Кросс-бондинг экрана кабеля — почему длинные одножильные высоковольтные кабели не заземляют экран просто на обоих концах

Руководство об одностороннем и двустороннем заземлении экрана кабеля рассматривает распространённый компромисс между односторонним заземлением (предотвращает контур заземления, но обеспечивает меньшее высокочастотное экранирование) и двусторонним заземлением (лучшее ЭМС-экранирование, но может вызывать циркулирующий ток экрана, снижающий допустимую токовую нагрузку). Эта статья рассматривает третью, специализированную технику, применяемую именно на длинных трассах одножильных высоковольтных кабелей для решения этой проблемы тока экрана без принятия недостатков одностороннего заземления: кросс-бондинг.

Почему двустороннее заземление становится проблемой на длинной одножильной трассе

В одножильном кабеле переменный ток в жиле создаёт магнитное поле, которое посредством индукции создаёт напряжение в экране того же кабеля — эффект, усиливающийся по мере удлинения кабеля. Если экран заземлён на обоих концах, это наведённое напряжение замыкает контур и приводит в действие циркулирующий ток экрана, пропорциональный току нагрузки в жиле. На короткой кабельной трассе этот ток экрана и связанное с ним дополнительное тепловыделение обычно пренебрежимо малы, но на длинной высоковольтной трассе (речь идёт о километрах, а не метрах) циркулирующий ток экрана может достигать значительной доли тока жилы, существенно снижая эффективную допустимую токовую нагрузку кабеля и вызывая нежелательные дополнительные потери.

Почему одностороннее заземление не является удовлетворительным решением для такой трассы

Одностороннее заземление (как рассмотрено в руководстве о заземлении экрана кабеля) действительно решает проблему циркулирующего тока, но вводит новую проблему на длинной высоковольтной трассе: на незаземлённом конце по всей длине кабеля накапливается индуктивное напряжение экрана, которое при длинной трассе и высоком рабочем токе может достигать опасно высокого уровня — значительно превышающего то, что безопасно для прикосновения при обслуживании муфт или концевых заделок.

Принцип кросс-бондинга: циклическая транспозиция на коротких участках

Кросс-бондинг решает обе проблемы одновременно, разделяя трассу на короткие, примерно равные малые секции (обычно три малые секции вместе образуют одну главную секцию) и циклически меняя местами экран каждой фазы в каждой соединительной коробке с экраном следующей фазы:

• В пределах одной главной секции экран каждой фазы, таким образом, последовательно соединяется с тремя малыми секциями в фиксированном, циклическом порядке (например, R→Y→B→R).
• Поскольку каждая фазная секция экрана благодаря этому "видит" сопоставимую долю общего наведённого напряжения от каждой из трёх фаз, наведённые напряжения экрана в значительной мере компенсируют друг друга на протяжении полной главной секции — подобно тому, как транспозиция самих проводников на воздушной высоковольтной линии уменьшает дисбаланс между фазами.
• Только на обоих концах полной главной секции экран действительно заземляется; в промежуточных точках соединения (границах между малыми секциями) экран переключается согласно схеме транспозиции, а не заземляется напрямую.

Соединительные коробки, секционирующие изоляторы и ограничители напряжения

Циклическая перекоммутация экрана происходит в специальных соединительных коробках (link boxes), в которых экран каждой малой секции прерывается через секционирующие изоляторы и направляется проводными соединениями к нужной следующей фазе. Поскольку несмотря на взаимную компенсацию между концами главной секции на практике остаётся остаточное (обычно значительно меньшее) напряжение экрана — и поскольку временное повреждение в сети может временно значительно повысить это напряжение — при каждом секционирующем изоляторе в соединительной коробке обычно устанавливается ограничитель напряжения экрана (sheath voltage limiter, SVL): компонент, который при нормальной работе остаётся высокоомным, но пробивается при чрезмерном переходном напряжении экрана, защищая тем самым изоляцию секционирующего изолятора от перекрытия.

Внимание: точное разделение на малые и главные секции, количество соединительных коробок и подбор ограничителей напряжения вытекают из системного исследования для конкретной кабельной трассы (длина, рабочий ток, уровень повреждения); эта статья рассматривает принцип, а не готовую проектную таблицу для каждой высоковольтной трассы.

Почему это именно техника для длинных трасс

Для короткой одножильной кабельной трассы — например, присоединения трансформатора в пределах одной и той же распределительной станции — наведённое напряжение экрана при одностороннем заземлении обычно уже находится с большим запасом в безопасных пределах, и сложность и дополнительные затраты на соединительные коробки с кросс-бондингом не оправданы: обычное одностороннее или двустороннее заземление (см. связанное руководство) в этом случае достаточно. Кросс-бондинг применяется именно тогда, когда длина трассы достаточно велика, чтобы как снижение допустимой нагрузки из-за циркулирующего тока при двустороннем заземлении, так и накопленное напряжение экрана при одностороннем заземлении, становились неприемлемыми.

Практическая значимость

При осмотре или обслуживании длинной высоковольтной кабельной трассы с кросс-бондингом каждую соединительную коробку следует рассматривать как точку, где, несмотря на взаимную компенсацию, всё ещё может присутствовать остаточное напряжение — перед открытием соединительной коробки это должно быть явно проверено, а не предполагаться, что экран там обесточен только потому, что он "вроде бы заземлён".

Частые ошибки

1. Простое двустороннее заземление длинной одножильной высоковольтной трассы, как у короткого кабеля — это вызывает циркулирующий ток экрана, который может значительно снизить допустимую токовую нагрузку трассы.
2. Одностороннее заземление длинной трассы вместо применения кросс-бондинга — это может привести к опасно высокому напряжению экрана на незаземлённом конце.
3. Открытие соединительной коробки без проверки остаточного напряжения на экране — несмотря на взаимную компенсацию между фазами, соединительная коробка может по-прежнему содержать опасное для прикосновения напряжение.
4. Пропуск или неправильный подбор ограничителей напряжения (SVL) при секционирующих изоляторах — без правильно подобранных SVL временное перенапряжение на экране может вызвать перекрытие секционирующих изоляторов.

Связанные материалы

• Заземление экрана кабеля — одностороннее или двустороннее, и почему это различие имеет значение
• Референтные методы и допустимая токовая нагрузка
• Материал изоляции кабеля (ПВХ/XLPE/EPR) и рабочая температура
• Измерение частичных разрядов (PD) и tan-delta на кабелях СН