Способы заземления экранов кабелей

По материалам II Всероссийской конференции«ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 20 кВ»

Способы заземления экранов кабелей

В статье рассматриваются и сопоставляются способы соединения и заземления экранов пофазно-экранированных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в распределительных сетях напряжением 20 кВ. Кроме широко применяющихся на практике контрольных кабелей рассмотрены способы заземления экранов, использующие разрывы и объединения экранов в середине линий, заземление через резистор, заземление с одного конца и объединение без заземления на другом конце. Проанализировано влияние способов заземления экранов контрольных кабелей на электробезопасность, напряжение на экране в установившемся режиме, вынос потенциала заземляющего устройства центра питания на распределительные и трансформаторные подстанции, потери электроэнергии в экранах в установившемся режиме работы, термическую стойкость экранов кабелей, падение напряжения в кабельных линиях и на пропускную способность кабельных линий.

Кафедра Электрические станции НИУ «МЭИ»:Андрей АНТОНОВ, к.т.н., старший преподаватель,Олег ГУСЕВ, старший преподаватель,Юрий ГУСЕВ, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой,Юрий МОНАКОВ, к.т.н., старший преподаватель, Евгений ОКНИН, ассистент кафедры, Гван Чун ЧО, к.т.н., доцент.

В распределительных сетях напряжением 20 кВ преимущественно используются кабельные конструкции с пофазно-экранированными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Экраны кабелей, в большинстве случаев, на стороне источника электроэнергии и на стороне потребителя соединяются между собой и выполняют заземление. Экраны и фазные жилы образуют систему из шести связанных через магнитное поле проводников заземления. В экранах, в нормальном режиме, и особенно, при коротких замыканиях, протекают токи, обуславливающие увеличение потерь электроэнергии, снижение пропускной способности и термической стойкости кабельных линий. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют влагонепроницаемую полиэтиленовую оболочку, которая, в отличии от трехжильных кабелей с бумажномасляной изоляцией, имеющих покрытие брони в виде влагопроницаемой пряжи, препятствует стеканию токов с экранов в землю. Изолированные от земли экраны кабелей увеличивают электрическое взаимодействие заземляющих устройств подстанций, способствуют «выносу» потенциала контура заземления центров питания распределительной сети на подстанции 20/0,4 кВ.

Для минимизации отрицательных последствий, обусловленных спецификой конструкции кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, можно изменить способ заземления экранов, чтобы уменьшить влияние электромагнитных помех. Нормативно регламентированы два основных способа заземления экранов: с одной стороны и с двух сторон кабельной линии [1]. Однако возможны и другие способы, например, представленные на рисунке 1:

• разземление экранов с двух сторон (код схемы Р-Р);
• заземление экранов со стороны передающей подстанции ЦП (код схемы З-Р);
• заземление экранов со стороны приемной подстанции ТП (код схемы Р-З);
• заземление экранов с одной стороны и объединение экранов с другой стороны (код схемы ЗО);• заземление экранов с двух сторон (код схемы ЗЗ);
• заземление экранов с двух сторон через резистор (код схемы Зр-Зр);• заземление экранов с двух сторон и секционирование экрана линии на две части (код схемы ЗР-РЗ);
• заземление экранов с двух сторон и объединение экранов в средней точке без заземления (код схемы ЗОЗ);
• заземление экранов с двух сторон и в средней точке (код схемы З-З-З).

В статье представлены результаты сравнения этих способов заземления экранов контрольных кабелей по нескольким критериям:

1. электробезопасность,
2. напряжение на экране в установившемся режиме,
3. вынос потенциала заземляющего устройства центра питания на распределительные и трансформаторные подстанции,
4. потери электроэнергии в экранах в установившемся режиме работы,
5. термическая стойкость экранов кабелей,
6. падение напряжения в кабельных линиях,
7. пропускная способность кабельных линий.

Анализ способов заземления экранов кабелей производился применительно к городским распределительным сетям напряжением силового кабеля 20 кВ с низкоомным заземлением нейтрали на питающем центре через резистор 12 Ом. При использовании сигнальных кабелей учитывались их характеристики и возможности для передачи данных. Расчеты выполнялись с помощью программных комплексов NEPLAN от компании BCP (Швейцария) и EMTPRV от компании PowerSys (США). В качестве исходных данных для расчетов были приняты параметры участка сети с центром питания от подстанции 220/20 кВ, кабельными линиями сечением 500 мм2 длиной 4 км. Сечение экранов кабелей принималось равным 35 мм2, что соответствует минимально возможному при таком сечении токоведущей жилы [2]. Рассматривалась прокладка кабелей треугольником без просвета.

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

На этапе проектирования электроустановки электробезопасность персонала должна обеспечиваться выполнением норм по напряжению прикосновения и шаговому напряжению в соответствии с [3, 4], особенно при работе с промышленными сетями. Допустимое значение напряжения прикосновения зависит от продолжительности его приложения. В аварийном режиме работы, при неограниченном времени приложения, не должно превышать 65 В, при времени приложения не более 0,5 с может достигать 105 В. Продолжительность приложения напряжения прикосновения определяется временем отключения поврежденной цепи. В [5] регламентируются допустимые напряжения повреждения, действующие в низковольтной части электроустановок между открытыми токопроводящими частями и землей во время повреждения на высоковольтной части ЭУ (рисунок 2).

Напряжение повреждения имеет обратную зависимость от продолжительности его воздействия, не превышающей 0,5 с, и может достигать 200 В. Очевидно, что напряжение повреждения будет всегда выше напряжения прикосновения, так как последнее учитывает характер выравнивания потенциала по заземляющему устройству подстанции.

Допустимое напряжение прикосновения регламентируется ГОСТ 12.1.038 (Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов) [3]. Определяющим фактором является правильное исполнение уравнивания потенциалов в электроустановке, в том числе защиты кабеля и правильного заземления. Существуют отраслевые стандарты, например, СТО ФСК 5694700729.130.15.114 [4], имеющие отличающиеся значения предельных напряжений прикосновения. В таблице 1 приведены значения допустимых напряжений прикосновения в соответствии с вышеуказанными нормами.

Одним из основных критериев электробезопасности электроустановки является сопротивление контура заземления. Согласно п. 1.7.101 ПУЭ для электроустановок напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 250/I, но не более 10 Ом (для продолжительности превышающей 1 с), где I – ток однофазного замыкания на землю. Для сетей с резистивно-заземленной нейтралью ПУЭ не устанавливает предельно допустимое сопротивление контура заземления.В СТП 09110.20.18709 ГП «Белэнерго» для электроустановок напряжением свыше 1 кВ с резистивно-заземленной нейтралью максимально допустимое сопротивление заземляющего устройства определяется по формуле:

Из (1) следует, что при RN = 12 Ом и XC = 17 Ом, соответствующих емкостному току 680 А в сети суммарной протяженностью 160 км, сопротивления заземляющих устройств распределительных и трансформаторных подстанций должно быть RЗУ ≤ 0,58 · RЗУ.из.н. = 0,12 Ом.

Для реальных подстанций обеспечить такие сопротивления практически невозможно. В соответствии с п. 1.7.101 ПУЭ для электроустановок напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление ЗУ должно быть не более 4 Ом.

НАПРЯЖЕНИЕ НА ЭКРАНЕ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

Для анализа электробезопасности кабельных линий, с помощью программы EMTPRV были рассчитаны напряжения на экранах кабелей вдоль трассы прокладки. Напряжения зависят от силы тока в фазных жилах и от способа прокладки кабелей связи. Чем больше ток в фазных жилах и чем больше просвет между силовыми кабелями, тем больше напряжение, наведенное в экранах. На рисунке 3 показано распределение напряжений на экранах кабелей вдоль линии при разных способах их заземления. Токи в фазных жилах соответствовали наибольшему рабочему току кабелей, проложенных в траншее треугольником без просвета.

Напряжение на экране кабеля определяется тремя основными факторами:

1. соотношением емкостей «жила-экран» и «экран-земля» — параметрами емкостного делителя фазного напряжения;
2. падением напряжения в экране, обусловленном растеканием емкостных токов;
3. напряжением в экране, обусловленном ЭДС взаимоиндукции с фазными жилами кабелей.

Первый фактор доминирует при одновременном размыкании и разземлении экранов, способ заземления по схеме «РР». При разрыве экранов, способ заземления по схеме «ЗРРЗ», факторы 2 и 3, по разные стороны от места разрыва экранов, суммируются с разными знаками, что обуславливает разрыв эпюры напряжений в месте разрыва экранов.

Для обеспечения минимальных напряжений на экранах в установившихся режимах экранирование сигнальных кабелей можно не заземлять с двух сторон, экраны достаточно объединять с одной стороны без заземления. При размыкании экранов с одной из сторон или в середине линии максимальное напряжение зависит от длины линии и выходит за пределы допустимых значений на относительно коротких линиях.

ВЫНОС ПОТЕНЦИАЛА

Вынос потенциала по экрану кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена при коротких замыканиях на центрах питания и при однофазных замыканиях на землю в распределительной сети среднего напряжения рассмотрен в [6].

В данной статье на примере фрагмента схемы распределительной сети 20 кВ произведено сопоставление по критерию выноса потенциала через трехфазные бронированные кабели с бумажномасляной изоляцией и через пофазно-экранированные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Электробезопасность оценивалась по значениям потенциалов на заземляющих устройствах трансформаторных подстанций (рисунок 4).Сечение экранов и сечение брони у кабелей принято одинаковым и равным 35 мм2. Без учета подключенных к подстанциям кабелей сопротивления заземляющих устройств центра питания и трансформаторных подстанций составляют, соответственно 0,3 Ом и 4 Ом. Сопротивление 4 Ом принято условно, исходя из требований к контуру заземления низковольтной части подстанции, обычно оно значительно меньше. Объединение заземляющего устройства центра питания с заземляющими устройствами трансформаторных подстанций через броню или через экраны приводит к снижению эквивалентного сопротивления заземляющего устройства центра питания, соответственно до 0,08 Ом и до 0,22 Ом. Броня кабелей с бумажномасляной изоляцией существенно улучшает характеристики заземляющих устройств центров питания, в основном, за счет сопротивления между броней и землей. При однофазном коротком замыкании на стороне 220 кВ центра питания, с током 30 кА, потенциал его заземляющего устройства при использовании бронированных кабелей будет не более 2,4 кВ, а при использовании кабелей с полиэтиленовой оболочкой может достигать 6,6 кВ. Это приводит к возникновению опасного потенциала на заземляющих устройствах трансформаторных подстанций. В рассмотренном примере потенциал в местах заземления экранов на трансформаторных подстанциях может составить 6,1 кВ, что многократно превышает допустимые значения напряжения повреждения [5]. При использовании бронированных кабелей напряжение в месте заземления их брони на трансформаторной подстанции составит 110 В, что допустимо для низковольтных электроустановок, при продолжительности воздействия не более 0,5 с.

Таким образом, при заземлении экранов кабелей с полиэтиленовой оболочкой с двух сторон существует опасность нарушения норм электробезопасности. Альтернативные способы двухстороннего заземления экранов — дополнительное заземление в средней точке (код схемы З-З-З), дополнительное объединение экранов в средней точке (код схемы З-О-З) и заземление экранов с двух сторон через резисторы (код схемы Зр-Зр) не позволяют защититься от выноса потенциала по экранам кабелей с полиэтиленовой оболочкой. Эффективным способом быстродействующей защиты кабеля от выноса потенциала является одностороннее заземление экранов с объединением экранов на другой стороне без заземления (код схемы ЗО). При этом важно не путать заземление с занулением, так как это может привести к примеру неправильного заземления и небезопасным условиям эксплуатации.

ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭКРАНАХ

При способах заземления экранов кабелей, соответствующих данным схемам заземления: «З-З-З», «З-О-З», «З-О» и «З-З» (рисунок 1), потери электроэнергии в кабельной линии возрастают. Увеличение потерь тем больше, чем больше коэффициент магнитной связи между фазными жилами и экранами. Для кабелей напряжением 20 кВ, имеющим относительно толстую жильную изоляцию, потери при двухстороннем заземлении экранов возрастают незначительно, на доли или единицы процентов. Аналогичная оценка потерь дана в статье [7]. При прокладке кабелей вплотную треугольником потери внутри экрана минимальны, так как минимальны токи в экранах [1].

Дополнительные потери, связанные с двухсторонним заземлением экранов, возрастают по мере уменьшения толщины жильной изоляции и по мере увеличения сечения экранов, в кабельных линиях с кабелями напряжением 10 кВ они примерно в 10 раз больше, чем в кабелях напряжением 20 кВ.

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ЭКРАНОВ КАБЕЛЕЙ

Расчетные условия для проверки кабелей на термическую стойкость и невозгораемость должны отличаться для сетей с изолированной или компенсированной нейтралью и резистивно-заземленной нейтралью. Для кабельных линий с пофазно-экранированными кабелями следует отдельно проверять термическую стойкость для жилы и экрана. В большинстве случаев термическая стойкость и невозгораемость экранированных кабелей определяется сечением экранов. В сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью, термическую стойкость экранов кабелей принято проверять по двухместному однофазному замыканию на землю в начале линии [8], при котором ток, протекающий по экрану, будет максимальный, численно равный току двухфазного короткого замыкания. Для параметров сети, принятых в рассматриваемом в статье примере, ток двухместного однофазного замыкания на землю равен 12 кА (рисунок 5).

Для медных экранов сечением 35 мм2, односекундный ток термической стойкости не превышает 7,1 кА [9]. В сетях 20 кВ с резистивно-заземленной нейтралью возникновение двухместного однофазного замыкания на землю маловероятно из-за малого времени отключения первичного однофазного замыкания на землю средствами релейной защиты. Расчетным случаем для проверки термической стойкости экранов в сетях 20 кВ является одиночное однофазное замыкание на землю, ток которого зависит от сопротивления резистора заземления нейтрали. В иллюстрирующем примере этот ток, с учетом емкостной составляющей, составляет 1,3 кА (рисунок 6), что существенно меньше тока двухместного О-З-З. Нагрев экранов за 1 с не превышал 10°C.

Для рассматриваемого примера кабельной линии 20 кВ были рассчитаны токи в экранах и при других видах повреждений. Максимальный нагрев экранов во всех случаях не превышал 1–2 градуса.

Таким образом, можно утверждать, что выбор способа заземления экранов кабелей в сети 20 кВ не оказывает существенного влияния на нагрев экранов при однофазных замыканиях продолжительностью до 1 с.

СОПОСТАВЛЕНИЕ СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ ЭКРАНОВ КАБЕЛЕЙ

В таблице 2 приведена качественная оценка факторов, характеризующих различные способы заземления экранов пофазно-экранированных кабелей в сетях напряжением 20 кВ с резистивным заземлением нейтрали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многокритериальный анализ способов заземления экранов кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена указывает на отсутствие универсальных проектных решений. Выбор конкретного способа заземления экранов должен производиться с учетом параметров электрической сети, параметров кабелей и режимов работы кабельных линий.

Вместо двухстороннего заземления экранов кабелей в ряде случаев целесообразно применять одностороннее заземление экранов с объединением их без заземления на другой стороне кабельной линии, что позволит повысить электробезопасность трансформаторных подстанций и ослабить требования к заземляющим устройствам подстанций. При этом необходимо учитывать влияние силового кабеля двигателя на эффективность заземления и возможное возникновение частоты помех в системе.

Оригинал статьи: Способы заземления экранов кабелей