Курсовая работа: Расчет конструкции силового кабеля на напряжение
Применение в кабелях высокого напряжения (ВН) СПЭ-изоляции (ее также называют пластмассовой, соответственно кабели с такой изоляцией – КПИ) дает определенные преимущества по сравнению с маслонаполненными кабелями среднего и высокого давления. К основным преимуществам кабелей нового поколения следует прежде всего отнести более высокие значения пропускной способности, легкость монтажа, сниженные эксплуатационные затраты и отсутствие жидких компонентов. Однако относительно высокая стоимость КПИ ВН требует как на стадии выбора конструкции кабеля и проектирования кабельных линий (КЛ), так и на стадии их эксплуатации системного подхода, при котором необходимо по возможности учесть все факторы, влияющие на экономичность, эксплуатационную надежность, а в ряде случаев и экологичность КЛ.
Экономичность и эксплуатационная надежность
Основная задача проектировщика и эксплуатирующей организации заключается в нахождении золотой середины, когда спроектированная КЛ ВН будет иметь требуемую надежность эксплуатации, а также фактическую наработку не меньше регламентированного срока службы кабеля при минимальных стоимостных показателях КЛ, обусловленных себестоимостью и эксплуатационными издержками.
В процессе эксплуатации изоляционная конструкция КПИ ВН подвергается воздействию теплового поля (в нормальном режиме и в режимах перегрузки), а также электрического поля промышленной частоты и высокочастотных перенапряжений. Уровень и форма последних зависят от схем применения КПИ, которые условно можно разделить на следующие группы:
· использование КПИ 110–220 кВ в качестве кабельной вставки между ВЛ и КРУЭ (ОРУ) с длиной КЛ от 0,5 до 3,0 км с последующим электроснабжением потребителей посредством РКС СН;
· применение КПИ 220–500 кВ длиной в единицы километров для глубокого ввода мощности в города-мегаполисы с последующим электроснабжением потребителей через РКС ВН и СН;
· применение КПИ 220–500 кВ длиной 1–2 км для вывода мощности на ГЭС со стороны нижнего бьефа на КРУЭ 220–500 кВ, расположенного на верхнем бьефе станции;
· при пересечении ВЛ 500 кВ коридора, в котором проходят несколько цепей ВЛ 110–220 кВ, вместо применения высоких переходных опор в месте пересечения используется кабельная вставка длиной 0,3 – 0,5 км;
· применение в городских РКС ВН кабельных линий 110–220 кВ длиной 5–15 км, осуществляющих связь между генерирующими источниками (ТЭС, ТЭЦ) и КРУЭ.
Грозоупорность
Технико-экономическая координация изоляции КПИ ВН, связанная с приведением изоляции к норме, должна осуществляться с учетом современных концепций оценки грозоупорности объектов электроэнергетики. В частности, для правильного выбора защитных характеристик ОПН необходимо принимать во внимание:
· расстояние от места грозового поражения ВЛ до кабельной вставки;
· схему применения КПИ;
· случайный характер ориентировки канала лидера разряда молнии в системе «грозотрос – провода ВЛ – земля»;
· реальную форму волны тока молнии;
· динамические свойства вольтамперной характеристики ОПН при воздействии крутых волн.
Следует отметить, что для повышения эксплуатационной надежности и срока службы КПИ ВН наряду с ограничением грозовых перенапряжений желательно уменьшить частость их воздействия и снизить крутизну импульсных волн напряжения. Для достижения этих целей на стадии проектирования могут быть предусмотрены по отдельности или в сочетании мероприятия (оптимальные для конкретного проекта):
· в зависимости от схемы применения установка ОПН по концам (или с одной стороны) кабельной вставки;
· применение на двухцепных ВЛ 110–220 кВ дифференциальной линейной изоляции;
на подходе к кабельной вставке:
· включение в рассечку провода ВЧ-заградителя (иногда с параллельным подключением ОПН);
· применение продольных защитных устройств с высокоомной оболочкой из ферромагнитного материала;
· выполнение на нескольких ближайших опорах сниженного сопротивления заземляющего устройства;
· замена провода типа АС на провод типа СА (провод повышенной механической устойчивости, который применяется для ВЛ в горных условиях, внутри провода алюминиевый сердечник, сверху – стальные проволоки);
· применение подвесных разрядников (ОПН).
Тепловой режим
Экономичность, эксплуатационная надежность и фактический срок службы КПИ ВН зависят в том числе и от теплового режима эксплуатации кабелей, который определяется способом прокладки кабелей, условиями теплоотвода, схемой заземления экранов, наличием или отсутствием транспозиции экранов, количеством рядом расположенных цепей, наличием внешних источников тепла и локальных специфических мест с худшими условиями теплоотвода и т.д. Из перечисленного перечня факторов остановимся на двух, которые в настоящее время не совсем отработаны в нормативном и методическом планах: выбор конструкции кабеля (по токовой нагрузке) и применение специальных схем соединения экранов. На первой стадии выбора конструкции кабеля (сечения токопроводящей жилы) расчет теплового режима эксплуатации КЛ по токовой нагрузке осуществляется приближенно, с использованием так называемых поправочных коэффициентов, учитывающих специфику грунта, прокладки и т.д. После выбора конструкции кабеля должен осуществляться уточненный расчет теплового режима КЛ на основе методики МЭК 60287 (при необходимости численных расчетов методом конечных элементов). Как правило, уточненный расчет теплового поля с учетом всех нюансов в качестве технической поддержки осуществляют сервисные технические службы предприятий-изготовителей кабелей либо квалифицированные специалисты. Однако на практике встречаются случаи, когда выбор конструкции кабеля и условий его прокладки ограничивается стадией инженерных прикидок, что не совсем правильно.
Для повышения пропускной способности КПИ ВН применяют специальные схемы заземления и соединения экранов, которые позволяют убрать дополнительный источник тепла в изоляционной кабельной конструкции за счет устранения протекания продольных токов по экранам кабеля. К реализации этой идеи необходимо подходить осторожно, с позиции разумной достаточности, поскольку целесообразность выбора схемы заземления экранов по концам КЛ, одностороннего заземления (многоразрывного одностороннего заземления) или транспозиции экранов зависит от многих взаимосвязанных факторов: передаваемой мощности, сечения токопроводящей жилы, способа прокладки, условий теплоотвода, наличия принудительной вентиляции, длины КЛ и других.
На практике также встречались случаи, когда на относительно коротких участках КЛ (длиной до 1,5–2 км) и при относительно небольшой передаваемой мощности проектировалась не просто схема одностороннего заземления экрана (что требовало минимальных финансовых вложений), а выбиралась схема транспозиции экранов. Помимо увеличенных стоимостных показателей КЛ, дополнительно появлялась проблема защиты оболочек в местах их специального соединения от импульсных воздействий. Поэтому выбор той или иной схемы соединения экранов должен производиться совместно с тепловым расчетом КЛ на основе технико-экономического обоснования, поскольку может оказаться экономически выгоднее несколько увеличить сечение токопроводящей жилы (или перейти с алюминиевой на медную) по сравнению со случаем применения транспозиции экранов, где необходимо предусматривать по трассе КЛ обслуживаемые колодцы для узлов транспозиции, разделительные (транспозиционные) муфты, защитные аппараты для оболочек и т.д. Наряду с вышеотмеченными моментами на надежность эксплуатации и срок службы КПИ ВН также влияют условия их эксплуатации: например, фактические (которые могут не соответствовать проектным) условия теплового воздействия на КЛ в нормальном режиме и режимах перегрузки, а также периодичность, форма и уровни напряжений при профилактических испытаниях.