Вынос потенциала по экранам кабельных линий

104

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

ДМИТРИЕВ М.В., 

начальник отдела научно-технических исследований,

 ЗАО «Завод энергозащитных устройств»

ТИХОНОВА М.Р., 

аспирант СПбГПУ

ВЫНОС ПОТЕНЦИАЛА ПО ЭКРАНАМ 
КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

В 

 настоящее время при строительстве 
трёхфазных кабельных линий 6—500 кВ 
широко применяются однофазные 

кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. 
В конструкции однофазного кабеля использует-
ся экран из хорошо проводящего материала для 
выравнивания электрического поля по главной 
изоляции кабеля (изоляции «жила-экран»). 
Для устранения поля на поверхности кабеля и 
снижения потенциала экрана выполняется его 
заземление в одной или нескольких точках. 
Наличие такого заземлённого экрана приводит 
к появлению специфических проблем кабельных 
линий с однофазными кабелями, одной из кото-
рых является вынос потенциала.

Вынос потенциала по экранам кабельных 

линий возможен при коротких замыканиях (к.з.) 
в соседних распределительных устройствах (РУ), 
связанных этими кабельными линиями (КЛ), или 
при внутренних замыканиях в самих КЛ. 

На рис.1 для примера показано замыкание 

«жила-экран» на высоковольтной кабельной 
линии; в этом случае по экрану повреждённого 
кабеля пойдут токи от места замыкания в зазем-
ляющие устройства (ЗУ) экрана, создавая на них 
падения напряжения, а на экране — потенциал. 
Если элементы сети низкого напряжения присое-
динены к тем же заземляющим устройствам, что 

и экраны высоковольтной линии, то это напряже-
ние будет приложено к ним, создавая опасность 
для изоляции оборудования или персонала.

 ВЫНОС ПОТЕНЦИАЛА В СЕТЯХ 

С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

По линиям 6—35 кВ (сеть с изолированной 

нейтралью) от районных подстанций (РП) 
питаются трансформаторные подстанции (ТП) 
6—35/0,4 кВ. Замыкания в сети 6—35 кВ могут 
приводить к появлению на оборудовании 0,4 кВ 
опасных напряжений.

Для сети с изолированной нейтралью (6—

35 кВ) токи однофазного замыкания на землю 
малы по сравнению с токами двухфазного 
замыкания на землю, двухфазного без земли и 
трёхфазного к.з. Поскольку двухфазное к.з. без 
земли на кабельной линии маловероятно, как 
и трёхфазное к.з., расчётным является случай 
двухфазного к.з. на землю, например: двухфаз-
ное на землю к.з. на фазах одной и той же цепи 
(рис. 2а) и двухфазное на землю к.з. на фазах 
разных цепей (рис. 2б).

Из рис. 2,а видно, что токи будут замыкаться в 

контурах, состоящих из экранов кабелей фаз А и 
В кабельной линии, и не будут протекать через ЗУ 
собственно в землю. Значит, и потенциала, опас-
ного для низковольтной сети, не будет. При двух 

однофазных к.з. (рис. 2б) через ЗУ 
будут протекать токи и, следователь-
но, на нём могут появиться опасные 
для низковольтной сети напряжения. 
Поэтому далее будем говорить имен-
но об этом случае — два однофазных 
замыкания на кабелях, идущих с 

Рис. 1. Опасность выноса потенциала: общий заземлитель 

высоковольтной и низковольтной сети

105

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

одних шин. Как следует из рис. 2б, ток в месте 
к.з. 

İ

3

 разделится и по экрану в разные стороны 

пойдут некоторые токи 

İ

31

 и 

İ

32

; эти токи, протекая 

через заземляющие устройства, создают паде-
ния напряжения, которые могут представлять 
опасность для низковольтного оборудования, 
заземлённого на те же устройства.

ВЫНОС ПОТЕНЦИАЛА В СЕТЯХ 

С ЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Для сетей с эффективно или глухо заземлён-

ной нейтралью (110—500 кВ) расчётным явля-
ется случай однофазного к.з. Рассмотрим опас-
ность внутреннего однофазного к.з. на КЛ для 
персонала и оборудования ниже 1 кВ питаемой 
подстанции (ПС); путь тока замыкания в этом 
случае показан на рис. 2в. Аналогично предыду-
щему случаю, ток в месте к.з. 

İ

3

 разделится и по 

экрану в разные стороны пойдут некоторые токи 

İ

31

 и 

İ

32

, создавая на ЗУ падения напряжения.

МЕТОДИКА РАСЧЁТА

Пусть произошло два однофазных замы-

кания на кабельных линиях, идущих с одних 
шин РП на трансформаторные подстанции; 
определим величину потенциала, который 
появится при этом на ЗУ ТП. В общем случае 
эти кабельные линии (далее — КЛ-1 и КЛ-2) 
могут быть разного сечения и длины, иметь 
заземляющие устройства экранов с различ-
ными сопротивлениями и в начале (ЗУ РП или 
ЗУ1), и в конце (ЗУ ТП или ЗУ2), и место к.з. 
на кабелях разных линий может быть разным 
(например, на КЛ-1 — в начале линии, а на 
КЛ-2 — в конце и т.п.). Пренебрежём токами в 
заземлённых экранах кабелей неповреждённых 
фаз по сравнению с током к.з. (что существен-
но упростит задачу) и влиянием друг на друга 
КЛ-1 и КЛ-2 (т.к. они могут быть направлены к 
разным ТП) и запишем выражения для падений 
напряжения на экранах аварийных фаз по мето-
дике [1]:

(1)

где 

R

ЗУ

1

, 

R

ЗУ

2

  — сопротивления заземляющих 

устройств ЗУ1 и ЗУ2 соответственно; 

Ż

ЖЭ

 — 

взаимное сопротивление между жилой и экраном 
одного кабеля, 

Ż

Э

 — собственное сопротивление 

Рис. 2. Пути тока при к.з.

а)  двухфазном на одной КЛ (фазы А и В) в сети с 

изолированной нейтралью

б) двух однофазных на параллельных КЛ (фазы А 

одной и В другой) в сети с изолированной нейтра-
лью

в) однофазном на кабеле КЛ в сети с заземлённой 

нейтралью

экрана кабеля, параметры с верхним индексом 1 
относятся к КЛ-1, с верхним индексом 2 — 
к КЛ-2; параметры с нижним индексом 1 — 
к участку до места к.з., с нижним индексом 2 — 
к участку после места к.з.

Экраны двусторонне заземлены,

106

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

токами в экранах неповреждённых фаз прене-

брегли,  

İ

3

 = 

İ

31

 + 

İ

32

.

С учётом сказанного найдём из первого выра-

жения составляющую тока, протекающего через 
ЗУ2 КЛ-1:

тогда искомое напряжение на ЗУ2:

или

где 

R

Э

 — собственное активное сопротивление 

экрана кабеля.

Для падения напряжения на ЗУ2 КЛ-2 выраже-

ние будет аналогичным.

При однофазном замыкании на кабельной 

линии верны те же рассуждения, и падение 
напряжения на ЗУ2 в этом случае будет

где 

R

3У1

, 

R

3У2

 — сопротивления ЗУ1 и ЗУ2 

соответственно; параметры с нижним индексом 
1 относятся к участку до места к.з., с нижним 
индексом 2 — к участку после места к.з.; или

Напряжение на ЗУ будет максимальным, 

если к.з. произойдёт на минимальном рассто-
янии от него, поскольку в этом случае боль-
шая часть тока к.з. пойдёт в ЗУ. Например, 
как видно из (2) и (3), при оценке напряжения 
на ЗУ2 следует рассматривать к.з. в конце 
линии — в этом случае сопротивление экрана 
от начала линии до места замыкания 

R

Э1

 будет 

максимальным.

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ВЫНОСА 

ПОТЕНЦИАЛА

Вынос потенциала может быть опасен:

•  для персонала ПС, который может попасть под 

шаговое напряжение или напряжение прикос-
новения;

•  для изоляции оборудования низкого напряже-

ния.

Безопасность персонала на ПС должна быть 

обеспечена системой уравнения потенциалов, 
чтобы все объекты на ПС, включая персонал, 
имели близкий по величине потенциал и не 
могли попасть под опасное напряжение.

Во втором случае допустимое напряжение на 

заземляющем устройстве определяется элек-
трической прочностью изоляции оборудования 
низкого напряжения и временем отключения к.з. 
Например, в [3] даны следующие значения 
критического напряжения на оборудовании 
электроустановки до 1 кВ, В:
• U

о

 + 250 при времени отключения замыкания 

свыше 5 с;

• U

о

 + 1200 при времени отключения замыкания 

до 5 с.
U

о

 — фазное напряжение между проводами и 

нейтралью электроустановки до 1 кВ.

ПРИМЕРЫ РАСЧЁТА

Пример № 1

Пусть произошли к.з. на двух кабельных лини-

ях 10 кВ, идущих с одного РП к двум ТП 10/0,4 кВ; 
рассмотрим частный случай, при котором:
•  КЛ-1 и КЛ-2 состоят из одинаковых кабелей и 

имеют одинаковую длину;

•  у КЛ-1 и КЛ-2 отдельные ЗУ и в начале, и в 

конце (т.е. всего 4), но попарно равны сопро-
тивления ЗУ1 для КЛ-1 и КЛ-2, ЗУ2 для КЛ-1 и 
КЛ-2;

• к.з. происходят на фазе А КЛ-1 и фазе В 

КЛ-2 на одинаковом расстоянии от начала 
линий.
В соответствии с [2], п. 1.7.101, сопротив-

ление ЗУ ТП 10/0,4 кВ не должно превышать 
4 Ом; примем величину сопротивления ЗУ2 
максимально допустимой по [2]. Сопротивление 
ЗУ1, в соответствии с [2], примем максимально 
допустимым и равным 0,5 Ом. Пусть сечение 
кабелей — 300/50 мм

2

, длина КЛ — 1000 м, 

ток к.з. — 5 кА. Как показал расчёт в программ-
ном комплексе ЕМТР, при замыканиях в конце 
линий напряжение на ЗУ2 составит 3,6 кВ.

Пример № 2

Пусть произошло к.з. на кабельной линии 

110 кВ, идущей на ПС 110 кВ. Величина тока 
к.з. — 10 кА; сопротивления ЗУ1 и ЗУ2 равны 
максимально допустимым по [2] — 0,5 Ом.

(2)

(3)

107

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

Пусть сечение кабелей — 500/95 мм

2

, длина 

КЛ — 1000 м. Как показал расчёт в программном 
комплексе ЕМТР, при замыкании в конце линии 
напряжение на ЗУ2 составит 2,2 кВ.

Выводы по примерам № 1 и 2

Для КЛ разных классов напряжения и сече-

ний в рассмотренных условиях напряжения 
на ЗУ2 могут составлять несколько киловольт 
(в прямой зависимости от соотношения величин 
сопротивлений экрана и ЗУ, а также от величины 
тока к.з.), что представляет существенную опас-
ность для изоляции оборудования 0,4 кВ. 

Расчёты по полученным формулам (2) и (3) 

дают погрешность (от 0 до 25%) относительно 
расчётов в программном комплексе ЕМТР. Это 
обусловлено тем, что на рис. 2 и в формуле (1) 
не учтено, что ток замыкания будет замыкаться и 
по заземлённым экранам неповреждённых фаз.

МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ВЫНОСОМ 

ПОТЕНЦИАЛА

Если конфигурация и сопротивление зазем-

ляющего устройства ПС (РП, ТП), а также 
время отключения коротких замыканий на ПС 
и присоединённых к ней высоковольтных КЛ не 
обеспечивают достаточную защиту изоляции 
низковольтного оборудования ПС, то рекоменду-
ется:
•  применять одностороннее заземление экранов 

кабельных линий 6—500 кВ, при котором экра-
ны заземлены только со стороны питающей ПС;

•  использовать предложенное в [3] разделение 

заземлителей высоковольтной и низковольт-
ной частей ПС.
Первое решение может оказаться неприемле-

мым для кабельных линий большой длины, когда 
напряжение «экран-земля» на незаземлённых 
концах экранов будет превышать допустимое 
значение для изоляции их кабелей. Эта «крити-
ческая» длина кабельной линии будет опреде-
ляться рядом факторов, в частности токами 
жил кабелей линии в нормальном и аварийном 
режимах, а также взаимным расположением 
одножильных кабелей трёхфазной линии друг 
относительно друга; для оценки её величины 
можно воспользоваться рекомендациями из [1]. 
Второе решение является универсальным (вне 
зависимости от длины линии).

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофаз-

ных силовых кабелей 6—500 кВ. СПб.: Изд-во 
Политехн. ун-та, 2010. 154 с.

2. 

Правила устройства электроустановок. 7-е 
издание, переработанное и дополненное. М., 
2003.

3. 

ГОСТ 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93). 
Ч.4. Требования по обеспечению безопасности. 
Раздел 442. Защита электроустановок до 1 кВ 
от перенапряжений, вызванных замыканиями 
на землю в электроустановках выше 1 кВ.