Конструкция кабелей с изоляцией из СПЭ СВН
Nbsp;
Оглавление (продолжение)
Оглавление (продолжение) 1
6. Кабели с изоляцией из СПЭ СВН.. 2
6.1. Конструкция кабелей с изоляцией из СПЭ СВН.. 3
6.2. Пропускная способность КЛ из СПЭ.. 11
6.3. Основные параметры КЛ из СПЭ.. 20
6.4. Определение параметров по прямой и нулевой последовательностям кабелей. 34
6.5. Определение напряжений на экране и токов в экране. 44
Список использованной литературы (продолжение) 59
Кабели с изоляцией из СПЭ СВН
Развитие электроэнергетики, неотъемлемой основной частью которой являются электрические системы и сети, на современном этапе времени невозможно без применения новых видов электрооборудования. В большей степени это относится к сетям ВН и СВН, хотя для сетей средних и низших классов напряжения эта проблема стоит также остро.
Развитие энергосистем крупных мегаполисов происходит в специфических условиях, таких как высокая плотность нагрузки и генерации, ограниченность и крайне высокая стоимость свободных территорий внутри мегаполиса, необходимых для возведения новых линий электропередач и подстанций СВН, ужесточение требований к архитектурному облику существующих и вновь возводимых сетевых объектов, увеличение выбросов промышленных предприятий и автотранспорта мегаполисов, загрязняющих основную изоляцию открыто стоящего электрооборудования станций и подстанций и многие др. Поэтому возникла необходимость в применении таких типов оборудования, которые бы соответствовали большинству из перечисленных выше условий эксплуатации. В частности, таким оборудованием на основе новейших технологий являются элегазовые комплектные распределительные устройства (КРУЭ), используемые в качестве распределительных устройств подстанций, и относительно новый вид силовых высоковольтных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), используемых вместо воздушных линий электропередач в условиях энергосистем мегаполисов. Практика проектирования сетевых объектов в условиях мегаполисов показывает, что в большинстве случаев сама возможность возведения новых объектов определяется исключительно применением этих типов оборудования. Сети мегаполисов являются смешанными, т.е. такими, в которых наряду с воздушными линиями ВН и СВН существует значительное количество кабельных соответствующих напряжений, количество которых будет увеличиваться.
|
|
|
Естественно, что при применении нового оборудования возникают новые явления в электрических сетях, которых не было ранее]. Обусловлены они разными причинами, основные из которых заключаются в новых конструктивных особенностях, а как следствие и в новых электрических параметрах такого оборудования, которое является составной частью любой энергосистемы.
|
|
|
Неизученность влияния параметров нового электрооборудования на режимы функционирования энергосистем и перераспределение потоков мощности в сети, несоответствия нормам режимов напряжения в узлах сети и т.д. может привести к серьезным системным авариям по причине выхода из строя этого оборудования и в меньшей степени в условиях мегаполисов по причине нарушения статической или динамической устойчивости. Результатом таких аварий являются ограничения электроснабжения потребителей и значительные затраты временных и материальных ресурсов на их устранение.
Примером сказанному могут служить общеизвестные распространенные в средствах массовой информации факты об авариях в Мосэнерго и других энергосистемах, в составе которых соответствующими проектами предусматривались КРУЭ и кабели с изоляцией из СПЭ. К сказанному относится значительное количество пожаров в кабельных линиях ВН и СВН с изоляцией из СПЭ, причиной которых, вероятно, является несоответствие пропускной способности кабельных линий по условию стабильности теплового баланса кабелей протекающим по ним перетокам мощности. Кроме этого, интерес представляет оценка влияние параметров новых элементов электрооборудования на уровни токов коротких замыканий в энергосистемах.
|
|
|
Меньшая площадь трассы КЛ, ее большая надежность в сравнении с ВЛ (при выполнении всех необходимых условий по выбору необходимых кабелей для передачи требуемой мощности на стадии проектирования и соблюдения технологии прокладки на стадии монтажа), а также отсутствие опор и висящих проводов определяют широкое внедрение КЛ ВН и СВН в энергосистемы крупных городов, что и наблюдается в энергосистемах мегаполисов. При этом стоимость строительства кабельной линии соответствующего класса напряжения по сравнению с равной ей по передаваемой мощности воздушной линией приблизительно в 15-20 раз больше. Но даже, несмотря на это обстоятельство, КЛ на основе кабелей с изоляцией из СПЭ находят все большее применение ввиду значительной стоимости земельных участков в таких условиях, занимаемых ВЛ.
Таким образом, представляется актуальным рассмотрение параметров и изучение особенностей кабелей с изоляцией из СПЭ СВН. В настоящей главе рассматриваются кабели СВН на примере кабелей 330 кВ.
|
|
|
Конструкция кабелей с изоляцией из СПЭ СВН
С учетом особенностей городских условий, таких как высокая плотность застройки, сокращение свободных площадей внутри города, связанное с развитием его инфраструктуры, требования к электромагнитной совместимости электрических сетей высокого напряжения с установками техносферы и коммуникационными сетями, допустимый уровень воздействия электромагнитных полей, создаваемых воздушными линиями электропередач на человека и т. д., все большее распространение внутри мегаполисов находят кабельные линии высоких классов напряжений.
Рассмотрим конструктивные особенности применяемых в таких условиях кабелей. Основными материалами для токопроводящих жил (ТПЖ) кабелей в настоящее время являются металлы с высокой проводимостью – медь и алюминий [5]. Электропроводность алюминия в 1,65 раза меньше, чем у меди, но плотность его в 3,3 раза меньше плотности меди, что позволяет получить алюминиевые ТПЖ с одинаковым электрическим сопротивлением в два раза легче медных. Однако, ТПЖ из меди имеют хорошую пластическую деформацию по сравнению с жилами из алюминия, хорошо работают на изгиб.
Что касается основной изоляции кабелей, то в современных условиях она выполняется из относительно нового для России вида изоляции - сшитого (вулканизированного) полиэтилена – СПЭ (в английском обозначении XLPE) [24]. При этом СПЭ находит применение для силовых проводов и кабелей напряжением от 0.4 до 500 кВ.
В промышленно развитых странах Европы и Америки практически 100% рынка силовых кабелей занимают кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Переход к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена, связан с всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей. Обеспечение этих требований возможно благодаря тому, что СПЭ имеет ряд существенных преимуществ перед другими изоляционными материалами по физико-механическим, диэлектрическим, конструкционным и технологическим свойствам переработки. Соответственно, кабели из СПЭ обладают следующими преимуществами по сравнению с маслонаполненными кабелями, кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией и др.:
1. высокая пропускная способность;
2. низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;
3. СПЭ изоляция обладает малой плотностью, малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости ε = 2,5 и коэффициента диэлектрических потерь K = ε × tgδ, который остается практически постоянным, где tgδ = 0,001 – тангенс угла диэлектрических потерь [17];
4. прокладка на сложных трассах;
5. монтаж без использования специального оборудования;
6. значительное снижение себестоимости прокладки;
7. отсутствием опасности загрязнения окружающей среды из-за отсутствия масла, а также свинцовой оболочки;
8. низкая удельная повреждаемость кабеля (на 1-2 порядка ниже, чем у маслонаполненного кабеля).
По комплексу свойств в качестве электрической изоляции для силовых кабелей стационарной прокладки в настоящее время с СПЭ не может конкурировать ни один вид изоляционных материалов. Основным достоинством СПЭ является увеличение рабочей температуры токопроводящей жилы кабелей с изоляцией из СПЭ до 90 С, что означает увеличение пропускной способности таких кабелей по сравнению с кабелями с другими видами изоляции, высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании, что особенно важно в случае, когда сечение проводника выбирается только из условий номинального тока короткого замыкания. Отметим, что для кабелей с изоляцией из СПЭ максимальная допустимая температура ТПЖ при перегрузках составляет 130 С, при этом продолжительность работы кабеля [25] в режиме перегрузки должна быть не более 100 ч за год и не более 1000 ч за срок службы. А предельно допустимая температура ТПЖ при коротком замыкании (к.з.) равна 250 С.
Изначально термопластичному полиэтилену присущи серьезные недостатки, главным из которых является резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления. Решением этой проблемы стало применение сшитого полиэтилена. Термин «сшивка» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. «Сшивка» ПЭ – это сложный химический и технологический процесс, от правильности его проведения зависят свойства СПЭ и надежность кабельных линий. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена, создают трехмерную структуру, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала, меньшую гигроскопичность, большой диапазон рабочих температур кабеля. На рисунке 6.1 приведена структура СПЭ.
Рис.6.1. Структура СПЭ
В подтверждение сказанного выше о высокой по сравнению с другими типами изоляции допустимой рабочей температуре ТПЖ для СПЭ в таблице 6.1 приведены допустимые температуры нагрева токопроводящих жил кабелей с различными видами изоляции.
Таблица 6.1
Допустимые температуры нагрева ТПЖ жил кабелей с различными видами изоляции
| Материал | Длительная рабочая температура, С | Предельно допустимая температуры при к.з. длительностью 4 с, С |
| СПЭ | 90 | 250 |
| ПЭ | 70 | 150 |
| ПВХП | 70 | 160 |
Высокий уровень напряжения жилы кабеля приводит к необходимости использования металлического экрана, основным назначением которого является обеспечение равномерности распределения электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля. Толщина экрана hэ практически для всех классов напряжения от 110 кВ [25] и выше составляет в среднем 2 мм, но при этом сечение экрана может варьироваться в пределах от 35 до 340 мм2, но не более, что обусловлено экономическими соображениями, вследствие того, что даже для кабелей с алюминиевыми жилами токопроводящий экран все равно выполняется из меди. Увеличение сечения медных экранов одножильных кабелей при относительно постоянной толщине экрана достигается за счет того, что экран выполняется из медных проволок с расстоянием между ними не более 10 мм , для увеличения площади поперечного сечения экрана при сохранении его толщины достаточно просто увеличить плотность заполнения соответствующих медных проволок. При этом медные проволоки экрана скреплены спирально наложенной медной лентой номинальной толщиной не менее 0,7 мм. Сечение скрепляющей медной ленты включается в сечение экрана.
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена чаще всего выполняются в однофазном исполнении, однако бывают и трёхфазными. Трёхфазные силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена выполняются только до класса напряжения 110 кВ включительно и с сечением токопроводящей жилы каждой фазы не более 240 мм2, что значительно ограничивает сферу применения такой конструкции. Это ограничение связано с тем обстоятельством, что при увеличении сечения токопроводящей жилы сверх 240 мм2, а также при росте толщины основной изоляции при увеличении класса напряжения сверх 110 кВ, массогабаритные параметры такого кабеля становятся таковыми, что транспортировка готового изделия с завода-изготовителя кабеля на строительную площадку и его монтаж становятся весьма затруднительными, а в ряде случаев практически невозможными. Поэтому ограничимся рассмотрением наиболее востребованной на практике однофазной конструкции кабелей из СПЭ.
Величина сечения проводящих медных экранов одножильных кабелей из СПЭ рассчитывается по формуле [25]:
,
где 
- величина сечения медного экрана, мм2;
- допустимый ток односекундного к.з., кА;
t - продолжительность к.з., с.
При повреждении основной изоляции кабеля ток короткого замыкания из жилы попадет в экран и проходит по нему при любой системе заземления экранов, т.о, сечение экрана кабеля должно обеспечивать его прохождение по экрану в течение полного времени действия релейной защиты, которое при применении современных защит на основе микропроцессорной техники составляет в среднем 0.4 секунды, без его разрушения на значительных длинах кабельной трассы. Однако, здесь необходимо учитывать, что еще не везде внедрены современные системы РЗА и полное время отключения токов к.з. может отличаться в большую сторону от указанной выше величины. Учитывая это и приняв, что предельные уровни токов к.з. составляют ориентировочно для сети 110 кВ 40 кА, а для сети 330 кВ – 63 кА, и произведя расчет по приведенной выше формуле, можно рекомендовать для одножильных кабелей из СПЭ напряжением 110 кВ сечение экрана, составляющее 185 мм2, а для одножильных кабелей напряжением 330 кВ – 240 мм2.
На рисунке 6.2 показан поперечный разрез наиболее часто встречающейся на практике конструкции одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ.
Рис.6.2. Поперечный разрез силового кабеля из СПЭ
На рисунке 6.2 1 – ТПЖ, медь или алюминий, круглая компактной скрутки; для сечений алюминиевой ТПЖ свыше 1200 мм2 и сечений медной ТПЖ свыше 1000 мм2 жила кабеля выполняется сегментированной; 2 - полупроводящий экран по токопроводящей жиле; 3 - изоляция из сшитого полиэтилена; 4 - полупроводящий экран по изоляции; 5 - промежуточный слой продольной герметизации; 6 - медный экран и влагонабухающая лента; 7 - слой поперечной герметизации, алюминиевая лента; 8 - внешняя оболочка (полиэтилен).
Отметим, что в последнее время внешняя оболочка кабелей с изоляцией из СПЭ всех классов напряжения выполняется из полиэтилена в силу того, что при прочих равных условиях полиэтилен не обладает при горении свойством выделять хлор - ядовитый для людей газ, лучшими характеристиками по отводу тепла, в отличие от ПВХП, а также имеет повышенные механические свойства. При этом, как показывает практика, толщина этой оболочки для кабелей напряжением 110 кВ и 330 кВ составляет в среднем 6 мм.
Укажем, что в настоящее время кабельной промышленностью выполняются следующие сечения медных и алюминиевых ТПЖ для одножильных кабелей из СПЭ напряжением 110 кВ: от 185 до 3000 мм2; а для 330 кВ – от 630 до 3000 мм2.
Взаимное пространственное расположение одножильных кабелей из СПЭ в кабельных линиях различных классов напряжений обычно ограничивается двумя вариантами: 1) расположение фаз линии треугольником (при этом поверхности кабелей соприкасаются); 2) расположение фаз линии плоскостью с некоторым расстоянием между осями фаз. При проектировании кабельных линий с кабелями из СПЭ стараются при расположении фаз треугольником расстояние между осями фаз l∆ выдерживают равным наружному диаметру Dн соответствующих одножильных кабелей, а при расположении в плоскости стараются выдержать расстояние между осями фаз lпл обычно равным двум Dн. Каждый из вариантов соответствующим образом влияет на параметры кабельной линии и, соответственно, на режим ее работы. Вернемся к этому вопросу несколько позже.
Известно, что кабельные линии ВН с кабелями из СПЭ эксплуатируются с тремя возможными системами заземления экранов одножильных кабелей [24, 26], а именно:
1.заземление экранов каждой фазы по концам каждой электрической секции (электрической секцией считается часть трассы между точками, в которых соединены оболочки или экраны всех кабелей между собой или с «землей»), т.е двустороннее заземление экранов;
2.заземление экранов в одной точке каждой электрической секции с установкой на разземленных концах соответствующих ОПН, характеристики которых должны быть скоординированы с характеристиками защищаемой ими изоляции, в данном случае с изоляцией поверх токопроводящего экрана одножильного кабеля, т.е. внешней оболочкой кабеля, которая в последнее время выполняется из полиэтилена;
3.транспозиция экранов соответствующих кабелей из СПЭ.
На рисунках 6.3, 6.4, 6.5 схематически показаны приведенные выше системы заземления экранов одножильных силовых высоковольтных кабелей из СПЭ, соответственно.
Рис.6.3. Двустороннее заземление экранов
Рис.6.4. Заземление экранов в одной точке электрической секции
Рис.6.5. Транспозиция экранов кабелей
Вполне закономерно ожидать, что при применении заземления экранов с двух сторон у соединительных и концевых муфт по экранам кабелей протекают продольные токи, так называемые «обратные», приближенные к рабочим токам в жилах, и появляется дополнительный источник тепла, кабели дополнительно греются, что приводит к снижению тока нагрузки кабеля, т.е. его пропускной способности. При заземлении экранов кабелей в одной точке на разомкнутом конце возникает потенциал, который растет с увеличением длины кабельной линии. Отметим, что все вопросы, касающиеся возникающих в процессе эксплуатации кабельных линий перенапряжений, рассмотрены в следующей главе. Здесь остановимся на определении пропускной способности трехфазных кабельных линий, состоящих из одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ, и определении основных параметров этих линий в зависимости от способов заземления экранов кабелей и способов их прокладки.
Заметим, что при заземлении экранов одножильных кабелей в одной точке, а также при транспозиции экранов, которая по сути является электромагнитной компенсацией суммы э.д.с, наводимых в экранах трех секций транспозиции вследствие сдвига э.д.с на 120 электрических градусов, в них отсутствуют продольные токи, а значит и потери, создаваемые ими. Следовательно, можно утверждать, что при этих системах заземления экранов пропускная способность кабельной линии будет выше, нежели чем при двусторонней системе заземления экранов. Количественно оценим это.
Наружный диаметр одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ всех классов напряжения от 110 кВ и выше однозначно выражается через радиус токопроводящей жилы:
,
где rтпж – внешний радиус токопроводящей жилы, мм; hтпжi – толщина электропроводящего экрана по жиле, принимаемой равной 1 мм; hи – толщина изоляции из СПЭ, принимаемой равной 16 мм для кабелей 110 кВ; hиi – толщина полупроводящего экрана по изоляции, принимаемой равной 1.1 мм; hб – толщина слоя из проводящей крепированной бумаги или электропроводящей влагонабухающей ленты (для поперечной герметизации кабеля), составляющая 0.3 мм; hэ – толщина медного экрана, мм; hэi – толщина разделительного слоя из полимерной ленты или ламинированной алюмополимерной ленты (для продольной герметизации кабеля), составляет 0.2 мм; hоб – толщина внешней оболочки кабеля, выполняемой из полиэтилена, равна в среднем 6 мм.
Принципиально конструкции одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ напряжением 110 кВ и 330 кВ отличаются только толщиной основной изоляции, и для кабелей 330 кВ она в среднем составляет 27 мм [27, 28, 29]. Т.е., приведенные выше толщины различных слоев одножильного кабеля из СПЭ напряжением 110 кВ допустимо считать соответствующими толщинам аналогичных слоев кабелей напряжением 330 кВ, кроме толщины основной изоляции.
Внешний радиус токопроводящей жилы rтпж в функции от сечения ТПЖ Sтпж определяется из выражения:
,
где Sтпж – площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм2; Kс - коэффициент скрутки ТПЖ для кабелей из СПЭ, который составляет 0.8 [29], о.е.
Эквивалентное расстояние между осями соседних фаз зависит от взаимного пространственного расположения фаз кабельной линии. При проектировании кабельных линий с кабелями из СПЭ стараются при расположении фаз треугольником расстояние между осями фаз l∆ выдерживают равным наружному диаметру Dн соответствующих одножильных кабелей, а при расположении в плоскости стараются выдержать расстояние между осями фаз lпл равным двум Dн. Запишем:
,
С учетом сказанного выше и можем записать:
,
.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 971; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!