Кабельные линии...

Расчеты люблю инженерные, поэтому иногда вместо громоздких формул использую модели... Америки открывать не собираюсь - все давно известно, просто разбросано то там, то сям...

Неприятности, связанные с КЛ-ВЛ "идеально" описаны Шкариным и Цитвером.

-------------------------------------------------------------------------------------------
Если открыть каталоги производителей современных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, то можно обнаружить, что многие из них имеют очень "удачную" с точки зрения ВЧ связи конструкцию

Масло-наполненные, с бумажной изоляцией, или общим экраном кабели здесь не рассматриваются, так как построение ВЧ каналов на них существенно дороже, чем на ВЛ - потому не интересно. А физика почти та же... надо только учитывать концевые потери, переходные помехи и т.д.

С точки зрения ВЧ канала / ВЧ обработки необходимо различать случаи:

• полностью КЛ;
• КВЛ (рис А), где КЛ находится в начале линии;
• КВЛ (рис В), где КЛ является вставкой в ВЛ;
• различного рода отпайки и т.д.

Наиболее характерными для них являются: присоединение к КЛ и переход ВЛ-КЛ / КЛ-ВЛ.

Рассмотрим ВЧ присоединение к КЛ.

В этом случае КЛ можно рассматривать, как три не связанных "коаксиальных" линии, даже если они в одной связке и имеют второй общий экран (главное, чтобы первичные экраны были изолированы друг от друга. Здесь есть некоторое не совпадение с теорией вычисления потерь в КЛ, токов КЗ и термической устойчивости). Поэтому:

• концевые потери практически отсутствуют; присоединение должно выполняться к тому проводу, который является "оптимальным" для ВЛ;
• другие провода обрабатывать не надо. Концевые потери отсутствуют, зато потери присоединения из-за рассогласования пары ФП-КЛ велики.

Волновое сопротивление КЛ (Zc) значительно меньше ВЛ, и, следовательно, нет необходимости использовать ВЧЗ с большими индуктивностями (снижение стоимости).

Вообще сопротивление ВЧ блокировки ВЧЗ Zz и сопротивление ФП Zf определяются допустимым изменением потерь при различных коммутационных состояниях ВЛ.

Задавая эту величину, можно получить требуемые величины Zz и Zf.

Так на рисунке ниже приведены величины Zz и Zf, рассчитанные для кабеля 110кВ с волновым сопротивлением Zz=32 Ом.

По оси Х отложены потери ВЧ присоединения az, обусловленные ВЧЗ или ФП соответственно. Bp рисункf очень хорошо видно, что типичные для ВЧ связи допустимые потери на ВЧЗ - 2.3...2.6 дБ и ФП - 1,2 дБ могут быть существенно уменьшены без каких-либо технических или стоимостных ограничений (сложностей). А имея ввиду, что кабельные ВЧ присоединения по-определению являются более узкополосными (из-за малой величины Zc и ограничения на емкость КС), чем присоединения к ВЛ, этот момент определенно является положительным. 

Мне "нравится" величина потерь ВЧ присоединения 0.5 дБ (при величине потерь на отражение 12 дБ). Тогда практически все многообразие кабельных присоединений любого напряжения "уложится" в приведенный ниже график, на котором по оси Х отложены значения волновых сопротивлений кабеля, слева - Zz, справа - Zf (пока не поздно укажу, что я принципиально пользуюсь только активными сопротивлениями ВЧ блокировки ВЧЗ).

Соответственно полные потери ВЧ присоединения на ХХ (H.H) и КЗ (Sh.C) КЛ с Zc=32 Ом будут равны

Здесь по оси Х отложены потери, обусловленные каждым из компонентов (ВЧЗ или ФП), на оси справа - полные потери ВЧ присоединения. Видно, что они асимптотически приближаются к величине 6 дБ (по напряжению или 3 дБ по мощности), что говорит о том, что ВЧ присоединения к КЛ не зависимо от режима работы КЛ/ВЛ приближенно являются оптимальными (более оптимальны, чем присоединения к ВЛ).

Если с изготовлением ВЧЗ с требуемым сопротивлением ВЧ блокировки в заданном диапазоне частот проблем практически нет, то с ФП все сложнее.

Основным ограничивающим фактором при его выборе является емкость КС. Если исходить из того, что емкость КС должна быть стандартной для ВЛ данного класса напряжения, и возвратные потери Ав.п. (потери отражения) не должны быть менее 12 дБ, можно рассчитать верхнюю и нижнюю частоты ВЧ присоединения (Aj=1.479, Zc=32 Ом, КС=6400 пФ)

Здесь по оси Х отложены значения нижней частоты ВЧ присоединения, по оси слева - полученные значения верхней частоты. 

Для типичных значений сопротивлений кабелей (20, 30, 40 и 50 Ом) и емкостей КС 6400 и 14000 пФ эти зависимости выглядят слудующим образом

Видно, что использование КС 14000 пФ (СМПВ 160 кВ - стандартный для ВЛ 330, 500 кВ) существенно расширяет полосу кабельных ВЧ присоединений.

При проектировании ВЧ каналов более важно уметь расчитать нижнюю граничную частоту ВЧ обработки при заданной полосе ВЧ тракта (Aj=1.479, Zc=32 Ом, КС=6400 пФ)

Здесь по оси Х отложены значения ширины полосы ВЧ присоединения, по оси слева - полученные значения нижней частоты. 

Или для типичных значений сопротивлений кабелей (20, 30, 40 и 50 Ом) и емкостей КС 6400 и 14000 пФ

Как правило, для ВЛ сопротивление ФП выбирается исходя из согласования ВЛ в рабочем режиме. У КЛ импеданс присоединения изменяется в меньшей степени, поэтому здесь можно получить лучшее согласование ФП Zf с КЛ.

К сожалению, в большинстве случаев реализовать Zf.oптим не представляется возможным, так как это требует использования дорогостоящих электронных компонентов.

Тем не менее всегда остается возможность выбора.

На графике серым выделена область сопротивлений ФП, где Ав.п.больше или равно 12дБ, и соответствующие им, обусловленные ФП, потери. Обычно берут Zf больше Zf.оптим

Для полностью КЛ рассмотрение ВЧ обработки на этом прекращается.

Для КВЛ (рис А), где КЛ находится в начале линии; КВЛ (рис В), где КЛ является вставкой в ВЛ принципиальным является переход ВЛ-КЛ / КЛ-ВЛ.

Основными проблемами перехода являются большие затухания и отражения, связанные с изменением импедансов КЛ-ВЛ.

Для ВЛ присоединение на переходе должно выполняться к тому проводу, который является "оптимальным".

Поскольку, в принципе, переход можно рассматривать, как работу ВЛ в режиме заземления, то концевые потери присутствуют, и другие провода лучше обработать ВЧЗ.

Конструкция перехода КЛ-ВЛ предполагает, что КЛ и ВЛ ВСЕГДА работают в одном и том же режиме.

Поэтому ВЧ обработка может быть и должна быть выполнена строго согласованной.

Здесь с одной стороны перехода, так же как и ранее, определяющим является импеданс КЛ. Поэтому ФП надо согласовывать с ним. В принципе можно использовать тот же ФП, что и на присоединении к КЛ.

Со стороны ВЛ импеданс фильтра практически определяется параллельным соединением ВЧЗ и ВЛ.

Для случая полного согласования сопротивления фильтров с обоих сторон перехода можно вычислить по следующим формулам:

Где Zzp - сопротивление ВЧ блокировки ВЧЗ, установленного на переходе

Поскольку со стороны ВЛ переход выглядит, как работа в режиме КЗ, то сопротивление ВЧ блокировки ВЧЗ нужно выбирать максимально возможным (или разумным).

Обратный конец ВЛ можно обрабатывать, как обычно.

Пример
Первый метод, основанный на "классической" теории согласования импедансов.
Исходная вертикальная двухцепная ВЛ 110 кВ на опорах ПБ-28 длиной 36 км, провод АС-185/24, среднее сопротивление земли 100 Ом

, имеющая затухания

(полная/оптимальная ВЧ обработка 3-х фаз с обеих сторон:

ФПМР-6400/48-1000, КС 6400 пФ, ВЧЗ DLTC 630-0.5/160-1000/600, РК75-9-12 150м) заводится на ПС с помощью уложенного в землю кабеля АПвПу2г-1х500/95-64/100кВ длиной 1.3 км при среднем сопротивлении грунта 50 Ом.

Затухания в модифицированной КЛ_ВЛ представлены ниже

Видно, что основные соотношения между затуханиями фаз сохраняются. Однако кривые сместились вверх на 9 дБ (среднее значение), и возникла значительная (12 дБ) неравномерность затухания, обусловленная отражениями.

Пусть требуется создать ВЧ тракт в полосе 200-300 кГц фаза А - земля (присоединение 1-0/1-0). Прежде необходимо рассчитать ВЛ – можно ли на этих частотах построить ВЧ тракт.

Обработка КЛ_ВЛ

1. Подключение к КЛ

Волновое сопротивление данного кабеля из сшитого полиэтилена составляет 31.2 Ом. Поэтому с учетом влияния ВЧЗ 600Ом оптимальная величина импеданса ФП равна 30.4 Ом. Оптимальным, потому что в отличие от ВЛ, импеданс ВЧ присоединения к КЛ слабо изменяется в зависимости от режимов работы линии, то есть ФП не надо согласовывать со среднегеометрическим импедансом присоединения.

Однако ФП с таким импедансом с требуемой величиной потерь отражения 12 дБ в полосе 200-300 кГц построить сложно. Поэтому берем ФП с несколько большим сопротивлением 33.9 – 38.2 Ом.

На рисунке приведены затухания присоединения 1-0/1-0 с кабельным ФП разных импедансов:

40,0 Ом – рассчитанный аналогично ВЛ среднегеометрический импеданс ФП,

30,4 Ом – оптимальное значение и

35.5 Ом – промежуточное значение (компромиссное)

При этом, поскольку кабельные присоединения в принципе являются узкополосными (низкое волновое сопротивление + малая емкость КС), то ВЧЗ DLTC 630-0.5/160-1000/600 можно заменить на DLTC 630-0.2/190-300/600 имеющий меньшую стоимость и габариты (например, критично для установки в КРУЭ).

Так как кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена чаще всего выполняются с независимым экранированием каждой жилы, соответственно, каждая фаза является независимой, а значит концевые потери отсутствуют. И обрабатывать не используемые фазы не надо.

То есть экономятся 2 ВЧЗ, КС, РК, РВО и ФП.

На рисунке красная кривая соответствует обработке сигнальной фазы ВЧЗ 0.2 мГн, остальные фазы не обработаны. Синяя кривая – «идеальный» случай обработки всех фаз ВЧЗ 0,5 мГн+ФП

Обработка перехода КЛ-ВЛ

Здесь необходимо сделать следующее замечание:

Перед началом проектирования КЛ-ВЛ канала, необходимо определить оптимальные схемы присоединения для первоначальной ВЛ. И на КЛ обрабатывать именно те фазы, которые являются оптимальными для ВЛ.

Это же правило действует в отношении перехода КЛ-ВЛ.

В нашем случае оптимальное присоединение к ВЛ (см. Рис. 1) – это 1-0/1-0.

Поскольку, в принципе, переход можно рассматривать, как работу ВЛ в режиме заземления, то концевые потери присутствуют, и другие провода лучше обработать ВЧЗ.

Конструкция перехода КЛ-ВЛ предполагает, что КЛ и ВЛ ВСЕГДА работают в одном и том же режиме. Поэтому ВЧ обработка может быть выполнена строго согласованной.

Здесь с одной стороны перехода, так же как и ранее, определяющим является имепеданс КЛ. Поэтому ФП надо согласовывать с ним. В принципе, можно использовать тот же ФП, как и на присоединении к КЛ.

Со стороны ВЛ, например 110 кВ с импедансом 450 Ом, импеданс фильтра практически определяется параллельным соединением (ВЧЗ+КЛ) и ВЛ. То есть, для ВЧЗ 600 Ом (0.2 мГн 200-327 кГц) ФП должен иметь импеданс 260 Ом, при ВЧЗ 1000 Ом (0.315 мГн 200-317 кГц) - 311 Ом (или в среднем 284 Ом).

Результирующие характеристики ВЧ тракта приведены на рисунке

Здесь:

Синяя кривая – затухание исходной ВЛ полностью и оптимально обработанной с обоих концов

Зеленая кривая – присоединение к кабельной вставке, обработаной полностью ВЧЗ 0,5 мГн

Красная кривая - присоединение на кабельной вставке, обработаной только для сигнального провода ВЧЗ 0,2 мГн

Видно, что затухание модернизированной КЛ_ВЛ мало отличается от исходной воздушной ВЛ (для большей наглядности вычислений тангенс угла потерь КЛ принят равным нулю). 

Остаточная неравномерность тракта обусловлена принятыми при расчете допущениями.

Интересным является следующий факт: Затухание исходной ВЛ, у которой один из концов обработан не полностью (только сигнальная фаза А 1-0/1-0), даже больше, чем затухание КЛ_ВЛ (желтая кривая на рисунке). Что связано с возникновением концевых затуханий ВЛ, обработанной не оптимально.

Фактически число элементов ВЧ обработки у оптимальной КЛ_ВЛ почти совпадает с числом элементов ВЧ обработки оптимальной ВЛ !!! А по стоимости они могут быть существенно дешевле...

ВЧЗ на переходе КЛ_ВЛ так же можно заменить на DLTC 630-0.2/190-300/600 (красная кривая на рисунке), что так же приведет к снижению стоимости и габаритов ВЧ обработки

Для горизонтальной или треугольной КВЛ принципы обработки остаются теми же.

Второй метод, основан на "волновом" расчете ВЧ обработки...

(Еще не решил, стоит ли об этом вообще рассказывать - это точно крутое ноу-хау. Сейчас скажу только, что суммарное увеличение затухания по сравнению с исходной схемой - без КЛ - составляет около 4 дБ по напряжению, зато не требуется обработка перехода КЛ-ВЛ)

Зеленая - исходная ВЛ, красная - с КЛ заходом, синяя - обработанная

ГВЗ - групповое время запаздывания

Красная - исходная ВЛ, зеленая - с КЛ заходом, синяя - обработанная