Автореферат (Разработка методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-500 КВ)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыисследования.Ввопросеэлектроснабженияпредприятий, организаций, городов важная роль отведена исследованиюкабельных линий, улучшению технологий их производства, проектирования иэксплуатации.В настоящее время в России ведется активное внедрение кабелей сизоляцией из сшитого полиэтилена для всех уровней среднего (6-35 кВ) ивысокого (110-500 кВ) напряжений. В конструкции этих кабелей имеетсяметаллический экран, предназначенный для отвода токов короткого замыкания взаземляющееодножильногоустройство.исполнения.НаибольшееВлинияхраспространениеэлектропередачиполучилискабелиприменениемодножильных кабелей схема заземления металлических экранов влияет напропускную способность, то есть на передаваемую мощность.

Схемы соединенияэкранов могут быть с двухсторонним заземлением, односторонним заземлением итранспозицией экранов. При двухстороннем заземлении экранов протекание токапо экрану кабеля в нормальном рабочем режиме вызывает потери мощности,которые снижают пропускную способность кабельной линии.

Исключить ток вэкране можно с помощью одностороннего заземления или транспозиции экранов.Однако это требует дополнительных капиталовложений.С решением этой проблемы сталкиваются при проектировании иэксплуатации линий с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Данный видновой кабельной продукции не имеет широкой нормативной базы, необходимоналичие единых технологических норм и правил в электротехническомкомплексе, методик по выбору систем заземления экранов.В связи с этим разработка методики выбора системы заземления экрановдля кабельных линий 6-500 кВ является актуальной.Степень разработанности темы. Понятия о способах заземления экрановне раскрыты в отраслевых нормативных документах, имеют место лишь встандартах отдельных организаций, рекомендуются к применению на линиях4напряжением от 110 кВ и выше, несмотря на то, что оказывают влияние и накабели среднего напряжения.Поэтому нельзя однозначно подходить к выбору системы заземленияэкранов одножильных силовых кабелей при проектировании и эксплуатациикабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы определитьоднозначный критерий выбора энергоэффективной системы заземления экрановодножильных силовых кабелей с изоляций из сшитого полиэтилена нанапряжения 6-500 кВ.Научной задачей является разработка теоретических положений по расчетусечения токопроводящей жилы с учетом режима работы экрана и созданиеметодики выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильныхкабелей для линий напряжением 6-500 кВ в системах электроснабжения.Научная новизна заключается в том, что для одножильных силовыхкабелей на напряжение 6-500 кВ предложена математическая модель для выборасечения токопроводящей жилы, которая, учитывая схему соединения экранов,позволяет определить потери мощности и наведенное напряжение на экране.

Наосновании математической модели разработана методика выбора системызаземления экранов трехфазной группы, по которой проводится экономическоесравнение.Предложенкритерийвыбора,определяющийотносительнуюокупаемость «разомкнутой» системы заземления с отсутствием тока в экранах поотношению к «замкнутой», в экранах которой протекают паразитные токи.Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическуюзначимость работы заключается в разработке математической модели и методикивыбора энергоэффективной системы заземления одножильных силовых кабелей сизоляцией из сшитого полиэтилена.Практическую значимость представляет разработанная компьютернаяпрограмма «Screen Bonding Method» для операционной системы Windows,реализованная по предложенной методике выбора системы заземления экранов.Экспериментальное применение программы было осуществлено в проекте5распределительной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково».

В настоящиймомент программа внедрена в проектную деятельность ОАО «Институт«ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» и московского филиала ОАО «ЭНЕКС», полученыакты внедрения.Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач вработе использованы положения из теорий электрических цепей, электрическихсетей, электроснабжения и методы компьютерного моделирования.Положения, выносимые на защиту:1. Рекомендации по учету режима работы экрана при расчете сечения жилы взависимости от системы заземления экранов.2. Методика выбора энергоэффективной системы заземления экранов поалгоритму расчета двух вариантов исполнения кабельной линии и ихэкономическому сравнению.3.

Использование критерия выбора для однозначного определения системызаземления экранов.4. Программа для ЭВМ, реализованная по разработанной методике дляавтоматизации процесса проектирования.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на следующих конференциях: II-й всероссийскойнаучно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых«Измерения,контрольидиагностика–2012»(Ижевск,2012);трехмеждународных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения»(Казань,2012,2013,2014);двухмеждународныхнаучно-техническихконференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника иэнергетика» (Москва, 2013, 2014); XI-й международной научно-практическойинтернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2013);IV-ймеждународнойнаучно-техническойконференции«Проблемыэлектротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2012); III-йвсероссийскойнаучно-техническойконференциистудентов,магистрантов,аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных6процессов»(Тольятти,2014);VI-йвсероссийскойнаучно-практическойконференции «Системы управления электротехническими процессами» (Тула,2012); двух всероссийских молодежных научно-практических конференциях (смеждународным участием) «Фёдоровские чтения» (Москва, 2012, 2013).Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 –в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатовдиссертаций на соискание учёной степени кандидата наук. Одна работа сдана виздательство и готовится к публикации. Программа, разработанная в диссертации,получила свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральнойслужбе по интеллектуальной собственности.Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, списка литературы из 62 наименований и 4 приложений.

Материализложен на 92 страницах текста и иллюстрирован 32 рисунками.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели изадачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизнаработы и ее практическая ценность.В первой главе проведен анализ применения кабельных линий в системахэлектроснабжения.

Среди материалов, использующихся для изоляции силовыхкабелей на напряжение 6-500 кВ, лучшие изоляционные свойства имеет сшитыйполиэтилен (СПЭ). Он обладает высокой электрической прочностью, меньшейдиэлектрическойпроницаемостью,малымзначениемтангенсаугладиэлектрических потерь, хорошей гибкостью и влагостойкостью.В последнее время в России ведущие энергосистемы ориентированы наиспользование кабелей с изоляцией из СПЭ. Широкое распространение получилиодножильные кабели благодаря меньшему наружному диаметру, большимстроительным длинам и возможным сечениям токопроводящей жилы, а такжеудобству при прокладке и эксплуатации.7Кабельные линии являются одним из наиболее дорогостоящих элементовэлектроэнергетических систем.

При их проектировании особое вниманиенеобходимо уделять экономическим аспектам выбора параметров линии.Основным критерием для выбора сечения этих кабелей является предельнаятоковая нагрузка. На пропускную способность жилы влияет схема соединенияэкранов.Исследование схем соединения экранов показало, что их можно разделитьна две группы: «замкнутые» с протеканием тока по экрану кабеля и«разомкнутые» при его отсутствии.

Пропускная способность «разомкнутых»систем выше, но стоят они дороже. Однако, в «замкнутой» системе существуютдополнительные эксплуатационные издержки в виде оплаты потерь мощности вэкранах. Таким образом, выбор сечения токопроводящей жилы должен учитыватьрежим заземления экрана. Для выбора между «замкнутой» и «разомкнутой»системами заземления необходимо вывести экономический критерий.Во второй главе выбраны математические модели для расчета параметровкабелей и определения электрических параметров систем заземления.

Анализлитературы показал, что этот выбор целесообразно сделать в пользу результатов,изложенных в научных работах Дмитриева М.В.Проведено исследование возможных схем соединения экранов, выявленыположительные и отрицательные факторы, произведены расчеты токов инапряжений.На рисунке 1 приведена схема двухстороннего заземления экранов.ABC8Рисунок 1 – Схема двухстороннего заземления экрановМеталлическийэкрандолженбытьприсоединенкзаземляющемуустройству. Это проще выполнить на концах линии.

Выполнение двухстороннегозаземления не требует больших трудозатрат.При заземлении экранов кабелей с двух сторон напряжение на экранеотсутствует:U ЭА  U ЭВ  U ЭС  0(1)Параметрами системы заземления являются:Ток в экране кабеля:IЭ где X  IЖ2R 1  Э  X  ,(2) 0  2s ln  2  d э Доля потерь мощности в экране от потери мощности в жиле.PЭPЖ1R 1  Э  X 2RЭRЖНа рисунке 2 приведена схема одностороннего заземления экранов.ABCРисунок 2 – Схема одностороннего заземления экранов(3)9При таком режиме эксплуатации экранов необходимо учесть следующиефакторы: наведенный потенциал и установку защитных аппаратов от импульсныхперенапряжений на незаземленном конце экрана.

Наведенный потенциал можетбыть опасен для обслуживающего ремонтного персонала.Рекомендуется принимать допустимую величину наведенного на экраненапряжения не более 100 В в нормальном режиме, 5 кВ – в аварийном. Потребованиямэлектробезопасностиприпревышении25 Вдолжныбытьустановлены специальные концевые коробки, ограничивающие доступ к экранукабеля.Одностороннее заземление исключает протекания тока в экранах:IЭА  IЭВ  IЭС  0(4)Параметрами системы заземления являются напряжения на разомкнутомконце экрана в нормальном и аварийных режимах.Напряжения на экране кабеля при одностороннем заземлении экранов всимметричном режиме:U Э 1( Z ЖЭ  Z К ) I Ж LКK,(5)где К – количество секций одностороннего заземления экранов.В несимметричном режиме однофазного короткого замыкания:U Э 1Z ЖЭ I Ж LКK(6)В общем виде график зависимости напряжения на экране от длины кабеляимеет линейную характеристику, поэтому максимальный потенциал будет наразомкнутом конце экрана.На рисунке 3 приведена схема транспозиции экранов.Транспозиция экрана выполняется таким образом, чтобы на всемпротяжении кабельной линии экран проходил по трем участкам вдоль каждой изфаз, представляющих полный цикл транспозиции.10При транспозиции экранов необходимо предусмотреть появление опасныхдля защитной оболочки импульсных перенапряжений в узлах транспозиции иустановкудополнительногооборудования:экранно-разделительныхсоединительных муфт, коробок транспозиции с защитными аппаратами в узлахтранспозиции экранов.ABCРисунок 3 – Схема транспозиции экрановПри полном цикле транспозиции экран становится общим для всех трех фаз.На первом и третьем участках напряжение экрана относительно земли равносоответствующему наведенному потенциалу с линейной зависимостью от длины.Для среднего участка наведенный потенциал определяется и ЭДС первого участкаи ЭДС третьего участка, для которых определяющими являются токи разных жил.Наибольший потенциал наводится в узлах транспозиции (рисунок 4).Транспозицияэкрановявляетсясамойдорогойсточкизрениястроительства, потому что требует двух соединительных муфт, возможно,колодцев транспозиции с наличием устройства заземления для установки коробоктранспозиции.11Рисунок 4 – График зависимости Uэ(L) при транспозиции экрановПараметрамисистемызаземленияявляютсянапряжениявузлахтранспозиции в нормальном и аварийных режимах.Так как первый участок занимает треть длины кабельной линии,напряжение, наводимое на экране, в узле транспозиции имеет вид:U Э 1( Z ЖЭ  Z К ) I Ж LК3N,(7)где N – количество циклов транспозиции экранов.В режиме однофазного короткого замыкания:U Э 2( Z ЖЭ  Z К ) I ЖА LК9N(8)Параметры (2), (3), (5) - (8) необходимы для технического обоснованиявыбора системы заземления экранов.В третьей главе разработана математическая модель для выбораэнергоэффективной системы заземления экранов одножильных силовых кабелей.Наличие тока в экране влияет на пропускную способность токопроводящейжилы.