Влияние кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на грозозащиту подстанций и токи короткого замыкания

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Актуально

Кабели ВН и СВН с изоляцией из

СПЭ позитивно влияют на показатель

надежности грозозащиты соответству-

ющих подстанций, что объясняется

следующими обстоятельствами:

•

кабели ограничивают чис-

ло падающих на подстанции грозовых

волн;

•

благодаря малой величине

волнового сопротивления кабелей

(~30-60 Ом), по сравнению с волно-

вым сопротивлением воздушных ли-

ний (270-400 Ом), интенсивность и

скорость распространения отражен-

ных и преломленных грозовых волн

существенно падает; это снижает ам-

плитуду грозовых перенапряжений,

что сопутствует росту показателя на-

дежности грозозащиты подстанций

(число лет, в течение которых на изо-

ляции электрооборудования возни-

кает хотя бы одно опасное грозовое

перенапряжение).

Особенностью развития перена-

пряжений в схемах с кабелем являет-

ся достаточно малое затухание систе-

мы, что приводит к появлению в оши-

новке волн с более крутыми фронта-

ми, чем в обычных ОРУ, а также к раз-

витию высокочастотных колебаний.

Наличие участков ошиновки с раз-

личными параметрами (волновыми

сопротивлениями и скоростями рас-

пространения), в дополнение к выше-

сказанному, делает непосредствен-

ное использование рекомендаций,

разработанных для обычных подстан-

ций (ОРУ), затруднительным. Необяза-

тельно это будет приводить к усиле-

нию требований к организации сни-

жения перенапряжений, но они будут

несколько другими.

Одной из основных особенностей

подстанций с кабелями ВН и СВН явля-

ется существенный характер развития

колебательного процесса; определяе-

мого малыми расстояниями между вы-

соковольтным оборудованием самого

РУ и достаточно длинными шинопро-

водами, чаще всего в виде КЛ, для свя-

зи с ВЛ и силовыми трансформаторами

и автотрансформаторами.

Еще одной особенностью переход-

ных процессов в схемах подстанций с

КЛ является «неопределенность» ха-

рактеристик изоляции электрообору-

дования (реакторов, измерительных и

силовых трансформаторов и др.), нахо-

дящегося вне компактного распреде-

лительного устройства, и защитных ап-

паратов (нелинейных ограничителей

перенапряжений).

Еще одной особенностью переход-

ных процессов в схемах подстанций с

КЛ является «неопределенность» ха-

рактеристик изоляции электрообору-

дования (реакторов, измерительных и

силовых трансформаторов и др.), на-

ходящегося вне компактного распре-

делительного устройства, и защитных

аппаратов (нелинейных ограничите-

лей перенапряжений). Эта «неопреде-

ленность», прежде всего, вызвана тем,

что могут иметь место волны с доста-

точно короткой длиной фронта. При

таких фронтах отсутствует достовер-

ная информация, как об электриче-

ской прочности изоляции, так и о ВАХ

ОПН. Однако следует предполагать,

что электрическая прочность изоля-

ции несколько повысится, а защитные

характеристики ОПН ухудшатся вслед-

ствие влияния собственной индуктив-

ности варисторов.

Кроме того, в настоящее время в

России практически отсутствует опыт

эксплуатации подстанций с кабелями

с изоляцией из СПЭ.

Перечисленные факторы приво-

дят к тому, что при выборе мер защи-

ты от перенапряжений невозможно

напрямую пользоваться рекоменда-

циями ПУЭ. Соответственно, в каждом

Влияние кабелей с изоляцией из
сшитого полиэтилена на грозозащиту
подстанций и токи короткого замыкания

Ф.Х. Халилов,

д.т.н.,профессор;

Д.В. Кузнецов,

к.т.н. (СПбГПУ —

НТЦ «Севзапэлектропроект»

Санкт-Петербург)

В настоящее время кабели высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из

сшитого полиэтилена (СПЭ) широко внедряются в схемы первичной коммутации под-
станций (в том числе для «сборки» схемы элегазовых комплектных распределитель-
ных устройств). Кроме того, они применяются для осуществления связи между потре-
бительскими и системными подстанциями [1-6]. Последнее особенно важно в мегапо-
лисах из-за компактности подстанций и отсутствия мест для зоны отчуждения под воз-
душные линии.

ÊÀÁÅËÈ Ñ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÈÇ ÑÏÝ

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Актуально

конкретном случае следует проводить

численный анализ развития перена-

пряжений и выработку рекомендаций

по разработке защитных мероприятий.

Для данной процедуры можно ис-

пользовать два метода [7-10]:

•

детерминированный ме-

тод

, который используется при отсут-

ствии статистической информации по

используемым данным. В данном слу-

чае комплект значений принимается

как самый критический из возможных

и детерминистический. Они согласу-

ются таким образом, чтобы при таком

допущении пробои изоляции не воз-

никали. Реальный статистический раз-

брос значений может быть скомпенси-

рован коэффициентом безопасности

(запаса);

•

статистический метод

, при

котором риск появления поврежде-

ния изоляции фиксируется на при-

емлемом уровне и рассчитывается из

распределения вероятности перена-

пряжений и возможности пробоя и

повреждения изоляции.

Защита от перенапряжений заклю-

чается не только в правильном выбо-

ре защитных аппаратов, но и в опреде-

лении оптимального места их установ-

ки, когда имеет место максимальная эф-

фективность. В исключительных случа-

ях может потребоваться более деталь-

ное исследование координации изоля-

ции для подтверждения размещения и

номинальных параметров защитного

аппарата.

В общем, подстанции высокого и

сверхвысокого напряжения имеют раз-

личные схемы с одной, двумя и более

отходящими линиями, с одним, дву-

мя и более силовыми трансформато-

рами (автотрансформаторами), а также

шунтирующими реакторами. Ниже, для

примера, в пределах каждого класса

напряжения рассматривается некото-

рая «усредненная» подстанция. Однако

количественные и качественные выво-

ды по такой «усредненной» подстанции

в рамках одного и того же класса на-

пряжения с некоторой оговоркой мо-

гут быть распространены на все под-

станции с кабелем с изоляцией из СПЭ.

На рис. 1-4 приведены эквивалент-

ные расчетные схемы РУ 500, 330, 220

и 110 кВ, построенные в соответствии

с рекомендациями [8]. Здесь отметим,

что соединение компактной части

подстанций с отходящими воздушны-

ми линиями обычно осуществляется с

помощью кабельных вставок. В боль-

шинстве случаев кабельные вставки

применяются также между компакт-

ной частью РУ и трансформаторами

(реакторами). Однако в ряде случаев,

например, на ряде РУ 500 кВ для по-

следней цели применяются газоизо-

лирующие линии (ГИЛ). Далее, при со-

ставлении эквивалентной схемы все

высоковольтное оборудование моде-

лируется входными емкостями, оши-

новка — отрезками с заданными вол-

новым сопротивлением и скоростью

распространения, защитные аппара-

ты — нелинейным сопротивлением,

определенным по справочным дан-

ным, и параллельно включенной ем-

костью.

Амплитуда допустимых грозовых

перенапряжений на изоляции наибо-

лее слабых элементов подстанций —

силовых трансформаторов — опреде-

лялась по формуле:

доп

= 1,1 (

ПВ

—

ном

/2),

где

ПВ

— амплитуда полного грозово-

го испытательного импульса по ГОСТ

1516.3—96;

ном

— номинальное напря-

жение обмотки трансформатора.

Так, например, для силовых транс-

форматоров 500 кВ, защита которых

предусматривает использование ОПН,

ÊÀÁÅËÈ Ñ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÈÇ ÑÏÝ

Рис. 1. Эквивалентная

расчетная схема

РУ 500 кВ

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Актуально

ПВ

= 1300 кВ, поэтому

доп

=1,1 (1300–

500/2)= 1200 кВ.

Анализ грозозащиты подстанций

проводился с помощью специализи-

рованной программы, рекомендован-

ной [8]. Он также может быть проведен

с некоторыми упрощениями с помо-

щью программы АТР.

Вкратце рассмотрим полученные

результаты.

Подстанция 500 кВ

В соответствии с информацией о

режимах работы сети был принят ОПН,

рассчитанный на наибольшее длитель-

но допустимое рабочее напряжение,

равное 336 кВ /ОПН-П-500/336/20/4

III УХЛ1. При этом ОПН, предлагаемые

заводом-изготовителем и расположен-

ные непосредственно в компактном РУ,

в расчетах не учитывались. Основными

выводами по сетям 500 кВ являются:

1. Наличие на подстанциях в схе-

мах первичной коммутации кабелей

(или кабелей совместно с элегазо-

выми комплектными распредустрой-

ствами) благоприятно влияет на по-

казатель надежности грозозащиты

практически всех ее элементов, в том

числе силовых трансформаторов (ав-

тотрансформаторов) и шунтирующих

реакторов.

2. Показатель надежности грозо-

защиты электрооборудования при

условиях из п. 1 значительно превос-

ходит величину, рекомендованную в

[8]; отмеченное остается в силе даже

без учета защитных аппаратов (ОПН),

находящихся в компактной части РУ.

3. При наличии кабельных вставок,

необходимых для связи КРУЭ с элек-

трооборудованием, и отходящими ВЛ

«сборки» схемы КРУЭ импульсные токи

через ОПН имеют форму, отличную от

формы 8/20 мкс и «несущую» большую

энергию; упомянутые кабели с изоля-

цией из СПЭ «растягивают» фронт гро-

зовых импульсов тока и увеличивают

их длину полуспада.

Подстанции 330 кВ

При исследованиях в качестве

защитного аппарата был выбран

ОПН-П-330/230/20/4 III УХЛ1, причем

поскольку эти защитные аппараты у

автотрансформаторов подвешены на

опорах, в расчетах учтена индуктив-

ность опор. Кроме того, для ОПН, раз-

мещенных на входах ВЛ, учтены их ло-

кальные сопротивления в импульсном

режиме. Анализ грозозащиты выпол-

нялся для автотрансформатора АТ-3

и трансформатора напряжения ТН-1

(рис. 2).

Основными выводами по подстан-

циям 330 кВ являются следующие:

1. Наличие на подстанциях 330 кВ

комплектных элегазовых распреду-

стройств со своими и внешними ка-

бельными соединениями значитель-

но повышает показатель надежности

грозозащиты отдельных их элементов

и подстанций в целом.

2. Позитивное влияние КРУЭ и ка-

белей на грозозащиту объясняется

демпфирующим влиянием ряда фак-

торов, к которым относятся сравни-

Рис. 2. Эквивалентная схема РУ 330 кВ

ÊÀÁÅËÈ Ñ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÈÇ ÑÏÝ

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Актуально

тельно малая величина волнового со-

противления ошиновки КРУЭ, относи-

тельно небольшая величина волново-

го сопротивления кабелей, потери в

кабелях и др.

3. Токовые импульсы через огра-

ничители перенапряжений не имеют

общепринятую форму 8/20 мкс. Они

имеют «растянутые» длины фронта и

полуспада, что требует разработки

«тяжелых» ОПН с большей пропуск-

ной способностью.

4. Большой запас надежности гро-

зозащиты подстанций с КРУЭ и кабе-

лями позволяет несколько снизить

требования к «внешним» ограничите-

лям перенапряжений как в смысле их

количества, так и в смысле их защит-

ных характеристик.

5. С учетом негативных и позитив-

ных сторон подстанций 330 кВ с кабе-

лями следует отметить, что все-таки

преимущество таких подстанций, по

сравнению с тривиальными подстан-

циями открытого исполнения, несо-

мненно. Их можно рекомендовать ши-

роко внедрять в сетях 330 кВ Россий-

ской Федерации.

Подстанции 220 и 110 кВ

Подстанции 110 и 220 кВ состоят

из двух независимых секций одина-

ковой конфигурации. От каждой сек-

ции отходят по 4 воздушные линии,

выполненные на стальных башенных

опорах. На каждой секции осущест-

вляется связь через один автотранс-

форматор с КРУЭ 500 кВ и через один

автотрансформатор с КРУЭ 110 (220)

кВ. Кроме того, в каждой секции име-

ется еще два силовых трансформато-

ра. Соединение КРУЭ с воздушными

линиями выполнено через кабель-

ные вставки различной длины. Анало-

гичным образом осуществлена связь

ошиновки КРУЭ с автотрансформато-

рами и трансформаторами. Они могут

быть размещены как в закрытых поме-

щениях, так и на открытом воздухе. В

некоторых случаях, когда КРУЭ при-

ходят на смену обычным ОРУ, такие

трансформаторы вследствие старе-

ния могут характеризоваться снижен-

ным ресурсом.

Кабельные линии имеют изоляцию

из сшитого полиэтилена. Они разли-

чаются не только длинами, но и сече-

нием. Соответственно КЛ между ВЛ и

КРУЭ 220 (110) кВ имеют длину 120 м

и волновое сопротивление 75 Ом. Та-

кое же волновое сопротивление име-

ет кабель между КРУЭ и АТ1, КРУЭ и АТ2

(связь с КРУЭ 500 кВ). Длина этого кабе-

ля 250 м. Кабельные линии к АТ3 и АТ4

(связь с КРУЭ 110 (220) кВ) имеют вол-

новое сопротивление 55 Ом и длину

240 м. Наконец, наименьшее волновое

сопротивление имеют КЛ к трансфор-

маторам Т7 и Т8 (Т6 и Т5) — 50 Ом, дли-

ВЛ2

ВЛ1

ОПН

КЛ

Т8

Т7

АТ1

АТ3

КЛ

ОПН

ВЛ3

10 м

75 Ом

120 м

50 Ом

240 м

75 Ом

240 м

55 Ом

240 м

75 Ом

120 м

10 м

9,2 м

10 м

10 м 10 м

8 м

4 м

5 м

8 м

375

4 м

8 м

4 м

90 м

50 Ом

400

500

1000

1250

1525

18,4 м

1150

650

1000

375

775

850

400

КЛ

75 Ом

120 м

80 10 м

10 м

Волновое сопротивление, Ом: ВЛ — 435; КЛ — 50, 55, 70; КРУЗ — 55.
Скорости, м/мко: КЛ — 200, остальные — 300.
Ескости в лФ.

Рис.4. Эквивалентная расчетная

схема секции РУ 110 кВ

ВЛ2

ВЛ1

ОПН

КЛ

Т8

АТ1

АТ3

КЛ

ОПН

ВЛ3

10 м

75 Ом

120 м

50 Ом

240 м

75 Ом

240 м

55 Ом

240 м

75 Ом

120 м

10 м

9,2 м

10 м

10 м 10 м

8 м

4 м

5 м

8 м

375

4 м

8 м

4 м

90 м

50 Ом

400

500

2000

1250

1525

18,4 м

1150

650

2000

375

775

850

400

КЛ

75 Ом

120 м

80 10 м

10 м

Волновое сопротивление, Ом: ВЛ — 435; КЛ — 50, 55, 70; КРУЗ — 55.
Скорости, м/мко: КЛ — 200, остальные — 300.
Ескости в лФ.

ОПН

Т7

Рис.3. Эквивалентная расчетная

схема секции РУ 220 кВ

ÊÀÁÅËÈ Ñ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÈÇ ÑÏÝ

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», август 2010

Актуально

ны их 90 и 240 м, соответственно. Ско-

рости распространения волн во всех

КЛ приняты равными 200 м/мкс. Ско-

рости распространения волн в КРУЭ

такие же, как и в воздушных линиях —

300 м/мкс.

Поскольку секции не имеют свя-

зи, в анализах грозовых перенапряже-

ний каждую из них можно рассматри-

вать независимо. Аналогично тому, как

это было выполнено для КРУЭ 500 кВ,

ограничители перенапряжений, раз-

мещенные заводом-изготовителем в

самом КРУЭ, в настоящих расчетах не

принимались во внимание.

В расчетах принято:

доп 110

= 470 кВ,

доп 220

= 726 кВ;

в качестве защитных аппаратов —

ОПН-П 110/78/10/2 III УХЛ1 и ОПН-П

220/156/10/2 III УХЛ1.

Применительно к подстанциям 220

и 110 кВ можно сделать следующие вы-

воды:

1. Силовые трансформаторы и ав-

тотрансформаторы имеют высокий по-

казатель надежности грозозащиты при

непосредственном присоединении к

ним газонаполненных (ГИЛ) и кабель-

ных линий.

2. При наличии между ГИЛ (или КЛ)

и трансформаторами достаточно длин-

ной воздушной ошиновки, перенапря-

жения на последних будут превышать

значения, полученные при отсутствии

воздушной ошиновки, на 10% и более.

В осциллограммах напряжений появ-

ляется большая высокочастотная ком-

понента, что затрудняет использова-

ние привычных подходов к допусти-

мым напряжениям.

3. Токи через ОПН, расположен-

ные непосредственно на подходах ВЛ

к КРУЭ, превышают токи через ОПН у

трансформаторов в 2-5 раз. Соответ-

ственно, номинальный грозовой (раз-

рядный) ток через эти ОПН должен

быть больше, чем для ОПН у трансфор-

маторов.

4. Длительность токов через ОПН

могут существенно превышать дли-

тельность испытательных грозовых то-

ков для них.

5. При больших длинах кабельных

вставок между ВЛ и КРУЭ отраженные

от ОПН и КЛ волны напряжений, воз-

никшие в результате прорывов мол-

нии непосредственно на фазный про-

вод, задерживают процесс перекры-

тия линейной изоляции и способству-

ют повышению напряжения на изоля-

ции высоковольтных аппаратов, раз-

мещенных в этом месте.

6. Необходимо уточнение вольтам-

перных характеристик ОПН с учетом

возникновения крутых коротких им-

пульсов напряжения на них.

7. Для защиты элементов подстан-

ций, расположенных вне КРУЭ, нет не-

обходимости использовать защитные

аппараты непосредственно в КРУЭ.

В настоящее время в мощных элек-

трических сетях высокого и сверх-

высокого напряжения по различ-

ным причинам токи однофазно-

го к.з. в ряде случаев превосходят

токи трехфазного к.з. . Это недопу-

стимо с точки зрения коммутацион-

ных аппаратов и электродинамиче-

ских усилий между токопроводящими

частями.

Одной из возможных способов

обеспечения условия ≤ является

искусственное увеличение сопротив-

ления нулевой последовательности

Для этого целесообразно экран кабе-

лей из СПЭ заземлить в одной точке.

Однако это может привести к перена-

пряжениям на изоляции экрана отно-

сительно земли. Эта проблема реша-

ется с помощью различных мероприя-

тий, в том числе путем применения не-

линейных ограничителей перенапря-

жений.

Литература

1. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высо-

ковольтные кабельные линии: учебник для

вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энерго-

атомиздат, 1996.

2. Дмитриев М.В. Заземление экра-

нов однофазных силовых кабелей 6-500 кВ.

С-Пб.: Изд. «НИВА», 2007.

3. Канискин В.А., Таджибаев А.И. Экс-

плуатация силовых электрических кабелей.

Часть 3. Электрический и тепловой расчет.

Учебное пособие. С-Пб.: Изд. Петербургско-

го энергетического института повышения

квалификации Минэнерго РФ, 2002.

4. Проспекты и инструкции фирмы

Nexans: «Кабели с изоляцией из сшитого по-

лиэтилена на напряжение 6-35 кВ и их при-

менение». 2005.

5. Каталог фирмы ABB «Кабели с изо-

ляцией из сшитого полиэтилена среднего

и высокого напряжения». Изд. АББ Моска-

бель 2.

6. Кабельные системы высокого напря-

жения 110-500 кВ фирмы Nexans. Изд. пред-

ставительства в странах СНГ.

7. Техника высоких напряжений / Под

редакцией профессора Г.С.Кучинского.

Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское от-

деление, 2003.

8. Руководство по защите электриче-

ских сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутрен-

них перенапряжений / Под редакцией Н.Н.

Тиходеева. 2-е издание. перераб. и доп. СПб:

Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.

9. Гольдштейн В.Г., Бобров В.П., Хали-

лов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в

электрических сетях 35-220 кВ. Самара: Изд.

Самарского государственного технического

университета. 2001.

10. Гольдштейн В.Г., Бобров В.П., Хали-

лов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них

в электрических сетях 110-750 кВ. Самара:

Изд. Самарского государственного техниче-

ского университета, 2005.

ÊÀÁÅËÈ Ñ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÈÇ ÑÏÝ

Оригинал статьи: Влияние кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на грозозащиту подстанций и токи короткого замыкания

Читать онлайн

В настоящее время кабели высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) широко внедряются в схемы первичной коммутации подстанций и позитивно влияют на показатель надежности грозозащиты.