаимной

индуктивностью

между

жилой

и

экра

-

ном

одной

и

той

же

фазы

КЛ

;

–

взаимной

индуктивностью

между

фазами

.

Для

случая

прокладки

трех

фаз

в

ряд

  (

рису

-

нок

  1

б

) 

взаимная

индуктивность

между

соседни

-

ми

фазами

 «

А

, 

В

» 

или

 «

В

, 

С

» 

оказывается

больше

, 

чем

между

крайними

  «

А

, 

С

». 

Это

приводит

к

тому

, 

что

индуктивные

токи

в

экранах

фаз

различаются

, 

а

значит

не

равны

друг

другу

и

полные

токи

экра

-

нов

, 

представляющие

собой

сумму

емкостной

и

ин

-

дуктивных

составляющих

, 

то

есть

возникает

  «

не

-

равномерность

».

Проведем

расчеты

токов

в

экранах

КЛ

 110 

кВ

, 

вы

-

полненной

однофазными

кабелями

 1000/240 

мм

2

с

медной

жилой

и

экраном

, 

длиной

 3  

км

. 

Погонная

емкость

фазы

КЛ

составляет

 0,25 

мкФ

/

км

, 

полная

емкость

 0,75 

мкФ

, 

емкостный

ток

 15 

А

. 

В

расчетах

положим

, 

что

КЛ

имеет

двустороннее

питание

, 

то

есть

подключена

к

сети

 110 

кВ

с

двух

сторон

, 

тогда

емкостный

ток

в

начале

и

конце

КЛ

будет

по

 7,5 

А

. 

Способ

прокладки

фаз

КЛ

 — 

или

сомкнутый

тре

-

угольник

 (

рисунок

 1

а

), 

или

ряд

 (

рисунок

 1

б

) 

с

рас

-

стоянием

 0,3 

м

между

осями

соседних

фаз

.

На

данном

этапе

положим

, 

что

схема

заземле

-

ния

экранов

отвечает

рисунку

  3

б

, 

но

позже

будут

рас

смот

рены

и

различные

варианты

транспозиции

экранов

. 

По

концам

КЛ

экраны

объединены

вместе

и

далее

соединены

с

контуром

заземления

, 

имею

-

щим

сопротивление

 0,5 

Ом

 — 

в

нем

будут

фикси

-

роваться

 (

при

наличии

) 

составляющие

нулевой

по

-

следовательности

 3

I

0

. 

На

рисунке

 4 

приведены

результаты

расчетов

токов

экранов

№

 1, 2, 3 

и

тока

в

жиле

I

Ж

 (

он

одинаков

в

трех

жилах

 «

А

», «

В

», «

С

») 

в

зависимости

от

пере

-

даваемой

по

КЛ

трехфазной

мощности

S

КЛ

. 

Опреде

-

ление

 «

неравномерности

» 

токов

в

экранах

следует

проводить

по

формуле

:



Э

 = (

I

Э

max

 / 

I

Э

min

 – 1) · 100%.

Из

рисунка

 4 

видно

, 

что

при

двустороннем

зазем

-

лении

в

экранах

КЛ

проходят

токи

уровня

I

Э

/

I

Ж

≈

 0,55 

для

треугольника

и

I

Э

/

I

Ж

≈

 0,83÷0,95 

для

ряда

 — 

эти

соотношения

можно

было

бы

получить

и

с

помощью

методики

 [4], 

хотя

, 

строго

говоря

, 

она

позволяет

вы

-

числять

только

лишь

индуктивную

составляющую

прямой

последовательности

. 

Также

из

рисунка

 4 

видно

, 

что

: 

–

для

треугольника

токи

в

экранах

№

 1, 2, 3 

одина

-

ковы

, «

неравномерность

» — 0%;

–

для

ряда

токи

в

экранах

№

 1, 2, 3 

различаются

, 

«

неравномерность

» — 15%;

–

для

треугольника

и

для

ряда

в

экранах

отсутству

-

ют

токи

 3

I

0

.

Для

прокладки

в

ряд

различие

токов

в

экранах

№

 1, 2, 3 

формально

означает

, 

что

кроме

индук

-

тивной

составляющей

прямой

последовательности

в

экранах

есть

также

индуктивная

составляющая

об

-

ратной

 (

а

вот

нулевой

, 

согласно

рисунку

 4, 

там

нет

).

Различие

токов

в

экранах

при

ряд

-

ном

расположении

кабелей

состав

-

ляет

 15%, 

превосходя

порог

в

 10%, 

установленный

нормами

 [1, 2]. 

Также

интересно

и

то

, 

что

наибольшее

раз

-

личие

достигается

не

между

экранами

крайних

фаз

 (

№

 1, 3) 

и

средней

фазой

(

№

 2), 

а

между

экранами

крайних

фаз

№

 1 

и

№

 3 — 

этот

эффект

уже

был

за

-

мечен

ранее

некоторыми

инженерами

при

теоретических

и

практических

ис

-

следованиях

. 

«

Неравномерность

» 

токов

в

экра

-

нах

, 

характерную

для

рядной

проклад

-

ки

фаз

, 

можно

существенно

снизить

, 

если

предусмотреть

для

КЛ

транс

-

позицию

однофазных

кабелей

 [3] (

не

следует

путать

с

транспозицией

экра

-

Рис

. 4. 

Токи

в

экранах

КЛ

 110 

кВ

при

их

двустороннем

заземлении

I

Ж

1,2

3

1,2,3

ряд

треуг.

3

I

0

ряд, треуг.

жила
экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов

I

Э

, 

А

0

1200

1000

800

600

400

200

0

50

100

150

200

250

S

КЛ

, 

МВА

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

89

нов

). 

Соответствующий

пример

предоставлен

заво

-

дом

 «

Таткабель

» 

и

показан

на

рисунке

 5.

Для

оценки

опасности

 «

неравномерности

» 

экран

-

ных

токов

рассмотрим

потери

. 

Соотношение

потерь

в

экране

P

Э

и

жиле

P

Ж

по

 [4] 

будет

равно

:

P

Э

/

P

Ж

 = (

I

Э

/

I

Ж

)

2

 · 

F

Ж

/

F

Э

,

где

F

Ж

и

F

Э

 — 

сечения

медных

жилы

и

экрана

. 

При

прокладке

треугольником

имеем

P

Э

/

P

Ж

 = 1,26; 

при

прокладке

в

ряд

имеем

P

Э

/

P

Ж

 = 2,87÷3,76 (

значение

3,76 — 

экран

№

 3).

Видно

, 

что

P

Э

больше

, 

чем

P

Ж

, 

то

есть

главным

источником

тепловыделения

в

КЛ

являются

экраны

. 

Также

видно

, 

что

потери

в

экране

№

 3 

заметно

пре

-

восходят

потери

в

экранах

№

 1, 2. 

Вместе

с

тем

, 

те

-

пловые

расчеты

, 

сделанные

в

специализированных

программах

, 

показывают

, 

что

при

про

-

кладке

трех

однофазных

кабелей

в

ряд

самая

высокая

температура

достига

-

ется

все

же

у

средней

фазы

, 

где

усло

-

вия

охлаждения

не

такие

хорошие

, 

как

у

двух

крайних

фаз

. 

Таким

образом

, 

по

-

вышенные

потери

экрана

одной

из

двух

крайних

фаз

КЛ

никак

не

ограничивают

пропускной

способности

КЛ

, 

определяе

-

мой

средней

фазой

.

ВИДЫ

ТРАНСПОЗИЦИИ

ЭКРАНОВ

Говоря

о

видах

транспозиции

экранов

, 

обычно

понимают

термины

 [4]:

–

идеальная

транспозиция

;

–

неидеальная

транспозиция

.

Идеальная

транспозиция

 — 

это

та

-

кая

, 

где

два

узла

транспозиции

делят

трассу

КЛ

на

три

участка

, 

а

напряжения

промышленной

частоты

, 

наведенные

продольно

на

экраны

на

этих

участках

, 

оказываются

равны

друг

другу

по

вели

-

чине

и

имеют

сдвиг

 120°. 

Самым

про

-

стым

примером

идеальной

транспози

-

ции

является

случай

, 

когда

три

участка

трассы

КЛ

имеют

равную

длину

и

оди

-

наковое

взаимное

расположение

фаз

, 

однако

в

 [4] 

показано

, 

что

транспозиция

может

быть

идеальной

и

в

иных

ситуа

-

циях

. 

Степень

  «

идеальности

» 

транспо

-

зиции

характеризуется

коэффициентом

K

T

из

 [4].

Исследования

показали

, 

что

при

рас

-

смотрении

транспозиции

экранов

следу

-

ет

ввести

еще

одно

понятие

 — «

группа

транспозиции

» (

оно

близко

известному

понятию

  «

группа

соединения

обмоток

трансформатора

»). 

Для

трехфазных

се

-

тей

транспозиция

экранов

кабелей

мо

-

жет

относиться

только

к

одной

из

двух

групп

:

–  

группа

 «123–312» (

рисунок

 6

а

);

–  

группа

 «123–231» (

рисунок

 6

б

).

У

трансформаторов

  «

группа

» 

обо

-

значается

числом

 (

от

 0 

до

 12), 

означающим

взаим

-

ную

ориентацию

векторов

первичной

и

вторичной

обмоток

. 

Числа

от

 0 

до

 12 

аналогичны

тем

, 

что

ука

-

зываются

на

циферблате

часов

. 

Для

кабелей

 «

груп

-

пу

» 

также

можно

было

бы

обозначить

одним

чис

-

лом

  (

от

 0 

до

 12), 

определяемым

в

зависимости

от

ориентации

векторов

напряжений

 (

или

токов

) 

в

жи

-

лах

и

экранах

. 

Однако

проще

и

понятнее

напрямую

указывать

в

названии

 «

группы

» 

тот

или

иной

вари

-

ант

соединения

экранов

№

  1,  2,  3  (

рисунок

 6), 

что

и

было

сделано

.

Отличие

групп

удобно

проследить

, 

обратив

вни

-

мание

на

чередование

экранов

до

и

после

узла

транспозиции

Т

1. 

Роль

 «

группы

» 

заключается

в

том

, 

что

от

нее

зависит

ориентация

векторов

емкостной

составляющей

тока

в

экранах

, 

а

это

, 

в

свою

очередь

, 

Рис

. 5. 

Пример

транспозиции

однофазных

кабелей

Рис

. 6. 

Возможные

 «

группы

» 

транспозиции

экранов

КЛ

:

а

) «123–312»; 

б

) «123–231»

жила А

1

2

3

2

3

1

3

1

2

123 – 312

жила В

жила С

Т2

Т1

1

2

3

3

1

2

2

3

1

123 – 231

жила А

жила В

жила С

Т2

Т1

L

1

L

2

L

3

L

1

L

2

L

3

а

)

б

)

№

 6 (51) 2018

90

оказывается

очень

важно

при

суммирова

-

нии

данных

векторов

с

векторами

индук

-

тивных

составляющих

. 

Иными

словами

, 

«

группа

» 

влияет

на

фиксируемую

для

КЛ

неравномерность

токов

в

экранах

.

Некоторые

пояснения

влияния

 «

группы

» 

на

векторы

емкостных

токов

можно

сделать

с

помощью

рисунка

 7, 

где

для

экрана

№

 1, 

имеющего

три

участка

, 

образованные

узла

-

ми

транспозиции

Т

1 

и

Т

2, 

показаны

емкост

-

ные

токи

, 

стекающие

в

него

с

жил

 «

А

», «

В

», 

«

С

» . 

На

крайних

участках

токи

идут

в

бли

-

жайшие

места

заземления

, 

а

на

среднем

участке

для

удобства

можно

положить

, 

что

половина

тока

отправляется

по

экрану

в

на

-

чало

КЛ

, 

половина

 — 

по

экрану

в

конец

.

Если

полный

емкостный

ток

 (

ток

 «

холо

-

стого

хода

») 

фаз

составляет

I

ХА

, 

I

Х

B

, 

I

Х

C

, 

то

на

каждом

из

трех

участков

трассы

КЛ

на

экран

№

 1 

через

изо

-

ляцию

стекает

один

из

емкостных

токов

I

ХА

/3, 

I

Х

B

/3, 

I

Х

C

/3. 

Например

, 

в

начале

КЛ

емкостный

ток

экрана

№

 1 

равен

векторной

сумме

тока

I

ХА

/3 

левого

участка

(

L

1

) 

и

половине

тока

среднего

участка

 (L

2

), 

который

для

группы

 «123–321» 

будет

равен

I

Х

B

/6 (

рисунок

 7

а

) 

и

I

Х

C

/6 

для

группы

 «123–231» (

рисунок

  7

б

). 

В

обоих

случаях

величина

емкостного

тока

экрана

№

 1 

в

на

-

чале

КЛ

будет

одинаковой

, 

но

вот

ориентация

векто

-

ра

будет

разной

. 

Можно

показать

, 

что

если

вместо

транспозиции

экранов

 «123–321» 

применить

 «123–231», 

то

трой

-

ка

векторов

емкостных

токов

экранов

№

 1, 2, 3, 

яв

-

ляющихся

токами

прямой

последовательности

, 

по

-

вернется

на

комплексной

плоскости

против

часовой

стрелки

на

угол

 60°. 

Такой

поворот

изменит

токи

в

экранах

и

их

  «

неравномерность

», 

но

только

при

наличии

в

экранах

индуктивных

составляющих

об

-

ратной

и

нулевой

последовательностей

 — 

докажем

это

отдельно

для

треугольника

и

отдельно

для

ряда

.

ТРАНСПОЗИЦИЯ

ЭКРАНОВ

 (

ТРЕУГОЛЬНИК

)

Пусть

взаимное

расположение

фаз

одинаково

на

протяжении

всей

трассы

КЛ

и

отвечает

схеме

рису

-

нок

 1

а

. 

Следовательно

, 

степень

идеаль

-

ности

транспозиции

зависит

только

от

соотношения

длин

L

1

, 

L

2

, 

L

3

трех

участ

-

ков

трассы

, 

на

которые

она

была

разде

-

лена

двумя

узлами

Т

1 

и

Т

2. 

На

рисун

-

ке

 8 

даны

расчеты

токов

в

экранах

КЛ

110 

кВ

длиной

 3 

км

для

случаев

: 

–

идеальная

транспозиция

 (

участки

1 

км

, 1 

км

, 1 

км

);

–

неидеальная

транспозиция

  (

участки

1 

км

, 0,8 

км

, 1,2 

км

).

Идеальная

транспозиция

Согласно

методике

 [4] 

коэффициент

транспозиции

K

Т

 = 0, 

и

поэтому

экран

-

ные

токи

не

имеют

индуктивной

состав

-

ляющей

прямой

последовательности

. 

Также

, 

по

причине

симметрии

располо

-

жения

трех

фаз

, 

в

экранах

не

возникнет

и

каких

-

то

иных

индуктивных

составляющих

 (

обрат

-

ной

и

нулевой

последовательностей

). 

Это

значит

, 

что

из

четырех

возможных

составляющих

токи

экранов

КЛ

имеют

лишь

емкостную

составляющую

прямой

последовательности

, 

и

тогда

 «

неравномерность

» 

бу

-

дет

 0% (

рисунок

 8). «

Группа

» 

транспозиции

не

ока

-

зывает

влияния

, 

поскольку

поворот

на

 60° 

векторов

емкостных

токов

ничего

не

меняет

в

отсутствии

дру

-

гих

составляющих

.

Неидеальная

транспозиция

Согласно

методике

 [4] 

K

Т

 = 0,115, 

и

поэтому

токи

экранов

содержат

индуктивную

составляющую

пря

-

мой

последовательности

. 

Если

при

двустороннем

за

-

землении

она

была

I

Э

 = 0,55 · 

I

Ж

, 

то

при

транспозиции

по

 [4] 

она

станет

I

Э

 = (0,55 · 

K

Т

) · 

I

Ж

. 

Например

, 

при

токе

в

жиле

I

Ж

 = 1150 

А

 (

S

КЛ

 = 250 

МВА

) 

индуктивный

ток

прямой

последовательности

будет

равен

I

Э

 = 72 

А

. 

Каких

-

то

других

индуктивных

составляющих

в

экранах

нет

в

силу

симметрии

расположения

трех

фаз

. 

По

-

этому

токи

в

экранах

КЛ

представляют

собой

сумму

только

емкостной

 (

около

 5 

А

) 

и

индуктивной

 (

до

 72 

А

) 

составляющих

прямой

последовательности

, 

а

значит

, 

так

как

есть

только

прямая

последовательность

, «

не

-

равномерность

» 

будет

 0% (

рисунок

 8).

Рис

. 7. 

Схема

прохождения

емкостных

токов

на

примере

экрана

№

 1: 

а

) 

группа

 «123–312»; 

б

) 

группа

 «123–231»

жила А

Т2

Т1

жила В

жила С

экран № 1

I

ХА

/3

I

ХВ

/6

I

ХВ

/6

I

ХС

/3

жила А

Т2

Т1

жила С

жила В

I

ХА

/3

I

ХС

/6

I

ХС

/6

I

ХВ

/3

экран № 1

экран № 1

экран № 1

L

1

L

2

L

3

а

)

б

)

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

Рис

. 8. 

Токи

в

экранах

КЛ

 110 

кВ

при

их

транспозиции

. 

Прокладка

фаз

тре

угольником

1, 2, 3

1, 2, 3

3

I

0

идеал. 123-312, 123-231

неидеал. 123-231

1, 2, 3 

экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов

неидеал. 123-312

I

Э

, 

А

0

70

60

50

40

30

20

10

0

50

100

150

200

S

КЛ

, 

МВА

91

Смена

  «

группы

» 

транспозиции

с

 «123–321» 

на

«123–231» 

привела

к

изменению

  (

здесь

 — 

росту

) 

величин

токов

. 

Это

произошло

, 

поскольку

тройка

емкостных

токов

повернулась

на

 60° 

и

стала

иначе

ориентирована

относительно

тройки

индуктивных

токов

прямой

последовательности

. 

Однако

в

от

-

сутствие

составляющих

обратной

и

нулевой

после

-

довательности

  «

неравномерность

» 

так

и

осталась

равной

 0.

ТРАНСПОЗИЦИЯ

ЭКРАНОВ

 (

РЯД

)

Пусть

взаимное

расположение

фаз

одинаково

на

протяжении

всей

трассы

КЛ

и

отвечает

схеме

рисун

-

ка

  1

б

. 

Следовательно

, 

степень

идеальности

транс

-

позиции

зависит

только

от

соотношения

длин

трех

участков

трассы

, 

на

которые

она

разделена

двумя

узлами

. 

Расчеты

токов

для

идеальной

транспозиции

(

участки

 1 

км

, 1 

км

, 1 

км

) 

даны

на

рисунке

 9, 

а

для

неидеальной

транспозиции

  (

участки

 1 

км

, 0,8 

км

, 

1,2 

км

) — 

на

рисунке

 10.

Идеальная

транспозиция

При

идеальной

транспозиции

K

Т

 = 0, 

поэтому

в

экранах

КЛ

нет

индуктивной

составляющей

пря

-

мой

последовательности

. 

Не

будет

там

и

обратной

, 

поскольку

при

идеальной

транспозиции

на

трех

участках

трассы

происходит

полная

компенсация

не

только

наведенных

в

экранах

эдс

прямой

после

-

довательности

, 

но

и

эдс

обратной

. 

Если

говорить

о

нулевой

последовательно

-

сти

, 

то

она

в

экранах

есть

даже

при

идеальной

транспозиции

. 

Нулевая

возникает

из

-

за

различия

Рис

. 9. 

Токи

в

экранах

КЛ

 110 

кВ

при

их

идеальной

транс

-

позиции

 (

прокладка

в

ряд

): 

а

) «123–312»; 

б

) «123–231»; 

в

) «

неравномерность

»

Рис

. 10. 

Токи

в

экранах

КЛ

 110 

кВ

при

их

неидеальной

транспозиции

 (

прокладка

в

ряд

): 

а

) «123–312»; 

б

) «123–

231»; 

в

) «

неравномерность

»

в

)

в

)

б

)

б

)

а

)

а

)

123-312
123-231

123-312

123-231

123-312
123-231

123-312

123-231

123-231

1

3

I

0

2

3

экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов

123-231

1

3

I

0

2

3

экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов

123-312

1

3

I

0

2

3

экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов

123-312

1

3

I

0

2

3

экран № 1
экран № 2
экран № 3
3

I

0

 экранов



Э

, %



Э

, %

I

Э

, 

А

I

Э

, 

А

I

Э

, 

А

I

Э

, 

А

0

0

0

0

0

0

500

400

300

200

100

0

100

80

60

40

20

0

25

20

15

10

5

0

120

100

80

60

40

20

0

25

20

15

10

5

0

120

100

80

60

40

20

0

50

50

50

50

50

50

100

100

100

100

100

100

150

150

150

150

150

150

200

200

200

200

200

200

S

КЛ

, 

МВА

S

КЛ

, 

МВА

S

КЛ

, 

МВА

S

КЛ

, 

МВА

S

КЛ

, 

МВА

S

КЛ

, 

МВА

№

 6 (51) 2018

92

взаимных

индуктивных

сопротивлений

соседних

фаз

  «

А

, 

В

», «

В

, 

С

» 

и

крайних

фаз

  «

С

, 

А

», 

вызы

-

вающего

в

каждом

из

трех

экранов

наличие

од

-

ной

и

той

же

 (

по

величине

и

углу

) 

остаточной

не

-

скомпенсированной

эдс

, 

пропорциональной

току

средней

жилы

  «

В

» — 

именно

под

ее

действием

в

экранах

и

появляются

токи

нулевой

последова

-

тельности

. 

Как

следует

из

рисунка

 9, 

при

загрузке

S

КЛ

 = 250 

МВА

ток

 3

I

0

≈

 24 

А

, 

то

есть

в

каждом

из

трех

экранов

проходит

составляющая

нулевой

по

-

следовательности

I

0

≈

 8 

А

.

Суммирование

емкостной

составляющей

пря

-

мой

последовательности

  (

около

 5 

А

) 

и

близкой

по

величине

индуктивной

составляющей

нулевой

последовательности

  (

до

 8 

А

) 

способно

вызывать

заметный

перекос

экранных

токов

и

соответству

-

ющую

значительную

  «

неравномерность

». 

В

част

-

ности

, 

на

рисунке

 9 

для

одной

из

  «

групп

» 

и

для

некоторых

режимов

по

S

КЛ

, 

которые

определяют

величину

  3

I

0

, «

неравномерность

» 

достигает

 400–

500%. 

Влияние

  «

группы

» 

транспозиции

на

  «

неравно

-

мерность

» 

понятно

, 

ведь

смена

  «

группы

» 

пово

-

рачивает

тройку

емкостных

векторов

прямой

по

-

следовательности

на

угол

 60°, 

и

суммирование

с

тройкой

векторов

нулевой

последовательности

будет

происходить

иначе

  (

на

рисунке

 2 

был

дан

лишь

один

из

примеров

взаимной

ориентации

со

-

ставляющих

прямой

и

нулевой

последователь

-

ностей

).

Важно

понимать

, 

при

транспозиции

токи

в

экра

-

нах

минимальны

  (

их

величина

не

более

несколь

-

ких

десятков

Ампер

), 

то

есть

они

не

могут

вызвать

сколько

-

нибудь

заметного

нагрева

экранов

. 

Поэто

-

му

даже

существенная

 «

неравномерность

» 

в

 500% 

не

способна

повлиять

на

тепловой

режим

КЛ

и

на

температуру

тех

или

иных

фаз

.

Неидеальная

транспозиция

Согласно

рисунку

 4 

для

простого

заземления

экранов

с

двух

сторон

индуктивный

ток

в

экранах

был

I

Э

 = (0,83÷0,95) · 

I

Ж

, 

при

этом

индуктивная

со

-

ставляющая

прямой

последовательности

мог

-

ла

быть

оценена

усреднением

диапазона

токов

I

Э

≈

 0,9 

I

Ж

. 

Тогда

для

транспозиции

K

Т

 = 0,115 

со

-

ставляющая

прямой

последовательности

будет

равна

:

I

Э

 = (0,9 · 

K

Т

) · 

I

Ж

= 0,104 

I

Ж

.

Например

, 

при

токе

в

жиле

I

Ж

= 1150 

А

(

S

КЛ

 = 250 

МВА

) 

индуктивный

ток

прямой

последо

-

вательности

в

экране

I

Э

 = 0,104·

I

Ж

 = 120 

А

 (

близкие

уровни

токов

хорошо

видны

на

рисунке

 10).

Итак

, 

переход

от

идеальной

транспозиции

  (

ри

-

сунок

 9) 

к

неидеальной

 (

рисунок

 10) 

привел

к

тому

, 

что

в

экранах

, 

кроме

емкостных

токов

прямой

по

-

следовательности

и

индуктивных

токов

нулевой

, 

появился

еще

и

заметно

превосходящий

их

по

ве

-

личине

индуктивный

ток

прямой

последовательно

-

сти

 (

до

 120 

А

) — 

его

возникновение

и

дало

сниже

-

ние

 «

неравномерности

» 

с

исходных

 400–500% 

до

меньших

значений

 60–70%. 

ПРОВЕРКА

ЭКРАНОВ

И

ОБОЛОЧЕК

Было

показано

, 

что

для

исправной

КЛ

, 

имеющей

на

всем

протяжении

трассы

  (

или

только

на

отдельных

участках

) 

прокладку

фаз

в

ряд

, «

неравномерность

» 

токов

в

экранах

при

их

одностороннем

или

двусто

-

роннем

заземлении

достигает

 10–15%, 

что

в

целом

отвечает

значению

 10%, 

установленному

норматив

-

ными

документами

 [1, 2] 

в

качестве

предельно

допу

-

стимого

. 

К

сожалению

, 

при

использовании

транспо

-

зиции

экранов

  «

неравномерность

» 

токов

в

экранах

существенно

возрастает

, 

достигая

 500% 

и

, 

возмож

-

но

, 

даже

больше

. 

Столь

значительная

  «

неравно

-

мерность

» 

лишает

какого

-

либо

смысла

проведение

замеров

экранных

токов

действующих

КЛ

и

их

срав

-

нение

друг

с

другом

. 

Подобные

замеры

следует

ис

-

ключить

из

стандартов

 [1, 2].

Одной

из

причин

, 

которая

в

свое

время

побу

-

дила

добавить

в

нормы

контроль

токов

в

экранах

КЛ

, 

было

желание

выявлять

факты

повреждения

внешней

оболочки

кабелей

или

повреждения

ОПН

, 

установленных

в

коробках

транспозиции

, 

прямо

в

нормальном

режиме

работы

КЛ

. 

Идея

была

очень

простой

 — 

для

исправной

КЛ

без

повреждений

обо

-

лочки

и

без

повреждений

ОПН

, 

токи

в

экранах

фаз

должны

быть

близки

друг

другу

. 

Если

же

экран

КЛ

получает

по

трассе

соединение

с

землей

 (

через

про

-

битую

оболочку

КЛ

или

через

сгоревший

ОПН

), 

то

это

, 

по

мнению

авторов

идеи

, 

неминуемо

приведет

к

нарушению

проектной

схемы

заземления

и

вызо

-

вет

 «

перекос

» 

экранных

токов

. 

Здесь

следует

отметить

, 

что

состояние

оболоч

-

ки

КЛ

и

ОПН

, 

конечно

же

, 

лучше

оценивать

не

кос

-

венными

методами

путем

контроля

токов

в

экранах

, 

а

прямыми

испытаниями

. 

Оболочку

КЛ

можно

про

-

верить

путем

приложения

к

ней

постоянного

напря

-

жения

 10 

кВ

на

время

 1 

мин

, 

а

что

касается

ОПН

, 

то

их

можно

проверить

мегаомметром

, 

измерив

сопро

-

тивление

изоляции

. 

Проблемы

прямых

испытаний

оболочек

и

ОПН

, 

склонившие

инженеров

к

идее

 online-

мониторинга

токов

экранов

, 

заключаются

в

том

, 

что

для

их

про

-

ведения

надо

: 

–

выводить

КЛ

из

работы

;

–

отсоединять

ОПН

из

коробок

.

Вывод

КЛ

из

работы

снижает

надежность

схемы

электроснабжения

. 

Также

он

сопряжен

с

коммута

-

циями

КЛ

, 

а

они

могут

привести

к

возникновению

на

изоляции

КЛ

коммутационных

перенапряжений

и

вы

-

звать

пробои

 (

они

вероятны

, 

если

линия

имеет

места

, 

где

из

-

за

дефектов

снижена

прочность

изоляции

). 

Отсоединение

ОПН

также

не

обещает

ничего

хо

-

рошего

, 

поскольку

в

каждом

из

колодцев

транспози

-

ции

необходимо

предварительно

откачать

скопив

-

шуюся

воду

. 

Затем

, 

спустившись

в

такой

колодец

, 

чтобы

изъять

ОПН

, 

придется

вскрыть

коробку

, 

не

-

минуемо

нарушив

ее

заводскую

герметичность

. 

Кро

-

ме

этого

важно

, 

что

в

колодце

часто

размещаются

коробки

сразу

двух

цепей

КЛ

, 

и

поэтому

персонал

, 

обслуживая

коробку

отключенной

цепи

, 

может

полу

-

чить

электротравму

от

коробки

работающей

цепи

, 

если

внутри

у

нее

есть

нарушения

и

корпус

находит

-

ся

под

потенциалом

. 

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

93

Учитывая

изложенное

, 

в

це

-

лом

понято

, 

почему

возникла

идея

контролировать

состояние

оболочки

КЛ

и

исправность

ОПН

без

отключения

КЛ

от

сети

пря

-

мо

под

нагрузкой

путем

замеров

токов

в

экранах

. 

Однако

, 

увы

, 

если

даже

для

исправной

КЛ

«

неравномерность

» 

достигает

500%, 

то

как

же

можно

на

этом

фоне

диагностировать

какие

-

то

повреждения

оболочки