Бронированные кабели 6-35 кВ. Проблемы и возможные решения

Однофазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена получили широкое распространение и уже достаточно хорошо изучены. Некоторое время назад на рынке появилась модификация однофазных кабелей напряжением 6–35 кВ (и даже 110 кВ), в конструкцию которых добавлена броня из проволок алюминия или его сплава.

Михаил Викторович Дмитриев считает, что у бронированного кабеля имеется ряд особенностей, которые нельзя оставлять без внимания.

Бронированные каБели 6–35 кв

Проблемы и возможные решения

Михаил Дмитриев,

к.т.н., доцент,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Традиционно в сетях среднего напряжения применялись трехфазные кабели с бумажно-масляной изоляцией в свинцо- вой оболочке, покрытые броней из стальных лент. Свинцовая оболочка герметизировала кабель, защищая его от потери масла и проникновения воды, а броня предотвращала механические повреждения свинца и других элементов линии.

В настоящее время у силовых кабелей чаще всего твердая изоляция – сшитый полиэтилен (СПЭ), и поэтому герметизация кабеля при помощи свинцовой оболочки уже не требуется. Исключение составляют специализированные СПЭ-кабели для подводной прокладки, где используют свинцовую оболочку для защиты кабеля от проникновения воды внутрь изоляции. Отсутствие свинцовой оболочки у подавляющего большинства СПЭ-кабелей повлекло за собой и отказ от применения в их конструкции металлической брони.

Кабели с изоляцией из СПЭ покрыты прочной полимерной оболочкой толщиной приблизительно 5 мм, которая не только защищает кабель от проникновения воды в его изоляцию, но и обеспечивает ему определенную механическую защиту. Тем не менее есть несколько случаев, когда требуется усиленная механическая защита кабеля, с которой полимерная оболочка может не справиться. Например, речь идет о прокладке линии:

в пучинистых грунтах;
в зонах подвижек грунта (оползни, землетрясения и пр.);
по дну водоемов в условиях судоходства.

Для подобных ситуаций заводы разработали модификацию СПЭ-кабелей, где в конструкцию добавлена проволочная броня из алюминия или его сплава. Кроме механической защиты уже проложенного кабеля, броня может оказаться полезна и на стадии монтажа, ведь она позволяет повысить допустимые усилия на кабель при его протяжке, а значит, увеличить строительную длину, снизить число соединительных муфт.

Бронированные СПЭ-кабели бывают трехфазными или однофазными, однако только однофазное исполнение дает возможность изготавливать кабели на большие напряжения и токи.

Рис. 1. Однофазный бронированный кабель

r₁– внешний

радиус жилы;

r₂– внутренний радиус экрана;

r₃– внешний

радиус экрана;

r₄– внутренний радиус брони;

r₅– внешний

радиус брони;

r₆– внешний

радиус кабеля.

Схематично вид поперечного сечения однофазного бронированного кабеля 6–35 кВ представлен на рис. 1. Такой кабель отличается от обычного тем, что оболочка делится на две части, между которыми размещается повив из проволок брони. В результате у бронированного кабеля образуется сразу две оболочки: первая (внутренняя) – между экраном и броней, вторая (наружная) – между броней и грунтом. Каждая из этих оболочек имеет толщину около 3 мм.

Принципиальным является вопрос о выборе материала для брони однофазного кабеля, поскольку за пределами медного экрана нет электрического поля (экран заземлен хотя бы в одной точке), но имеется магнитное поле. Очевидно, броня кабеля оказывается в зоне действия магнитного поля жилы кабеля и поэтому не может выполняться из склонных к намагничиванию материалов, так как иначе она будет существенно нагреваться, создавая риск перегрева и оплавления изоляции. Поэтому броню однофазных кабелей делают из немагнитного металла – алюминия или из его сплава (он имеет активное сопротивление, близкое к чистому алюминию). Конструкция брони проволочная, так как на заводах заведомо имеется необходимое оборудование для работы с проволоками, ведь и жила скручивается из отдельных проволок, и экран тоже является проволочным.

Однофазный бронированный кабель (рис. 1) имеет в отличие от обычного однофазного не один, а как бы два экрана (один медный, а второй алюминиевый). Вместе с тем известно, что даже единственный экран кабеля традиционной однофазной конструкции уже порождает большое число проблем, которые связаны с наведенными напряжением и током промышленной частоты, а также с паразитными потерями мощности [1]. Традиционно для борьбы с токами и потерями в экранах однофазных кабелей приходится оптимизировать схему их соединения и заземления. В частности, нужно отказываться от простого двустороннего заземления в пользу одностороннего (для линий небольшой длины) или же в пользу транспозиции экранов (для протяженных кабелей). Для однофазных бронированных кабелей подобные схемы соединения и заземления потребуются не только для экрана, но и для брони. Всё это снижает привлекательность бронированных кабелей 6–35 кВ.

Основные схемы соединения экранов и Брони

Для экранов однофазных кабелей существуют три основные

схемы соединения и заземления [1]:

двустороннее заземление экранов;
одностороннее заземление экранов;
транспозиция экранов (то или иное число циклов).

Такие же три базовые схемы теоретически можно предложить и для брони. Однако далее будет показано, что для брони в отличие от экранов возможен еще и четвертый вариант – ее полное разземление. Имея 3 разные схемы для экранов и 4 схемы для брони, всего получаем 12 вариантов, которые придется рассмотреть проектировщику, чтобы выбрать самое оптимальное решение.

К сожалению, в настоящее время при выборе схем даже для обычного однофазного кабеля приходится наблюдать большое число ошибок, а ведь уже опубликованы все необходимые материалы и даже введен в действие стандарт ПАО «ФСК ЕЭС» [2].

Учитывая изложенное, есть все основания полагать, что для проектировщика, и без того заваленного работой, задача выбора наилучшей из 12 схем бронированного кабеля, имеющего два экрана, окажется достаточно сложной.

Согласно располагаемой информации, для всех однофазных бронированных кабелей, которые уже проложены в действующих сетях 6–35 кВ, применено простое двустороннее заземление экранов и двустороннее заземление брони (на схеме рис. 2 показана только одна из трех фаз линии). С годами, по мере роста нагрузки, изоляция кабелей будет перегреваться теплом, выделяющимся в жиле, в экране, в броне, ускоренными темпами снижая ее ресурс или даже оплавляя ее. Например, автору известно, что только за 2015 год были выявлены две явно проблемные линии с бронированными кабелями 10 и 35 кВ. Трудно оценить, сколько случаев остались неизвестными и сколько еще произойдет.

Очевидно, ситуация требует самого оперативного вмешательства с целью ограничения применения однофазных бронированных кабелей, а может быть, даже их полного запрета до тех пор, пока не будет наведен порядок в выборе схем соединения и заземления экранов и брони таких кабелей. Первым шагом в решении накопившихся вопросов мог бы стать предложенный в настоящей статье экспресс-анализ всех 12 возможных схем соединения и заземления экранов и брони, а также формирование перечня наиболее перспективных из них.

Двустороннее заземление брони

Сравнивая тепловыделение в экране и в броне, можно показать, что в броне оно в несколько раз больше, чем в эк- ране. Поэтому нет смысла в схемах соединения и заземления экранов и брони, где для экранов внедрены меры по борьбе с потерями и нагревом, а для брони нет и применено ее простое двустороннее заземление.

Транспозиция брони

Сечение брони однофазного кабеля 6–35 кВ достигает 500 мм². Сложно представить, что проводник такого большого сечения (а значит, и диаметра) удастся качественно вывести из транспозиционных муфт и подключить к неким коробкам транспозиции. Кроме того, транспозиция предполагает, что в муфте броня соседних строительных длин кабеля должна быть изолирована друг от друга. Следовательно, усилия продольного тяжения кабеля, возникающие, например, из-за подвижек грунта, не будут передаваться через муфту с одной строительной длины кабеля на соседнюю строительную длину. Это означает, что при подвижных грунтах бронированный кабель будет обрываться в муфте. По названным причинам и по ряду других транспозиция брони вряд ли получит распространение.

Транспозиция экранов

Во-первых, основная проблема бронированных кабелей связана с потерями в броне, т.е. о транспозиции экранов можно говорить лишь после того, как сделана транспозиция брони, а ее, к сожалению, сделать очень сложно. Во-вторых, конструкция муфты, из которой выводится экран, но не выводится броня, – наверное, не самая простая и надежная. Из сказанного следует, что транспозиция экранов бронированного кабеля затруднена.

Видно, что из трех возможных вариантов соединения и заземления экранов один (транспозиция) следует исключить, а всё внимание надо сосредоточить на двустороннем заземлении и на одностороннем заземлении.

Что касается брони, то обсуждению подлежат лишь одно- стороннее заземление брони или же ее полное разземление.

Таким образом, в ходе рассуждений удалось снизить число разнообразных вариантов соединения и заземления с 12 схем всего до 4 (они показаны на рис. 3). Предложим методику их расчета, взяв за основу подход, использованный в [1].

Обращаем внимание, что на рис. 3 для простоты не показаны ОПН, которые устанавливаются между экранами и землей в местах разземления экранов и нужны для защиты оболочки кабеля от импульсных перенапряжений. Также тут нет и ОПН, которые, возможно, было бы полезно иметь между броней и землей.

а) двустороннее заземление экранов, одностороннее заземление брони;

б) двустороннее заземление экранов, полное разземление брони;

в) одностороннее заземление экранов, одностороннее заземление брони;

г) одностороннее заземление экранов, полное разземление брони

Базовая схема

Рассмотрим расчет схемы двустороннего заземления экранов и брони (рис. 2), чтобы любой желающий мог оценить конкретные последствия от ее использования.

Для расчета токов, наведенных в экранах и броне, можно воспользоваться уже известными формулами для экрана обычного однофазного кабеля, но подставлять в них параметры эквивалента медного экрана и алюминиевой брони.

Ток эквивалента (ЭБ) экрана (Э) и брони (Б) по отношению к току жилы (Ж):

где R_Э^*= _Э/ F_Э; R_Б^*= _Б/ F_Б– погонные активные сопротивления экрана и брони;

F_Э, F_Б– сечения экрана и брони;

_Э= 2 · 10^–8Ом·м; _Б= 3,2 · 10^–8Ом·м – удельные сопротивления медного экрана и алюминиевой брони;

- погонное активное и индуктивное сопротивление экрана и брони, включенных параллельно друг другу, где: dЭБ = 0,5(dЭ + dБ) – средний диаметр экрана и брони;

dЭ – средний диаметр экрана (он несколько больше, чем 2r2);

dБ – средний диаметр брони (он несколько больше, чем 2r4);

– среднегеометрическое расстояние между осями фаз кабеля;

m0 = 4p · 10–7 Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

w = 2pf = 314 рад/с – круговая частота при f = 50 Гц.

Относительные потери в экране и броне:

Коэффициент использования пропускной способности кабеля:

Годовая стоимость потерь мощности в экранах и броне трех фаз:

где Ц – цена потерь электроэнергии, руб./(кВт·час);

8760 – число часов в году;

1000 – перевод Вт в кВт; PЭ = (РЭ / РЖ) · РЖ ;

PБ = (РБ / РЖ) · РЖ – потери мощности в экране и броне одной фазы, Вт;

PЖ = IЖ 2 · (RЖ * · LK) – потери мощности в жиле одной фазы, Вт;

IЖ – усредненный за год ток жилы кабеля; LК – длина кабеля;

RЖ * = rЖ / FЖ – погонное активное сопротивление жилы;

rЖ – удельное сопротивление жилы (2 · 10–8 Ом·м для медной жилы; 3,2 · 10–8 Ом·м для алюминиевой жилы);

FЖ – сечение жилы.

Альтернативные схемы

Схема № 1 (рис. 3а) Наведенный ток в экране и вызванные им потери мощности можно найти по формулам (1)–(4), считая RБ*  , dЭБ = dЭ, IБ = 0, РБ = 0.

Напряжение на разземленном конце брони относительно земли:

где

– погонное индуктивное сопротивление, связанное с экраном;

– погонное индуктивное сопротивление, связанное с броней.

Формулу (5) несложно получить, если обратить внимание, что в схеме рис. 3а наведенное на броню напряжение обусловлено совместным действием магнитных полей тока жилы и наведенного тока в экране (связь тока жилы и экрана есть в [1]).

Схема № 2 (рис. 3б) Наведенный ток в экране и вызванные им потери мощности можно найти по формулам (1)–(4), считая RБ*  , dЭБ = dЭ, IБ = 0, РБ = 0. Напряжение на броне относительно земли в начале UБН и в конце UБК кабеля:

где продольное наведенное на броню напряжение UБ может быть найдено по (5). Как видно, напряжение на полностью разземленной броне оказалось в два раза ниже, чем в случае ее одностороннего заземления. Поэтому полное отсутствие заземления брони является интересным техническим решением.

Схема № 3 (рис. 3в) Напряжение на разземленном конце экрана и брони относительно земли:

Если экран и броня соединены друг с другом в месте своего разземления, то напряжение UЭ = UБ может быть найдено по (7), где при вычислении Х* и ХБ* надо брать не диаметр экрана dЭ и брони dБ, а их средний диаметр dЭБ = 0,5 · (dЭ + dБ). Схема № 4 (рис. 3г) Напряжение на разземленном конце экрана можно найти по (7). Напряжение на броне относительно земли в начале и в конце кабеля можно найти, обратившись к емкостной схеме замещения фазы кабеля (рис. 4). Здесь броня оказывается связана с экраном через емкость СЭ «экран–броня» и с землей через емкость СБ «броня–земля», вычисляемые как:

где e0 = 8,85 · 10–12 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; e = 2,4 о.е. – относительная диэлектрическая проницаемость оболочек. Записав для рис. 4 уравнения по 1-му и 2-му законам Кирхгофа, определим:

где расчет напряжения на экране UЭ и броне UБ можно выполнить по формулам (7). Расчеты показывают, что напряжения брони в начале кабеля UБН и в его конце UБК оказываются соответственно чуть меньше и чуть больше 0,5 · UБ, т.е. являются менее опасными, чем в случае одностороннего заземления брони, когда напряжение на ее разземленном конце составляет UБ. Поэтому полное отсутствие заземления брони, как и ранее, является интересным техническим решением.

Пример расчета

Кабельная линия 35 кВ длиной LК = 1000 м выполнена однофазными кабелями с алюминиевой жилой FЖ = 630 мм2, медным экраном FЭ = 50 мм2, проволочной броней (59 проволок диаметром 3,2 мм) из сплава алюминия. Фазы проложены сомкнутым треугольником. Ток нормального режима IЖ = 600 А, ток трехфазного короткого замыкания 10 кА. Требуется выбрать оптимальную схему соединения и заземления экранов и брони. Диаметр кабеля по каталогу составляет d = 72 мм, диаметр по экрану dЭ = 48,9 мм, диаметр по броне dБ = 58,8 мм.

Тогда dЭБ = 0,5(dЭ + dБ) = 53,8 мм. При прокладке треугольником dАВ = dBC = dAC = d, среднее расстояние между осями фаз

Тогда
s / dЭ = 72 / 48,9 = 1,472,
s / dБ = 72 / 58,8 = 1,224,
s / dЭБ = 72 / 53,8 = 1,338.
Сечение брони FБ = 59 · p · (3,2 / 2)2 = 475 мм2,
активные сопротивления элементов
RЭ* = 2 · 10–8 / (50 · 10–6) = 4 · 10–4 Ом/м,
RБ* = 3,2 · 10–8 / (475 · 10–6) = 6,74 · 10–5 Ом/м,
RЭБ * = 5,77 · 10–5 Ом/м.
Индуктивное сопротивление
XЭБ * = 2p · 50 · (4p · 10–7 / 2p) · ln(2 · 1,338) = 6,2 · 10–5 Ом/м.

Схема рис. 2
По (1) относительные токи:
IЭБ / IЖ = 0,732 о.е,
IЭ / IЖ = 0,105 о.е,
IБ / IЖ = 0,627 о.е.
Токи в именованных единицах:
IЭ = (IЭ / IЖ) ·
IЖ = 0,105 · 600 = 63 А,
IБ = (IБ / IЖ) · IЖ = 0,627 · 600 = 376 А.

По (2) относительные потери:
РЭ / РЖ = 0,087 о.е.,
РБ / РЖ = 0,521 о.е.
По (3) коэффициент для бронированного кабеля

(79%), а для кабеля без брони он был бы о.е. (96%).
По (4) потери в жиле каждой фазы РЖ = 18,3 · 103 Вт, потери в экране каждой фазы РЭ = 0,087 · (18,3 · 103) = 1,59 · 103 Вт, потери в броне каждой фазы РБ = 0,521 · (18,3 · 103) = 9,53 · 103 Вт. Суммарная годовая стоимость потерь в экранах и броне трех фаз при цене потерь, например, Ц = 1 руб./(кВт·час) составит С1год = 292 · 103 руб./год (292 тыс. руб.), из которых в экранах 42 тыс. руб., а в броне 250 тыс. руб.

Из расчетов следует, что при заземлении экранов и брони с двух сторон (рис. 2) пропускная способность кабеля может быть использована лишь на 79% от своего предельного значения. Стоимость же потерь мощности в экранах и броне ежегодно составляет около 300 тыс. рублей в расчете на каждые LК = 1000 м трассы, причем большая часть потерь приходится на броню. Очевидно, что двустороннее заземление экранов и брони невыгодно и даже недопустимо.

В качестве альтернативы рассмотрим схемы соединения и заземления без потерь в экранах и броне – это схемы рис. 3в и рис. 3г.

Схема рис. 3в

Индуктивные сопротивления X* = 2p · 50 · (4p · 10–7 / 2p) · ln(2 · 1,472) = 6,78 · 10–5 Ом/м, XБ* = 2p · 50 · (4p · 10–7 / 2p) · ln(2 · 1,224) = 5,62 · 10–5 Ом/м.

По (7) в нормальном режиме при токе IЖ = 600 А напряжение относительно земли в месте разземления экрана и брони составит UЭ = 41 В и UБ = 34 В.

Согласно [1, 2] рекомендуется, чтобы напряжение промышленной частоты на экране кабеля относительно земли не превышало:
– в нормальном режиме 100 В;
– при внешнем коротком замыкании 5 кВ.

Поскольку указанные цифры нормируются с учетом проч- ности оболочки кабеля и безопасности людей и животных, то они в полной мере могут быть отнесены и к проволочной броне – тому металлическому элементу кабеля, который расположен ближе всего к внешним покровам кабеля.

Видно, что 41 и 34 В меньше допустимых 100 В. Также можно проверить, что на время короткого замыкания с током жилы 10 кА напряжение экрана и брони не превзойдет 5 кВ, которые считаются предельно допустимым значением (для этого в формулу (7) вместо тока 600 А надо подставить ток 10 кА).

Схема рис. 3г По (7) на экране относительно земли UЭ = 41 В, продольно на броне UБ = 34 В. Напряжение по концам брони по (8) зависит от емкостей:

Тогда в соответствии с (8) имеем в начале кабеля UБН = – 8В (т.е. 8 В), в конце UБК = 26 В.

Согласно расчетам наибольшее напряжение на экране относительно земли составило 41 В, а на броне относительно земли 26 В. Как видно, оба значения менее допустимого значения 100 В. Также можно проверить, что на время короткого замыкания с током жилы 10 кА напряжение экрана и брони не превзойдет 5 кВ, которые считаются предельно допустимым значением (для этого в формулы (7) и (8) вместо тока 600 А надо подставить ток 10 кА).

Схемы рис. 3в и рис. 3г оказались оптимальными для рассмотренного кабеля. Некоторое преимущество полного отсутствия заземления брони (рис. 3г) состоит в том, что в случае повреждения внешней оболочки кабеля (и по этой причине соединения брони с землей) не будет образовываться замкнутый контур «броня–земля», опасный появлением наведенного тока промышленной частоты и разогревом брони и кабеля. Для образования такого контура в схеме рис. 3г надо иметь повреждение оболочки кабеля одновременно в двух местах, а вероятность этого низка. Если же броня имеет одностороннее заземление (рис. 3в), то, во-первых, как уже было показано, на ней больше наведенное напряжение, а во-вторых – для образования контура «броня–земля» с соответствующими последствиями по току, потерям, нагреву достаточно одного единственного повреждения оболочки.

Преимущество схемы рис. 3в, напротив, в том, что три ОПН, которые стоят в разземленных концах экрана относительно земли, можно использовать и для брони. Тогда в рамках каждой из трех фаз кабеля экран и броня не будут расцеплены (как на рис. 3в), а будут соединены друг с другом на верхнем фланце соответствующего экранного ОПН.

Заключение

Двустороннее заземление брони однофазных бронированных кабелей чревато перегревом кабеля и его повреждением вдоль всей трассы. Двустороннее заземление экранов таких кабелей также опасно, но в меньшей степени.

Для исключения повреждения бронированных кабелей необходимо внедрять альтернативные схемы соединения и заземления их экранов и брони, в частности одностороннее заземление брони или даже ее полное разземление. Всё это снизит потери в кабеле и их стоимость, повысит длительно допустимый ток для жилы.

Проблемы с перегревом брони однофазных кабелей классов 6–35 кВ должны склонять энергетиков к минимизации случаев использования таких кабелей при строительстве электрических сетей и к необходимости поиска альтернативных способов обеспечения механической защиты линий, например за счет их прокладки в толстостенных полимерных трубах большой протяженности.

Нормы предписывают периодически проверять целостность внешней оболочки однофазных кабелей постоянным напряжением 10 кВ, прикладывая его на 1 мин. У бронированного кабеля внешняя оболочка почти в два раза тоньше, чем у обычного, и поэтому для ее проверки желательно снизить испытательное напряжение с 10 кВ до, скажем, 5 кВ. При этом надежность кабеля не пострадает, ведь от проникновения воды его защищает внутренняя оболочка.

Литература

1. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. –152 с.
2. СТО 56947007-29.060.20.103-2011. Силовые кабели. Методика расчета устройств заземления экранов, защиты от перенапряжений изоляции силовых кабелей на напряжение 110–500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Москва, ФСК ЕЭС.

Бронированные кабели 6-35 кВ. Проблемы и возможные решения