Испытания оболочки кабельных линий 6–500 кВ, защищённых ОПН

Схемы соединения и заземления экранов с защитными ОПН. 

В настоящее время проектирование и строительство кабельных сетей 6—500 кВ ведётся с применением однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такие кабели имеют медную или алюминиевую жилу, слой изоляции, медныйэкран, требующий заземления, оболочку, препятствующую проникновению воды. Поскольку простое двустороннее заземление экранов (рис. 1а) приводит к появлению в них наведённых токов промышленной частоты и вызванных ими потерь активной мощности [1, 2], то на практике применяют альтернативные схемы одностороннее заземление экранов (рис. 1б) или их транспозицию (рис. 1в)

Для защиты оболочки кабеля от импульсных перенапряжений, наводимых с жилы кабеля, в местах разземления экранов или их транспозиции устанавливаются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Они размещаются в концевых коробках КК-ОПН или коробках транспозиции КТ-ОПН, связь которых с концевыми муфтами (МК) и транспозиционными муфтами (МТ) выполняется при помощи провода, соединенного с полиэтиленовой изоляцией (ППС). Провод ППС имеет медную жилу, покрытую слоем изоляции, электрическая прочность которой близка к прочности оболочки силового кабеля и имеет такую же стойкость к воздействию повышенных температур.

Сечение жилы провода ППС принимается равным сечению медного экрана силового кабеля на том основании, что эти токоведущие части включены последовательно [3]

Рис. 1. Основные схемы соединения и заземления экранов кабели имеют медную или алюмини-однофазных силовых кабелей 6—500 кВ

Как показано на рис. 1, провод ППС может использоваться не только для присоединения к экранам кабеля коробок с ОПН, но и для вывода экранов из концевых муфт и их заземления по концам кабеля.

ИСПЫТАНИЯ ОБОЛОЧКИ КАБЕЛЯ С ОТКЛЮЧЁННЫМИ ОПН

Электрическая прочность оболочки однофазного кабеля 6—500 кВ существенно зависит от наличия/ отсутствия её повреждений. Однако, как правило, прочность оболочки не хуже, чем у типового обору­дования, применяемого в электрических сетях но­минальным напряжением 6 (10) кВ. По этой причине для защиты оболочки от импульсных перенапряже­ний в концевых коробках и коробках транспозиции наиболее часто применяются стандартные ОПН класса напряжения 6 кВ [3].

От целостности оболочки однофазного кабеля зависит надёжность его работы, поскольку основ­ным назначением оболочки является исключение попадания влаги в главную изоляцию из сшитого по­лиэтилена. Из-за этого сразу после монтажа кабе­ля и далее с некоторой периодичностью в процессе эксплуатации оболочку каждого кабеля проверяют, для чего разземляют экран и прикладывают между ним и землёй постоянное испытательное напряже­ние UИ=10 кВ на время, равное 1 минуте [4].

При приложении испытательного постоянного на­пряжения 10 кВ под его воздействием оказывается не только непосредственно оболочка кабеля, но и все ОПН, подключённые между экраном и землёй в концевых коробках или в коробках транспозиции. Под действием испытательного напряжения 10 кВ любые ОПН, применяемые в настоящее время для защиты оболочки, будут пропускать через себя с экрана кабеля в землю постоянный ток IОПН в не­сколько мА и даже более, который испытательная установка будет ошибочно классифицировать уже как повреждение оболочки кабеля.

Следовательно, перед проведением испытаний оболочки кабельных линий требуется отключение всех ОПН, установленных в концевых кабельных коробках или коробках транспозиции. После прове­дения испытаний оболочки такие ОПН должны быть возвращены на свои места.

На рис. 2 в качестве примера показана схема ис­пытаний оболочки кабельной линии, имеющей одно­стороннее заземление экранов. При приложении к оболочке испытательного напряжения UИ в ОПН, установленном в концевой коробке КК-ОПН, будет протекать ток проводимости IОПН. Следовательно, испытательное оборудование будет фиксировать снижение сопротивления оболочки (рис. 2а), т.е. в результате таких испытаний будет принято ошибоч­ное решение искать место повреждения оболочки 

Рис. 2. Испытания оболочки кабельной линии постоянным напряжением 10 кВ. а — с присоединёнными ОПН; б — с отключёнными ОПН.

и выполнять её ремонт, хотя на самом деле оболочка цела. Для исключения подобных ошибок на время испытаний надо отключать ОПН (рис. 2б).

Процедура отсоединения/присоединения ОПН требует открытия/закрытия кабельных коробок, что нежелательно. Прежде всего это касается не конце­вых коробок, а коробок транспозиции, которые уста­новлены по трассе линии в колодцах транспозиции, расположенных под землей. Такие колодцы нередко оказываются заполненными грунтовой, дождевой, талой водой, и поэтому к герметичности коробок транспозиции предъявляются самые высокие тре­бования. Периодическое вскрытие коробок транспо­зиции с целью манипуляций ОПН (переход от схемы рис. 3а к схеме рис. 3б и обратно), безусловно, на­рушит герметичность коробок. Также следует учиты­вать, что значительное время занимают:

предварительная откачка воды из колодца, необ­ходимая для того, чтобы начать работы по вскры­тию коробки транспозиции и извлечению из неё ОПН;

отвинчивание/завинчивание от 15 до 30 болтов, расположенных по периметру крышки коробки транспозиции;

повторение перечисленных операций для каждо­го из колодцев транспозиции, которых по трассе кабеля может быть (3N-1), где N — число полных циклов транспозиции экранов (N=1 для рис. 1в). Очевидно, что описанные периодические испы­

тания оболочки кабельных линий постоянным на­пряжением 10 кВ, требующие предварительного от­соединения ОПН, являются излишне трудоёмкими, снижающими надёжность и герметичность схем за­земления экранов.

Рис. 3. Коробка транспозиции экранов однофазных кабелей

а — с подключёнными ОПН; б — с ОПН, отключёнными в результате вскрытия коробки; в — с ОПН, отключёнными разъединителем без вскрытия коробки; г — со специальными ОПН, имеющими малый ток проводимости.

ИСПЫТАНИЯ ОТКЛЮЧЁННЫХ ОПН

Помимо проверки целостности оболочки кабеля целесообразна периодическая проверка исправно­сти самих ОПН. Испытания ОПН класса напряжения 6 кВ могут быть проведены следующим образом:

измерение сопротивления ОПН мегаомметром на постоянном напряжении 2,5 кВ (при этом сопро­тивление должно быть не менее 3000 МОм);

измерение тока проводимости ОПН при приложе­нии к нему переменного напряжения промышлен­ной частоты 50 Гц, равного по величине наиболь­шему рабочему напряжению ОПН (при этом ток должен соответствовать значению, указанному в паспорте ОПН; как правило, ток не должен пре­восходить 0,5 мА). Подобные испытания ОПН проводятся на отклю­чённых от кабельных коробок ОПН, то есть как раз в то время, когда выполняются испытания оболочки кабельной линии постоянным напряжением 10 кВ.

ИСПЫТАНИЯ ОБОЛОЧКИ БЕЗ ВСКРЫТИЯ КОРОБОК

В настоящее время по названным причинам пол­ная проверка состояния оболочки кабеля и средств её защиты от перенапряжений оказывается доста­точно трудоёмкой: во-первых, испытывается сама оболочка, а во-вторых, отдельно испытываются от­ключённые ОПН.

Неудобства заключаются в следующем:

• подготовка испытаний занимает большое время из-за манипуляций с коробками;
• нарушается заводская герметичность кабельных коробок с ОПН;

требуются установки отдельно для испытаний оболочки, а отдельно — для ОПН. Очевидно, что основные сложности возникают именно с расположенными по трассе кабеля короб­ками транспозиции. Если говорить о надёжности обо­лочки и ОПН, то оболочка кабеля требует более ча­стой проверки по сравнению с ОПН. Во-первых, оболочка непосредственно соприкаса­ется с грунтом, подвержена механическим воздействи­ям, тогда как ОПН установ­лены в кабельной коробке, имеющей металлический корпус. Во-вторых, послед­ствия повреждения оболоч­ки для кабельной линии чре­ваты проникновением воды в главную изоляцию, т.е. куда как более серьёзны в сравнении с повреждением ОПН. Поэтому есть предпо­сылки к тому, чтобы миними­зировать проверки ОПН или даже вовсе от них отка­заться. В таком случае в узлах транспозиции экранов можно было бы применять коробки транспозиции, в которых предусмотрена возможность отключе­ния/подключения ОПН при помощи разъединителя (рис. 3в), управление состоянием которого вынесено на наружную боковую поверхность коробки.

При удачном расположении коробки транспози­ции КК-ОПН-Р в верхней части колодца манипуля­ция разъединителем может выполняться без откачки воды из колодца — просто стоя на коленях на краю колодца и протянув руку. Возможность выполнять работы, не спускаясь в колодец, позволит снять во­просы безопасности обслуживания двухцепных ка­бельных линий, у которых в одном и том же колодце транспозиции расположены коробки сразу от первой и второй цепей (рис. 4).

Так в настоящее время персонал выполняет ра­боты с коробкой транспозиции одной из цепей, тогда как рядом в колодце находится коробка транспози­ции другой цепи, находящейся под напряжением. Если вдруг коробка работающей цепи имеет вну­тренние повреждения, то на её корпусе может быть потенциал, который при неверном выполнении за­земляющего устройства колодца может представ­лять опасность для спустившегося в колодец чело­века, обслуживающего отключённую цепь. Чтобы во время работ в колодцах транспозиции не подвергать персонал риску, в некоторых регионах России на время работ отключается не только интересующая цепь кабельной линии, но и параллельные ей линии, что снижает надёжность сети.

Отсутствие необходимости спускаться в колодец транспозиции, откачивать воду, вскрывать короб­ки, достигаемое за счёт добавления в конструкцию коробки разъединителя, ускорит проведение пери­одических испытаний оболочки, сделает такие ис­пытания безопасными, позволит не отключать па­раллельные цепи, повысит надёжность сети.

СОВМЕСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБОЛОЧКИ И ОПН

Применение кабель­ных коробок, оснащён­ных разъединителем, существенно упрощает испытания оболочки ка­бельных линий, однако в случае необходимости проверки ОПН вскры­тия коробок избежать не удастся. Поэтому реше­ние рис. 4б хотя и явля­ется серьёзным шагом в сторону совершенство­вания систем испытаний и диагностики кабельных линий, но в то же время не является идеальным.

Рис. 4. Колодец транспозиции двухцепной кабельной линии

а — для испытаний оболочки требуется откачка воды, вскрытие коробок, отсоединение ОПН; 

б — достаточно открыть люк и повернуть рукоятку разъединителя испытуемой цепи.

Кардинальным прорывом могло бы стать совме­щение испытаний оболочки кабельной линии и ОПН, установленных для её защиты. Это было бы возмож­но только в результате применения в концевых ко­робках и коробках транспозиции специальных ОПН, для которых ток проводимости при воздействии по­стоянного испытательного напряжения 10 кВ был бы достаточно мал и не воспринимался как поврежде­ние оболочки кабеля. Переход на применение таких специализированных защитных ОПН-С позволил бы вообще не производить каких-либо манипуляций с кабельными коробками (рис. 3г).

Лишь в тех редких случаях, когда при приложении постоянного напряжения 10 кВ испытательное обору­дование зафиксировало появление тока, протекаю­щего с экрана на землю, потребуется вскрытие коро­бок и отсоединение ОПН с целью выяснения причин появления тока — он связан с повреждением оболоч­ки кабеля или же он связан с повреждением ОПН?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В настоящее время в кабельных сетях с но­минальным напряжением 6—500 кВ типовыми стали схемы одностороннего заземления экранов или их транспозиции. При этом в местах разземления экра­нов или их транспозиции для защиты оболочки кабе­ля от импульсных перенапряжений устанавливаются ОПН, размещаемые в концевых кабельных коробках и коробках транспозиции.

2. Наличие в экранах защитных ОПН заметно усложняет периодические испытания оболочки ка­бельных линий постоянным напряжением 10 кВ, по­скольку на время таких испытаний требуется отклю­чение от экранов ОПН.

3. Особенно обременительно отключение ОПН в коробках транспозиции, так как оно требует откачки воды из колодцев транспозиции, откручивания боль­

шого числа болтов, закрывающих крышку коробки транспозиции, рано или поздно приводит к нарушению герметичности узла транспозиции, сбоям в его работе.

4. Для ускорения испытаний оболочки кабеля в схемах заземления экранов кабелей рекомендуется применение кабельных коробок, у которых имеется возможность отключения/подключения ОПН за счёт манипуляций ручкой разъединителя, расположенной снаружи коробки на её боковой стенке.

5. Лучшим решением проблемы испытаний оболочки кабеля мог бы стать переход на приме­нение в кабельных коробках специальных ОПН со сниженным током проводимости. Переход на приме­нение коробок с такими ОПН позволит, во-первых, не отключать ОПН на время испытаний, а во-вторых, единовременно в процессе приложения постоянного напряжения 10 кВ проверять как целостность обо­лочки кабеля, так и исправность самих ОПН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6—500 кВ. —СПб.: Изд-во По­литехн. ун-та, 2010. — 152 с.

2. СТО 56947007-29.060.20.103-2011 «Силовые ка­бели. Методика расчета устройств заземления экранов, защиты от перенапряжений изоляции силовых кабелей на напряжение 110—500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена» (Москва, ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).

3. Дмитриев М.В. Выбор и реализация схем зазем­ления экранов однофазных кабелей 6—500 кВ // «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределе­ние», № 6 (21), 2013, с. 90—97.

4. СТО 56947007-29.060.20.072-2011 «Силовые ка­бельные линии напряжением 110—500 кВ. Орга­низация эксплуатации и технического обслужива­ния. Нормы и требования» (Москва, ОАО «ФСК ЕЭС», 2011).