Крос-бондинг екрана кабелю — чому довгі одножильні високовольтні кабелі не заземлюють екран просто на обох кінцях

Посібник про одностороннє та двостороннє заземлення екрана кабелю розглядає поширений компроміс між одностороннім заземленням (запобігає контуру заземлення, але забезпечує менше високочастотне екранування) і двостороннім заземленням (найкраще ЕМС-екранування, але може викликати циркулюючий струм екрана, що знижує допустиму струмову навантажуваність). Ця стаття розглядає третю, спеціалізовану техніку, яка застосовується саме на довгих трасах одножильних високовольтних кабелів для вирішення цієї проблеми струму екрана без прийняття недоліків одностороннього заземлення: крос-бондинг.

Чому двостороннє заземлення стає проблемою на довгій одножильній трасі

В одножильному кабелі змінний струм у жилі створює магнітне поле, яке за допомогою індукції створює напругу в екрані того самого кабелю — ефект, що посилюється зі збільшенням довжини кабелю. Якщо екран заземлений на обох кінцях, ця наведена напруга замикає контур і приводить у дію циркулюючий струм екрана, пропорційний струму навантаження в жилі. На короткій кабельній трасі цей струм екрана та пов'язане з ним додаткове тепловиділення зазвичай є незначними, але на довгій високовольтній трасі (йдеться про кілометри, а не метри) циркулюючий струм екрана може досягати значної частки струму жили, суттєво знижуючи ефективну допустиму струмову навантажуваність кабелю та спричиняючи небажані додаткові втрати.

Чому одностороннє заземлення не є задовільним рішенням для такої траси

Одностороннє заземлення (як розглянуто у посібнику про заземлення екрана кабелю) дійсно вирішує проблему циркулюючого струму, але вводить нову проблему на довгій високовольтній трасі: на незаземленому кінці по всій довжині кабелю накопичується індуктивна напруга екрана, яка при довгій трасі та високому робочому струмі може досягати небезпечно високого рівня — значно вище того, що безпечно для доторку під час обслуговування муфт або кінцевих заробок.

Принцип крос-бондингу: циклічна транспозиція на коротких ділянках

Крос-бондинг вирішує обидві проблеми одночасно, розділяючи трасу на короткі, приблизно рівні малі секції (зазвичай три малі секції разом утворюють одну головну секцію) і циклічно міняючи місцями екран кожної фази в кожній з'єднувальній коробці з екраном наступної фази:

• У межах однієї головної секції екран кожної фази, таким чином, послідовно з'єднується з трьома малими секціями у фіксованому, циклічному порядку (наприклад, R→Y→B→R).
• Оскільки кожна фазна секція екрана завдяки цьому "бачить" порівнянну частку загальної наведеної напруги від кожної з трьох фаз, наведені напруги екрана значною мірою компенсують одна одну на протязі повної головної секції — подібно до того, як транспозиція самих провідників на повітряній високовольтній лінії зменшує дисбаланс між фазами.
• Лише на обох кінцях повної головної секції екран дійсно заземлюється; у проміжних точках з'єднання (межах між малими секціями) екран перемикається згідно зі схемою транспозиції, а не заземлюється безпосередньо.

З'єднувальні коробки, секціонувальні ізолятори та обмежувачі напруги

Циклічна перекомутація екрана відбувається у спеціальних з'єднувальних коробках (link boxes), у яких екран кожної малої секції переривається через секціонувальні ізолятори і спрямовується провідними з'єднаннями до потрібної наступної фази. Оскільки попри взаємну компенсацію між кінцями головної секції на практиці залишається залишкова (зазвичай значно менша) напруга екрана — і оскільки тимчасове пошкодження в мережі може тимчасово значно підвищити цю напругу — при кожному секціонувальному ізоляторі у з'єднувальній коробці зазвичай встановлюється обмежувач напруги екрана (sheath voltage limiter, SVL): компонент, який при нормальній роботі залишається високоомним, але пробивається при надмірній перехідній напрузі екрана, захищаючи тим самим ізоляцію секціонувального ізолятора від перекриття.

Увага: точний поділ на малі та головні секції, кількість з'єднувальних коробок і підбір обмежувачів напруги випливають із системного дослідження для конкретної кабельної траси (довжина, робочий струм, рівень пошкодження); ця стаття розглядає принцип, а не готову проєктну таблицю для кожної високовольтної траси.

Чому це саме техніка для довгих трас

Для короткої одножильної кабельної траси — наприклад, приєднання трансформатора в межах однієї й тієї самої розподільчої станції — наведена напруга екрана при односторонньому заземленні зазвичай уже перебуває з великим запасом у безпечних межах, і складність та додаткові витрати на з'єднувальні коробки з крос-бондингом не виправдані: звичайне одностороннє або двостороннє заземлення (див. пов'язаний посібник) у цьому разі достатнє. Крос-бондинг застосовується саме тоді, коли довжина траси достатньо велика, щоб як зниження навантажуваності через циркулюючий струм при двосторонньому заземленні, так і накопичена напруга екрана при односторонньому заземленні, ставали неприйнятними.

Практична значущість

Під час огляду чи обслуговування довгої високовольтної кабельної траси з крос-бондингом кожну з'єднувальну коробку слід розглядати як точку, де, попри взаємну компенсацію, все ще може бути присутня залишкова напруга — перед відкриттям з'єднувальної коробки це має бути явно перевірено, а не передбачатися, що екран там знеструмлений лише тому, що він "нібито заземлений".

Часті помилки

1. Просте двостороннє заземлення довгої одножильної високовольтної траси, як у короткого кабелю — це викликає циркулюючий струм екрана, який може суттєво знизити допустиму струмову навантажуваність траси.
2. Одностороннє заземлення довгої траси замість застосування крос-бондингу — це може призвести до небезпечно високої напруги екрана на незаземленому кінці.
3. Відкриття з'єднувальної коробки без перевірки залишкової напруги на екрані — попри взаємну компенсацію між фазами, з'єднувальна коробка може все ще містити небезпечну для доторку напругу.
4. Пропуск або неправильний підбір обмежувачів напруги (SVL) при секціонувальних ізоляторах — без правильно підібраних SVL тимчасова перенапруга на екрані може спричинити перекриття секціонувальних ізоляторів.

Пов'язані матеріали

• Заземлення екрана кабелю — одностороннє чи двостороннє, і чому ця різниця має значення
• Референтні методи та допустима струмова навантажуваність
• Матеріал ізоляції кабелю (ПВХ/XLPE/EPR) та робоча температура
• Вимірювання часткових розрядів (PD) та tan-delta на кабелях СН