Заземление экрана контрольных кабелей

Заземление экранов контрольных кабелей

Подписка на рассылку

Заземление экранов контрольных кабелей — одно из обязательных мероприятий, проводимых при конструировании электростанций и подстанций, промышленно-производственных и иных типов объектов, где предполагается эксплуатация высоковольтного оборудования (или множества электроприборов, совокупная мощность которых может достигать десятки или сотни кВт). Если предположить существование иерархии проводников (допустим, по мощности, виду передаваемых сигналов и области применения), то контрольный кабель будет расположен где-то между силовыми и информационными типами. Данные кабельные изделия служат для управления подконтрольными объектами и передачи информации (на пульт оператора) об их состоянии. Кабели применяются, к примеру, для подключения к ним различной электроаппаратуры, электромеханического оборудования, устройств релейной защиты, сигнализации и т. д.

Имеющиеся в системе электрические цепи, помимо высоковольтных цепей, именуются вторичными. Сюда же относятся цепи, построенные из контрольных кабелей.

Цели устройства заземления

Как и в случае с любыми другими типами проводников, заземление контрольного кабеля производится с целью защиты оборудования от всевозможных помех, возникающих по ряду причин — удары молний, короткие замыкания, разряды статического электричества, работа радиопередающих устройств и т. д. Из вышесказанного также можно сделать вывод, что контрольный кабель используется, в том числе, для работы электронного оборудования. Любая подобная техника (и более всего — микропроцессорная), как известно, очень чувствительна к электромагнитным помехам (ЭП). Таким образом, заземление экранов контрольных кабелей также необходимо для защиты электронного оборудования от ЭП.

Но для чего заземлять экран, ведь данный компонент проводника, как известно, и так служит для препятствования проникновения электромагнитных помех в токопроводящие жилы? Но, как показывает практика, одно лишь экранирование не является эффективным способом защиты от ЭП.

Нормы заземления экранов контрольных кабелей и принцип работы

Установленные нормы заземления экранов контрольных кабелей допускают заземлять проводник с одного или с двух концов. Причем одностороннее заземление может быть произведено со стороны источника напряжения или со стороны приемника (прибора-потребителя электроэнергии). И тот и другой способ монтажа заземления экранов контрольных кабелей имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим положительные и отрицательные моменты обоих способов в ситуации с возникновением токов короткого замыкания.

В случае с односторонним заземлением:

• Заземление контрольных экранированных кабелей с одной из сторон исключает возможность появления тока (в нормальном режиме работы) при возникновении разности потенциалов на концах экрана, т. к. он (ток) будет уходить в землю. Это, в свою очередь, предотвращает нагрев кабеля и его повреждение.
• Однако при таком способе монтажа заземления экранов контрольных кабелей в случае возникновения токов короткого замыкания разность потенциалов на концах экрана может достигать значений в несколько десятков/сотен/тысяч вольт (зависит от напряжения), что очень опасно не только для самого кабеля, но и всего оборудования, к которому он подключен. Т. е. подобное заземление контрольного кабеля ГОСТами и стандартами МЭК не предусматривается.

В случае с двухсторонним заземлением контрольного кабеля проблем с разностью потенциалов не наблюдаются. Но и здесь существует свой недостаток — такая система, по сути, является замкнутой. Это значит, что при возникновении короткого замыкания или, например, вследствие ударов молнии очень высока вероятность термического повреждения всего кабеля. Однако при грамотном построении системы с двухсторонним заземлением контрольных экранированных кабелей всего этого можно избежать.

Для защиты экрана могут применяться, т. н. замкнутые системы заземления с большим числом связей. Еще один эффективный способ — использование параллельных заземляющих проводников. В обоих случаях сверхвысокие токи буду равномерно распределены по всем заземляющим кабелям, что устранит возможность его нагрева и повреждения.

Большой выбор контрольных кабелей представлен на сайте компании «Кабель.РФ». Ознакомившись с описанием продукции, вы можете сделать выбор самостоятельно или обратиться к специалисту компании, который грамотно проконсультирует вас по вопросам цены и качества.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНОВ КОНТРОЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ: ЕСТЬ ЛИ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ?

Транскрипт

1 О ПЫТ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПАНИЙ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНОВ КОНТРОЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ: ЕСТЬ ЛИ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ? В.И. ГУРЕВИЧ (Центральная лаборатория Электрической компании Израиля) Не утихают споры относительно количества точек заземления экранов контрольных кабелей. Этими спорами заполнены многочисленные форумы специалистов, причем, на разных языках, страницы профессиональных журналов. Почему? Наверное, потому, что практический опыт эксплуатации оборудования намного богаче чисто теоретических рассуждений и на практике встречаются случаи, когда лучшие результаты получаются при одностороннем заземлении экранов, но встречаются и случаи, когда лучше работает двустороннее заземление экранов. О причинах этих противоречий и об одном новом методе заземления экранов рассказывается в данной статье. Ключевые слова: кондуктивные помехи, емкостные помехи, индуктивные помехи, электростатические помехи, микропроцессорные устройства релейной защиты ( МУРЗ), ЭМИ ЯВ. Экранирование является общепризнанной мерой повышения помехоустойчивости аппаратуры. В общем виде электромагнитный экран представляет собой металлическую перегородку (барьер) между источником электромагнитного излучения и защищаемой зоной, рис. 1. Как можно видеть из этого рисунка, часть 3 энергии 2, падающей на экран отражается обратно в пространство от наружной поверхности, другая часть 4 проникает во внутрь металла и отражается от пограничного слоя, образованного стенкой экрана и внешней средой, еще одна часть энергии 5 преобразуется в электрические токи внутри металла, а оставшаяся после всех этих превращений часть энергии 6 все-таки проникает в защищаемую зону в виде помехи. Заземление экранов контрольных кабелей считается эффективной мерой ослабления этих помех. Существуют две основные концепции заземления экранов контрольных кабелей: с одной стороны кабеля и с двух сторон кабеля, рис. 2. Рис. 2. Общепринятые варианты заземления экранов контрольных кабелей: с одной стороны кабеля, защищающий от емкостных наводок (С) и с двух сторон, защищающий от емкостных (С) и индуктивных (L) наводок Рис. 1. Принцип действия металлического экрана 1 металлическая перегородка (экран); 2 энергия электромагнитной волны, падающая на экран; 3 часть энергии, отраженной от поверхности экрана; 4 часть энергии, отраженная от пограничного слоя, образованного стенкой экрана и внешней средой; 5 часть энергии, преобразованной в ток в металле; 6 остаточная часть энергии, проникающая через экран в защищаемую зону 42 Автоматизация и IT в энергетике

2 Очевидно, что эти два варианта обладают различными особенностями и характеристиками по отношению к различным видам помех. Различают четыре основных типа помех: кондуктивные; емкостные; индуктивные; электростатические. Каждый из этих типов помех подразделяются на два вида: помехи типа провод-земля, напряжение которых приложено между каждым из проводников и землей, которые еще называются несимметричными, синфазными, общего вида; помехи типа провод-провод, напряжение которых приложено между отдельными электрическими цепями, или между элементами одной и той же электрической цепи, которые еще называются симметричными, противофазными, дифференциальными. Кондуктивные помехи распространяются при наличии непосредственного электрического контакта между электрическими цепями и поэтому экранирование контрольных кабелей никак не связано с этим видом помех в этих электрических цепях. Емкостные помехи распространяются через емкости между центральными жилами кабеля и землей, между экраном и землей, между экраном и центральными жилами. Заземление экрана кабеля в одной или двух точках шунтирует емкость между экраном и землей, но также приближает землю к центральной жиле, увеличивая емкость между ней и землей, что лишь облегчает проникновение емкостной помехи из земли на центральные жилы. Однако, кроме помех, распространяемых по цепям земли, имеются помехи от соседних кабелей, от проводов высокого напряжения, от мощных высоковольтных коммутационных аппаратов и других источников электромагнитных помех. Если эти помехи являются синфазными, то есть создающими потенциал относительно земли, то заземление экрана кабеля в одной точке позволяет полностью избавиться от такой помехи. Например, если в общем кабельном лотке проложен неэкранированный кабель, на жилах которого периодически возникают значительные импульсные напряжения относительно земли, то заземление экрана рядом расположенного контрольного кабеля в одной точке, позволяет эффективно защитить центральные жилы контрольного кабеля от импульсных помех со стороны неэкранированного кабеля. Но если упомянутые импульсные напряжения в неэкранированном кабеле вызывают протекание по нему импульсных токов (наиболее распространенный случай), создающих вокруг него импульсное магнитное поле (индуктивная помеха дифференциального типа), то совершенно очевидно, что заземление в одной точке экрана контрольного кабеля, расположенного рядом, не даст никакого эффекта и в центральных жилах контрольного кабеля будет наведена помеха. Заземление экрана в двух точках по концам кабеля позволяет создать замкнутый контур для наведенного в экране тока через систему заземления и таким образом существенно ослабить влияние индуктивной помехи на центральные жилы контрольного кабеля. Статические помехи, возникающие в результате накопления статического заряда на хорошо изолированных от земли частях аппаратуры с последующим пробоем на землю, не представляют угрозы для кабелей, поскольку через реально существующие сопротивления изоляции на землю такой заряд свободно стекает на землю и не накапливается. Из рассмотренных выше примеров видно, что заземление экранов контрольных кабелей в одной точке позволяет защитить центральные жилы лишь от емкостных помех синфазного (относительно земли) типа, тогда как заземление на концах кабеля позволяет защитить центральные жилы от всех типов помех. По-видимому, исходя из приведенных выше соображений, в большинстве случаев рекомендуется использовать именно такой метод заземления экранов контрольных кабелей. Но, если бы все было так просто! На самом деле, система заземления вовсе не идеальна. Если кабель достаточно длинный, а протекающий через систему заземления ток значительный, то между точками заземления экрана, расположенными на большом расстоянии друг от друга, возникает высокая разность потенциалов. По данным [1] эта разность потенциалов в реальных системах заземления при ударах молнии может достигать 10 кв и более. И это еще не самое страшное. При воздействии на всю систему заземления (как на огромную антенну) распределенного на большой площади электрического поля электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) с напряженностью поля у поверхности земли, доходящей до 50 кв/м, разность потенциалов в точках присоединения экранов длинных касентябрь (98) 43

3 белей может достигать многих десятков киловольт. Это напряжение, приложенное напрямую (то есть контактным способом) к экрану вызовет протекание через него импульса тока большой амплитуды, индуцирующего значительный ток в центральных жилах кабеля, подключенных непосредственно к электронным элементам оборудования. Так какой же, в таком случае, вариант заземления экранов контрольных кабелей предпочтительнее? Большинство официальных документов, таких как стандарты, руководящие указания, инструкции как гражданского, так и военного назначения [2-8] однозначно устанавливают способ заземления экранов с двух сторон кабеля. Несмотря на известность всех этих документов, среди специалистов во всех странах мира, занимающихся практической эксплуатацией электронного оборудования энергосистем (в частности, микропроцессорных устройств релейной защиты МУРЗ), не утихают споры относительно количества точек заземления экранов контрольных кабелей. Этими спорами заполнены многочисленные форумы специалистов, причем, на разных языках, страницы профессиональных журналов. Почему? Наверное, потому, что практический опыт эксплуатации оборудования намного богаче чисто теоретических рассуждений и на практике встречаются случаи, когда лучшие результаты получаются при одностороннем заземлении экранов, но встречаются и случаи, когда лучше работает двустороннее заземление экранов. В чем тут дело? Личные контакты автора с ведущими в мире специалистами в этой области, авторами фундаментальных монографий [9-11] не смогли в достаточной мере прояснить ситуацию. Поэтому автор попытался самостоятельно проанализировать ситуацию и найти ответ на поставленный в заголовке вопрос. Результатом подробного анализа многих десятков публикаций по этой теме, включая фундаментальные труды, в которых вопросы заземления экранов кабелей рассмотрены очень подробно и всесторонне (например, в [11] это отдельная глава 7 объемом 119 страниц), стал неутешительный вывод о том, что единого универсального ответа на поставленный в заголовке статьи вопрос нет и быть не может в принципе. Более того, не представляется возможным даже сформулировать какието четкие общие рекомендации по выбору того или иного способа заземления экранов, доступные и пригодные для практического применения персоналом энергосистем. Такая ситуация сложилась по той причине, что имеющиеся наставления, рекомендации, статьи, и даже стандарты, рекомендующие какой-то определенный тип заземления экрана контрольных кабелей, обосновывают выбор лишь на основе очень ограниченного количества факторов из обширной их совокупности, реально влияющих на помехоустойчивость электронной аппаратуры, условно принимая одни из них и пренебрегая другими. Отсюда и непрекращающиеся споры в среде энергетиков о предпочтениях того или иного способа заземления экранов и ссылки на личный опыт, часто противоположный опыту других участников обсуждения. О каких факторах идет речь? 1. Чувствительность различных видов электронной аппаратуры к помехам различных типов, частоты, длительности, амплитуды не одинакова, поэтому одна помеха может вызвать сбой в работе аппаратуры, а другая, даже намного более мощная, но имеющая другую частоту или длительность импульса, может не вызвать сбой той же аппаратуры. Из этого также следует, что одна и та же помеха, проникшая по различным жилам многожильного кабеля на входы различных электронных устройств, может вызвать сбой одних устройств и не затронуть другие. 2. Имеет место влияние импульсных токов, протекающих по экрану одного кабеля на токи, протекающие в центральной жиле этого кабеля, в экранах соседних кабелей, проложенных параллельно в общем кабельном лотке или влияние токов в центральных жилах неэкранированных кабелей на токи в экранах экранированных кабелей, если оба типа кабелей уложены в общем лотке. 3. Различные типы кабельных лотков: металлические или пластмассовые с металлическим напылением, открытые или закрытые по-разному ослабляют электромагнитные помехи. 4. Имеет место существенная зависимость таких параметров экрана, как его индуктивное сопротивление протекающему через него току, а также емкостное сопротивление между центральными жилами и экраном, между центральными жилами и землей, между экраном и землей от частоты помехи или длительности и крутизны переднего фронта импульсной помехи. 44 Автоматизация и IT в энергетике

Смотрите так же:  Заземление бака с водой

4 5. Различные типы экранов: одно-, двух-, трех-, четырехслойные (рис. 3), только из витых проволок, только из фольги, комбинированные: из витых проволок и фольги обладают различной экранирующей способностью на различных частотах, рис Имеется также взаимосвязь между толщиной экрана и частотой помехи, поскольку в зависимости от этой частоты электромагнитная волна помехи может проникать в экран на различную глубину (так называемый скин-слой), соизмеримую с толщиной экрана (0,1-0,2 мм), табл Экранирующая способность экрана зависит также от степени заполнения поверхности защищаемого провода экраном. Выпускаются экраны с заполнением от 60 % до 95 %. То есть, одна и та же помеха может совершенно по-разному влиять на аппаратуру в зависимости от конкретного типа применяемого кабеля. 8. Длина экранированного кабеля влияет на абсорбирующую способность экрана при воздействии на него волны электромагнитного поля, особенно соотношение длины этой волны и длины кабеля. То есть, помехи различной частоты (то есть электромагнитные волны различной длины) по-разному влияют на один и тот же кабель и наоборот, одна и та же помеха по-разному будет влиять на кабели различной длины. 9. Состояние, тип и параметры системы заземления очень сильно влияют на эффективность работы заземленных экранов кабелей. Выше уже было рассмотрено в качестве примера подключение экрана длинного кабеля, с двух сторон к реальной (а не теоретической) системе заземления. 10. Близость кабеля или даже отдельных его участков к источникам помех и его ориентация по отношению к этим источникам играет немаловажную роль в общей картине. Из рассмотрения этого даже ограниченного перечня факторов, влияющих на эффективность работы экранов контрольных кабелей, становится понятным, что для однозначного выбора того или иного варианта заземления экрана просто-напросто не хватает данных. И даже отсутствие одного из этих данных, например, параметров импульсных помех, воздействующих на конкретный кабель, делает невозможным принятие однозначного решения. Становится очевидным также, что даже общая теоретическая расчетная модель (если Рис. 3. Кабели с двойным (а), тройным (b) и четверным (c) комбинированным (оплетка-фольга) экранированием Рис. 4. Зависимость коэффициента экранирования от частоты для экранов в виде оплетки и фольги Таблица 1. Глубина проникновения электромагнитной волны в медь Частота, МГц а) b) c) Глубина проникновения, мм 0,001 2,09 0,01 0,66 0,1 0,21 1,0 0, , , ,0021 сентябрь (98) 45

5 Рис. 5. Предлагаемый вариант заземления экранов контрольных кабелей бы ее удалось построить) будет бесполезной на практике из-за отсутствия исходных данных для конкретных условий. Поэтому, по нашему мнению, вывод об эффективности того или иного метода заземления экранов контрольных кабелей может быть сделан лишь на основе опыта эксплуатации конкретных типов оборудования в конкретных условиях. Рассмотрим еще один аспект этой темы, а именно вопрос о том, что считать опасной помехой для электронного оборудования энергосистем. Например, является ли опасной помеха в виде единичного импульса длительностью несколько миллисекунд (молния) или несколько наносекунд (ЭМИ ЯВ) для такого распространенного вида электронного оборудования энергосистем, как микропроцессорное устройство релейной защиты (МУРЗ) с типовым быстродействием миллисекунд? Вряд ли, поскольку за столь короткое время действия помехи она не сможет кардинально повлиять на относительно длительный процесс обработки информации и выработки необходимой функции в МУРЗ. Но что, если эта помеха будет иметь амплитуду в десяток киловольт? Здесь уже речь идет не о сбое в программе обработки информации, а о безвозвратном повреждении внутренних электронных компонентов. Эти два вида наиболее мощных, но коротких помех, как это было показано выше, проникают в контрольный кабель чисто контактным путем из системы заземления на экран (при его двухстороннем заземлении), а дальше уже индуктивным способом с экрана на внутренние жилы. Из этих рассуждений следует, что сами по себе короткие импульсные помехи длительностью, соответствующие разряду молнии или ЭМИ ЯВ не страшны для электронной аппаратуры (по крайней мере для МУРЗ), если их амплитуда будет оставаться низкой. На основе этих рассуждений предлагается необычный метод заземления экрана контрольного кабеля, заключающийся в его заземлении с двух сторон, но с одной стороны через высокочастотный дроссель, рис. 5, обладающий определенным индуктивным сопротивлением. На первый взгляд, это предложение противоречит всем канонам, утверждающим, что даже незначительное увеличение индуктивного сопротивления цепи заземления экрана снижает эффективность экранирования на высоких частотах. Но ведь с этим никто и не спорит: действительно, при включении в цепь заземления дросселя эффективность экранирования на высоких частотах (то есть при очень коротких импульсах) от индуктивных наводок (не представляющих серьезную опасность) будет ниже. Но зато наиболее опасная мощная помеха, проникающая на экран контактным путем из системы заземления будет существенно подавлена. В качестве высокочастотного дросселя в этом варианте заземления могут быть использованы как устройства обычной конструкции, рис. 6, включаемые в рассечку провода, соединяющего экран с системой заземления, так и разборные ферритовые коль- Рис. 6. Высокочастотные дроссели традиционной конструкции 46 Автоматизация и IT в энергетике

6 Рис. 7. Ферритовые кольца в пластмассовых держателях с защелкой ца в пластмассовом держателе с защелкой, рис. 7, одеваемые на провод и не требующие его разрыва. Несмотря на свою простоту и дешевизну, эти ферритовые кольца, а, по-существу, фильтры, обладают хорошей способностью ослаблять высокочастотный ток, рис. 8. Однако, в случае использования ферритовых колец необходимо учитывать некоторые их специфические особенности, описанные в [12]. Для получения требуемой частотной характеристики можно на одном проводе закрепить несколько колец из ферритов различных марок. По эффективности защиты от маломощных помех предложенный метод заземления экранов контрольных кабелей занимает промежуточное положение между двумя базовыми вариантами и поэтому в некоторых конкретных случаях он может работать лучше одного из традиционных способов заземления, а в некоторых хуже. Однако во всех случаях использование заградительного высокочастотного дросселя позволит предотвратить проникновение в кабель наиболее мощных и опасных помех со стороны системы заземления, вызванных молнией и ЭМИ ЯВ. При наличии в экране постоянной низкочастотной наводки (обычно, это довольно мощная помеха частотой 50 Гц), вызывающей усиленный нагрев экрана, можно использовать известный метод ограничения низкочастотного тока в экране путем включения конденсатора в заземляющий проводник экрана, рис. 9, в дополнение к предложенному выше дросселю. Рис. 8. Типовые зависимости полного сопротивления (Z) ферритового фильтра от частоты для некоторых марок ферритов Рис. 9. Комбинированное заземление экрана контрольного кабеля с помощью емкости и индуктивности, образующих полосовой фильтр Такой комбинированный полосовой фильтр, содержащий последовательно включенные емкость и индуктивность, будет эффективно подавлять в экране как низкочастотные индуктивные наводки, так и очень короткие мощные импульсные помехи кондуктивного типа со стороны системы заземления. сентябрь (98) 47

Смотрите так же:  Пускозарядное устройство 12-24v 220 в схема

Способы заземления экранов кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена

В данной статье речь пойдет о способах заземления экранов кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, для уменьшения потерь в экранах кабеля и рассмотрены схемы быстродействующей защиты кабеля при заземлении экранов.

Так при обследовании линии 10 кВ длиной 4,1 км, обнаружено, что при подаче транзитного тока в одну из фаз от постороннего источника питания, экран которой заземлен с двух концов, то в этом случае ток в экране этой фазы равен току в жиле фазы. Отсюда возникло подозрение о больших потерях в экранах кабелей, которые заземлены с обоих концов. ПУЭ это подтверждает (с. 226, 227). Однако под рабочей нагрузкой 200 Ампер ток в экране при замере, составил всего 50 Ампер. Но и это создает значительные потери.

Более рациональным выглядит способ заземления экрана с одного конца кабеля, логично — со стороны питания. Таким образом достигаются два положительных эффекта: значительно уменьшаются потери в кабелях, и появляется возможность выполнить быструю и селективную защиту кабеля при к.з. между жилой и экраном, в результате чего есть возможность прокладывать кабель с минимальной площадью сечения экрана, что значительно уменьшает затраты.

Согласно ПУЭ, для защиты изоляции именно экрана в варианте заземления с одного конца кабеля, необходимо подключить три ОПН к экранам с другого конца. Если ОПН устанавливать только один на три фазы и при этом соединить между собой три экрана, то такой режим по потерях, идентичен варианту двустороннего заземления экранов, следовательно он не дает положительного эффекта (и не рассматривается в ПУЭ).

Проведенный в соответствии с ПУЭ расчет наведенного в экранах напряжения от внешнего трехфазного к.з. между фазами в кабельной линии длиной 4,1 км, не подтверждает необходимость применения защиты от перенапряжений (наведенное напряжение составляет около 1,5 кВ при трехфазном к.з. в конце линии). Однако, рекомендации ПУЭ не учитывают того, что напряжение на незаземленном конце экрана, будет значительно выше в момент к.з. между двумя фазами через экран одной из этих фаз. Поясню это на примере рис. 1.

Как мы видим, к суммарному сопротивлению фазы А кабеля и его экрана, прикладывается линейное напряжение. Сопротивление экрана больше от сопротивления жилы кабеля, поэтому и напряжение снижено из-за к.з. с 10,5 кВ до 7 кВ, напряжение (ориентировочное), что прикладывается к жиле и экрану в месте к.з. на экране может превысить и 4 кВ, что значительно больше от наведенного при трехфазном к.з., и больше от допустимого напряжения между экраном и землей.

Этот вывод вызывает подозрение, что при некоторых межфазных к.з., будут срабатывать ОПН защиты экранов. Берем во внимание, что напряжение испытания экранов кабелей относительно земли, составляет всего 5 кВ с частотой 0,1 Гц. Это по сути постоянное напряжение, полярность которого должно плавно меняться через 10 сек. Напряжение, которое прикладывается в момент к.з., имеет частоту 50 Гц. Из-за отсутствия информации о допустимом максимальном напряжении в экранах, предполагаем, что ОПН должен быть для кабелей сети 10 кВ с рабочим напряжением 3 кВ (минимальное напряжение для существующих ОПН).

На рис. 2 показан возможный вариант селективной быстродействующей защиты кабеля при заземлении экранов, только со стороны источника питания (пунктиром обозначено экраны кабелей).

При однофазном замыкании одной жилы кабеля с экраном, срабатывает сигнализация от кабельного трансформатора тока типа ТЗЛМ, охватывающий жили всех трех фаз.

При переходе однофазного к.з. в двухфазное, при внешнем втором к.з. через экран фазы с повреждением, протекает ток двухфазного к.з., который проходит через кабельный трансформатор к контуру заземления. Поэтому, без выдержки времени может сработать защита по такой схеме.

Однако при к.з. на двух фазах, именно кабельной линии, эта защита становится недееспособной, поскольку векторы токов экранов фаз, противоположны по направлению и равны по величине. Поэтому сумма векторов токов равна нулю и защита не сработает. Так что для достижения цели, заземление экранов, следует пропускать через два кабельных трансформаторы тока по схеме рис. 3. Этот вариант возникает из-за отсутствия альтернативы.

В этом варианте, вторичный ток к.з. между жилами и экранами фаз А и В в ТАА дают двойной эффект, а при к.з. фаз А и С, и фаз В и С защита также работоспособная от ТАС. Таким образом, мы получим полноценную токовую отсечку, которая соответствует требованиям к релейной защите, абсолютно селективную, и которая не имеет мертвой зоны.

Тогда и токовую отсечку со схемы межфазной защиты возможно демонтировать. Дополнительный эффект — можно уменьшить затраты на медь экрана. Экран при такой защите, может быть минимального сечения. Несмотря на то, что экран рассчитывается с учетом времени продолжительности к.з., который в свою очередь, зависит не только от уставок защиты, а и от возможного отказа выключателя в момент повреждения кабеля, то правомерно предлагаемую защиту нужно выполнять с отключением также дублирующих выключателей по схеме приведенной на рис.4.

Тогда продолжительность тока при к.з. на экране, не превысит 0,4 сек, что дает возможность уменьшить площадь сечения экрана кабеля.

Идеальная защита кабеля может быть выполнена по схеме рис.5, если каждый экран с конца от подачи напряжения, заземлить через трансформаторы тока, к которым присоединены токовые реле защиты. Предполагаем, что трансформаторы тока могут быть и низковольтными, за неимением места для установки и низкий уровень напряжения от к.з. в экранах при контуре заземления.

Удаленность кабеля или участка кабеля от источника питания облегчает условия для экранов кабеля в связи с уменьшением токов к.з. Лучшим вариантом защиты кабеля мог бы быть пока, только теоретический. Для реализации данного варианта нужно релейное устройство, которое может быть установлено вместо трансформаторов тока по схеме на рис. 5.

Устройство должно контролировать ток каждого экрана всех фаз и мгновенно действовать на отключение выключателя при появлении на экране тока, что превышает 100-200 Ампер (надежная отстройка от емкостного тока сети).

Предложенные схемы защиты соответствуют высокому уровню надежности, быстродействию и селективности. Следует учитывать еще и тот факт, что межфазный ток к.з. в конце кабеля из сшитого полиэтилена будет меньше тока к.з. за кабелем, ибо, тот что в кабеле, перетечет к месту заземления через экраны жил, что значительно увеличивает сопротивление тока. Это обстоятельство не дает возможности организовать селективно токовую (дистанционную) защиту.

ПУЭ предлагает более сложные и дорогие варианты устранения этой проблемы, не являющие ни совершенными, ни дешевле (п. 3.2.94):

  • дистанционная защита в простейшем исполнении;
  • поперечная или продольная дифференциальная защита и тому подобная.

Поперечная дифференциальная защита возможна при наличии двух параллельных линий, а продольная требует прокладки дополнительного контрольного кабеля и дополнительного комплекта трансформаторов тока.

Вышеуказанный вариант защиты, не подходит для кабелей, которые могут питаться поочередно с обоих концов. Но эти кабели несколько удалены от источников питания, поэтому последствия при их повреждении несколько легче.

Данный материал подается как стартовый материал для профессиональной критики.

Р.А. Данько — начальник СРЗА «Самарские распределительные сети»

Заземление экрана контрольных кабелей

ЭКРАНЫ КОНТРОЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ

В материале новосибирских специалистов изложен принципиально новый подход к оценке термической стойкости экранов и оболочек кабелей, проложенных на ору подстанций высокого напряжения и заземлённых с двух концов.
Согласно новой методике, для оценки термической стойкости необходимо знать лишь разность потенциалов по концам кабеля при коротких замыканиях на подстанции. значения токов, протекающих по экрану, знать необязательно.

Сергей Нестеров, к.т.н., доцент, Новосибирский ГТУ
Сергей Прохоренко, к.т.н., директор ЗАО «Сибэлектросетьсервис», г. Новосибирск

Для эффективного экранирования высокочастотных (ВЧ) помех экран кабеля должен быть заземлен на обоих концах. При этом возникает опасность протекания по нему значительных токов при несимметричных коротких замыканиях (КЗ) на территории станции или подстанции вследствие неэквипотенциальности заземляющего устройства. Протекающий по экрану ток вызывает его нагрев, который может превысить допустимый уровень. Для определения допустимого тока в экране кабеля в [1] приведена соответствующая формула, но она, к сожалению, не отображает всей физики процесса нагрева, по ней невозможно определить конечную температуру и задать начальную.
Согласно [2] расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ следует определять сложением времени действия основной релейной защиты и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость- сложением времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения соответствующего выключателя. Также при расчетной продолжительности КЗ до 1 с процесс нагрева провод-ников под действием тока КЗ допустимо считать адиабатическим, а при расчетной продолжительности более 1 с и при паузах АПВ такого же порядка следует учитывать теплоотдачу в окружающую среду.

ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА

Значения допустимой температуры нагрева для экрана в нормативной литературе и в справочных данных не приводятся, а даются только данные о температурах нагрева жил кабелей, которые, видимо, можно принять и для экранов тех же кабелей. Ввиду лучшего, чем у жил, теплового контакта экрана с соседними элементами, такое допущение будет давать определенный запас при расчете.
Согласно нормативной литературе [2, 3] и техническим данным заводов-изготовителей кабельной продукции, допустимая температура нагрева при КЗ для кабелей с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката составляет 150-160 O С, предельная температура жил при КЗ по условию невозгорания 400 OС. Существуют и более нагревостойкие кабели, например, для кабелей марок КВВГЭнг-FRLS допустимая температура жил при КЗ составляет 250 O С.
В контрольных кабелях марки КВВГЭ экран выполнен в виде обмотки из медной фольги, или медной ленты номинальной толщиной 0,06 мм, или алюминиевой фольги номинальной толщиной 0,1-0,15 мм с перекрытием, обеспечивающим сплошность экрана при допустимых радиусах изгиба кабелей. Допускается изготовление экрана из продольно накладываемых с перекрытием гофрированных алюминиевых лент. Вдоль экрана из алюминиевой фольги продольно проложена медная проволока диаметром 0,4-0,6 мм.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ

Поскольку экран обладает большим по площади контактом с окружающей его оболочкой, то целесообразно учитывать тепловую передачу от экрана в оболочку и в другие элементы кабеля. Согласно [4] коэффициент учета тепловых потерь в соседние элементы e для экранов кабелей определяется по формуле:

Смотрите так же:  Как правильно пользоваться мультиметром dt-838

Формула (4) позволяет учитывать изменяющееся удельное сопротивление материала при его нагревании. Для металлов удельное сопротивление с увеличением температуры растёт, соответственно при протекании по проводнику неизменяющегося тока и его нагреве количество выделяющейся энергии в единицу времени возрастает. Но в случае, если приложенное к проводнику напряжение неизменно, то при увеличении его сопротивления снижается протекающий по элементу ток и тепловыделение уменьшается.

МОДЕЛЬ РАСЧЕТА

Поэтому важным вопросом при тепловом расчете токопроводящего элемента является выбор подходящей модели. Если сопротивление рассчитываемого элемента пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением источника энергии, то мы имеем источник тока и с увеличением удельного сопротивления увеличивается энерговыделение.
Если сопротивление внешней цепи пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением рассматриваемого проводника, то мы имеем дело с источником напряжения. Тогда при увеличении сопротивления проводника тепловыделение будет снижаться. В промежуточном варианте при соизмеримых сопротивлениях рассматриваемого проводника и источника энергии задача усложняется необходимостью решения нелинейной системы уравнений электрических цепей и тепловых расчетов.
Для выбора адекватной модели теплового расчета заземленного с двух сторон экрана кабеля была сделана экспериментально-расчетная оценка диапазона значений интересующих нас параметров.
На рис. 2 показана расчетная зависимость сопротивления медного экрана толщиной 0,06 мм (а) и алюминиевого экрана толщиной 0,15 мм (б) при внешнем диаметре кабеля 10, 20 и 30 мм и при различной длине кабеля.
Данные расчеты произведены при условии, что экран представляет собой сплошной цилиндр. Фактически, так как экран выполнен в виде спирально уложенной ленты, при неидеальных контактах между витками ленты его сопротивление будет больше, чем приведенное на рис. 2. На рис. 3 приведены результаты измерений (проведенных на более чем полутора десятках подстанций) сопротивлений экрана

кабеля, сопротивления металлосвязи между точками, на которые заземляются концы этого экрана, и отношение этих величин. В качестве аргумента принята длина кабеля, внешний диаметр кабелей в основном составлял 10–15 мм.
Как видно, сопротивления металлосвязей качественного ЗУ станции или подстанции в пределах ОРУ находятся в диапазоне от сотых долей Ома до 0,1–0,2 Ома для больших расстояний. То есть сопротивление экрана кабеля на один-два порядка больше сопротивлений металлосвязей. Поэтому в случае расчета термической стойкости экрана кабеля источник энергии (неэквипотенциальность ЗУ) следует рассматривать как источник ЭДС с относительно малым внутренним сопротивлением. Это позволяет сделать два вывода: во-первых, при расчете неэквипотенциальности заземляющего устройства наличием заземленных с двух сторон экранов кабелей можно пренебречь, а во-вторых, при тепловом расчете экрана кабеля следует исходить из модели с неизменным приложенным напряжением. (Нужно отметить, что в некоторых случаях, например, для кабеля, выходящего за пределы энергообъекта, или с экраном, заземленным в точках с большим сопротивлением металлосвязи между ними, следует производить расчет с учетом сопротивления экрана кабеля.)
В связи с этим представляется целесообразным преобразовать уравнение теплового баланса (4) к удобному для рассматриваемого случая виду. Заменим в уравнении (4) ток на напряжение, тогда левая часть уравнения преобразуется, как:

Здесь также сделано допущение о том, что экран кабеля представляет собой цилиндр с определенным поперечным сечением в виде кольца. В случае отсутствия или плохого контакта между витками ленты сопротивление экрана будет больше, чем при нулевом сопротивлении этих контактов, что приведет к снижению тока через экран при неизменном напряжении и соответственно к меньшему нагреву. Сделанное допущение направлено в сторону увеличения надежности, т.е. расчет будет производиться с запасом. Следует отметить, что при условии неизменного тока для увеличения надежности необходимо делать допущение об отсутствии контакта между витками ленты, как указано в [4]. Уравнение теплового баланса будет выглядеть, как:

Характерной особенностью получившегося уравнения является отсутствие в нем величины сечения проводника (экрана), то есть при постоянстве приложенного напряжения адиабатический нагрев экрана не зависит от его сечения, пропорционален квадрату приложенного напряжения, обратно пропорционален квадрату его длины и зависит от свойств материала экрана.
После интегрирования данного уравнения и при условии постоянства приложенного напряжения получаем выражение:

На рис. 4 приведены результаты расчета нагрева медного экрана кабеля длиной 100 м при протекании по нему тока в течение 0,1 с и при условии неизменного напряжения или тока, начальная температура 20 O С. Также приведены результаты расчета при отсутствии изменения сопротивления материала при нагревании. Во всех случаях учитывался теплоотвод от экрана кабеля, определенный по (1).
Из рис. 4 видно, что при относительно малых температурах нагрева расхождение между результатами невелико, в области температуры 160 OС составляет уже около 70 O С, а в области 400 O С уже весьма значительное (по формуле (3) экран нагревается до 400 O С при приложенном напряжении 1,7 кВ, по формуле (10) – при напряжении 3,0 кВ).
На рис. 5 приведены полученные по выражению (10) зависимости нагрева (разности между конечной и начальной температурами) экрана кабеля при различных значениях отношения U/L и времени приложения напряжения t от 0,1 до 1 с.
Интересным результатом является то, что расчетные кривые для медного и алюминиевого экрана практически совпадают, что объясняется почти одинаковым температурным коэффициентом удельного сопротивления меди и алюминия и близким значением произведения величин e 2 · s c · r 20 этих материалов.
Для практического использования на основании формулы (10) получено эмпирическое выражение для расчета нагрева экрана кабеля:

где DQ – нагрев экрана кабеля (в O С);
U – приложенное неизменное напряжение, (В);
L – длина кабеля, (м);
t – время, (с).

Результат, полученный по выражению (11), учитывает и теплоотвод от экрана к изоляции кабеля, и увеличение удельного сопротивления материала экрана при его нагревании. При этом экран может быть выполнен как из меди, так и из алюминия, толщина экрана принята равной среднему типовому значению для кабелей марки КВВГЭ. Коэффициенты в выражении подобраны с целью минимизации погрешности расчета для температур нагрева от 10 до 1000 O С, в этом случае разница с выражением (10) находится в пределах от –10 до +20 %.
Для оценки термической стойкости экранов контрольных кабелей необходимо знать приложенное к заземленным концам экрана напряжение. Эти напряжения могут быть получены на действующих объектах путем моделирования ОКЗ на ОРУ с учетом всех составляющих тока КЗ — оттекающих в энергосистему и возвращающихся к заземленным нейтралям трансформаторов. При проектировании единственным способом оценки возникающих разностей потенциалов в процессе КЗ является расчет, производимый, как правило, с помощью специализированного программного обеспечения.
При расчетах возникающих разностей потенциалов по территории ЗУ при КЗ следует учитывать комплексный характер величин, определяющих протекающие процессы. Однако картина распределения потенциалов строится, как правило, относительно зоны нулевого потенциала и графически отображает только модули их значений. Если по такой диаграмме определить разность между потенциалами каких-либо двух точек на ЗУ как разницу модулей потенциалов, то при значительных фазовых сдвигах эта разница может существенно отличаться от фактической разности, рассчитанной с учетом фаз.
Для правильного определения напряжений между точками заземления экранов кабелей следует выводить картину распределения потенциалов, рассчитанных не относительно зоны нулевого потенциала, а относительно одной из точек заземления экрана. Если в качестве такой точки выбрать место размещения ОПУ, то наглядно можно оценить возникающие напряжения, которые будут приложены как к изоляции всех кабелей, заходящих на ОПУ, так и к заземленным в ОПУ и на ОРУ экранам контрольных кабелей.

ВЫВОДЫ

1. Расчет термической стойкости экранов контрольных кабелей, заземленных на ОРУ, следует производить при условии неизменности приложенного напряжения, а не протекающего по нему тока. В противном случае результаты расчета конечной температуры будут завышены. 2. Полученные зависимости показывают, что при неизменном напряжении, прикладываемом к проводнику, температура нагрева последнего не зависит от его сечения, а определяется длиной проводника, характеристиками материала и приложенным напряжением.
3. В связи с близким значением температурного коэффициента удельного сопротивления меди и алюминия и почти равным значением произведения величин e 2 · s c · r 20 расчетные кривые для определения температуры нагрева медных и алюминиевых экранов практически совпадают.
4. Получено простое эмпирическое выражение, позволяющее с допустимой для инженерных расчетов точностью определять температуру нагрева экранов кабелей с учетом теплоотвода в соседние с экраном элементы и при условии постоянства приложенного напряжения.
5. При расчете напряжений, прикладываемых к экранам кабелей при их двухстороннем заземлении, необходимо учитывать фазовые сдвиги между потенциалами отдельных точек ЗУ, возникающие за счет комплексного характера сопротивлений элементов заземляющего устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. СО 34.35.311.2004.
2. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.
3. Правила устройства электроустановок. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2006. — 854 с., ил.
4. ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева.

Похожие статьи:

  • Отличие провода пунп от ввг Чем отличается ВВГ от ПУНП? Чем отличается ВВГ от ПУНП? Вроде сечение одинаковое, изоляция двойная. Можно ли проводку делать ПУНПом, если она заштукатуривается? Сырьём для ПВХ, методикой испытаний. Этот кабель выпускается по ГОСТ, а […]
  • Как соединить провода интернета обжать Как обжать витую пару В сегодняшней статье я расскажу о том, как правильно обжать сетевой кабель “витая пара” и какие инструменты и аксессуары для этого понадобятся. Конечно, до сих пор встречаются умельцы, которые могут это сделать с […]
  • Заземление гру Заземление гру п. 2.2.19 ПБ 12-529-03: 2.2.19. Надземные газопроводы при пересечении высоковольтных линий электропередачи, должны иметь защитные устройства, предотвращающее падение на газопровод электропроводов в случае их обрыва. […]
  • Обрыв телефонного кабеля куда звонить Не работает стационарный телефон Ростелеком, что делать? Городской телефон, хоть давно и пережил себя, но все равно остается на дежурстве у многих абонентов. А вот проблемы, связанные с отсутствием связи или качеством работы городской […]
  • Можно ли подключить узо без заземления Подключение УЗО без заземления Специальные устройства защитного отключения (УЗО) рекомендуют устанавливать там, где существует высокая вероятность поражения током. Задачей устройства является оперативное отключение всего электрического […]
  • Заземление этажного щита Этажный щиток. Заземление. дом 9-ти этажный, 7-ми подъездный, 87 года выпуска (сделан из блок-комнат). 2 ввода. от ТП идет два кабеля 4-х жильного. щитки на этажах на 4-ре квартиры. к этажным щиткам идет 4 кабеля: 3 фазы, ноль. в этижном […]