Михаил Дмитриев

Ошибки заземления экранов

В линиях переменного тока частотой 50 Гц, построенных с использованием одножильных кабелей, при заземлении экранов с двух сторон в экранах возникают наведенные (продольные) токи и связанные с ними потери мощности. Эти токи и потери становятся особенно опасными, когда кабели:
➡️ имеют повышенное сечение экрана (скажем, более 50-70 мм2);
➡️ расположены не сомкнутым треугольником, а в ряд, на расстоянии друг от друга.

Эти условия наиболее характерны для сетей напряжением 110-500 кВ и в меньшей степени для сетей напряжением 6-35 кВ. Поэтому именно в сетях 110-500 кВ, если мы видим линию с двусторонним заземлением экранов, то, скорее всего, это ошибка проектирования, и это дорого обойдется. Для решения проблемы наведенных токов известны два различных технических решения:
✅ одностороннее заземление экранов;
✅ транспозиция экранов.

На практике необходимы периодические переключения в схемах соединения и заземления экранов. Например, это требуется при испытаниях наружной оболочки кабелей, путем приложения между экраном и землей постоянного напряжения 10 кВ. Для таких испытаний кабельная линия отключается от сети, а экраны кабелей на концах должны быть разезмлены и отсоединены друг от друга.

К сожалению, бывают случаи, когда после испытаний, персонал забывают привести соединение/заземление экранов в надлежащее состояние, предусмотренное проектом. Давайте рассмотрим последствия эксплуатации такой линии.

1️⃣ Рассмотрим линию без транспозиции экранов, если она включена в работу, но экран полностью разземлен. Переменное напряжение частоты 50 Гц на экране определяется через емкости:
✔️ между жилой и экраном (изоляция, insulation, Cins);
✔️ между экраном и землей (наружная оболочка, outer sheath, Cosh).

В зависимости от условий прокладки (в земле или в воздухе) емкость Cosh может быть разной, а напряжение на экране (Us) может составлять от 10 до 50% от напряжения жилы (Uc). Этого напряжения на экране (Us) достаточно, чтобы повредить оболочку кабеля, как показано на фотографии.

2️⃣ Рассмотрим линию с транспозицией экранов, если она включена в работу, но экран полностью разземлен. Переменное напряжение частоты 50 Гц на экране определяется через емкости. Однако из-за транспозиции экранов каждый экран (1,2,3) подключается сразу к трем разным жилам (A, B, C), и это компенсирует емкостные токи, проходящие на экран, а значит напряжение на экране отсутствует (Us=0).

Итак, получилась интересная ситуация: была допущена серьезная ошибка, связанная с включением линии в работу вообще без заземления экранов (по ошибке), но мы получили хороший результат:
✅ Is=0: отсутствие наведенных токов (это всегда характерно при транспозиции экранов, тут ничего нового);
✅ Us=0: отсутствие напряжения на экране (хотя обычно при транспозиции экранов имеется напряжение Us>0, наведенное на экраны за счет магнитного поля токов, проходящих в жилах кабеля).

Получается ли, что транспозиция экранов без заземления экранов по концам (Is=0, Us=0) оказалось даже лучше, чем транспозиция экранов с заземлением экранов по концам (Is=0, Us>0). Или тут есть какой-то подвох?

Действительно, здесь кроектся подвох. Если на одной из трех жил А,B,C пропадет напряжение (например, произойдет короткое замыкание в сети), то компенсация трех емкостных токов будет нарушена, и на экране сразу же появится напряжение (Us), достигающее 0,1-0,5 от напряжения на жиле (Uc), что наверняка приведет к пробою оболочки кабеля, аналогично тому, как это уже было в случае 1️⃣.

Перед включением линии под напряжения всегда убедитесь в том, что схема соединения/заземления экранов полностью соответствует проектной. Не допускается включать линию, если ее экраны вообще не заземлены.

АПВ при КЗ на кабельном участке трассы

Если на линии происходит короткое замыкание (КЗ), линия отключается выключателями (В1 и В2) по команде, полученной от релейной защиты. Однако дальнейшие действия зависят от типа линии:
1️⃣ воздушная линия (ВЛ);
2️⃣ кабельная линия (КЛ);
3️⃣ смешанная линия, имеющая как воздушную, так и кабельную секции.

1️⃣ ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ
На воздушных линиях до 60-90% коротких замыканий связаны с кратковременным перекрытием воздушных промежутков (например, по поверхности гирлянды изоляторов). После отключения линии такие повреждения способны к самоустранению. Таким образом, после отключения линии, выждав несколько секунд, на линию можно безопасно подавать сетевое напряжение, и в 60-90% случаев линия вернется к нормальному режиму работы. Этот процесс называется “автоматическое повторное включение” (АПВ).

В случае «успешного» АПВ происходят следующие события:
✔️ 1 – короткое замыкание;
✔️ 2,3 – отключение выключателей (В) на концах линии;
✔️ 4 – “проверка” линии напряжением с одной из сторон;
✔️ 5 – замыкание линии со второго конца «в транзит».

На воздушных линиях только в 10-30% случаев неисправность не поддается самоустранению. Это может быть в случае падения провода на землю, падения дерева на линию и т.д. В таких случаях АПВ линии будет «неуспешным», и последствовательность событий будет следующей:
✔️ 1 – короткое замыкание;
✔️ 2,3 – отключение выключателей (B) на концах линии;
✔️ 4 – “проверка” линии напряжением, которая покажет, что КЗ на линии не устранилось;
✔️ 5 – окончательное отключение линии.

Видно, что при неуспешном АПВ через линию дважды проходил ток КЗ, что крайне нежелательно.

2️⃣ КАБЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ
Если на кабеле произошло короткое замыкание, то это “дырка” в прочной изоляции, и она практически никогда не будет способна к самоустранению. Таким образом, АПВ для кабеля с повреждением изоляции гарантированно будет неусешным. Важно, что АПВ не только бесполезно, но даже опасно, так как оно вызовет повторное прохождение тока короткого замыкания, что приведет к:
❌ перегреву изоляции кабелей по всей линии (обычно экран кабеля выбирается на однократное прохождение тока КЗ, но не многократного за малый промежуток времени, недостаточный для остывания кабелей);
❌ повреждению соседних кабелей, примыкающих к первоначально поврежденному;
❌ истощению ресурса автоматических выключателей;
❌ деформации обмоток силовых трансформаторов, имеющихся в концевых распредустройствах (РУ).

3️⃣ СМЕШАННАЯ ЛИНИЯ
Предположим, линия имеет воздушные и кабельные участки (иногда количество кабельных участков на воздушной линии может достигать 2-3 и более). Если на этой смешанной линии произойдет короткое замыкание, линия будет отключена, но возможно ли выполнить автоматическое повторное включение (АПВ)?
⭐ если КЗ возникло на участке ВЛ, то АПВ возможно и безопасно;
⭐ если КЗ возникло на участке КЛ, то АПВ бесполезно и даже опасно.

Существуют различные варианты того, как организовать АПВ на смешанных линиях, и некоторые соображения приведены в книге «Кабельные линии высокого напряжения» (Дмитриев М.В., 2021, 688 стр.).

Иногда на смешанных линиях принимается решение иметь АПВ, не пытаясь перед запуском АПВ определить, а на каком участке произошло КЗ — на воздушном или на кабельном. В таких случаях важно правильно выбрать:
✅ оптимальное сечение экрана кабеля (рассчитать его на однократное или многократное протекание тока КЗ);
✅ минимальное безопасное время, по истечении которого линию можно опробывать напряжением  (интервал времени между моментами 3 и 4) — чтобы не получилось так, что при КЗ на кабельном участке линии по экрану кабеля дважды прошел ток КЗ, а время между этими токами было недостаточно для остывания экрана.

Транспортировка барабанов с кабелем

Давайте поговорим о том, как расположить барабан с кабелем и, самое главное, почему это можно сделать тем или иным способом. Наиболее привычные варианты — это когда барабан с кабелем расположен вертикально, как показано на фотографиях 1️⃣, 2️⃣, 3️⃣. Такое положение позволяет иметь ось вращения барабана параллельно поверхности земли, и это удобно для обеспечения свободного вращения барабана, что важно:
✅ При изготовлении кабеля, поскольку готовый кабель наматывается на барабан;
✅ При укладке кабеля, поскольку кабель разматывается с барабана.

Вопросы намотки (производства кабеля) и разматывания (прокладки кабеля) понятны, и удобнее всего иметь барабан с горизонтальной осью вращения. Однако как насчет хранения и транспортировки кабеля? При хранении и транспортировке кабеля, в отличие от производства или прокладки, нам не нужно, чтобы барабан вращался, и, более того, было бы лучше исключить любое возможное перекатывание барабана. Поэтому возникает вопрос – можно ли хранить и транспортировать кабельный барабан на боку? И если можно, то для каких типов кабелей и при каких условиях?

Хранение кабельных барабанов на боку, например, позволило бы устанавливать кабельные барабаны один на другой, что помогло бы сэкономить место на складе. Транспортировка «лежа на боку» облегчила бы прохождение некоторых типов барабанов под мостами и проводами воздушных линий. Итак, вопрос в том, возможно ли хранить и транспортировать барабаны на боку?

Один из случаев показан на фото 4️⃣, где барабан с кабелем транспортировался к труднодоступному месту прокладки лежа на боку, на гусеничном тягаче — это было допустимо или могло повредить кабель?

Опыт эксплуатации подводных кабелей 5️⃣ показывает, что “барабан” с кабелем может находиться «на боку», причем длительное время, и при этом не возникает проблем от того, что десятки верхних витков давят своим весом на нижние витки (погонный вес современного подводного кабеля может достигать 50-100 кг/м). Однако случай 5️⃣ касается силовых кабелей, оснащенных броней, причем очень прочной броней. Означает ли это, что если на барабане не простой кабель, а кабель с броней, то его можно безопасно разместить так, как показано на 4️⃣ или 5️⃣ картинках?

Скорее всего, ответ на вопрос «можно ли положить барабан с кабелем на бок» зависит от следующих факторов:
✅ наличие брони, ее тип и механические свойства;
✅ материал барабана (деревянный барабан с закрепленным на нем толстым кабелем может не выдержать изменения положения, в то время как металлический, вероятно, выдержит).;
✅ форма боковой стенки барабана (если боковая стенка, контактирующая с кабелем, недостаточно гладкая, то укладка такого барабана с кабелем на бок может быть опасной для оболочки кабеля).;
✅ вес кабеля на барабане (сила, с которой верхние витки будут давить на нижние);
✅ время хранения/транспортировки в горизонтальном положении (условно: в течение суток можно, в течение года опасно).

Полагаю, что условия, при которых было бы возможно хранение и транспортировка барабанов с кабелем на боку, следует рассмотреть при разработке новых редакций отраслевых нормативных документов.