Аналіз пошкоджень кабелю з ізоляцією зі зшитого поліетилену в мережі 35 кВ металургійного заводу
M.B. Ільїних, Л.І. Сарін, А.І. Ширковець ТОВ «ПНП Болід», м. Новосибірськ
Викладено результати комплексних досліджень роботи лінії 35 кВ живлення ДСП-80 великого металургійного заводу, виконаної з використанням однофазних кабелів із ізоляцією зі зшитого поліетилену. Виконано аналіз пошкоджень кабелів, визначено основні причини пошкоджень, розроблено заходи щодо запобігання подібним пошкодженням надалі з метою підвищення надійності електропостачання ДСП-80 загалом.
У 2008 р. при спільній роботі фахівців цеху електропостачання електротехнічної лабораторії металургійного заводу та ТОВ «ПНП Болід» у рамках договору було виконано роботу «Дослідження та розробка заходів щодо підвищення надійності електропостачання печі ДСП-80».
Після введення в експлуатацію кабельної лінії, що живить піч, практично відразу стали відбуватися пробої кабельних муфт та самих кабелів. Крім того, неодноразово відбувалися аварійні пошкодження конденсаторів фільтрів на СТК-35 кВ. Це призводило до незапланованого простою ДСП-80, недовипуску продукції та значних економічних втрат. Гостро постало питання підвищення надійності електропостачання печі ДСП-80, а особливо експлутаційної надійності силових кабелів з ізоляцією зі зшитого поліетилену в мережі 35 кВ ПС «Електросталь» та конденсаторів батарей фільтрів СТК.
Для вирішення зазначених завдань необхідно було розібратися в причинах, що спричиняють пошкодження обладнання, та розробити комплекс заходів щодо підвищення надійності його роботи.
2. РЕЗУЛЬТАТИ КОМПЛЕСНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ РОБОТИ КАБЕЛЬНОЇ ЛІНІЇ З ІЗОЛЯЦІЄЮ ІЗ ЗШИТОГО ПОЛІЕТИЛЕНУ 35 кВ
Лінія 35 кВ живлення ДСП-80 від ПС «Електросталь» виконана з використанням семи однофазних кабелів з ізоляцією зі зшитогополіетилену (СПЕ) типу АПвВнг2г 1x630/35-35 кВ (один однофазний кабель – резервний). Кабельна лінія була виконана з двох ділянок (1 ділянка - від осередку до реактора, розташованого на ВРУ, 2 ділянка - від реактора до ДСП-80), без транспозиції, із заземленням екранів кабелів з двох сторін. Таке конструктивне виконання лінії з одножильних кабелів з ізоляцією із СПЕ та заземленням екранів кабелів з двох сторін призводить до появи в екранах кабелю в нормальному симетричному режимі значних
струмів. Поява таких струмів призводить до порушення теплового режиму кабелю, пошкодження оболонки кабелю та основної ізоляції жили кабелю.
Проведений аналіз різних видів обстежень лінії приєднання ДСП-80 дозволяє виділити ряд основних причин, що призвели до виникнення дефектів та пошкоджень лінії.
1. Грубі помилки монтажу кабельної лінії фідера ДСП-80:
- невідповідність фактичного укладання КЛ проекту.
Відповідно до проекту на кожну фазу протягнуто дві нитки кабелю АПвВнг-1(1x630), по три кабелі укладено в «трикутник». Огляд траси показав, що фактично укладання КЛ не можна вважати відповідним проектом: на деяких ділянках усі шість кабелів проходять поруч в одному кабельному лотку, у тому числі на ділянках «підйому-спуску». Тут кабелі часто лягають на ребро полиці, що призводить до пошкодження зовнішніх оболонок;
- неправильне опресування струмопровідних жил кабелю.
Наконечники фірми ABB, які були встановлені на жилах кожної фази кабелю, потребують спеціальної техніки для опресування, довжина опресованої ділянки повинна становити 90 мм. Фактично при монтажі кабелю були опресовані ділянки довжиною 40-45 мм (тобто в 2 рази менше, ніж потрібно), а замість 6-гранного опресування зроблено 2-гранну. Проблема була усунена післяпереходу на опресувальники фірми REYCHEM, монтаж яких досить простий, тому надійний;
- Порушення допустимого радіуса вигину кабелю.
При виході КЛ на естакаду і по трасі кут вигину досягав іноді практично 90 градусів при недотриманні мінімального радіусу вигину, у зв'язку з чим механічне навантаження було зайвим, що викликало місцеве перегрів ізоляції.
Проблема була вирішена шляхом перекладання кабелів таким чином, щоб кут вигину відповідав мінімальному радіусу вигину згідно з вимогами організації-виробника (близько 900 мм). Але, на жаль, через порушення вимог щодо мінімальних радіусів вигину в ізоляції кабелів вже утворилися дефекти.
Чи була перевірена «геометрія» прокладання кабелів трасою з обладнанням місць «підйому-спуску» спеціальними жолобами та встановленням прокладок з еластичного матеріалу під скоби та хомути, невідомо.
2. Порушення теплового режиму кабельної лінії через протікання надструмів в екранах кабелів 35 кВ фідера ДСП-80.
Внаслідок змінного навантаження досліджуваної кабельної лінії АПвВнг-35-6(1х630/35), обумовленої режимами роботи пічної установки, робочий струм фази і відповідно струм жили кожної нитки кабельної лінії може значно змінюватися — від одиниць до сотень ампер. Тому струми в екранах кабелю також змінюються, проте становлять значну частку від струму жили – близько 60% за умови двостороннього заземлення екрану. Відповідно, при малому перерізі екрана це призводить до його значного перегріву з прискореним старінням ізоляції кабелю.
Проблема надструмів в екранах кабелів лінії ДСП-80 була вирішена шляхом одностороннього розземлення їх екранів з боку ПС «Електросталь». В результаті сталося зниження струмів в екранах кабелів із 180-270 А (386 Арозрахунково при максимальному навантаженні пічного трансформатора) до 8-10 А (2-3 А розрахунково за тих самих умов). Слід зазначити, що встановлення ΟΠΗ з боку розземлених кінців екранів захисту ізоляції в мережах 6-35 кВ не потрібно [1].
Однак при односторонньому розземленні екрану виникає проблема появи напруги на його незаземленому кінці. Розрахунки показали, що воно становить 135 В нормальному режимі (струм навантаження по кожній нитці кабелю 660 А) і 3,92 кВ в режимі трифазного к.з. (Струм к.з. 19,2 кА). Ця напруга суттєво перевищує допустиме за можливості дотику до екрану кабелю персоналу — 24 В. Тому при односторонньому розземленні екранів кабелів АПвВнг-35-6(1х630/35) у мережі 35 кВ необхідно забезпечити неприпустимість дотику людини до екрану кабелю. В іншому випадку екран кожної нитки кабелю 35 кВ слід заземлити з двох сторін і вирішувати проблему надструмів в однофазних кабелях екранів іншим способом.
3. Вплив на ізоляцію кабелів АПвВнг-35-6(1x630/35) високочастотних перенапруг при комутаціях елегазового вимикача лінії 35 кВ типу HD4/Z ABB та вимикача пічного трансформатора типу ISF2 40,5 kV/2500 A Schneider Electr.
Встановлені в осередках ЗРУ-35 кВ ПС «Електросталь» ΟΠΗ MWK-36 згідно з експериментами не забезпечують належного рівня обмеження комутаційних перенапруг, які фактично перевищують 4£/ф (80,8 кВ). Перенапруження, що впливають на лінію 35 кВ при комутаціях вимикача пічного трансформатора, як показали експериментальні дослідження, невеликі (або зовсім відсутні), проте при частих комутаціях пічного трансформатора їх вплив на ізоляцію ВПЕ також вкрай несприятливий. Зазначимо, що кількість комутацій вимикача пічного РУ 35 кВ, що працює на фідер ДСП,становило до 400 разів на добу (в середньому кожні 3,5 хв) та було знижено з метою полегшення умов роботи ізоляції КЛ-35 кВ.
Для визначення залишкового ресурсу було проведено діагностичне обстеження кабелю методами неруйнівного контролю з визначенням рівня часткових розрядів та локалізацією розташування проблемних місць за допомогою спеціалізованої апаратури OWTSn CDS.
Результати діагностичного обстеження кабельної лінії 35 кВ фідера ДСП-80 показали наявність місць з підвищеним рівнем ЧР у різних місцях кабелів, зафіксовано ознаки зниження ресурсу ізоляції двох робочих кабелів АПвВнг-35-1(1x630/35) із шести, що знаходяться в експлуатації (без урахування резервного кабелю). В області ризику за рівнем часткових розрядів в ізоляції опинилися дві кінцеві муфти - на резервній нитці кабелю з боку ДСП-80 і на одній із ниток фази "С" з боку ПС "Електросталь". Нижче наведено зведену таблицю з даними обстеження (табл. 1).
Зазначені дефекти були зафіксовані після 1,5 років експлуатації кабелю АПвВнг-35-6(1х630/35) та здійснених заходів щодо часткового усунення помилок монтажу, зміни режиму заземлення екранів та кількох ремонтів із встановленням муфт по трасі кабелю. Після проведення ремонтів рекомендовано повторну діагностику з метою перевірки якості монтажу.
3. ЗАХОДИ З ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ДСП-80
У результаті мережі 35 кВ ПС «Электросталь» було узагальнено результати різних діагностичних обстежень кабелів лінії 35 кВ ДСП-80. Виявлено дефекти ізоляції кабелю, зовнішньої ізоляції екрану кабелів, кабельних муфт, виявлено ознаки зниження ресурсу ізоляції кабелів. Також було розглянуто причини пошкодження кабелів лінії 35 кВ ДСП-80, проаналізовано виконанізаходи щодо їх усунення та розроблені додаткові заходи щодо підвищення надійності електропостачання ДСП-80:
• здійснити прокладання резервної кабельної лінії;
• для забезпечення високої експлуатаційної надійності застосовувати в мережі 35 кВ електропостачання ДСП-80 кабелів зі зшитого поліетилену на напругу не менше 50 кВ;
• виконати ефективне обмеження перенапруг у мережі 35 кВ ДСП-80.
Для обмеження перенапруг при однофазних замиканнях на землю та часу їхнього впливу рекомендовано змінити номінал резистора, встановленого в нейтралі мережі 35 кВ ПС «Електросталь». Зважаючи на необхідність підвищення ресурсу кабельної ізоляції лінії 35 кВ, що живить ДСП-80, та введення в експлуатацію (надалі) резервної лінії на ДСП-80 з рівнем ізоляції 35 кВ, що визначає відповідно до стандарту IEC (МЕК) 60502-2 [2 ] короткочасну роботу кабелю в режимах ОЗЗ, було проведено комплекс розрахунків щодо визначення відповідного номіналу резистора. Таке заземлення нейтралі дозволить відключати будь-яке замикання на землю в мережі 35 кВ електропостачання ДСП-80 миттєво або з витримкою часу.
Грунтуючись на результатах розрахунків, було рекомендовано з метою підвищення надійності електропостачання ДСП-80 за рахунок суттєвого обмеження тривалості ОЗЗ і кардинального зниження рівня перенапруг, що виникають при ОДЗ в мережі 35 кВ ПС «Електросталь» використання включеного в нейтраль резистора типу РЗ номіналом 1000 короткочасну роботу у режимі однофазного замикання на землю. Як нейтралеутворюючий пристрій можна використовувати встановлений на ОРУ-35 кВ трансформатор ТМГ-1000/35. При цьому ДГР типу РЗДПОМ-700/35 на ПС «Електросталь» має бути виведений з експлуатації, оскільки застосуваннядугогасних апаратів на тупикових підстанціях з однією лінією (у даному випадку лінія електропостачання ДСП-80) не допускається згідно з ПУЕ.
Для обмеження високочастотних комутаційних перенапруг рекомендовано виконати встановлення додаткових ΟΠΗ. Розрахунки показали, що захист від перенапруг у виявлених за результатами вимірів «проблемних» точках буде забезпечено за допомогою апарату типу ОПН-35/40,5-10(11) УХЛ1.
1. Дмитрієв М.В., Євдокунін Г.А. Розрахунок заземлення екранів однофазних силових кабелів 6-500 кВ // Новини електротехніки. 2007. №2(44). С.124-128.
2. Міжнародний стандарт ПЕК (IEC) 60502-2. Силові кабелі з екструдованою та араматура на номінальну напругу від 1 кВ (Um = 1,2 кВ) до 30 кВ (Um=36 кВ) / Частина 2.