ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Выше отмечалось, что электрическая прочность КПИ резко снижается при многократном воздействии высокочастотных перенапряжений. В городских РКС грозовые перенапряжения, воздействующие на КПИ, могут иметь место лишь при воздействии грозовых волн на обмотку высшего напряжения трансформатора (рис. 2) за счет емкостных и индуктивных связей между обмотками высшего (ВН) и низшего напряжения (НН) трансформатора.

Согласно [2] наиболее опасные воздействия на оборудование со стороны обмотки НН возникают при воздействии срезанных волн, когда первый (максимальный) пик трансформируемой грозовой волны определяется емкостными связями (емкостями обмоток ВН и НН, а также емкостью между этими обмотками). Для ВЛ110 кВ практически все волны будут срезанными, для которых трансформатор, в сущности, представляет собой емкостный делитель с коэффициентом деления в диапазоне Кт = 0,3–0,5. Учитывая реальные амплитуды срезанных волн (отвечающих вольт-секундной характеристике линейной изоляции ВЛ), Кт и низкое эквивалентное волновое сопротивление кабелей, примыкающих к шинам главной понижающей подстанции (ГПП), уровни грозовых перенапряжений, воздействующих на КПИ, будут составлять единицы процентов от амплитуды воздействующей волны и не превышать 30–40% импульсной прочности КПИ. Очевидно, что при отсутствии связи КПИ с ВЛ посредством понижающего трансформатора грозовые перенапряжения на КПИ не будут воздействовать. Таким образом, при внедрении КПИ в РКС грозовые перенапряжения во внимание можно не принимать.

В следующем номере журнала Юрий Лавров остановится на воздействии на КПИ коммутационных перенапряжений, тепловом режиме эксплуатации, особенностях диагностики технического состояния и испытаниях кабелей с пластмассовой изоляцией.

КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Согласно [1] зарегистрированные в РКС перенапряжения, обусловленные коммутациями выключателями, имеют незначительный уровень – 2,1–2,3Uфm. Однако в настоящее время на смену масляным выключателям приходит новая коммутационная техника, использующая в качестве дугогасительной среды элегаз или вакуум. Применение вакуумных выключателей (ВВ), обладающих повышенным коммутационным ресурсом, для эксплуатационного персонала, несомненно, благое дело. Но при коммутациях КЛ с помощью ВВ в зависимости от параметров и конструктивного исполнения сети могут возникать высокочастотные (ВЧ) перенапряжения за счет повторных зажиганий дуги в диэлектрическом промежутке между расходящимися контактами. Амплитуду таких перенапряжений можно ограничить с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), но убрать с помощью ОПН сам факт воздействия ВЧ-перенапряжений, снижающих ресурс электрической прочности КПИ, невозможно. Поэтому актуально при внедрении КПИ в принципе отстроиться от воздействия таких перенапряжений, которые также опасны для витковой изоляции электродвигателей (ЭД) и силовых трансформаторов.

В городских РКС основные коммутации приходятся на кабельные линии, примыкающие к ГПП или РП, и реже на ЭД, установленные, например, на перекачивающих насосных станциях. При их отключении с помощью ВВ на изоляцию КПИ могут воздействовать ВЧ-перенапряжения. При этом инициализация таких перенапряжений зависит от характеристик вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) ВВ и параметров сети. Вероятность повторных зажиганий между расходящимися контактами ВДК зависит от исхода «соревнования» после погасания дуги между растущей электрической прочностью межконтактного промежутка на размыкающихся контактах и переходным восстанавливающимся напряжением на контактах выключателя. Определяющей характеристикой коммутационной способности ВВ является начальная скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка, которая зависит от конкретного предприятия-изготовителя и находится в диапазоне:

Uэл.пр.(t) = k(t + t0),

где t0 = 100…200 мкс – время между началом расхождения контактов и моментом прохождения тока промышленной частоты в ВВ через нулевое значение;

k = 30…80 кВ/мс – скорость роста электрической прочности межконтактного промежутка. Численные исследования показали, что для исключения повторных (многократных) зажиганий дуги между расходящимися контактами ВДК должны иметь скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в зависимости от схемы сети не менее 60–100 кВ/мс.

Приведем в качестве примера результаты исследований по условиям эксплуатации КПИ, обеспечивающих связь между перекачивающей насосной станцией ПНС-11 и подстанцией «Воинская» (рис. 1). Параметры схемы следующие: для связи ПС «Воинская» с ПНС-11 для основного питания используются два КПИ однофазного исполнения фирмы Nexans напряжением 10 кВ (тип кабеля 3хNA2ХS(F)2Y-1х500-RM/70-10, длина КПИ – 2952 м); РУ 6,10 кВ состоит из двух рабочих секций 6 кВ (№ 1, № 2), секции резервного питания 6 кВ (№ 3) и вводной секции 10 кВ (№ 4); двухсекционное РУ 6 кВ ПНС-11 укомплектовано ячейками, в которых установлены ВВ, и предназначено для питания нагрузки – ЭД насосов, понижающих трансформаторов 6/0,4 кВ, регуляторов частоты, трансформаторов 6/0,4 кВ собственных нужд. Режимы работы ПНС-11 на первой секции шин: подключены через кабельные вставки с бумажной пропитанной изоляцией длиной 60 м двигатели от 1 до 3, на второй секции аналогично; в целом на станции максимальное количество одновременно работающих двигателей – 6 (остальные находятся в резерве).

Расчеты при варьировании скорости восстановления электрической прочности (СВЭП) показали, что при коммутации КПИ длиной 2,95 км никаких опасений не должно возникать, поскольку частоты восстанавливающегося напряжения на расходящихся контактах ВДК относительно небольшие и повторные пробои в ВДК не возникают (рис. 2, а и б). Частота восстанавливающегося напряжения на контактах (ВНК) определяется наложением на промышленную частоту ВЧ-составляющей, обусловленной параметрами коммутируемого кабеля и эквивалентного кабеля остальных присоединений, а также составляющей средней частоты, в основном определяемой индуктивностью источников питания и емкостью всех кабелей. При уменьшении длины КПИ на порядок за счет увеличения частоты ВНК в ВДК происходят повторные пробои между расходящимися контактами и на КПИ уже воздействуют ВЧ-перенапряжения (рис. 2, в и г).

Исследования показали, что для рассматриваемой схемы электроснабжения ПНС-11 с помощью КПИ предельная СВЭП ВДК должна быть не менее 30 кВ/мс. На подстанции в ячейках КМ-1КФ установлены ВВ типа ЗАН5 фирмы Siemens, обладающие СВЭП ВДК в среднем не менее 40–50 кВ/мс. Таким образом, при отключении ВВ со стороны ПНС-11 КПИ относительно большой протяженности на кабель не будут воздействовать ВЧ-перенапряжения и выдвигать какие-либо требования к параметрам ВВ нет необходимости.

Несколько иная картина наблюдается при отключении ВВ высоковольтных ЭД, присоединенных к первой и второй секции шин через кабели с бумажной пропитанной изоляцией длиной 50–60 метров. В этом случае высокая частота восстанавливающегося напряжения на расходящихся контактах ВДК способствует превышению ВНК над СВЭП и возникают повторные пробои, инициирующие ВЧ-перенапряжения, воздействующие на изоляции ЭД и КПИ (рис. 3). В этом случае ОПН, установленный в ячейках, не защищает ЭД. При установке же ОПН на двигателе за счет изменения вида кривой ВНК повторных пробоев между расходящимися контактами ВДК не наблюдается.

Следует отметить, что, если определяющая характеристика коммутационной способности ВВ (начальная СВЭП межконтактного промежутка) будет отвечать требованиям международного стандарта IEEE Std C37.013 и составлять не менее 425 кВ/мс, то при коммутации ВВ кабелей на них не будут воздействовать практически в любых схемах их эксплуатации ВЧ-перенапряжения, снижающие со временем электрическую прочность КПИ.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Пропускную способность КПИ определяет тепловой режим эксплуатации, который существенно зависит от условий прокладки кабелей по трассе, в частности:

• от удельного термического сопротивления окружающей среды (на воздухе или в земле);
• от способа прокладки отдельных фаз (горизонтальная с расстоянием между кабелями «в свету», равным диаметру кабелей, или треугольником вплотную);
• от наличия рядом расположенных соседних цепей КЛ и других факторов.

Выбор оптимального способа прокладки КПИ и обеспечение приемлемого теплового режима эксплуатации КЛ является довольно ответственным этапом на стадии сооружения кабельной линии.

В настоящее время в сетях среднего напряжения кабели нового поколения составляют примерно около 2% от всего кабельного парка отечественных РКС. Из-за малого опыта проектировщики иногда принимают недостаточно правильные решения на стадии сооружения КЛ по условиям их прокладки, что может привести к повреждению изоляции кабелей в самом начале эксплуатации.

Это обусловлено следующим обстоятельством. На практике наиболее распространенными конструкциями являются КПИ однофазного исполнения (ОИ), что предопределяет большие строительные длины, легкость монтажа и возможность выполнения кабелей с большими номинальными сечениями жилы. Однако однофазная конструкция КПИ накладывает определенные ограничения на способы их прокладки в отличие от кабелей традиционных трехфазных конструкций с бумажной пропитанной изоляцией. Например, в [2] оговариваются допустимые температурные условия эксплуатации кабеля при различных способах его прокладки, а в [3, 4, 5] подчеркиваются особенности прокладки подводных кабелей и прокладки КПИ в местах, требующих их механической защиты с помощью труб, – при пересечении инженерных сооружений, автомобильных дорог, при естественных препятствиях и т.п.