ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 110 КВ С ДВУХСТОРОННИМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭКРАНОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПРОКЛАДКИ

Голдобин Д.А.¹, Михайлов А.А.²

¹Кандидат технических наук, доцент, Сургутский Государственный Университет, ²Студент магистратуры 2 курс, Сургутский Государственный Университет

ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 110 КВ С ДВУХСТОРОННИМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭКРАНОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПРОКЛАДКИ

Аннотация

Разработана математическая модель  двухцепной трехфазной кабельной линии для расчета наведенных токов в экранах при их двухстороннем заземлении в симметричном режиме. Рассмотрены электрические и тепловые процессы протекающие в кабельной линии при различном чередовании фаз. Проведен анализ влияния соседних фаз на токи в экранах и температуру в КЛ. Получены результаты при использовании математической модели КЛ и в программе COMSOL Multiphysics с учетом электрических и тепловых параметров каждой фазы КЛ. Показана необходимость в применении оптимального расположения фаз.

Ключевые слова: кабельная линия, сшитый полиэтилен, способ прокладки, тепловой режим, заземление экранов, токи в экранах, двухцепная линия.

Goldobin D.A.¹, Mikhailov A.A.²

¹PhD in Engineering, Associate Professor, Surgut State University, Surgut, ²Master’s Degree Student of the 2 Year of Study, Surgut State University, Surgut

STUDY OF NORMAL MODES OF CABLE LINES OF 110 kV WITH A TWO-WAY INTERCONNECTION OF SCREENS AT VARIOUS LAYING METHODS

Abstract

We developed a mathematical model of a two-circuit three-phase cable line for the calculation of induced currents in screens with their two-sided grounding in a symmetrical mode. The paper considers electrical and thermal processes in the cable line for different phase alternations. The influence of the neighbouring phases on the currents in the screens and the temperature in the CL are analyzed. The results are obtained with the help of the mathematical model of CL and in the COMSOL Multiphysics program with regard to the electrical and thermal parameters of each phase of the CL. The necessity for the application of an optimal phase arrangement is shown in the paper.

Keywords: cable line, cross-linked polyethylene, laying method, thermal conditions, screen grounding, shield currents, double-circuit line.

Известно, что пропускная способность кабельной линии выше, чем воздушных линий того же класса напряжения в силу меньшего волнового сопротивления. Но конструкция и материал кабеля из СПЭ накладывают ограничения на пропускную способность. На практике пропускная способность кабеля будет определяться тепловым режимом, то есть предельно допустимой температурой нагрева изоляции кабеля, что для кабеля из сшитого полиэтилена в длительном режиме составляет 90 ºС, превышение этой рекомендуемой температуры заводом изготовителем приводит к тепловому старению изоляции.

В таких кабелях схемы соединения экранов можно выделить два типа: «замкнутый контур» - с протеканием тока промышленной частоты по экрану кабеля (двухстороннее заземление) и «разомкнутый контур» - отсутствие тока в экране (одностороннее заземление, транспозиция экранов, разземление).

Схема заземления по обоим концам – одна из основных схем.

Достоинства данной схемы:

– напряжение в экранах относительно земли минимально, и в симметричных режимах равняется нулю, но так как система в симметричном режиме бывает исключительно редко, то уравнительные токи и напряжения существуют всегда;

– наличие токов в экранах снижает влияние на рядом расположенные коммуникации, линии связи и окружающую среду (за счет снижения напряженности магнитного поля вокруг КЛ);

– снижается индуктивное сопротивление КЛ;

– уменьшаются перенапряжения на оболочке и изоляции при коммутационных и других волновых процессах.

Недостатки:

– протекание токов по экрану сопровождается их нагреванием, что приводит к снижению пропускной способности кабеля;

– токи в экранах ведут к дополнительным потерям мощности и электроэнергии, уменьшается КПД линии электропередачи;

– ток КЗ протекает по экрану кабеля.

При заземлении экранов с двух сторон в начале и конце линии в них практически не будут возникать наведенные напряжения, зато будет протекать продольный ток промышленной частоты, который зависит:

– от тока, протекающего в жиле;

– от сечения экрана;

– от расстояния между осями жил кабеля;

– от расположения фаз.

Наличие тока в экране существенно влияет на пропускную способность кабельной линии, так как потери, возникающие в экранах, дополнительно нагревают кабель. При выборе сечения жилы  принимают во внимание:

– схему заземления экранов (наличие или отсутствие паразитных токов);

– способ прокладки (расстояния между осями жил кабеля, чередования фаз);

– тепловой режим (расчет температуры при помощи программных комплексов);

Ранее в [1, С.22] разработана математическая модель для расчета наведенных токов и напряжений в КЛ. Эта математическая модель была доработана для возможности расчета двухцепной КЛ. В модели учтены коэффициенты взаимной индукции между петлями токов «экран-земля» фаз кабеля (Мa1b1, Mb1c1, Ma1c1, Мa2b2, Mb2c2, Ma2c2, Мa1а2, Мa1b2, Мa1с2, Мb1a2, Mb1b2, Мb1c2, Мс1а2, Мс1b2, Мс1с2).

Уравнения, описывающие стационарный режим в каналах экран-земля фаз с учетом их магнитной связи имеют вид:

Полная система уравнений режима КЛ с учетом граничных условий в начале и конце кабельной линии в матричном виде выглядит как

где [A] – квадратная матрица комплексных коэффициентов размерностью 40х40, вектор Χ – вектор изображений на комплексной плоскости токов и напряжений. Вектор Е – вектор комплексных изображений источников ЭДС фаз a1, b1, c1, a2, b2, c2.

Результаты расчета по этой модели приводятся в сравнении с подробным моделированием на COMSOL Multiphysics.

Показан анализ токов в экранах (таблица 1–4) , величины потерь (таблица 5) и температуры (рисунок 1–2) для кабеля, геометрические параметры которого:

– сечение жилы 500 мм²;

– сечение экрана 95 мм²;

– кабель зарыт на глубине 1,5 м;

– толщина изоляции 3,4 мм;

– толщина оболочки 2,5 мм;

Рассматриваются различные варианты расположения и чередования фаз, поэтому для наглядности ток жилы равен 500 А, теплопроводность грунта 0,5 Вт/(м*К).

Ток в экранах будет увеличиваться по мере увеличения расстояния между жилами и достигнет значения практически равного току в жиле при очень больших расстояниях. Наименьшие токи в экранах при одноцепной КЛ возникают при прокладке кабеля в сомкнутый треугольник, когда две фазы кладут вплотную друг к другу, а третью- сверху, тем самым образуя симметричную систему, каждая фаза находиться в равных условиях в отношении двух других. В таблице 1–2 показано распределение токов при их стандартном чередовании фаз в плоскости при различных расстояниях. Таблица 3–4 показывает распределение тока уже при измененном чередовании фаз, самое оптимальное это менять фазы А и С местами.

Таблица 1 – Токи в экранах

Таблица 2 – Токи в экранах при полевом моделировании

Таблица 3 – Токи в экранах

Таблица 4 – Токи в экранах при полевом моделировании

Видно, что система стала более симметричной. Разница в токах при полевом моделировании обусловлена тем, что математическая модель не учитывает эффект близости.

 

Таблица 5 – Эффективность применения оптимального чередования фаз

Анализ таблицы 5 показывает, что максимально эффективную систему двуцепной КЛ с точки зрения минимизации токов в экране можно получить при прокладке в плоскости, одна цепь положена на другую вплотную, причем фазы А и С у одной цепи должны быть поменяны местами (фаза А первой цепи должна быть максимально близко к фазе С второй цепи).

С другой стороны, при укладке фаз вплотную ухудшается тепловой режим, так как кабеля греют друг друга и это надо учитывать. Подключая блок температур COMSOL Multiphysics можно показать распределение тепла в КЛ (рисунок 1–2).

Рис. 1 – Распределение температуры в плоскости вплотную

 

На рисунке 2 показано распределение тепла при прокладке в плоскости, но уже с измененным чередованием фаз

Рис. 2 – Распределение температуры в плоскости вплотную с измененным чередованием фаз

 

На рисунке 1–2 видно, что уменьшение токов в экране значительно снижает температуру на оболочке кабеля. Выходит что мероприятия по изменению чередования фаз могут эффективно повлиять на снижение температуры кабеля в грунтах с низкой теплопроводностью (в данном примере на 40 ºС) тем самым создавая более благоприятный температурный режим для кабеля повышая срок его службы.

Список литературы / References

1. Бронникова В. В. Исследование нормальных и аварийных режимов кабельной линии 110 кВ при различных способах прокладки и схемах соединения экранов / В. В. Бронникова, Д.А. Голдобин // Научное периодическое издание IN SITU:сборник статей Европейский фонд инновационного развития. – 2016. – Т. 1. – №6. –  С. 20–26.
2. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6-500 кВ. –СПб.:Изд-во Политехн. ун-та, 2010. –154 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bronnikova V. V. Issledovanie normal'nyh i avarijnyh rezhimov kabel'noj linii 110 kV pri razlichnyh sposobah prokladki i shemah soedinenija jekranov[ Investigation of normal and emergency modes of a 110 kV cable line for various ways of laying and connection schemes for screens] / V. V. Bronnikova, D.A. Goldobin // Nauchnoe periodicheskoe izdanie IN SITU:sbornik statej Evropejskij fond innovacionnogo razvitija[ Scientific periodical IN SITU: collection of articles European Foundation for Innovative Development]. – 2016. – V. 1. – №6. –  P. 20–26.[in Russian]
2. Dmitriev M.V. Zazemlenie jekranov odnofaznyh silovyh kabelej 6-500 kV.[Grounding shields of single-phase power cables 6-500 kV] Dmitriev M.V. –SPb.:Izd-vo Politehn. un-ta, 2010. –154 p. [in Russian]