Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Классификация, особенности и сравнительный анализ свойств изоляции кабелей 6-220 кВ .
1.1. Сравнительный анализ изоляционных материалов кабельных линий 6 220 кВ 10
1.2. Физико-химические основы твердой полимерной изоляции 17
1.3. Химическая структура и ее влияние на свойства полимерной изоляции 22
1.4. Особенности сшивки полиэтилена для главной изоляции кабельных линий 6-220 кВ 29
1.5. Выводы 35
ГЛАВА 2. Математическая модель тепловых процессов в кабельных линиях с изоляцией из сшитого полиэтилена .
2.1. Основы теплового расчета кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ 36
2.2. Уравнения теплового баланса для кабельных линий 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена 38
2.3. Математическая модель тепловых процессов в кабельных линиях из сшитого полиэтилена 6-220 кВ 42
2.4. Математическая модель пропускной способности кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ 46
2.5. Выводы 53
ГЛАВА 3. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с полимерной изоляцией 6-220 кВ .
3.1. О проблемах ограничения токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена
3.2. Симметричные и несимметричные режимы работы кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ 61
3.3. Основные расчетные случаи кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ. Определение параметров прямой и нулевой последовательностей 65
3.4. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220
кВ 77
3.4.1. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для нормального режима 77
3.4.2. Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для аварийного режима однофазного КЗ 80
3.4.3. Моделирование напряжений и токов в кабельных линиях с полимерной изоляцией 6-220 кВ 85
3.5. Выводы 88
ГЛАВА 4. Математическая модель импульсных перена пряжений кабельных линий с изоляцией из сшитого по лиэтилена 6-220 КВ
4.1. Параметры кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6 220 кВ 90
4.2. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линиях с односторонним разземлением экранов и изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ 102
4.3. Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линий с транспонированными экранами и изоляцией из сшитого полиэтилена и 6-220 кВ 107
4.4. Математическая модель коммутационных и дуговых перенапряже ний воздействующих на полимерную изоляцию кабельных линий 6-220 кВ 114
4.5. Феррорезонансные перенапряжения на полимерной изоляции кабельных линий 6-220 кВ 116
4.6. Выводы 119
Заключение 120
Список литературы
- Физико-химические основы твердой полимерной изоляции
- Уравнения теплового баланса для кабельных линий 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена
- Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для нормального режима
- Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линий с транспонированными экранами и изоляцией из сшитого полиэтилена и 6-220 кВ
Введение к работе
Актуальность темы. Кабельные сети 6 + 220 кВ являются основой систем энергоснабжения промышленных предприятий, коммунального и бытового электропотребления, поэтому научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности их работы можно считать важной научно-технической проблемой, требующей тщательного исследования и корректного решения.
Повышение надежности кабельных линий (КЛ) с полимерной изоляцией во многом определяет совершенствование методов их проектирования, производства и эксплуатации, реализация которого позволит повысить их пропускную способность, снизить аварийность при воздействиях на изоляцию КЛ мощных электромагнитных помех, минимизировать потери в экранах, улучшить их эксплуатационные свойства и характеристики и т.д.
При совершенствовании эксплуатационных свойств КЛ с полимерной изоляцией наибольший интерес представляют проблемы обеспечения защиты изоляции КЛ от грозовых перенапряжений при воздействиях токов молний, приходящих с воздушных линий (ВЛ), а также внутренних, связанных с работой коммутационных и защитных аппаратов. Их ограничение позволяет обеспечить необходимый ресурс полимерной изоляции КЛ и предотвратить возможный недоотпуск электроэнергии в жестких условиях по резервированию в системах электроснабжения.
Значительные проблемы возникают на этапах проектирования и эксплуатации КЛ в связи с необходимостью ограничения продольных токов и напряжений в экранах КЛ. Ограничение токов, индуцируемых в экранах с односторонним разземлением или их транспозицией, приводит к появлению напряжений, превышающих электрическую прочность оболочки, и тем самым представляют опасность для людей находящихся вблизи КЛ. Потому, необходимо уточнение математических моделей для определения токов и напряжений, индуцируемых в экранах, с целью корректного выбора сечения экрана, необходимого количества его секций или циклов транспозиции. Углубленное изучение процессов связанных с возникновением продольных токов в экранах, позволит не допустить ввода в эксплуатацию КЛ с заниженным сечением экрана, наличие значительных потерь в котором приводит к ускоренному старению изоляции и снижению пропускной способности КЛ, а в случае не удовлетворения термической стойкости к выгоранию экрана по ходу трассы КЛ.
Не менее важно изучение тепловых процессов, проходящих в КЛ с полимерной изоляцией, учет которых при проектировании позволяет обеспечить требуемую пропускную способность при минимальном сечении жилы КЛ.
Сказанное выше определяет актуальность проблем и темы настоящей диссертационной работы.
Цель работы разработка положений и рекомендаций, направленных на снижение аварийности, повышение экономичности, корректности проектирования и организации эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией.
Для реализации этой цели проведен анализ и обобщение физико-химических свойств, опыта производства и эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, а также аналитические исследования и компьютерные эксперименты электромагнитных процессов, выполненные с учетом специфики КЛ с полимерной изоляцией, построены математические модели, разработаны мероприятия для повышения их надежности и энергоэффективности работы.
Задачи работы, сформулированные в соответствие с поставленной целью.
-
Совершенствование математической модели тепловых процессов в кабельных линиях с полимерной изоляцией.
-
Разработка уточненной математической модели продольных токов и напряжений в экранах в нормальном, аварийном симметричном и несимметричных режимах.
-
Определение параметров математической модели КЛ с полимерной изоляцией для анализа волновых процессов распространения импульсов перенапряжений.
-
Построение статистической модели дуговых и коммутационных перенапряжений, воздействующих на главную изоляцию КЛ 6-220 кВ.
-
Разработка математических моделей волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов КЛ 6-220 кВ.
Научная новизна работы заключаются в следующем.
-
Описание волновых процессов импульсных перенапряжений в схеме с транспонированными экранами трехфазной системы с кабелями однофазного исполнения.
-
Создание математических моделей защиты изоляции экранов КЛ с полимерной изоляцией от дуговых, коммутационных и грозовых перенапряжений, а так же индуцируемых токами КЗ.
-
Упрощенная модель токов в экранах при КЗ вне КЛ. Практическая ценность.
-
Рекомендации по обеспечению защиты от перенапряжений, возникающих на полимерной изоляции КЛ.
-
Методика приближенного определения напряжений в узлах транспозиции и одностороннего разземления экранов КЛ с полимерной изоляцией.
-
Совершенствование методики выбора КЛ с полимерной изоляцией по допустимым тепловым воздействиям.
Основные положения, выдвигаемые на защиту.
-
Уточненная математическая модель тепловых процессов в КЛ с полимерной изоляцией.
-
Совершенствование определения продольных токов и напряжений в экранах для нормальных и аварийных режимов.
-
Математическая модель волновых процессов импульсов перенапряжений при одностороннем заземлении и транспозиции экранов КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.
Основные методы научных исследований. В диссертационной работе были использованы методы математического анализа, физического математического моделирования, теории матриц и математической статистики. Оценка корректности моделирования производилась с учетом опыта эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией 6-220 кВ.
Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, данными эксплуатации КЛ с полимерной изоляцией, системным научным обоснованием принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов известных исследований и проведенных автором расчетов и экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-технических конференциях и семинарах: «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.); «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Екатеринбург, 2010 г.); «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2011 г.); «Электроэнергетика глазами молодежи», (Самара, 2011 г.); «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах», (Пенза, 2011-2013 г.).
Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по ограничению перенапряжений на полимерной изоляции КЛ переданы в подразделения ОАО «Роснефть», в частности, ОАО «Самаранеф-тегаз», а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проектэлектро» (г. Самара), ОАО «МРСК Волги» и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара). Разработанные методы моделирования процессов в кабельных электрических сетях и системах электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 12 публикациях, в том числе 2 публикации в рецензируемых научных журналах из Перечня, утверждённого ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований, содержит 125 стр. основного текста и приложения.
Физико-химические основы твердой полимерной изоляции
Однако практически все полиолефины характеризуются низким уровнем адгезии - возможностью создания устойчивого соединения с поверхностью металла или других материалов. Это является препятствием для использования их в качестве изоляции. Но данную проблему удается решить за счет улучшения адгезионных свойств путем ввода полярных групп в молекулы исходного вещества в условиях химических производств.
Ценным является тот факт, что комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, к усадке при нагреве, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориен-тационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий. Кроме того, они могут быть изменены с помощью широкого диапазона химических модификаторов: термостабилизаторов, пигментов, антистатиков, скользящих и антиблокирующих добавок, УФ стабилизаторов, и т.д.
Для расширения комплекса нужных свойств, полиолефины перерабатываются методом соэкструзии с различными полимерами, например барьерными -омыленным сополимером этилена с виниловым спиртом (EVOH), полиамидом, полиэфирами, адгезивами, соединяющими слои разных полимеров, получая многослойные изоляции со специальными, высокоэффективными свойствами [15].
Среди полиолефинов в качестве электроизоляционных материалов и их компонентов преимущественно используются полиизобутилен, полипропилен, полиэтилен, которые отличаются структурой элементарных звеньев - мономеров (изобутилена, пропилена и этилена, соответственно).
Молекулярное строение мономеров и состав полимерной композиции воздействуют на ее способность к переработке и на свойства получаемого изделия. Три основных свойства макромолекул обуславливают большинство свойств, важных для производства изоляции высокого качества: средняя молекулярная масса; распределение молекулярной массы; кристалличность или плотность [13]. Эти молекулярные свойства определяются характеристиками веществ, используемых для производства полиолефинов и условий, в которых они получаются. Молекулярная масса
Каждый полиолефин состоит из смеси больших и малых цепей, то есть цепей с высокой и низкой молекулярной массой. Молекулярная масса полимерной цепи обычно оценивается тысячами. Среднее число их называется, весьма приблизительно, средней молекулярной массой полимера.
При увеличения средней молекулярной массы возрастает жесткость полимера, прочность при растяжении, и сопротивление к растрескиванию под влиянием напряжений окружающей среды (трещин, возникающих в случае, когда изоляция подвергнута напряжениям в присутствии жидкостей типа растворителей, масел, моющих средств, и т.д.) [16]. Распределение молекулярной массы Относительное распределение больших, средних и малых молекулярных цепей в полиолефине важно для его свойств. Когда большинство молекулярных цепей в полимере обладают длиной близкой к средней длине, полимер, как считают, обладает "узким распределением молекулярной массы ".
Полиолефины с "широким распределением молекулярной массы" представлены более широкой разновидностью длин цепей. Обычно полимеры с уз ким распределением молекулярной массы обладают большим сопротивлением растрескиванию под напряжением и лучшими оптическими свойствами. Полимер с широким распределением молекулярной массы обычно обладает большей ударной вязкостью и большей легкостью переработки [17].
Кристалличность или плотность. В процессе полимеризации мономеров создается смесь молекулярных цепей изменяющихся длин. Некоторые цепи короткие, в то время как другие чрезвычайно длинные, и содержат несколько сотен тысяч мономерных звеньев. В цепи полиэтилена имеются многочисленные боковые ответвления. На каждые 100 единиц этилена в молекулярной цепи существует приблизительно от одного до 10 коротких или длинных ответвлений. Чем более разветвленную структуру имеет полимер, тем больше его резиноподобные свойства, но ниже твердость [14].
Разветвления цепей воздействуют на многие свойства полимера, включая плотность, твердость, гибкость и прозрачность. Разветвления цепей также становятся узлами в молекулярной сетке, где может происходить окисление. В некоторых технологических процессах, либо процессах эксплуатации готовых изделий, где достигаются высокие температуры, окисление может неблагоприятно воздействовать на свойства полимера.
В полиолефинах имеется смесь кристаллических и аморфных областей. Молекулярные цепи в кристаллических областях располагаются почти параллельно друг другу. В аморфных областях они располагаются беспорядочно. Эта смесь кристаллических и аморфных областей важна для формирования хороших пленочных изделий.
Полностью аморфный полиолефин был бы подобен резине и обладал бы недостаточными физическими свойствами; полностью кристаллический полимер был бы очень жестким и хрупким.
Уравнения теплового баланса для кабельных линий 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена
Если при расчетах по (2.3.22) и (2.3.23) будет выявлено, что точка первого излома на кривой зависимости теплопроводности от температур ґф= 81 С окажется в толще оболочки, то необходимо сделать соответствующие изменения в системе (2.3.16)-(2.3.21) и повторить вычисление постоянных интегрирования. Приведенные соотношения позволяют рассчитывать температуру главной изоляции и оболочки, учитывая не только нагрев жилы, но и экрана, температура которого, в случае заземления с обеих сторон, и малого его сечения, может превышать температуру в жиле. Уточненный учет потерь в элементах КЛ с изоляцией из СПЭ позволяет адекватно оценить ее пропускную способность ограниченную нагревом главной изоляции до 90 С и принять меры по их ограничения на этапе проектирования.
Используя разработанную выше математическую модель тепловых процессов, возможно оценить пропускную способность трехфазной кабельной линии с изоляцией из СПЭ в нормальном режиме работы. Для данного случая пропускную способность определяет максимально допустимая токовая нагрузка в жилах КЛ, которая зависит от допустимой температуры нагрева кабеля в нормальном режиме. Для кабелей с изоляцией из СПЭ значение рабочей температуры ТПЖ указано в первой главе.
Пропускная способность кабеля определяется на основе теплового расчета, в итоге которого получается температура ТПЖ с учетом потерь в жиле, главной \ изоляции и оболочке. При этом необходим учет тепловых сопротивлений, колебаний температуры окружающей среды, посторонних источников тепла, построение схемы замещения тепловых сопротивлений и потоков для различных проектных решений прокладки КЛ. В общем случае вызывающие нагрев кабеля и снижающие его пропускную способность суммарные потери на единицу длины можно описать выражением: w,=wmn„r + wd+w3+w6p + woc (2А1) где Wz - суммарные потери; тпж - потери в ТПЖ; Wd - диэлектрические потери в изоляции кабеля; \э - потери в металлических экранах кабеля Woc -потери в окружающем кабель пространстве.
На основании составленных уравнений теплового баланса и тепловой схемы замещения кабельной линии в параграфах 2.2, 2.3 можно вывести выражение превышения температуры ТПЖ по сравнению с температурой окружающей среды: kO = (l2 R+l-Wd)l+{Il-R (\ + Xl) + Wd) n1+{I1 Ri\ + Xl+A!) + WJ-n-(T1+T,) (2.4.2) где Я/ - отношение потерь в металлическом экране к общим потерям во всех ТПЖ; R - сопротивление ТПЖ переменному току при максимальной рабочей температуре, Ом/м; Ав - превышение температуры ТПЖ по сравнению с температурой окружающей среды, К\ Т4 тепловое сопротивление между поверхностью кабеля и окружающей средой, Км/Вт; Г3 - тепловое сопротивление наружной защитной оболочки кабеля, К-м/Вт; Т2 - тепловое сопротивление экрана, Км/Вт; Wd- диэлектрические потери в изоляции кабеля, Вт/м; Г/ - тепловое сопротивление главной изоляции, К-м/Вт; Х2 отношение потерь в броне к общим потерям во всех ТПЖ кабеля; п - число ТПЖ, несущих нагрузку, в кабеле (жилы одинакового размера и несущие одну и ту же нагрузку); / -длительно допустимый ток в жиле, А. Сгруппировав все слагаемые в предыдущем выражении, содержащие мно-житель / в правой части уравнения, получается величина длительно допустимой токовой нагрузки на кабель:
Расчет пропускной способности КЛ [63] следует производить при наиболее тяжелых температурных условиях эксплуатации кабеля, а именно летних температур. Уравнение (2.4.3.) представляет собой выражение для допустимой токовой нагрузки / кабелей на переменного напряжения, проложенных в почве при условии ее не высыхания, или кабелей, проложенных в воздухе и не подвергающихся воздействию прямой солнечной радиации.
С целью облегчения условий эксплуатации кабеля, необходимо, чтобы материал, заполняющий внутренний объем лотка обладал способностью к перекачке и тепловое сопротивление его не превышало теплового сопротивления окружающей почвы, тогда такие кабели можно рассматривать как проложенные непосредственно в грунте. Поэтому песчано-гравийная смесь должна иметь регулируемые тепловые свойства и удельное тепловое сопротивление не более, чем 1,2 Км/Вт. Этим условиям удовлетворяет песчано-гравийная смесь соотношением 1:1 гравий фракции от 5 - 15 мм и песок от 1.0 - 1.5 мм [26].
Математическая модель токов и напряжений в экранах кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена 6-220 кВ для нормального режима
На практике, как правило, используют следующие способы снижения токов в экранах: - транспозиция экранов; - частичное разземление экранов [27]. Для радикального снижения токов в экранах в нормальном режиме и при коротких замыканиях в сети вне кабеля достаточно применение одного полного цикла транспозиции, однако по условиям ограничения напряжения U3, в узлах транспозиции, воздействующего в различных режимах на изоляцию экрана относительно земли, может потребоваться увеличение числа узлов и полных циклов транспозиции. Выбор числа циклов транспозиции проводится исходя из обеспечения условия U3 U3don, где U3don - допустимое напряжение промышленной частоты для изоляции экрана с точки зрения ее прочности.
Перед вводом в эксплуатацию оболочку кабеля испытывают постоянным напряжением 5 кВ при времени воздействия 1 минута. Поэтому можно оценочно считать, что для оболочки на время короткого замыкания в сети допустимо напряжение промышленной частоты на экране, действующее значение которого составляет 5 кВ.
На стадии проектирования проводится выбор числа и мест расположения транспозиционных коробок кабельной передачи, осуществляется он по критерию оптимального расстояния между ними при согласовании с ее строительной длиной, минимизации затрат и монтажных операций [27].
В случае, если исключена возможность прикосновение человека к экрану, то за допустимое напряжение на экране следует принимать напряжение обеспечи вающее прочность изоляции экрана, т.е. во всех режимах, должно выполняться условие иэ иэдоп.
В случае, имеющейся возможности прикосновение человека к незаземлен-ному концу экрана, в качестве допустимого напряжения на экране следует принимать напряжение отвечающее нормам безопасности, т.е. U3 UDlh,nr , где Уздопб - допустимое напряжение на экране с точки зрения безопасности персонала. При наличии на экране повышенных значений напряжения, его можно разделить на К несоединенных друг с другом секций равной длины, в каждой из которых экран заземлен только один раз. Выбор числа секций проводится исходя из обеспечения условия — иэйпп, Число циклов транспозиции и секций экрана определяется исходя из расчета напряжения на нем и его сравнения с допустимым напряжением иэД0П для оболочки кабеля.
Для иллюстрации определения требуемого числа циклов транспозиции экранов, по предложенной модели, приведены результаты компьютерного моделирования для системы из трех однофазных кабелей 110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена: сечение жилы 5Ж= 1000 мм , сечение экрана 53=185 мм , толщина изоляции гжэ= 13 мм, длина кабеля LK -=8100 м, расстояние между фазами 0,2 м, грунт PJ =1000 Ом-м.
Если экран заземлить только на одном из концов кабеля, то [28, 39]: - в симметричном нормальном режиме разомкнутом конце получается напряжение 0,95 В на 1 А тока в жиле; при токе в жиле 1000 А напряжение на экране 950 В, что допустимо для изоляции экрана, но недопустимо для персонала в случае возможности прикосновения к экрану; - в симметричном режиме трехфазного короткого замыкания на разомкнутом конце напряжение составляет 0,95 В на 1 А тока в жиле: при токе в жиле всего 10 кА напряжение на экране 9,5 кВ, которое больше допустимого для оболочки кабеля; - при однофазном коротком замыкании на разомкнутом конце получается напряжение 5,4 В на 1 А тока в жиле; даже при токе однофазного короткого замыкания всего 10 кА (томное знамение необходимо определять но результатам расчетов токов короткого замыкания с учетом параметров кабеля и примыкающих к нему систем) напряжение около 54 кВ, что гораздо больше допустимого для изоляции экрана напряжения 5 кВ.
Если экран кабеля заземлен на обоих его концах, то ток в экране кабеля /, = 0,74 U сопоставимый с током жилы, что недопустимо, учитывая малое сечение экрана (185 мм ) по сравнению с сечением жилы (1000 мм ). Следовательно, для рассматриваемого случая необходима транспозиция экранов.
В случае транспозиции экранов в симметричном режиме работы тока в экране нет (есть емкостный ток, составляющий единицы ампер). При внешнем однофазном коротком замыкании в экранах трех фаз кабеля протекают равные токи, каждый из которых составляет треть от тока короткого замыкания, протекающего в жиле кабеля аварийной фазы сети. При этом следует, что напряжение на экране относительно земли и узле транспозиции: в симметричном нормальном режиме составляет 0,32 В на 1 А в жиле, что допустимо для оболочки кабеля; в симметричном режиме трехфазного короткого замыкания составляет 0,32 В на 1 А тока в жиле, что также допустимо для оболочки кабеля; при однофазном коротком замыкании составляет 0,21 В на 1 А тока жилы; что допустимо для оболочки кабеля. В случае высоких значений тока КЗ, к примеру, 20 кВ, напряжение в узле транспозиции при симметричном трехфазном коротком составило бы 6,4 кВ, что потребовало бы второй цикл транспозиции.
Математическая модель волновых процессов импульсных перенапряжений для кабельных линий с транспонированными экранами и изоляцией из сшитого полиэтилена и 6-220 кВ
При резистивной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтрали токи однофазного короткого замыкания не могут быть расчетными по причине их меньшего значения относительно других возможных способов междуфазных замыканий. Потому в качестве аварийного расчетного режима в сетях 6-35 кВ следует принимать трехфазное короткое замыкание. В сетях 110-500 кВ, ввиду состояния эффективно и глухо заземленной нейтрали токи однофазного близки к токам трехфазного короткого замыкания. Поэтому при выборе сечения экрана и способа его заземления по критерию термической стойкости в сетях 6-35 кВ рекомендуется в качестве расчетного случая принимать трехфазное КЗ. Для напряжений классов 110, 220 кВ при выбранном частичном заземлении экранов следует рассчитывать однофазное КЗ, а при их транспозиции трехфазное.
Активные и индуктивные сопротивления нулевой последовательности заметно отличаются от тех же сопротивлений прямой последовательности, что объясняется различием путей их прохождения. Таким образом, можно констатировать следующие закономерности: 1) при токе прямой (обратной) последовательности взаимоиндукция с другими фазами кабельной линии уменьшает сопротивление фазы; 2) при токе нулевой последовательности взаимоиндукция с другими фазами кабельной линии увеличивает сопротивление фазы.
Активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности кабелей при заземлении экранов только в одной точке больше, чем активное и индуктивное сопротивление той же последовательности с экранами заземленными в двух точках, которые не значительно больше тех же параметров при транспозиции экранов кабельной линии с изоляцией из СПЭ.
Индуктивные сопротивления нулевой последовательности кабельной линии с изоляцией из СПЭ с системой заземления экранов в одной точке значительно больше аналогичных значений, в случае заземления экранов в двух точках и транспозиции, при этом их разница больше при расположении фаз треугольником, нежели горизонтально. 3. При расположении фаз кабельной линии треугольником взаимоиндукция между его фазами выше, чем при расположении в плоскости, а следовательно, выше и сопротивление линии в целом. При заземлении экранов в двух точках и их транспозиции в экранах создаются пути для протекания токов нулевой последовательности, а значит, заземленные экраны снижают сопротивление нулевой последовательности линии.
Токи в экранах одножильных кабелей достигают значительных величин и не многим меньше, чем токи в токопроводящей жиле. При расположении одножильных кабелей треугольником и двустороннем заземлении экранов токи в них несколько меньше, чем при расположении в плоскость из-за большего взаимного влияния фаз друг на друга. При этом, в большинстве случаев, сечение жилы значительно превышает сечение экрана и при сопоставимых в них токах возникает угроза возгорания кабеля и наличие значительного тока в экране является источником дополнительного нагрева кабеля. По совокупности этих причин необходимо снижать рабочие токи в жилах при двустороннем заземлении экранов для обеспечения тепловой стабильности кабеля и его эксплуатационной надежности.
С увеличением расстояния между осями фаз кабельной линии ток в экранах одножильных кабелей возрастает и стремится к току в жиле. Иными словами увеличение расстояния между осями фаз приводит к увеличению потерь в экранах и дополнительному нагреву кабеля.
В процессе эксплуатации на полимерную изоляцию КЛ воздействуют коммутационные и атмосферные перенапряжения. Кроме того, в случае возникновения КЗ за пределами КЛ, ток проходящий по жиле индуцирует ЭДС в экране, значение которой, как правило, превышает испытательное напряжение оболочки КЛ. изоляция Расшифровка основных параметров одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ, необходимая для определения погонных параметров кабельных линий:
При определении параметров кабеля можно сделать следующие допущения: землю рассматривать, как проводник с удельным сопротивлением р3, то есть не учет токов смещения в земле; распределение тока в жиле и экране кабеля предполагается осесимметричным. Кроме того, возможно принять, что фазы кабеля расположены в вершинах равностороннего треугольника [45].
Если кабели трехфазной системы расположены не в вершинах равностороннего треугольника st2 ф s23 Ф S31, то в первом приближении s = \]s]2 s2y s3l [44].
Импульсы большой крутизны на КЛ 6-220 кВ могут проникнуть через трансформаторы связи с сетями других классов напряжения, при коммутациях КЛ (при возникновении опасных повторных зажиганий дуги между расходящимися контактами коммутационного аппарата - выключателя), при КЗ на ВЛ при переходе к К Л, а также при ударах молнии в В Л с дальнейшим приходом волн на КЛ. Предельным случаем крутых волн является волна с прямоугольным фронтом, поэтому она и будет расчетной в качестве критерия выбора параметров защиты от возможных перенапряжений.
При анализе высокочастотных переходных (волновых) процессов и при расстоянии между однофазными кабелями порядка нескольких десятков сантиметров допустимо пренебречь взаимным влиянием межоболочных (межэкранных) каналов. При этом, поскольку максимальное напряжение на изоляции оболочки возникает до момента прихода волн, отраженных от замкнутой на землю в конце строительного участка экрана, то эквивалентной расчетной схемой будет рис. 4.1.2, б). В этой схеме, КЛ эквивалентирована бесконечно длинной линией. Кроме того, при анализе высокочастотных переходных процессов можно при пять ряд допущении, не приводящих к существенным количественным изменениям: а) не учет влиянием процессов, происходящих в канале "экран-земля", на процессы в основном канале "жила-экран"; б) продольные параметры КЛ принимаются равными тем, что отвечают вы сокой частоте переходных процессов; в) не учет затухания волн в каналах " жила-экран" и "экран-земля" ввиду не большой величины строительной длины кабеля; г) учет в математической модели только вещественную часть взаимного со противления, характеризующую электромагнитную связь упомянутых выше каналов; д) пренебрежение внутренними индуктивностями жилы и экрана, которые при высших частотах составляют незначительную долю от внешних индуктив ностей [46, 75].
В качестве объекта исследования была выбрана трехфазная система состоящая из однофазных кабелей с изоляцией из СПЭ. Первичные продольные параметры такой линии (собственные и взаимные индуктивности и активные сопротивления) из-Рис. 4.1.2. Исходная (а) и расчетная (б) схемы при распространении прямоугольной волны за проникновения электромагнитного по двухканальной коаксиальной системе. подя в проводящие срсды (жилы, эк_ рана и земли) являются частотно зависимыми. Для отображения частотной зависимости параметров КЛ была разработана модель, в которой не учитывается распространение электрического поля в радиальном направлении в земле, это допущений возможно при большой толщине изоляции медного экрана и высоком сопротивлении грунта.
