Кабельные линии электропередачи

Для кабельных линий (КЛ) всех классов напряжений при проектировании, строительстве, реконструкции, техническом перевооружении и эксплуатации рекомендуется применять кабели:

• с увеличенной толщиной оболочки повышенной твердости для снижения риска повреждения оболочки при прокладке;
• с наружным электропроводящим слоем, в том числе в составе огнезащитного покрытия, наносимого после прокладки кабеля на его оболочку, выполненную из материалов пониженной горючести, в том числе поливинилхлоридных композиций с низким дымогазовыделением и без галогенных композиций с высоким кислородным индексом для прокладки в инженерных сооружениях;
• с изоляцией из сшитого полиэтилена для замены маслонаполненных кабелей и кабелей с пропитанной бумажной изоляцией;
• напряжением 110 – 500 кВ, прошедших «Предквалификационное испытание кабельной системы» на надежность по ГОСТ Р МЭК 62067-2011, а напряжением 6 – 35 кВ, соответствующих требованиям МЭК 60502-2, МЭК 60502-4 и гармонизированных HD 620 S2:2010 и HD 605 S2;
• для подводной прокладки — кабели бронированные (бронированные немагнитные) с изоляцией из сшитого полиэтилена обеспечивающие работу в течение срока службы, выдерживающие осевые, поперечные, механические нагрузки в условиях гидростатического давления (только единой строительной длинной подводной части перехода кабельной линий);
• для прокладки в горной местности, а также в зонах сейсмической активности, применять бронированные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и прокладывать их в специальных инженерных сооружениях. Способ прокладки определять проектом, с применением специальных мер защиты от механических повреждений.
• при параллельной прокладке силовых кабелей 110-500 кВ и кабелей ВОЛС для технологических защит ПС и ЛЭП, прокладку ВОЛС выполнять вне лотков с силовыми кабелями или защитных конструкций силовых кабелей.

Для КЛ 110 кВ и выше длиной не менее 0,5 км, как правило, должны применяться кабели со встроенным оптоволокном для мониторинга температуры нагрева токопроводящей жилы. Ресурсный срок службы кабелей не менее – 30 лет с учётом эксплуатационных мероприятий, регламентированных соответствующими нормативными документами.

1. Схемы замещения КЛ и их параметры

Обычно линии электропередачи рассматриваются как линии с равномерно распределенными по её длине параметрами. В инженерных расчетах для кабельных линий электропередачи (КЛ) длиной менее 10 – 50 км обычно используют упрощенные Т- и П-образные схемы замещения с сосредоточенными параметрами. При этом погрешности электрического расчета линии практически зависят только от её длины. Выбор схемы замещения линии электропередачи определяется сложностью системы электроснабжения. При расчетах сложных систем электроснабжения на ЭВМ целесообразно использовать П-образную схему замещения с целью упрощения расчетов. Схемы замещения КЛ с сосредоточенными параметрами приведены на рис. 1.

Общепринято в схемах замещения выделять продольные элементы – сопротивления линии электропередачи: ? = ? + ?? и поперечные элементы – проводимости: ? = ? + ??. Значения указанных параметров для КЛ определяются по общему выражению П = П₀?, где П₀{?₀, ?₀, ?₀, ?₀} — значение продольного или поперечного параметра, отнесенного к 1 км линии; ? — протяженность линии электропередачи (погонные параметры).

В частных случаях, в зависимости от исполнения КЛ и класса напряжения, используют только доминирующие параметры, в зависимости от их физического проявления.

Рис. 1. Схемы замещения КЛ с сосредоточенными параметрами: Т – образная (а) и П – образная (б)

Активное сопротивление обуславливает тепловые потери и зависит от материала токоведущих жил кабеля и их сечения. Для КЛ с проводами небольшого сечения из цветных металлов активное сопротивление принимают равным омическому, поскольку проявление поверхностного эффекта на промышленной частоте в этом случае не превышает 1 %. Для проводов сечением более 500 мм2 явление поверхностного эффекта на промышленной частоте значительно.

Погонное активное сопротивление КЛ (Ом/км) определяется по формуле

где ρ — удельное активное сопротивление металла провода, Ом ∙ мм²⁄км:

• для технического алюминия в зависимости от его марки можно принять ρ = 29,5 ÷ 31,5 Ом ∙ мм²⁄км,
• для меди ρ = 18,0 ÷ 19,0 Ом ∙ мм²⁄км;

? – сечение фазного провода (жилы), мм².

Необходимо помнить, что активное сопротивление токопроводящей жилы силового кабеля зависит также от температуры окружающей среды (КЛ проложена в земле, в воздухе, в трубах и т.д.) и значением протекающего по проводу силы тока. Зависимость активного сопротивления от температуры провода t определяется соотношением

где ?²⁰ — нормативное значение сопротивления ?0, которое рассчитывается по соотношению ?0 = ρ⁄?, при температуре проводника ? = 20℃;

α — температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/град (для медных и алюминиевых проводов значение α = 0,00403).

Индуктивное сопротивление токопроводящей жилы силового кабеля X, как и для воздушной линии, обусловлено магнитным полем, возникающим внутри и вокруг проводника при протекании по нему переменного тока. В проводнике наводится ЭДС самоиндукции направленная, в соответствии с принципом Ленца, противоположно ЭДС источника. Индуктивное сопротивление ? обусловлено частотой тока ω = 2π? и значением индуктивности фазы ?.

Известно, что индуктивное сопротивление фаз многофазных линий электропередачи зависит также от взаимного расположения фазных проводов (жил). Кроме ЭДС самоиндукции в каждой фазе наводится противодействующая ей ЭДС взаимоиндукции, значение которой в каждой фазе зависит от конструкции линии электропередачи. При сближении фазных проводов влияние ЭДС взаимоиндукции возрастает, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления. Поэтому индуктивное сопротивление кабельных линий в 3 – 5 раз меньше чем аналогичный параметр воздушных линий.

Индуктивное сопротивление, Ом/км, отнесенное к 1 км кабельной линии, на частоте тока 50 Гц и циклической частоте ω = 2π? = 314 рад/ спроводов из цветных металлов определяется аналогично воздушной линии по эмпирической формуле как сумма внешнего ?́0 и внутреннего ?̈0 индуктивных сопротивлений. Внешнее индуктивное сопротивление определяется внешним магнитным потоком, образованным вокруг проводов и значениями величин Dср и ?пр (среднегеометрического расстояния между фазными жилами и радиуса многопроволочных проводов соответственно).

Внутреннее индуктивное сопротивление определяется внутренним потоком, замыкающимся в проводах.

При расчетах, в отличие от воздушных линий электропередач (ВЛ), обычно используют заводские данные об индуктивном сопротивлении кабелей, поскольку потребитель не имеет информации о конструктивных особенностях кабелей (в частности о параметрах токопроводящих экранов). Для кабельных линий всех марок и сечений напряжением 0,38 – 10 кВ индуктивное сопротивление находится в интервале 0,06 – 0,10 Ом/км и определяется из таблиц физикотехнических данных кабелей.

Из изложенного выше следует, что активное сопротивление КЛ зависит от материала, сечения и температуры провода. Зависимость ?0 = ?(?) обратно пропорциональна сечению провода, ярко выражена при малых сечениях, когда ?0 имеет большие значения, и мало заметна при больших сечениях проводов. Индуктивное сопротивление кабельных линий всех марок и сечений напряжением 0,38 – 10 кВ находится в интервале 0,06 – 0,10 Ом/км и определяется из таблиц физико-технических данных кабелей.

Емкостная проводимость обусловлена емкостями между фазами, фазными проводами (жилами) и землей (рис. 2). В практических расчетах рабочую емкость трехфазной воздушной линии (ВЛ) или кабельной линии (КЛ) электропередачи с одним проводом в фазе на единицу длины, Ф/км, определяют по формуле:

Численные данные значения рабочей емкости ?₀ ∙ 10⁻⁶, трехжильных силовых кабелей с поясной изоляцией, Ф/км, напряжением 0,4 – 10 кВ приведены в табл. 1. Емкостная проводимость ?0 кабельной линии, См/км, зависит от конструкции кабеля и указывается заводом изготовителем, но для ориентировочных расчетов может быть оценена по формуле: .

Таблица 1. Значения рабочей емкости ?₀ ∙ 10⁻⁶ трехжильных кабелей с поясной изоляцией

Рис. 2. Емкости трехфазной кабельной линии электропередачи

Под действием приложенного к КЛ напряжения через емкости линий протекают емкостные (зарядные) токи. Расчетное значение емкостной силы тока на единицу длины, кА/км

Зарядная мощность кабельной линии, обусловленная током ??0, определяется напряжением в каждой точке линии

Значение зарядной мощности для всей КЛ, длиной L, определяется через действительные (расчетные) напряжения начала и конца линии, Мвар:

Эту же мощность можно определить приближенно по номинальному напряжению линии

где ?_? = ?₀ ∙ ? — емкостная проводимость кабельной линии, длиной L, См;

?_ном — номинальное напряжение кабельной линии, кВ.

Для кабелей напряжением 6 – 35 кВ с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой известны генерации реактивной мощности ?₀ на один километр линии (см. табл. 2), с учетом которой общая генерация КЛ может быть определена по соотношению:

Активная проводимость КЛ обусловлена потерями активной мощности ∆?? из-за несовершенства изоляции. Удельная проводимость ?₀ определяется по общей формуле для шунта, См/км

В кабельной линии под влиянием наибольшей напряженности находится слой поясной изоляции у поверхности жил кабеля. Чем выше рабочее напряжение кабеля, тем заметнее токи утечки через материал изоляции и нарушение её диэлектрических свойств (увеличение тангенса диэлектрических потерь tgδ).

Таблица 2. Расчетные характеристики трехжильных кабелей с бумажной изоляцией

Активная проводимость силового кабеля на единицу длины, См/км. равна:

и соответствующий ток утечки в изоляции кабеля:

где ?? = ?0?.

Тогда диэлектрические потери в материале изоляции КЛ, МВт, которые обязательно следует учитывать для КЛ с номинальным напряжением 110 кВ и выше можно определить по соотношению:

где ? = ?0? = ω?0? ∙ tgδ – активная проводимость КЛ с учетом её длины.

2. Схемы замещения КЛ для расчета симметричных режимов

При расчете симметричных установившихся режимов электроэнергетической системы схему замещения составляют для одной фазы, т.е. продольные параметры КЛ, сопротивления ? = ? + ?? изображают и вычисляют для одного фазного провода (жилы).

Емкостная проводимость ?? учитывает проводимости (емкости) между фазами, между фазами и землей и отражает генерацию зарядной мощности всей трехфазной конструкции в начале и конце линии:

Активная проводимость линии G, изображаемая в виде шунта между фазой (жилой) и точкой нулевого потенциала схемы (землей), включает суммарные потери активной мощности на корону (или в изоляции) трех фаз в начале и в конце линии:

Поперечные проводимости (шунты) ? = ? + ??? (рис. 3,в и 3,д) в схемах замещения кабельных линий электропередачи можно не изображать, а заменять мощностями этих шунтов (рис. 45,г).

Например, вместо активной проводимости показывают потери активной мощности в изоляции кабельной линии:

а взамен емкостной проводимости указывают генерацию зарядной мощности

В кабельных линиях напряжением до 10 кВ небольших сечений (50 мм2 и менее) определяющим является активное сопротивление, и в таком случае индуктивные сопротивления могут не учитываться (рис. 3,а). Диэлектрические потери кабельных линий напряжением до 35 кВ незначительны и в расчетах электрических режимов ими пренебрегают и соответственно принимают равной нулю активную проводимость (рис. 3,в).

Учет активной проводимости необходим для кабельных линий напряжением 110 кВ и выше в расчетах, требующих вычисления потерь электроэнергии. В местных сетях небольшой протяженности при номинальных напряжениях до 35 кВ зарядные токи и мощности значительно меньше нагрузочных, поэтому в КЛ емкостную проводимость учитывают только при напряжениях линии 20 и 35 кВ.

Необходимость учета индуктивных сопротивлений зависит также от доли реактивной составляющей тока в общей электрической нагрузке. При анализе электрических режимов с низким коэффициентом мощности (cos ? < 0,8) индуктивное сопротивление кабельной линии необходимо учитывать, чтобы избежать ошибки при определении потери напряжения.

Рис. 3. Схемы замещения кабельных линий электропередачи: а) – КЛ напряжением 0,38 – 10 кВ малых сечений; б) – КЛ напряжением 0,38 – 20 кВ; в) – КЛ напряжением 35 кВ с емкостными проводимостями; г) – КЛ напряжением 35 кВ с зарядной мощностью вместо емкостных проводимостей; д) – КЛ напряжением 110 – 500 кВ с поперечными проводимостями.

3. Параметры нулевой последовательности КЛ

Металлическая оболочка кабеля, как правило, заземлена на его концах и в ряде промежуточных точек (муфтах). Следовательно, она образует для токов нулевой последовательности путь, параллельный земле. В этом отношении металлическая оболочка кабеля аналогична заземленным тросам у воздушной линии. На распределение тока между оболочкой и землей существенное влияние оказывает не только собственное сопротивление оболочки, но и сопротивление ее заземлений, значения которых зависят от характера прокладки кабеля (траншея, блоки, туннель, эстакада и т.д.) и ряда других факторов, что очень затрудняет расчет параметров нулевой последовательности.

В ориентировочных расчетах для трехжильных кабелей обычно принимают:

Уточнить эти данные можно проведением соответствующих замеров в реальных условиях.

Для трехжильного кабеля с круглыми жилами реактивное емкостное сопротивление нулевой последовательности можно найти по приближенному выражению:

где

r – радиус токопроводящей жилы;

B и b – толщина соответственно фазной и поясной изоляции.

Для кабеля с секторными жилами, имеющими ту же поверхность проводника и ту же толщину изоляции, как у кабеля с круглыми жилами, емкостное сопротивление ??1 и ??0 несколько меньше. Это снижение можно учесть коэффициентом n, значения которого приведены в табл. 3.

Таблица 3. Значения коэффициента снижения емкостного сопротивления n