Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Влияние кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на грозозащиту подстанций и токи короткого замыкания

Кабели ВН и СВН с изоляцией из СПЭ позитивно влияют на показатель надежности грозозащиты соответствующих подстанций, что объясняется следующими обстоятельствами:
• кабели ограничивают число падающих на подстанции грозовых волн;
• благодаря малой величине волнового сопротивления кабелей (~30-60 Ом), по сравнению с волновым сопротивлением воздушных линий (270-400 Ом), интенсивность и скорость распространения отраженных и преломленных грозовых волн существенно падает; это снижает амплитуду грозовых перенапряжений, что сопутствует росту показателя надежности грозозащиты подстанций (число лет, в течение которых на изоляции электрооборудования возникает хотя бы одно опасное грозовое перенапряжение).

Особенностью развития перенапряжений в схемах с кабелем является достаточно малое затухание системы, что приводит к появлению в ошиновке волн с более крутыми фронтами, чем в обычных ОРУ, а также к развитию высокочастотных колебаний. Наличие участков ошиновки с различными параметрами (волновыми сопротивлениями и скоростями распространения), в дополнение к вышесказанному, делает непосредственное использование рекомендаций, разработанных для обычных подстанций (ОРУ), затруднительным. Необязательно это будет приводить к усилению требований к организации снижения перенапряжений, но они будут несколько другими.
Одной из основных особенностей подстанций с кабелями ВН и СВН является существенный характер развития колебательного процесса; определяемого малыми расстояниями между высоковольтным оборудованием самого РУ и достаточно длинными шинопроводами, чаще всего в виде КЛ, для связи с ВЛ и силовыми трансформаторами и автотрансформаторами.
Еще одной особенностью переходных процессов в схемах подстанций с КЛ является «неопределенность» характеристик изоляции электрооборудования (реакторов, измерительных и силовых трансформаторов и др.), находящегося вне компактного распределительного устройства, и защитных аппаратов (нелинейных ограничителей перенапряжений).
Еще одной особенностью переходных процессов в схемах подстанций с КЛ является «неопределенность» характеристик изоляции электрооборудования (реакторов, измерительных и силовых трансформаторов и др.), находящегося вне компактного распределительного устройства, и защитных аппаратов (нелинейных ограничителей перенапряжений). Эта «неопределенность», прежде всего, вызвана тем, что могут иметь место волны с достаточно короткой длиной фронта. При таких фронтах отсутствует достоверная информация, как об электрической прочности изоляции, так и о ВАХ ОПН. Однако следует предполагать, что электрическая прочность изоляции несколько повысится, а защитные характеристики ОПН ухудшатся вследствие влияния собственной индуктивности варисторов.
Кроме того, в настоящее время в России практически отсутствует опыт эксплуатации подстанций с кабелями с изоляцией из СПЭ.
Перечисленные факторы приводят к тому, что при выборе мер защиты от перенапряжений невозможно напрямую пользоваться рекомендациями ПУЭ. Соответственно, в каждом конкретном случае следует проводить численный анализ развития перенапряжений и выработку рекомендаций по разработке защитных мероприятий.
Для данной процедуры можно использовать два метода [7-10]:
детерминированный метод, который используется при отсутствии статистической информации по используемым данным. В данном случае комплект значений принимается как самый критический из возможных и детерминистический. Они согласуются таким образом, чтобы при таком допущении пробои изоляции не возникали. Реальный статистический разброс значений может быть скомпенсирован коэффициентом безопасности (запаса);
статистический метод, при котором риск появления повреждения изоляции фиксируется на приемлемом уровне и рассчитывается из распределения вероятности перенапряжений и возможности пробоя и повреждения изоляции.

Защита от перенапряжений заключается не только в правильном выборе защитных аппаратов, но и в определении оптимального места их установки, когда имеет место максимальная эффективность. В исключительных случаях может потребоваться более детальное исследование координации изоляции для подтверждения размещения и номинальных параметров защитного аппарата.
В общем, подстанции высокого и сверхвысокого напряжения имеют различные схемы с одной, двумя и более отходящими линиями, с одним, двумя и более силовыми трансформаторами (автотрансформаторами), а также шунтирующими реакторами. Ниже, для примера, в пределах каждого класса напряжения рассматривается некоторая «усредненная» подстанция. Однако количественные и качественные выводы по такой «усредненной» подстанции в рамках одного и того же класса напряжения с некоторой оговоркой могут быть распространены на все подстанции с кабелем с изоляцией из СПЭ.
На рис. 1-4 приведены эквивалентные расчетные схемы РУ 500, 330, 220 и 110 кВ, построенные в соответствии с рекомендациями [8]. Здесь отметим, что соединение компактной части подстанций с отходящими воздушными линиями обычно осуществляется с помощью кабельных вставок. В большинстве случаев кабельные вставки применяются также между компактной частью РУ и трансформаторами (реакторами). Однако в ряде случаев, например, на ряде РУ 500 кВ для последней цели применяются газоизолирующие линии (ГИЛ). Далее, при составлении эквивалентной схемы все высоковольтное оборудование моделируется входными емкостями, ошиновка — отрезками с заданными волновым сопротивлением и скоростью распространения, защитные аппараты — нелинейным сопротивлением, определенным по справочным данным, и параллельно включенной емкостью.

Амплитуда допустимых грозовых перенапряжений на изоляции наиболее слабых элементов подстанций — силовых трансформаторов — определялась по формуле:

Uдоп = 1,1 (UПВUном /2),

где UПВ — амплитуда полного грозового испытательного импульса по ГОСТ 1516.3—96; Uном — номинальное напряжение обмотки трансформатора.
Так, например, для силовых трансформаторов 500 кВ, защита которых предусматривает использование ОПН, UПВ = 1300 кВ, поэтому Uдоп =1,1 (1300– 500/2) = 1200 кВ.
Анализ грозозащиты подстанций проводился с помощью специализированной программы, рекомендованной [8]. Он также может быть проведен с некоторыми упрощениями с помощью программы АТР.
Вкратце рассмотрим полученные результаты.

Подстанция 500 кВ

В соответствии с информацией о режимах работы сети был принят ОПН, рассчитанный на наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, равное 336 кВ /ОПН-П-500/336/20/4 III УХЛ1. При этом ОПН, предлагаемые заводом-изготовителем и расположенные непосредственно в компактном РУ, в расчетах не учитывались. Основными выводами по сетям 500 кВ являются:
1. Наличие на подстанциях в схемах первичной коммутации кабелей (или кабелей совместно с элегазовыми комплектными распредустройствами) благоприятно влияет на показатель надежности грозозащиты практически всех ее элементов, в том числе силовых трансформаторов (автотрансформаторов) и шунтирующих реакторов.
2. Показатель надежности грозозащиты электрооборудования при условиях из п. 1 значительно превосходит величину, рекомендованную в [8]; отмеченное остается в силе даже без учета защитных аппаратов (ОПН), находящихся в компактной части РУ.
3. При наличии кабельных вставок, необходимых для связи КРУЭ с электрооборудованием, и отходящими ВЛ «сборки» схемы КРУЭ импульсные токи через ОПН имеют форму, отличную от формы 8/20 мкс и «несущую» большую энергию; упомянутые кабели с изоляцией из СПЭ «растягивают» фронт грозовых импульсов тока и увеличивают их длину полуспада.

Подстанции 330 кВ
При исследованиях в качестве защитного аппарата был выбран ОПН-П-330/230/20/4 III УХЛ1, причем поскольку эти защитные аппараты у автотрансформаторов подвешены на опорах, в расчетах учтена индуктивность опор. Кроме того, для ОПН, размещенных на входах ВЛ, учтены их локальные сопротивления в импульсном режиме. Анализ грозозащиты выполнялся для автотрансформатора АТ-3 и трансформатора напряжения ТН-1 (рис. 2).

Основными выводами по подстанциям 330 кВ являются следующие:
1. Наличие на подстанциях 330 кВ комплектных элегазовых распредустройств со своими и внешними кабельными соединениями значительно повышает показатель надежности грозозащиты отдельных их элементов и подстанций в целом.
2. Позитивное влияние КРУЭ и кабелей на грозозащиту объясняется демпфирующим влиянием ряда факторов, к которым относятся сравнительно малая величина волнового сопротивления ошиновки КРУЭ, относительно небольшая величина волнового сопротивления кабелей, потери в кабелях и др.
3. Токовые импульсы через ограничители перенапряжений не имеют общепринятую форму 8/20 мкс. Они имеют «растянутые» длины фронта и полуспада, что требует разработки «тяжелых» ОПН с большей пропускной способностью.
4. Большой запас надежности грозозащиты подстанций с КРУЭ и кабелями позволяет несколько снизить требования к «внешним» ограничителям перенапряжений как в смысле их количества, так и в смысле их защитных характеристик.
5. С учетом негативных и позитивных сторон подстанций 330 кВ с кабелями следует отметить, что все-таки преимущество таких подстанций, по сравнению с тривиальными подстанциями открытого исполнения, несомненно. Их можно рекомендовать широко внедрять в сетях 330 кВ Российской Федерации.

Подстанции 220 и 110 кВ
Подстанции 110 и 220 кВ состоят из двух независимых секций одинаковой конфигурации. От каждой секции отходят по 4 воздушные линии, выполненные на стальных башенных опорах. На каждой секции осуществляется связь через один автотрансформатор с КРУЭ 500 кВ и через один автотрансформатор с КРУЭ 110 (220) кВ. Кроме того, в каждой секции имеется еще два силовых трансформатора. Соединение КРУЭ с воздушными линиями выполнено через кабельные вставки различной длины. Аналогичным образом осуществлена связь ошиновки КРУЭ с автотрансформаторами и трансформаторами. Они могут быть размещены как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе. В некоторых случаях, когда КРУЭ приходят на смену обычным ОРУ, такие трансформаторы вследствие старения могут характеризоваться сниженным ресурсом.
Кабельные линии имеют изоляцию из сшитого полиэтилена. Они различаются не только длинами, но и сечением. Соответственно КЛ между ВЛ и КРУЭ 220 (110) кВ имеют длину 120 м и волновое сопротивление 75 Ом. Такое же волновое сопротивление имеет кабель между КРУЭ и АТ1, КРУЭ и АТ2 (связь с КРУЭ 500 кВ). Длина этого кабеля 250 м. Кабельные линии к АТ3 и АТ4 (связь с КРУЭ 110 (220) кВ) имеют волновое сопротивление 55 Ом и длину 240 м. Наконец, наименьшее волновое сопротивление имеют КЛ к трансформаторам Т7 и Т8 (Т6 и Т5) — 50 Ом, длины их 90 и 240 м, соответственно. Скорости распространения волн во всех КЛ приняты равными 200 м/мкс. Скорости распространения волн в КРУЭ такие же, как и в воздушных линиях — 300 м/мкс.
Поскольку секции не имеют связи, в анализах грозовых перенапряжений каждую из них можно рассматривать независимо. Аналогично тому, как это было выполнено для КРУЭ 500 кВ, ограничители перенапряжений, размещенные заводом-изготовителем в самом КРУЭ, в настоящих расчетах не принимались во внимание.

В расчетах принято:

Uдоп 110 = 470 кВ, Uдоп 220 = 726 кВ; в качестве защитных аппаратов — ОПН-П 110/78/10/2 III УХЛ1 и ОПН-П 220/156/10/2 III УХЛ1.

Применительно к подстанциям 220 и 110 кВ можно сделать следующие выводы:
1. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы имеют высокий показатель надежности грозозащиты при непосредственном присоединении к ним газонаполненных (ГИЛ) и кабельных линий.
2. При наличии между ГИЛ (или КЛ) и трансформаторами достаточно длинной воздушной ошиновки, перенапряжения на последних будут превышать значения, полученные при отсутствии воздушной ошиновки, на 10% и более. В осциллограммах напряжений появляется большая высокочастотная компонента, что затрудняет использование привычных подходов к допустимым напряжениям.
3. Токи через ОПН, расположенные непосредственно на подходах ВЛ к КРУЭ, превышают токи через ОПН у трансформаторов в 2-5 раз. Соответственно, номинальный грозовой (разрядный) ток через эти ОПН должен быть больше, чем для ОПН у трансформаторов.
4. Длительность токов через ОПН могут существенно превышать длительность испытательных грозовых токов для них.
5. При больших длинах кабельных вставок между ВЛ и КРУЭ отраженные от ОПН и КЛ волны напряжений, возникшие в результате прорывов молнии непосредственно на фазный провод, задерживают процесс перекрытия линейной изоляции и способствуют повышению напряжения на изоляции высоковольтных аппаратов, размещенных в этом месте.
6. Необходимо уточнение вольтамперных характеристик ОПН с учетом возникновения крутых коротких импульсов напряжения на них.
7. Для защиты элементов подстанций, расположенных вне КРУЭ, нет необходимости использовать защитные аппараты непосредственно в КРУЭ.

В настоящее время в мощных электрических сетях высокого и сверхвысокого напряжения по различным причинам токи однофазного к.з. Iкз(1) в ряде случаев превосходят токи трехфазного к.з. Iкз(3). Это недопустимо с точки зрения коммутационных аппаратов и электродинамических усилий между токопроводящими частями.
Одной из возможных способов обеспечения условия Iкз(1) меньше или равно Iкз(3) является искусственное увеличение сопротивления нулевой последовательности Х0. Для этого целесообразно экран кабелей из СПЭ заземлить в одной точке. Однако это может привести к перенапряжениям на изоляции экрана относительно земли. Эта проблема решается с помощью различных мероприятий, в том числе путем применения нелинейных ограничителей перенапряжений.

Литература
1. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996.
2. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6-500 кВ. С-Пб.: Изд. «НИВА», 2007.
3. Канискин В.А., Таджибаев А.И. Эксплуатация силовых электрических кабелей. Часть 3. Электрический и тепловой расчет. Учебное пособие. С-Пб.: Изд. Петербургского энергетического института повышения квалификации Минэнерго РФ, 2002.
4. Проспекты и инструкции фирмы Nexans: «Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-35 кВ и их применение». 2005.
5. Каталог фирмы ABB «Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена среднего и высокого напряжения». Изд. АББ Москабель 2.
6. Кабельные системы высокого напряжения 110-500 кВ фирмы Nexans. Изд. представительства в странах СНГ.
7. Техника высоких напряжений / Под редакцией профессора Г.С.Кучинского. Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2003.
8. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под редакцией Н.Н. Тиходеева. 2-е издание. перераб. и доп. СПб: Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
9. Гольдштейн В.Г., Бобров В.П., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в электрических сетях 35-220 кВ. Самара: Изд. Самарского государственного технического университета. 2001.
10. Гольдштейн В.Г., Бобров В.П., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в электрических сетях 110-750 кВ. Самара: Изд. Самарского государственного технического университета, 2005.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно