ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОТЕРИ В ЭКРАНЕ ОДНОЖИЛЬНОГО ПОДЗЕМНОГО СИЛОВОГО КАБЕЛЯ С ДВУМЯ ТОЧКАМИ СОЕДИНЕНИЯ

Хабдуллина Зауреш Кинаятовна

канд. техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетика и теплоэнергетика», Рудненский Индустриальный Институт, г. Рудный

Чернова Арина Александровна

магистрант, Омский государственный технический университет, г. Омск

 Жангельдин Данияр Талгатович

магистрант, Омский государственный технический университет, г. Омск

Акылбек Бахыт Жомартулы

магистрант, Омский государственный технический университет, г. Омск

Шкуренок Виолетта Андреевна

магистрант, Омский государственный технический университет, г. Омск

Байгелов Булат Шамильевич

магистрант, Омский государственный технический университет, г. Омск

E-mail: arisha-1990@mail.ru

В одножильном кабеле металлический слой покрыт с внешней стороны слоем изоляции, чтобы предотвратить попадание влаги. Он защищает жилу от возможных механических повреждений, служит электростатическим экраном (электростатическое поле заключено между проводником и экраном) и выступает в качестве возвратного пути для тока короткого замыкания и емкостных нагрузочных токов.

При протекании переменного тока в изолированной жиле кабеля, переменное магнитное поле генерируется вокруг него. Если кабель имеет металлический экран, то он будет находиться в поле. Экран одножильного кабеля выступает в качестве вторичного трансформатора: ток в жиле индуцирует напряжение в экране. Когда экраны одножильных кабелей связаны друг с другом, индуцированное напряжение вызывает ток в замкнутой цепи. Это причина текущих потерь в экранах [1, с. 59]. Сухая зона может быть сформирована вокруг подземного кабеля и приводит к термическим повреждениям изоляции кабеля [2]. Была проделана большая работа с целью минимизации потерь путем введения различных методов соединения и других решений. В связи с важностью потерь в экране в одножильном подземном силовом кабеле с двумя точками соединения были исследованы факторы, влияющие на них.

Потери в экране зависят от тока и могут быть разделены на вихревые потери в экране из-за разности потенциалов между внешней и внутренней стороной металлического экрана и циркуляционные потери, когда оба конца экрана заземлены [1, с. 56].

Исследование проводится с помощью одножильного кабеля выполненного из многожильного медного провода с 800 мм² с изоляцией из сшитого полиэтилена и покрытого свинцовым экраном, F=50 Гц, 66 кВ, параметры которого приведены в таблице 1. Расчеты потерь в экране на циркулирующие и вихревые токи были проведены согласно ГОСТ Р МЭК 60287-1-3-2009 [3].

Таблица 1.

Параметры одножильного кабеля 800 мм² со свинцовым экраном

Данные кабеля в таблице 1 приведены при условии:

·      Температура земли 20°C;

·      Глубина закладки 1,0 м;

·      Тепловое сопротивление земли 1,0 К·м/Вт;

·      Температура экрана (приблизительно) равна 70°C;

·      Текущий ток для медных проводников 995 А.

1.         Формирование кабельных макетов

Треугольное расположение и плоское расположение, как правило, используются на практике, поэтому они используются в настоящей статье. В таблице 2 приведены значения токов экрана и потери с учетом фактора расположения кабелей в треугольник и плоское расположение, где:

λ_ЦЭ — циркулирующие токи экрана, коэффициент потерь проводника, %;

I_ЦЭ  — циркулирующий ток в экране, А;

λ_ВЭ — потери в экране на вихревые токи, процент потерь проводника, %;

I_ВЭ  — вихревые токи в экране, А.

Таблица 2.

Токи в свинцовом экране и потери в них

Из таблицы 2 видно, что в треугольнике вихревые потери равны во всех фазах экрана кабеля, в то время как при плоском расположении кабелей вихревые потери во внешних экранах кабелей равны и, как правило, меньше, чем значение потерь в экране среднего кабеля, но надо отметить, что общие вихревые потери в цепи в треугольнике равны потерям в кабелях расположенных в линию.

Для треугольника циркулирующие потери равны, в то время как при расположении в линию циркулирующие потери неравной величины, наименьшее значение в экране среднего кабеля, значения в экранах внешних кабелей имеют разную величину. Таким образом, экран кабеля отстающей фазы имеет более высокое значение. В общем, при расположении треугольником будут более низкие суммарные потери в экране, чем при расположении в линию.

2.         Сопротивление жилы кабеля

Из металлов медь и алюминий обычно используются для производства кабелей, так что эффект сопротивления проводника при расчете потерь в экране проверяется по расчету для алюминиевого и медного кабеля с теми же размерами. В таблице 3 приведены значения токов экрана, и их факторы потерь для соприкасающегося треугольника и соприкасающейся прямой для двух одножильных кабелей, один из них состоит из многожильного медного провода и другой выполнен из многожильного провода из алюминия.

Таблица 3.

Токи в экране и факторы потерь в одножильных кабелях из медных и алюминиевых проводов

Из таблицы 3 видно, что в обоих экранах потери на циркулирующие токи и потери на вихревые токи уменьшаются по мере увеличения удельного сопротивления проводника, т. е. факторы потерь в экране (λ_ВЭ и λ_ЦЭ) являются обратно пропорциональной величиной сопротивлению проводника, поэтому, когда упоминается о преимуществе меди в качестве проводника с меньшими потерями, в сравнении с алюминиевым кабелем того же размера, нужно помнить, что это свойство меди является недостатком для потерь в экране. Циркулирующие потери в экране могут достигать значений более чем в два раза, превышающие потери в жиле в зависимости от расстояния между фазами. Вихревые потери в экране обратно пропорциональны расстоянию между фазами, поэтому можно сделать вывод, что для больших кабелей влияния расстояния на общие потери в экране гораздо меньше, чем для циркулирующих потерь в экране в отдельности. Вихревые потери в экране уменьшаются быстрее при меньшем интервале, когда как при большом расстоянии они уменьшаются очень медленно. Вихревыми потерями в экране можно пренебречь при большом расстоянии.

3.         Чередование фаз

Приведенные выше расчеты выполняются при прямом расположении фаз АВС. Для изучения эффекта чередования фаз на циркулирующие потери в экране с двумя точками соединения, проводятся расчеты с использованием В-А-С и В-С-А конфигураций. Результаты представлены в таблице 4. В этой таблице циркулирующие потери в экране каждой фазы одножильного кабеля рассчитываются в соответствии трем различным чередованиям фаз кабеля.

Из полученных результатов в таблице 4 видно, что центральный кабель имеет самые низкие циркулирующие потери экрана в связи с магнитным аннулированием. Циркулирующие потери внешнего кабеля зависят от чередования фаз и его расположения.

Таблица 4.

Коэффициент циркулирующих потерь в экранах кабелей с различным чередованием фаз с расположением в линию

4.  Ток в жиле

Для изучения влияния проводника тока на потери в экране, потери в экране рассчитаны при двух разных значениях тока в жиле (полный ток и 1/2). Результаты представлены в таблице 5.

Из таблицы 5 видно что, токи в экране (вихревые и циркулирующие) удваиваются с удваиванием тока жилы. Коэффициенты потерь в экране (вихревые и циркулирующие) не изменились, поскольку отношение тока в экране и тока в проводнике фиксированы.

Таблица 5.

Ток в экране и их коэффициенты потерь для одножильных кабелей с полным номинальным током и с половинным значением тока

5.         Бронирование кабеля

В целях защиты кабелей от механических повреждений используется бронирование [4]. Бронированные одножильные кабеля обычно использующиеся в системах переменного тока и имеют немагнитные брони. Это происходит из-за очень высоких потерь, которые имели бы место в близко расположенных одножильных кабелей с магнитным бронированием. Для расчета потерь в экране и броне для одножильных кабелей с немагнитной броней, но с помощью параллельного соединения сопротивлений экрана и брони вместо отдельного сопротивления экрана и значения квадратного корня из диаметра экрана и брони ставиться средний диаметр экрана, т. е.

где: R_экв — эквивалентное сопротивление параллельно соединенных экрана и брони (Вт/м);

R_б — сопротивление брони на единицу длины кабеля при максимальной рабочей температуре (Вт/м);

d  — средний диаметр экрана и брони (мм);

d_э — средний диаметр экрана (мм);

d_б — средний диаметр брони (мм);

I_э  — ток в экране (А);

I_б — ток в броне (А);

I_бэ — сумма токов в броне и экране (А).

Таким образом, использование брони, по крайней мере, эквивалентно снижению сопротивления экрана, если R_экв ниже критического значения сопротивления экрана, то использование брони может привести к уменьшению или увеличению суммарных циркулирующих потерь брони и экрана, а если R_экв выше критического значения сопротивления экрана, то использование брони приведет к увеличению суммарных циркулирующих потерь брони и экрана, в то время, как для суммарных вихревых потерь брони и экрана, а также вихревого тока брони и экрана приведет к увеличению значений, потому что они обратно пропорциональны сопротивлению экрана.

Если сопротивление брони равно сопротивлению экрана, I_Вб одинаковый в экране и броне, то ток в броне будет равен току в оболочке, а если сопротивление брони ниже, чем сопротивление экрана, ток в броне будет выше, чем ток в экране, и наоборот. Параметры кабеля, использованного в этих расчетах, приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Бронированный одножильный кабель. Медь со свинцовым покрытием и алюминиевой проволокой в параметрах бронирования

В таблице 7 приведены значения токов экрана и соответствующих потерь для бронированных одножильных кабелей расположенных в треугольник и в линию,

где: I_ЦЭ-А, I_ЦЭ-В, I_ЦЭ-С — циркулирующий ток в экранах фаз А, В и С соответственно;

λ_ЦЭ-А, λ_ЦЭ-В, λ_ЦЭ-С — циркуляционный коэффициент потерь в экранах фаз А, В и С соответственно;

I_ВЭ-А, I_ВЭ-В, I_ВЭ-С — вихревые токи в экранах фаз А, В и С соответственно;

λ_ВЭ-А, λ_ВЭ-В, λ_ВЭ-С — коэффициент вихревых потерь в экранах фаз А, В и С соответственно;

I_Цб-А, I_Цб-В, I_Цб-С — циркулирующий ток в броне фаз А, В и С соответственно;

I_Вб-А, I_Вб-В, I_Вб-С — вихревые токи в броне фаз А, В и С соответственно;

λ_Вб-А, λ_Вб-В, λ_Вб-С — коэффициент вихревых потерь в броне фаз А, В и С соответственно;

λ_Цб-В, λ_Цб-В, λ_Цб-С — циркулирующий ток в броне фаз А, В и С соответственно.

Из полученных результатов с использованием бронированного одножильного кабеля вместо небронированного одножильного кабеля, которые приведены в таблице 7, можно отметить, что в сочетании экран-броня циркулирующие потери (λ_ЦЭ+λ_Цб) и вихревые потери (λ_ВЭ+λ_Вб) увеличились за счет того, что R_экв сопротивление стало выше критического значения сопротивления экрана. Циркулирующие и вихревые потери в экране меньше, чем циркулирующие и вихревые потери в броне, потому что сопротивление брони (R_б=0,39 Ом/км) ниже, чем сопротивление экрана (R_э=0,5 Ом/км). Отношение тока в экране к току в броне одножильного кабеля зависит в основном от (R_экв/R_э) отношения.

Таблица 7.

Токи экрана и брони и их коэффициенты потерь
для немагнитных бронированных одножильных кабелей

Следует обратить внимание на потери в экранах одножильных кабелей с двумя точками соединения, так как их значения могут превышать значения потерь в жилах. Вихревыми потерями в экранах можно пренебречь относительно циркулирующих потерь в экране при большом сопротивлении экрана и большом расстоянии между жилами. Вихревые потери в экране обратно пропорциональны таким величинам, как сопротивление экрана, сопротивление жилы кабеля и расстояние между кабелями, в то время как эти величины пропорциональны току жилы. Циркулирующие потери в экране пропорциональны расстоянию между кабелями и току жилы, и могут уменьшаться при значительном увеличение сопротивления экрана или большом снижении в сопротивления в экране, но при этом приводить к большим значениям циркулирующего тока. Чередования фаз оказывает большое влияние на циркулирующие потери в экранах кабелей с расположением в линию. При расположении кабелей в треугольник потери в экранах имеют симметричные значения.

Список литературы:

1.Дмитриев М.В. Потери в экранах однофазных силовых кабелей 6—500 кВ и эффективность транспозиции экранов // Новости Электротехники. — 2009. — № 1(55). — С. 56—65.

2.Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 592 с.

3.МЭК 60287-1-1-2006. Кабели электрические. Расчет номинального тока. Часть 1—3. Уравнения номинальных токовых нагрузок (при 100 %-ном коэффициенте нагрузок) и расчет потерь. Общие положения.

4.Правила устройства электроустановок. Передача электроэнергии. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. — 160 с.