Транспозиция экранов кабелей: что это, когда нужна и как устроена коробка

Транспозиция экранов кабелей: это перекрестное соединение экранов трех однофазных кабелей в нескольких точках трассы, при котором экран каждой фазы по очереди проходит участки рядом с жилами всех трех фаз. Наведенные на секции напряжения складываются со сдвигом и в сумме почти взаимно уничтожаются, поэтому экраны можно заземлить с обоих концов без больших токов и потерь. Перекрестные соединения выполняют в коробках транспозиции, установленных в колодцах на трассе кабельной линии.

Коротко

• Полный цикл транспозиции: экран делят на три секции и соединяют их через две коробки транспозиции.
• Для кабеля 110 кВ один цикл снижает наведенное напряжение на экране при однофазном КЗ с 5,8 до 0,195 В на ампер тока жилы.
• В линиях 110-500 кВ транспозиция обычно самое простое решение, в сетях 6-10 кВ она не обязательна: так же эффективно деление экрана на однократно заземленные секции.
• Тип коробки транспозиции зависит от соединительных муфт: в нее заводят шесть одножильных или три коаксиальных кабеля.
• Транспозиция не позволяет уменьшить сечение экрана: его выбирают по термической стойкости при КЗ в самом кабеле.

Что такое транспозиция экранов кабелей простыми словами

В трехфазной группе однофазных кабелей ток жилы наводит в экране своей фазы продольную ЭДС. Если экран заземлен с двух сторон, эта ЭДС гонит по нему ток, сопоставимый с током жилы. Транспозиция разбивает экран на три равные секции и в узлах между ними переставляет соединения: секция фазы А продолжается экраном фазы В, затем фазы С, и так для каждой фазы. В итоге каждая непрерывная цепь экранов охватывает все три фазы, и наведенные ЭДС, сдвинутые на треть периода, почти компенсируют друг друга.

Основные термины:

• Цикл транспозиции: три секции экрана и два узла перекрестного соединения между ними.
• Транспозиционная муфта: соединительная муфта силового кабеля с разрывом экрана и выводами «левой» и «правой» частей.
• Коробка транспозиции: герметичный корпус, в котором выводы экранов трех фаз соединяют перекрестно; в обиходе ее также называют шкафом или ящиком транспозиции.
• Колодец транспозиции: подземный железобетонный короб с люком, где размещают коробки.

Когда нужна транспозиция экранов, а когда хватит одностороннего заземления

Паразитные потери в экране при двустороннем заземлении становятся опасными, если их отношение к потерям в жиле больше 0,1-0,2. По расчетам специалистов завода это характерно для кабелей с жилой больше 400-500 мм² и экраном больше 50-70 мм². Сегодня в сетях 6-35 кВ все чаще применяют экраны от 70 мм², а в сетях 110 кВ и выше 185 мм² и более, поэтому мерами против потерь приходится заниматься почти на каждом объекте.

Пример из публикации завода показывает разницу. Для кабеля 110 кВ длиной 8,1 км одного цикла транспозиции хватает, чтобы снизить наведенное напряжение с 5,8 до 0,195 В на ампер тока жилы при однофазном КЗ. Чтобы получить тот же результат простым разрезанием экрана на однократно заземленные участки, понадобилось бы около 30 секций. В кабелях 6-10 кВ, где расчетным является трехфазное КЗ, транспозиция с N циклами дает тот же эффект, что деление экрана на 3N секций, поэтому дорогостоящие коробки там не обязательны.

Как устроена коробка транспозиции

Тип коробки целиком определяется соединительными муфтами силового кабеля, и это нужно предусмотреть на стадии проекта. Бывают два варианта:

1. из муфты каждой фазы выводят два одножильных кабеля, соответствующие «левому» и «правому» участкам экрана, и в коробку заводят шесть одножильных кабелей;
2. из муфты каждой фазы выводят один коаксиальный кабель, жила и экран которого соответствуют двум участкам экрана, и в коробку заводят три коаксиальных кабеля.

Внутри коробки стоят шесть опорных изоляторов, их фланцы соединяют металлическими перемычками. Перемычки переставляют в зависимости от задачи: одна схема удобна для поиска места повреждения, вторая обеспечивает транспозицию при работе кабеля, третья нужна при испытаниях изоляции экрана, когда замеры делают отдельно для каждой фазы по всей трассе. Поэтому персонал должен иметь доступ к коробке, и ее размещают в колодце транспозиции высотой около 2 м с полом примерно 3 на 2 м. Часто в колодце стоят две коробки, потому что кабельные линии нередко двухцепные.

Коробки транспозиции КТ/ЗЭУ/ОПН

Завод выпускает коробки транспозиции экранов кабелей с полимерной изоляцией 6-500 кВ типов КТ-Т и КТ-П, оболочка соответствует IP68. Их особенности:

• легкий сварной корпус массой около 20 кг, компактный, с запасом проходит в люки колодцев;
• монтаж без вскрытия коробки, установку ведет один человек;
• специальные гермовводы и надежно закрепленное уплотнение крышки, риск попадания воды в силовой кабель исключен даже при небрежной эксплуатации;
• ОПН с повышенной пропускной способностью варисторов и внешней изоляцией УХЛ1 для защиты изоляции экранов в узлах;
• при испытаниях оболочки кабеля не нужно открывать коробку и отключать ОПН;
• коробка работает и как коробка транспозиции, и как промежуточная.

Термическая стойкость экрана: почему транспозиция не уменьшает сечение

При внешних КЗ транспозиция заметно снижает токи в экранах, а при частичном разземлении они вообще равны нулю. Но требования к сечению экрана задает другой режим: внутреннее повреждение изоляции «жила-экран» в самом кабеле. Тогда ток КЗ уходит из жилы в экран и дальше в заземляющее устройство при любой схеме обустройства экранов. Если сечение не соответствует току и длительности КЗ, экран может термически разрушиться на большом участке.

Расчетные случаи для проверки термической стойкости кабеля по экрану: в сетях 6-35 кВ двойное замыкание на землю, когда одно из повреждений находится в рассматриваемом кабеле; в сетях 110-500 кВ однофазное КЗ в кабеле. Из токов КЗ в начале и в конце линии выбирают больший.

Частые вопросы

Сколько коробок транспозиции нужно на линии?

Как правило, по трассе предусматривают не меньше двух коробок, что соответствует одному полному циклу. Число циклов определяют расчетом по длине линии и допустимому напряжению в узлах.

Шкаф транспозиции и коробка транспозиции одно и то же?

Да, это разговорные названия одного устройства для перекрестного соединения экранов. В документации ЗЭУ используется термин «коробка транспозиции».

Зачем в коробке транспозиции ОПН?

Узлы транспозиции не заземлены наглухо, и на экранах там могут возникать перенапряжения. ОПН ограничивает их и защищает изоляцию экранов и оболочки.

Чем рассчитать схему транспозиции?

Для этого есть программа «ЭКРАН» разработки завода: она считает токи, напряжения и потери мощности в экранах однофазных кабелей 6-500 кВ и помогает выбрать оптимальную схему соединения и заземления экранов.

Оборудование и расчет транспозиции экранов

Подобрать оборудование можно в разделе коробки транспозиции и заземления экранов кабелей, характеристики изделий собраны на странице ZEU-коробки КТ/ЗЭУ/ОПН. Подробный разбор потерь опубликован в статье о потерях в экранах кабелей 6-500 кВ и эффективности транспозиции. Если линия короткая и транспозиция не нужна, посмотрите материал о том, как заземлить экран кабеля с одной или двух сторон.