Диссертация (Разработка методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-500 КВ), страница 4

Именно отэтогозначенияотталкиваетсяпроектировщикприсозданиисхемыэлектроснабжения потребителя и выборе электротехнического оборудования.Среднегодовой ток в жиле в таком случае не что иное, как ток кабельной линии внормальномрежиме,рассчитывающийсяиззаявленнойпотребителемвыбираемой мощности.Для выбора «разомкнутой» системы необходимо произвести расчетэлектрических параметров, которые определяют техническую целесообразностьприменения либо одностороннего заземления, либо транспозиции экранов.С точки зрения финансовых затрат, устройство двухстороннего заземленияявляется наиболее дешевой системой заземления экранов кабелей, потому что нетребует дополнительных капиталовложений при строительстве.

Стоимость«разомкнутой» системы зависит от выбранной схемы соединения экранов.Однако, в «замкнутой» системе существуют дополнительные эксплуатационныеиздержки в виде оплаты потерь мощности в экранах. Таким образом, для выборамежду «замкнутой» и «разомкнутой» системами заземления необходимо провестиэкономическое сравнение вариантов исполнения кабельной линии и определитькритерий, объективно показывающий однозначность выбора.20При повсеместном внедрении кабелей с изоляцией из сшитого полиэтиленавопрос выбора энергоэффективной системы заземления экранов становитсяособенно актуальным.

Выбор сечения токопроводящей жилы должен учитыватьрежим заземления экрана. Необходимо разработать методику на основаниитехнико-экономическогосравнениясистемзаземленияэкрановприпроектировании кабельной линии, для чего определить электрические параметрысистем и ввести критерий выбора.Выводы к главе 11. Проведенный анализ показывает, что в России практически на всехновых кабельных линиях 6-500 кВ применяются кабели с изоляциейиз сшитого полиэтилена. Наибольшее распространение получилиодножильные кабели благодаря меньшему наружному диаметру,большим строительным длинам и удобству при прокладке.2. Одной из главных проблем трехфазных линий с одножильнымикабелями является протекание токов в экране, которые приводят кснижению пропускной способности и увеличению потерь кабельнойлинии.3. Согласно проведенному анализу схем соединения экранов их можноразделить на два вида: с протеканием тока в экранах (двухстороннеезаземление) и с отсутствием тока в экранах (одностороннеезаземление и транспозиция).4.

Увеличения пропускной способности кабеля можно добиться за счетиспользования системы заземления экранов, исключающей потеримощности в них. Но это требует дополнительных финансовых затрат.5. Применение систем заземления экранов с отсутствием в них токадолжно быть подтверждено технико-экономическим расчетом.6. Актуальность разработки методики выбора кабеля с учетом системызаземления экранов.21ГЛАВА 2 ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ2.1Анализ электромагнитных процессов в кабелеПри передаче переменного тока кабель находится под действиеммагнитного поля, как собственного, так и создаваемого соседними кабелями.

Визоляциикабеля,являющейсядиэлектриком,протекаеттокутечки,обусловленный наличием емкости между находящейся под напряжением жилы иимеющим потенциал земли экраном.IC UфXC U фc0 LK(2.1)где Uф – фазное напряжение, Хс – емкостное сопротивление кабеля, с0 –удельная емкость изоляции, LK – длина кабеля.Таким образом, стекая через экран в землю, он вызывает потери мощностипрямо пропорциональные длине кабеля.Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена удельная емкостьсоставляет примерно от 0,15 до 1,3 мкФ/км, а емкостной ток может достигатьединиц ампер на километр для напряжения 6-35 кВ, 10-30 А/км на напряжении110-500 кВ для максимальных сечений кабеля 2500-3000 мм2. Эти величины нестоль велики по сравнению с токами в жиле кабеля и поэтому емкостной ток неоказывает негативного влияния на температурный режим кабеля.Помимо емкостного в экране кабеля могут протекать токи, имеющиеиндуктивный характер и возникающие в любом замкнутом контуре поддействием электромагнитной индукции [35].Возьмем трехфазную группу одножильных кабелей.

Экраны всех фаз поконцам линии должны быть заземлены, то есть, присоединены к одномузаземляющему устройству. Получается, что они все соединены между собой иобразуют замкнутые контуры. Ток каждой жилы, протекая по контуру, создаетвокруг проводников переменное магнитное поле. Магнитная индукция Впронизывает контур и вызывает в нем протекание тока Iэ.22Рассмотрим замкнутый контур (рисунок 2.1), попадающий в магнитноеполе.h1Ih2B~BlкРисунок 2.1 – Замкнутый контур в магнитном поле проводника с токомПотокосцепление равно:   BdSS,(2.2)где S – площадь контура, В – вектор магнитной индукции.Так как по длине контура LK поток не меняется, справедливо:h2  LК  Bdr ,(2.3)h1где h1 – расстояние до ближней стороны контура, h2 – расстояние додальней стороны, lk – длина кабеля.Учитывая, что:B   0 H  0 I2r ,(2.4)где µ – магнитная проницаемость среды, µ0 – магнитная постоянная, Н –напряженность магнитного поля, I – ток в проводнике.Получим:Наводимая ЭДС:0 ILК2h21 r dr h10 ILК h2ln2h1(2.5)23E  Lh  dIddI   0 К ln 2    Mdth1  dtdt 2(2.6)Соответственно взаимоиндукция:M0 LК h2ln2h1(2.7)Зная, что:E  E m exp( jt )(2.8)I  I m exp( jt ) ,(2.9)где Em, Im – амплитуды ЭДС и тока.Подставив (7) и (8) в (5):E m exp( jt )  MjI m exp( jt )(2.10)E   jMI(2.11)Или:В трехфазной системе на ток и напряжения в экране фазы влияют не толькоток жилы, но и токи жил и экранов соседних фаз.

Рассмотрим влияние на падениенапряжения в жиле токов в ней, ее экране, жилах и экранах соседних фаз.Без учета емкостных параметров кабеля падения напряжений вдоль жил иэкранов связаны с токами в них системой из шести уравнений [34]:U ЖА  Z Ж IЖА  Z ЖЭ IЭА  Z К ( IЖВ  IЭВ )  Z К ( IЖС  IЭС )U ЖВ  Z Ж IЖВ  Z ЖЭ IЭВ  Z К ( IЖА  IЭА )  Z К ( IЖС  IЭС )U ЖС  Z Ж IЖС  Z ЖЭ IЭС  Z К ( IЖА  IЭА )  Z К ( IЖВ  IЭВ )U  Z I  Z I  Z ( I  I )  Z ( I  I )ЭАЭ ЭАЖЭЖАКЖВЭВКЖСЭСU ЭВ  Z Э IЭВ  Z ЖЭ IЖВ  Z К ( IЖА  IЭА )  Z К ( IЖС  IЭС )U ЭС  Z Э IЭС  Z ЖЭ IЖС  Z К ( IЖА  IЭА )  Z К ( IЖВ  IЭВ )(2.12)где Zж – полное сопротивление жилы, Zэ – полное сопротивление экрана,Zжэ – полное взаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеля, Zк –полное взаимное сопротивление жилы (экрана) и соседнего кабеля, Iж – ток вжиле, Iэ – ток в экране.24Для определения электрических параметров систем заземления необходиморешать (2.12) с введением дополнительных уравнений, характеризующих условиесостояния схемы соединения экранов.Также введем дополнительные условия для нахождения параметров кабеляпри определении сопротивления прямой последовательности:I ЖА  I ЖВ  I ЖС  0(2.13)I ЭА  I ЭВ  I ЭС  0(2.14)При определении сопротивления нулевой последовательности:I ЖА  I ЖВ  I ЖС  0(2.15)IЭА  IЭВ  IЭС  0(2.16)Анализ литературы [36,37,38,34,39] показал, что для решения задачиопределения электрических параметров систем заземления экранов с учетомособенностей кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена целесообразновоспользоваться результатами, приведенными в работах Дмитриева М.В.

Поэтомуза основу математической модели системы заземления приняты теоретическиеположения [34] по расчету электрических параметров кабелей с изоляцией изсшитого полиэтилена. Предлагаемая математическая модель дает возможностьрассчитать токи и напряжения в экранах кабелей с учетом активных и реактивныхсопротивлений, сопротивлений взаимоиндукции в трехфазной системе содножильными кабелями, учитывая режим работы экранов.2.2Расчет параметров кабеляЗначения параметров кабеля необходимы при расчете токов и напряжений вкабельной линии. Введем основные обозначения конструкции кабеля и кабельныхлиний.Рассмотрим одножильный кабель (рисунок 2.2).25r4r3r2r14123Рисунок 2.2 – Эскиз сечения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена: 1 токоведущая жила, 2 – изоляция, 3 – экран кабеля, 4 – оболочкаДля обозначения радиуса жилы примем r1, диаметра – dж.

Для экранавнутренний радиус обозначим r2, внешний – r3, а диаметр экрана – dэ. Внешнийрадиус кабеля – r4, наружный диаметр – dнар.Рассмотрим расположение трехфазной группы одножильных кабелей(рисунок 2.3) при прокладке кабельных линий.АBCcdadabАВСd abd bcd acd bcРисунок 2.3 – Слева – прокладка треугольником, справа – в плоскостиДля обозначения среднего геометрического расстояния между фазамипримем параметр s [38].При прокладке треугольником расстояние между каждой парой фазодинаковое и равно внешнему диаметру кабеля:s  dab  dbc  dac  d НАР ,(2.17)26где dij – расстояние между осями i и j фазных кабелей, dнар – наружныйдиаметр кабеля.При прокладке в плоскости расстояние между крайними кабелями в двараза больше, чем между крайним и центральным, поэтому среднее расстояниевысчитывается как:s  3 dab  dbc  dac  3 2  dab3  1, 26  dab(2.18)Рассмотрим схему протекания тока по кабельным линиям.

В сетях нанапряжение 6-500 кВ применяются схемы с глухозаземленной, изолированной ирезистивно-заземленной нейтралью, в которой роль нейтрального провода играетземля. Ток в земле обычно учитывают токами в трех фиктивных проводах, осикоторых находятся на расстоянии Dз от осей фазных проводников [40]. Эторасстояние называют эквивалентной глубиной протекания обратного тока, онозависит от частоты переменного тока и удельной проводимости грунта:DЗ  2, 24З0,(2.19)где ρз – удельная проводимость грунта.Данное понятие взято из теории воздушных линий, применяемых восновном за пределами застроенных территорий.

На всем протяжении трассывоздушной линии практически не встречаются естественные заземлители,поэтому эквивалентная глубина протекания обратного тока определяется лишьсвойствами грунта.Кабельные линии прокладываются в городах на застроенной территории сбольшимколичествоместественныхзаземлителей.Натерриторияхэлектросетевых объектов устроены искусственные контуры заземления, поэтомуэквивалентную глубину протекания обратного тока принимают равной глубинезалегания контура заземления.К тому же длины воздушных линий намного превосходят кабельные, ипренебрегать концевыми эффектами при расчете Dз не совсем правильно.27Для решения системы уравнений (2.12) необходимо определить погонныепараметры кабелей. Расчет параметров кабелей приведен в [36]. Если принять чтопараметры не зависят от частоты и взаимного влияния друг на друга, арасстояниями внутри кабеля по отношению с межкабельным при рассмотренииих расположения в трехфазной системе можно пренебречь, тодопустимоиспользовать математическую модель расчета сопротивлений по [34].Сопротивление жилыСопротивление жилы складывается из контура протекания тока жилы – этоактивное сопротивление жилы, индуктивное сопротивление жилы, активноесопротивление земли.Z Ж  RЗ  RЖ  j LЖ ,(2.20)где Rз – активное сопротивление земли, Rж – активное сопротивление жилы,Lж – индуктивность жилы.RЗ   4   0 f(2.21)RЖ   Ж / FЖ ,(2.22)Индуктивность жилы определяется по (2.7), где ближней стороной контураявляется поверхность жилы, находящаяся на расстоянии r1, а дальней –фиктивный проводник на расстоянии Dз:LЖ 0  DЗ ln 2  r1 (2.23)Сопротивление экранаСопротивление экрана складывается из контура протекания тока экрана –это активное сопротивление экрана, индуктивное сопротивление экрана, активноесопротивление земли.Z Э  RЗ  RЭ  j LЭ ,(2.24)где Rэ – активное сопротивление экрана, Lэ – индуктивность экрана.RЭ  Э / FЭ(2.25)28Индуктивность экрана определяется по (2.7), где ближней стороной контураявляется поверхность экрана, находящаяся на расстоянии r2, а дальней –фиктивный проводник на расстоянии Dз:LЭ 0  DЗ ln 2  r2 (2.26)Взаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеляВзаимное сопротивление между жилой и экраном одного кабеляобъясняется влиянием протекания тока в соседнем контуре кабеля: для жилы вэкранном, а для экранного – в жиле.