г. Санкт-Петербург
Производство ОПН всех типов
г. Санкт-Петербург
Заземление экрана кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена выбирают расчетом. При заземлении с двух сторон в экране однофазного кабеля течет ток, сопоставимый с током жилы, и возникают большие потери. При заземлении с одной стороны тока в экране почти нет, но на разземленном конце появляется напряжение, которое растет с длиной линии и током, поэтому такую схему дополняют ОПН для защиты изоляции экрана. Разбираем, как заземлить экран кабеля правильно и где проходит граница между вариантами.
Коротко
Основная задача экрана: сделать равномерным электрическое поле в главной изоляции «жила-экран». Это возможно только при заземленном экране. Способ заземления, в свою очередь, влияет сразу на четыре вещи:
Для трехжильного кабеля в общей оболочке проблемы почти нет. Но современные кабели 6-500 кВ с изоляцией из СПЭ, как правило, однофазные, и три фазы прокладывают отдельными кабелями. Соседние фазы не могут полностью компенсировать влияние тока жилы на экран, поэтому вопрос заземления экранов встает для каждой такой линии.
Если экран заземлен по концам, он вместе с землей образует замкнутый контур, в котором ток жилы наводит ток. Чем меньше сопротивление экрана и чем дальше фазы друг от друга, тем ближе ток в экране к току жилы.
Примеры из публикаций специалистов завода показывают масштаб. Кабель 10 кВ с жилой 500 мм² и экраном 95 мм² длиной 2500 м: при токе в жилах 186 А в экранах измерили в среднем 115 А. При выходе на номинальную нагрузку около 500 А ток в экране вырос бы примерно до 310 А, что недопустимо для такого сечения. Кабель 35 кВ сечением 630/35 мм² при токе 900 А имел в экранах 300 А, потери в экране оказались примерно вдвое больше потерь в жиле, и экран вплавился в изоляцию.
Важный критерий: отношение потерь в экране к потерям в жиле. Если оно не превышает 0,1-0,2, особой опасности нет. Если больше 0,2, при нагрузке по каталогу кабель перегревается и быстрее стареет. Приемлемые значения получаются только у «тонких» кабелей, проложенных сомкнутым треугольником: с жилой меньше 500 мм² и экраном меньше 70 мм². Допустимые токи в каталогах кабельных заводов фактически соответствуют одностороннему заземлению экрана или транспозиции.
При одностороннем заземлении контура для тока нет, и потери в экране исчезают. Зато на свободном конце экрана появляется напряжение относительно земли. Оно пропорционально длине кабеля и току в жиле, а максимальным становится при коротких замыканиях в сети за кабелем, когда по жиле кратковременно течет ток в тысячи ампер.
| Режим (кабель 10 кВ, жила 500 мм², длина 500 м, расстояние между фазами 0,2 м) | Ток в жиле | Напряжение на свободном конце экрана |
|---|---|---|
| Нормальный режим | 500 А | около 44 В |
| Трехфазное КЗ в сети за кабелем | 10 000 А | около 875 В |
Дальше результат сравнивают с допустимым значением. Если к концу экрана возможно прикосновение человека, ориентируются на нормы безопасности, и в расчете из публикации это 24 В; в примере условие не выполняется, значит, экран нужно заземлять с обеих сторон. Если прикосновение исключено, ориентируются на прочность изоляции экрана: ее перед вводом испытывают постоянным напряжением 5 кВ около минуты, и для кабелей 6-10 кВ на время КЗ можно ориентироваться на несколько меньшее значение. Тогда тот же кабель длиной 500 м можно эксплуатировать с односторонним заземлением.
В сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью токи однофазного замыкания малы, и наибольшее напряжение на экране дает трехфазное короткое замыкание. В сетях 110-500 кВ с заземленной нейтралью расчетным становится однофазное КЗ: для кабеля 110 кВ длиной 8,1 км напряжение на незаземленном конце составило 0,88 В на ампер тока жилы в симметричном режиме и 5,8 В на ампер при однофазном КЗ.
Разземленный конец экрана защищают ограничителем перенапряжений, подключенным между экраном и землей. Он ограничивает грозовые и коммутационные импульсы на изоляции оболочки. При выборе такого ОПН учитывают и допустимый для изоляции экрана уровень перенапряжений, и напряжение промышленной частоты на экране при КЗ, которое зависит от длины кабеля и токов короткого замыкания.
Практика показывает, что ошибки здесь дорого обходятся. В одном из случаев, разобранных заводом, на кабельной линии 220 кВ длиной 370 м при подаче напряжения вышли из строя экранные ОПН в концевых коробках. Возможные причины: экраны по ошибке остались незаземленными и на заземляемом конце, были выбраны ОПН с рабочим напряжением всего 3 кВ или аппараты имели заводской брак. Специалисты ЗЭУ рекомендуют для экранов ОПН с рабочим напряжением около 6 кВ, а каждый экранный ОПН в коробках завода проверяют импульсами прямоугольной формы, измеряют ток проводимости под рабочим напряжением и сопротивление изоляции с записью в паспорт.
Завод выпускает коробки концевые типов КК-Т/ЗЭУ/ОПН, КК-О/ЗЭУ/ОПН и варианты без ОПН для кабелей 6-500 кВ. Сварной корпус весит около 10 кг, провода заводятся снизу, изоляторы и ОПН имеют категорию УХЛ1, а при испытаниях оболочки кабеля коробку не нужно открывать и отключать ОПН.
Для таких расчетов специалисты завода разработали программу «ЭКРАН», которая считает токи, напряжения и потери в экранах однофазных кабелей 6-500 кВ и помогает выбрать оптимальную схему.
Можно разземлить один конец, но это потребует установки ОПН для защиты изоляции экрана и расчета напряжения при КЗ. Без расчета такой шаг может создать опасное напряжение на экране.
Напряжение на экране определится соотношением емкостей «жила-экран» и «экран-земля» и может значительно превысить допустимое и для ОПН, и для оболочки кабеля.
Да, чем ближе фазы, тем меньше токи и напряжения в экранах. Но совсем вплотную кабели размещать нежелательно из-за ухудшения охлаждения, а полностью компенсировать влияние тока жилы все равно не получится.
Нет. Сечение экрана выбирают по термической стойкости при коротком замыкании в самом кабеле, когда ток КЗ проходит по экрану при любой схеме заземления.
Методика подробно изложена в рекомендациях по заземлению экранов однофазных кабелей 6-500 кВ и в статье о заземлении экранов кабелей 6-10 кВ с изоляцией из СПЭ. Подобрать концевые коробки с ОПН для экрана можно в разделе оборудования для заземления экранов кабелей 6-500 кВ. Если для вашей линии не подходит ни одностороннее, ни двустороннее заземление, прочитайте о том, как работает транспозиция экранов кабелей.