CC BY
0
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ
Куделина Дарья Васильевна, к.т.н., доцент Бирюлин Владимир Иванович, к.т.н., доцент Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В статье рассмотрены вопросы, связанные с эксплуатацией силовых кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена, имеющих в своей конструкции экраны. Рассмотрены особенности работы таких кабелей в электрических сетях систем электроснабжения потребителей агропромышленного района. Представлены результаты исследования на созданной авторами компьютерной модели влияния характера нагрузки на значения токов в экранах кабелей.
Ключевые слова: кабель, экран, заземление, электрический ток, изоляция, сшитый полиэтилен, электрическая нагрузка.
Значительное количество кабельных линий, эксплуатирующихся в электрических сетях нашей страны, в том числе для питания объектов агропромышленного комплекса, выполнено с применением кабелей, имеющих бумажную изоляцию, пропитанную маслоканифольным составом. Конструкция данных кабелей разработана достаточно давно, поэтому в ней не применяются современные технологические решения. Длительный опыт эксплуатации таких кабелей выявил их существенные недостатки:
- ограничения при сооружении кабельной линии, прежде всего, из-за разницы уровней прохождения линии вследствие опасности стекания пропиточного состава и появления мест в кабелях с ослабленной изоляцией;
- довольно высокая повреждаемость проложенных линий;
- низкая технологичность процессов монтажа кабельных муфт различного назначения [1, 2].
В прежнее время из-за отсутствия возможности применения других типов кабелей, кроме кабелей с бумажной пропитанной изоляцией, существовала необходимость применения тех или иных мероприятий, чтобы хотя бы частично компенсировать указанные выше недостатки, и обеспечить необходимый уровень надёжности электроснабжения потребителей электрической энергии. Например, использование довольно большого количества резервных кабельных линий.
Применение этого и других мероприятий неизбежно приводило к созданию сложных схем электрических сетей с большой протяженностью кабельных линий и соответственно значительным расходом финансовых затрат на сооружение и эксплуатацию данных сетей. Стоит также отметить, что высокая повреждаемость кабелей с бумажной пропитанной изоляцией приводила не только к возникновению перерывов в электроснабжении (пусть и устраняемых путем переключений в электрических сетях), но и создавала необходимость в наличии на энергетических предприятиях до-
вольно большого количества специализированного персонала для проведения ремонтных работ на этих линиях [3].
Мировой опыт производства и эксплуатации кабелей, использующихся в электрических сетях среднего напряжения (имеющих значительную протяженность) показывает, что все более и более широкое распространение получают в последнее время совершенно новые кабельные изделия, имеющие совершенно новую конструкцию, выполненную на основе сшитого (или вулканизированного) полиэтилена с массовым внедрением в электрические сети как для новых линий, так и для замены устаревших к текущему времени кабелей, имеющих бумажную изоляцию с пропиткой маслоканифольным составом. По различным источникам, в том числе и [4], на сегодняшний день наиболее развитые зарубежные страны практически полностью (на 100%) предлагают на своих рынках электротехнической продукции кабели, имеющие изоляцию из сшитого полиэтилена.
Такое бурное развитие производства и использования кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена объясняется, прежде всего, их существенными преимуществами перед кабелями с бумажной изоляцией, к наиболее важным из которых относятся [2, 4-7]:
- значительно меньшее количество возникающих повреждений на проложенных кабельных линиях;
- заметно меньшая масса;
- неограниченная разность между уровнями разных мест прокладки кабельных трасс;
- обеспечение производства кабелей с намного большим сечением токо-ведущих жил, в настоящее время выпускаются кабели (в однофазном исполнении) с сечением до 1200 мм , что намного выше по сравнению с кабелями, имеющими бумажно-масляную изоляцию (до 240 мм );
- более высокая термическая стойкость к токам короткого замыкания (допустимая температура нагрева кабеля 250 °С), для сравнения у кабелей с бумажно-масляной изоляцией - 150 °С;
- более высокая длительно допустимая температура нагрева изоляции в нормальном режиме работы, составляющая 90 °С), для сравнения у кабелей с бумажно-масляной изоляцией - 65^70 °С, такое соотношение температур позволяет кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена иметь более высокую нагрузочную способность по сравнению с кабелями, имеющими бумажно-масляную изоляцию;
- более удобное проведение процессов ремонта и монтажа за счет применения современных технологий термоусадки и т.д.
Высокие технические характеристики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена обеспечиваются применением в них высококачественной изоляции, представляющей собой слой полиэтилена, наносимый на токо-ведущую жилу специальной технологической установкой (экструдером), с выполнением при этом процесса сшивки (или же вулканизации), осущест-
вляемой в среде, содержащей нейтральные газы, находящиеся под высоким давлением и повышенной температуре.
Такое выполнение изоляции обеспечивает получение достаточной степени сшивки исходного материала по всей толщине создаваемой изоляции токоведущей жилы и обеспечивает при этом отсутствие воздушных включений, что затрудняет в значительной мере возникновение частичных разрядов в изоляции. Поперечные связи между молекулами полиэтилена, возникающие в ходе процессов создания изоляции, в первую очередь, влияют на её характеристики - обеспечиваются высокие диэлектрические свойства, и больший, по сравнению с другими изоляционными материалами, используемыми для производства кабелей, диапазон температур в нормальном режиме и при протекании тока короткого замыкания, а также высокие механические свойства.
Для повышения надежности работы однофазных кабелей, имеющих изоляцию из сшитого полиэтилена, применяются проводящие экраны, располагающиеся поверх изоляции токоведущей жилы. Данные экраны обеспечивают однородность электрического поля в изоляции, возникающего при подаче напряжения на токоведущую жилу, между этой жилой и заземленным экраном. Такое конструктивное исполнение кабеля обеспечивает в итоге следующие особенности его работы [2]:
- создание одинаковой напряженности электрического поля в изоляции токоведущей жилы, независимо от тех или иных внешних условий (в том числе и близкого расположения проводящих предметов), что в итоге благоприятно сказывается на сроке службы изоляции кабеля [2, 9];
- благодаря наличию экрана значение напряженности электрического поля за границей экрана равняется нулю, что снижает электромагнитную нагрузку на окружающую среду [9].
При анализе работы одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена обязательно нужно учитывать процессы, приводящие к возникновению токов в экранах кабелей. Токи в экранах кабелей появляются при коротких замыканиях между токоведущей жилой и экраном и в нормальном режиме работы [2, 8, 9]. При нормальном режиме работы ток в экране создается емкостным и индуктивным способами.
В первом случае протекание тока в экране возникает при наличии напряжения на токоведущей жиле кабеля, и значение данного тока определяется величиной емкости между жилой кабеля и экраном. Емкостные токи протекают в каждом экране однофазного кабеля, входящего в состав трехфазной группы кабелей, и они представляют собой токи прямой последовательности.
Во втором случае ток в экране кабеля создается за счет существования взаимоиндукции между токоведущей жилой и экраном кабеля, который должен быть заземлен с двух концов с целью обеспечить безопасность персонала, так как при отсутствии такого заземления на конечных точках экрана кабеля появляется опасное напряжение [2, 11]. При изучении этого
явления следует учитывать, что наличие токов в экранах характерно для трехфазной группы одножильных кабелей. Значения индуктированных токов в экранах кабелей могут достигать величин, значительно больших, чем емкостные токи в экранах кабелей [12].
В различных источниках приводились результаты исследований значений индуктированных токов в экранах кабелей. Так, в [13] указывается, что величина индуктированного тока в экранах кабелей может достигать значительных величин. Но в этом и других источниках не приводятся данные о том, влияет ли характер нагрузки на величину тока, индуктируемого в экранах кабелей.
Авторы статьи провели исследование режимов работы простейшей системы электроснабжения, содержащей в своем составе трехфазные группы из одножильных кабелей с экранами, на компьютерной модели. Данная модель была разработана в программной среде РБСДО, предназначенной для моделирования электроэнергетических систем и энергетических объектов.
Моделируемая система электроснабжения представлена на рисунке 1.
с 220 кВ Т 20 кВ рп
г\ , КЛ1 . КЛ2 ,
-НИ) I» < I о—«Н
Рисунок 1 - Модель системы электроснабжения: С - энергосистема;
Т - силовой трансформатор; КЛ1, КЛ2 - кабельные линии, выполненные как трехфазные группы однофазных кабелей; РП - распределительный пункт; Н - нагрузка (потребители электроэнергии)
На рисунке 2 приведен фрагмент компьютерной модели - линия КЛ1.
На этой модели показана кабельная линия с заземленными экранами по обоим концам линии - присоединение этих кранов к заземляющим устройствам трансформаторной подстанции и распределительного пункта.
Измерение токов в экранах кабелей производилось в трех режимах работы с различными соотношениями активной и индуктивной составляющих нагрузки потребителей электроэнергии (полная мощность во всех трех режимах составляла 20 МВА). Полученные результаты представлены в табл.1.
Таблица 1 - Результаты модели
зования токов в экранах кабелей
Отношение Рнагр к ^нагр, МВт/МВАр Значения токов в экранах кабелей, А
20/0,4 34,9
14,2/14,2 27,8
0,4/20 23,1
Приведенные результаты показывают изменение значений тока в экранах кабелей при различных соотношениях между активной и реактивной (индуктивной) составляющей нагрузки. Поэтому при практически одинаковом значении тока, протекающего по токоведущим жилам, значение тока в экранах кабелей будет определяться соотношением активной нагрузки к реактивной.
Этот факт необходимо учитывать при планировании режимов работы электрических сетей (в том числе и выборе средств компенсации реактивной мощности). Неучет данного факта неизбежно приведет к различной величине потерь электроэнергии в экранах кабелей среднего напряжения.
Список литературы
1. Константинов, Г. Г., Арсентьев, О. В. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена // Вестник ИрГТУ. 2010. №6 (46). С. 219 - 224.
2. Дмитриев, М. В. Кабельные линии высокого напряжения. - Санкт-Петербург: П0ЛИТЕХ-ПРЕСС.2021. - 688 с.
3. Хакимулин, Б. Р., Багаутдинов, И. З. Опыт эксплуатации кабельных линий электропередач // Инновационная наука. 2016. №4-3 (16). С.195-197.
4. Булатова, В. М. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик современных высоковольных кабелей // Вестник Казанского технологического университета. 2012. №19. С. 45-48.
5. Дмитриев, М. В. Особенности применения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена // «Электроэнергия. Передача и распределение». 2015. №3 (30). С.62-67.
6. Короткевич, М. А., Подгайский, С. И., Голомуздов, А. В. Эффективность применения кабелей напряжением 6-110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Часть 1 // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2017. №5. С. 417-432.
7. Короткевич, М. А., Подгайский, С. И., Голомуздов, А. В. Эффективность применения кабелей напряжением 6-110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Часть 2 // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2017. №6. С. 505-522.
8. Бадалян, Н. П., Колесник, Г. П., Чащин, Е. А. Заземление экрана однофазных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2019. №30. C. 63-78.
9. Ковригин, Л. А. Продольные токи в экранах одножильных кабелей // КАБЕЛЬ-news. 2009. № 3. С. 56-58.
10. Дмитриев, М. В., Евдокунин, Г. А. Заземление однофазных экранов кабелей 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена // Кабель-news. 2008. № 3. С. 56-61.
11. Дмитриев, М. В. Экраны однофазных кабелей 6-500 кВ. Ошибки при выполнении схем заземления // Новости электротехники. 2013. № 6 (84). С. 50-53.
12. Дмитриев, М. В., Евдокунин, Г. А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ. Потери в экранах и эффективность транспозиции // Новости электротехники. 2009. № 1 (55). С. 2-5.
Biryulin V.I., Kudelina D.V.
Southwest State University
INVESTIGATION OF OPERATING MODES OF ELECTRIC NETWORKS IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
The article deals with the issues related to the operation of medium voltage power cables with XLPE insulation, which have screens in their design. The features of such cables operation in the power supply system's electrical networks are considered. The investigation results on the load nature influence computer model on the values of currents in the cable screens created by the authors are presented.
Key words: cable, screen, grounding, electric current, insulation, cross-linked polyethylene, electrical load.
