Заземление кабеля

Заземление кабелей — обязательная процедура, входящая в комплекс мероприятий по строительству кабельных линий электропередач и связи. Выполняется заземление с целью защиты самого кабеля и электрооборудования, подключенного к кабельной линии, от токов короткого замыкания и различных внешних воздействий (электромагнитные поля, молнии, блуждающие тока и т. д.). Вторая важная цель устройства систем заземления — защита человека от поражения электрическим током.

Существует множество терминов, определений, связанных с системами заземлений, а также методов и способов их построения по отношению к различным кабелям, электроустановкам и т. д. — подробная информация приведена в главе 1.7 ПУЭ 7 (Правила устройства электроустановок) от 2002 года. Здесь будут рассмотрены основные моменты заземления контрольных экранированных кабелей, кабелей связи (включая оптические) и силовых кабелей.

Заземление силовых высоковольтных кабелей

Заземление экранированного кабеля напряжением от 6 кВ и выше может производиться по схеме двухстороннего или одностороннего заземления экрана. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки.

Преимуществом двухстороннего заземления является простота монтажа. Заключается он в присоединении экрана к контуру заземления — нет необходимости в использовании каких-либо дополнительных средств или оборудования. Данная схема заземления предполагает, что экран кабеля имеет потенциал земли, а значит, в замкнутом контуре возникает ток. Это ведет к существенным потерям мощности и ухудшению температурного режима кабеля, что, в свою очередь, может стать следствием снижения его срока эксплуатации.

При одностороннем заземлении к заземляющему устройству подключается только один конец экрана. В этом случае отсутствует путь для протекания токов, что не вызывает существенных потерь мощности. Незначительные потери могут наблюдаться из-за возникновения вихревых токов, но они не определяют температурный режим и, как следствие, не снижают срок службы кабеля.

Однако схема одностороннего заземления экранированного кабеля требует учитывать следующие факторы:
•   Возникновение импульсных перенапряжений может стать причиной снижения эффективности оболочки кабеля. Если значение перенапряжения превысит электрическую прочность оболочки, в конструкцию кабеля может просочиться влага (при подземной прокладке, а также для кабелей без герметизации).
•   Данная схема заземления, как правило, требует использования дополнительного оборудования, включая концевые муфты с изолированным экраном, защитные аппараты, устанавливаемые на незаземленном конце кабельного экрана. Все это потребует дополнительные финансовых и трудозатрат при построении системы заземления.
•   Существует риск возникновения на незаземленном конце экрана наведенного потенциала (пропорционален току в жиле кабеля), что может стать причиной поражения током обслуживающего персонала.

Таким образом, одностороннее заземление требует использования спецоборудования и принятия дополнительных мер по обеспечению безопасности работы кабельной линии, что увеличивает стоимость монтажных работ и последующего обслуживания.

Если экранированный кабель имеет броню, тогда оба этих компонента должны быть объединены в единую цепь, а затем подключены к корпусам соединительных муфт. На кабелях напряжением от 6 кВ и более с оболочкой из алюминия подключение оболочки и брони к земле производится при использовании отдельных проводников (сечения проводников подбирается по требованиям, приведенным в разделах 1.7.76–1.7.78 ПУЭ).

При использовании на опоре конструкции комплекта разрядников броня, экран и соединительная муфта подключаются к заземляющему устройству разрядника. В данном случае не допускается заземление лишь металлической оболочки.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНА КАБЕЛЯ С ОДНОЙ СТОРОНЫ

Примем, что экран кабеля (Рисунок 1) заземлён с одной стороны, т.е. один из ключей (К1 либо К2) замкнут. При переходном процессе в шинах ВН под дей- ствием электрического поля на поверхности экрана будут индуцироваться заряды, поле которых будет направлено встречно первичному. В результате этого наложения электрическое поле внутри кабеля будет практически отсутствовать. Потенциал, который наводится на экране кабеля электрической компонентой поля, будет уравниваться через его заземлённый конец. Для ограничения магнитной компоненты поля необходимо протекание по экрану тока, поток которого был бы направлен встречно первичному. В рассматриваемом случае единственным путём для протекания тока будет петля: экран – ключ К1 или ключ К2 – заземляющее устройство – ёмкость С2 – ёмкость С3. По такому пути будет протекать только малая часть тока, а создаваемый им магнитный поток будет компенсировать первичный поток лишь частично, т.е. первичное магнитное поле экранируется незначительно.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНА КАБЕЛЯ С ОБЕИХ СТОРОН

Примем, что экран кабеля (Рисунок 1) заземлён с обеих сторон, т.е. ключи К1 и К2 замкнуты.

Экранирование электрической компоненты, как описано выше, будет обусловлено индуцированными на поверхности экрана зарядами. При этом наводимый на экране потенциал будет уравниваться через оба его заземлённых конца.

Экранирование магнитной компоненты поля будет осуществляться за счёт протекающего по экрану тока, который в этом случае будет замыкаться по пути: экран – ключ К2 – заземляющее устройство - ключ К1. Возникающий магнитный поток (Рисунок 2) будет направлен встречно первичному полю, что приведёт к его ослаблению. При этом возникает вопрос, не вызовет ли протекание по экрану тока наводок в жиле кабеля. Как показано, ток течёт вдоль оси кабеля, поэтому создаваемый им поток имеет только радиальную составляющую, которая на жилы кабеля влияния не оказывает. При этом может возникать лишь небольшой потенциал, обусловленный активным сопротивлением экрана.

При его качественном исполнении и заземлении эта составляющая, как правило, не превышает нескольких вольт.

Таким образом, двухстороннее заземление экрана позволяет защитить жилы кабеля от воздействия как электрической, так и магнитной компоненты поля, возникающей при переходных процессах в высоковольтной сети.

Преимущество заземления экрана кабеля с обеих сторон, по сравнению с односторонним, очевидно. Однако как первый, так и второй способ обладают рядом особенностей. Рассмотрим их ниже.

ПРОБЛЕМЫ ОДНОСТОРОННЕГО И ДВУХСТОРОННЕГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНА

Преимуществом одностороннего заземления экрана кабеля является отсутствие в нём тока при возникновении разности потенциалов между его концами, что в итоге позволяет исключить термическое повреждение кабеля. Однако как раз отсутствие пути для протекания тока может стать причиной ряда проблем. Высокая разность потенциалов, возникающая между концами кабеля, например, при токах КЗ, оказывается приложенной к незаземлённому концу экрана. Эта разность может достигать несколько киловольт, что представляет опасность для самого кабеля, присоединённого к нему оборудования и обслуживающего персонала.

Таким образом, одностороннее заземление экрана не удовлетворяет ни требованиям эффективного экранирования, ни требованиям защиты оборудования и персонала от перенапряжений. Поэтому одностороннее заземление экрана не рекомендуется стандартами МЭК [8].

Двухстороннее заземление экрана кабеля является наиболее прогрессивным методом защиты от электромагнитных воздействий. Однако при этом особой тщательности требует исполнение системы заземления, эквипотенциальность которой должна быть особенно велика. Возникающее на заземляющем устройстве падение потенциала при КЗ и молниях должно быть настолько малым, чтобы величина тока в экранах кабеля не вызывала его термического повреждения.

Прогрессивным в этом случае оказывается применение замкнутых систем заземления (англ. —mesh common bonding network) с большим количеством связей и без выделения так называемых “чистых” контуров заземления. Также эффективным способом защиты экрана является прокладка вдоль кабеля так называемых параллельных заземляющих проводников (англ. — parallel earth conductor). В этом случае ток будет растекаться по проводникам обратно пропорционально их сопротивлениям: большая его часть будет протекать по массивному проводнику.

В общем случае способ выполнения качественного заземляющего устройства и защита экрана кабеля от термических повреждений не является тривиальной задачей и требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае.

Выводы

Вторичные цепи на объектах электроэнергетики являются основным средством передачи различного рода сигналов. Зачастую они располагаются на территории ОРУ вблизи высоковольтных аппаратов и поэтому наиболее часто подвергаются влиянию электромагнитных помех, типичным источником которых являются коммутации в высоковольтной сети. Величина помех, наводимых при этом во вторичных цепях, может достигать значений в несколько киловольт. Попадание таких наводок на входы ЭЭУ может стать причиной ряда проблем.

Величина помех во вторичных цепях зависит от их взаиморасположения с высоковольтной системой. Соблюдение геометрических отношений является эффективной мерой уменьшения влияний, что, однако, не всегда выполнимо.

Другим способом уменьшения влияний помех является экранирование. При этом необходимо учитывать, что работа экрана в значительной степени зависит от способа его заземления. Наилучшим методом является двухстороннее заземление, позволяющее устранить влияние низко- и высокочастотных электрических и магнитных помех. Следует учитывать, что этот метод требует особого подхода к проектированию систем заземления, которые должны иметь высокую степень эквипотенциальности.

Внедрение ЭЭУ на эксплуатирующихся объектах, заземление которых было выполнено только с учётом требований безопасности, требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае. Допускаемый стандартами безопасности (например, ГОСТ 12.1.038) потенциал в несколько десятков вольт может быть неприемлем по требованиям электромагнитной совместимости и представлять опасность для экрана кабеля.