energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2025-68-5-417-427energy-2506Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGВыбор схемы заземления экранов силовых кабельных линийSelecting a Grounding Scheme for Screens of Power Cable LinesВысоцкийМ. Э.VysotskiM. E.

Адрес для переписки:Высоцкий Максим Эдуардович – Белорусский национальный технический университет,просп. Независимости, 65/2,220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 33 661-76-75

elsyst@bntu.by

Address for correspondence:Vysotski Maksim E. –Belаrusian National Technical University,65/2, Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 33 661-76-75

elsyst@bntu.by

elsyst@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelаrusian National Technical UniversityBelarus202523102025685417427Copyright © Высоцкий М.Э., 20252025Высоцкий М.Э.Vysotski M.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2506

Выбор схемы заземления экранов силовых кабельных линий представляет собой комплексную инженерно-экономическую задачу, влияющую на эффективность, безопасность и экономичность эксплуатации электрических сетей. Существующие подходы часто основываются на отдельных технических или экономических критериях без их комплексного учета. Цель данной работы заключается в разработке методики выбора оптимальной схемы заземления экранов по критерию минимума приведенных затрат с учетом технических ограничений по наведенному напряжению и пропускной способности линии. В работе рассмотрены три основные схемы заземления (одно и двустороннее, транспозиция), для которых рассчитывались капитальные затраты, ежегодные эксплуатационные издержки, наведенные токи и напряжение на экранах и длительно допустимые токи нагрузки кабелей. Определена предельная длина кабельной линии с односторонним заземлением по условию наведенного напряжения. Обозначены области применимости различных схем: одностороннее заземление применимо для линий малой длины (до 0,5–1,5 км в зависимости от площади поперечного сечения жил); двустороннее заземление оптимально для линий с небольшой токовой нагрузкой; транспозиция экранов рекомендуется для линий большой длины с относительно высокой токовой нагрузкой. Установлено, что переход от двустороннего заземления к одностороннему или транспозиции для кабелей напряжением 110 кВ увеличивает пропускную способность кабельной линии на 1–26 % в зависимости от площади поперечного сечения жилы и экрана. Актуальным представляется разработка программного обеспечения для автоматизации процесса выбора оптимальной схемы заземления экранов. Практическое применение разработанной методики позволяет оптимизировать технические решения при проектировании кабельных линий, сокращая капитальные и эксплуатационные затраты электрических сетей.

The choice of a grounding scheme for the screens of power cable lines is a complex engineering and economic task that affects the efficiency, safety and cost-effectiveness of the operation of electrical networks. Existing approaches are often based on individual technical or economic criteria without taking them into account comprehensively. The purpose of this work is to develop a method for selecting the optimal grounding scheme for screens based on the criterion of minimum reduced costs, taking into account technical limitations on induced voltage and line capacity. The paper examines three basic grounding schemes (one-sided, two-sided, transposition), for which capital costs, annual operating costs, induced currents and voltage on the shields, and long-term permissible cable load currents were calculated. The maximum length of a cable line with one-sided grounding is determined based on the induced voltage condition. The areas of applicability of various schemes are indicated: one-sided grounding is applicable for short lines (up to 0.5–1.5 km depending on the cross-sectional area of the conductors); two-sided grounding is optimal for lines with a small current load; transposition of screens is recommended for long lines with a relatively high current load. It has been established that the transition from double-sided grounding to single-sided grounding or transposition for 110 kV cables increases the capacity of the cable line by 1–26 % depending on the cross-sectional area of the core and screen. The development of software to automate the process of selecting the optimal grounding scheme for screens seems relevant. The practical application of the developed methodology allows optimizing technical solutions in the design of cable lines, reducing capital and operating costs of electrical networks.

приведенные затратынаведенное напряжениедлительно допустимый токодностороннее заземлениедвустороннее заземлениетранспозиция экрановreduced costsinduced voltagecontinuous currentone-sided groundingtwo-sided groundingscreen transpositionReferencesCzapp, S. Safety Issues Referred to Induced Sheath Voltages in High-Voltage Power Cables– Case Study / S. Czapp, K. Dobrzynski // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, No 19. Art. 6706. https://doi.org/10.3390/app10196706.Czapp S., Dobrzynski K. (2020) Safety Issues Referred to Induced Sheath Voltages in HighVoltage Power Cables–Case Study. Applied Sciences, 10 (19), 6706. https://doi.org/10.3390/app10196706.Способы заземления экранов кабелей / А. А. Антонов, Ю. П. Гусев, Ю. Гусев [и др.] // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. № 5 (38). С. 86–91.Antonov A., Gusev O., Gusev Yu. Monakov Yu., Oknin E., Cho G. Ch. (2016) Methods of Grounding Cable Screens. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie = Electric Power. Transmission and distribution, (5), 86–91 (in Russian).Zhao, T. Sheath Bonding Equipment for AC Transmission Cable Systems / T. Zhao // Accessories for HV and EHV Extruded Cables. Vol. 2: Land and Submarine AC/DC Applications. Cham: Springer International Publishing, 2023. Р. 487–571. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80406-0_8.Zhao T. (2023) Sheath Bonding Equipment for AC Transmission Cable Systems. Accessories for HV and EHV Extruded Cables. Vol. 2: Land and Submarine AC/DC Applications. Cham: Springer International Publishing, 487–571. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80406-0_8.IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated 5 kV through 500 kV: IEEE Std 575-2014. IEEE, 2014. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2014.6905681.IEEE Std 575-2014. IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated 5 kV through 500 kV. IEEE. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2014.6905681.Дмитриев, М. Выбор и реализация схем заземления экранов однофазных кабелей 6–500 кВ /М. Дмитриев // Электроэнергия. Передача и распределение. 2013. № 6 (21). С. 90–97.Dmitriev M. (2013) Selection and Implementation of Grounding Schemes for Shields of Single-Phase Cables 6-500 kV. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie = Electric Power. Transmission and distribution, (6), 90–97 (in Russian).Буре, И. Г. Влияние системы заземления экранов на выбор сечения кабельной линии с изоляцией из сшитого полиэтилена / И. Г. Буре, И. М. Хевсуриани, А. В. Быстров // Электротехника. 2016. № 11. С. 72–78.Bure I. G., Khevsuriani I. M., Bystrov A. V. (2016) Influence of the Shield Grounding System on the Selection of the Cross-Section of a Cable Line with Cross-Linked Polyethylene Insulation. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], (11), 72–78.Быстров, А. В. Выбор системы заземления экранов при расчете сечения кабелей 6–500 кВ / А. В. Быстров, И. М. Хевсуриани // Промышленная энергетика. 2014. № 7. С. 19–23.Bystrov A. V., Khevsuriani I. M. (2014) Selection of a Shield Grounding System When Calculating the Cross-Section of 6-500 kV Cables. Promyshlennaya Energetika = Industrial Power Engineering, (7), 19–23 (in Russian).Gouda, O. E. Factors Affecting the Sheath Losses in Single-Core Underground Power Cables with Two-Points Bonding Method / O. E. Gouda, A. A. Farag // International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). 2011. Vol. 2, No 1. https://doi.org/10.11591/ijece.v2i1.115.Gouda O. E., Farag A. A. (2011) Factors Affecting the Sheath Losses in Single-Core Underground Power Cables with Two-Points Bonding Method. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), 2 (1). https://doi.org/10.11591/ijece.v2i1.115.Высоцкий, М. Э. Выбор конструктивного устройства кабельных линий напряжением 10 кВ по критерию минимума приведенных затрат / М. Э. Высоцкий // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 6. С. 488–500. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-6-488-500.Vysotski M. E. (2024) The Choice of a Construction Arrangement for Cable Lines with a Voltage of 10 kV According to the Criterion of the Minimum Expected Cost. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 67 (6), 488–500. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-6-488-500 (in Russian).IEC 60287-1-1:2023. Electric Cables – Calculation of the Current Rating. Part 1–1: Current Rating Equations (100 % Load Factor) and Calculation of Losses General. URL: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/164f72dc-b67a-496b-af43-97e28a944a7b/iec-60287-1-1-2023.IEC 60287-1-1:2023. Electric Cables – Calculation of the Current Rating. Part 1–1: Current Rating Equations (100 % Load Factor) and Calculation of Losses General. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/164f72dc-b67a-496b-af43-97e28a944a7b/iec-60287-1-1-2023.Бронгулеева, М. Н. Кабельные линии высокого напряжения / М. Н. Бронгулеева, С. С. Городецкий. Л.–М.: Госэнергоиздат, 1963. 512 с.Bronguleeva M. N., Gorodetsky S. S. (1963) High Voltage Cable Lines. Leningrad–Moscow, Gosenergoizdat Publ. 512 (in Russian).Подгайский, С. И. Силовые электрические кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена: диссертация ... канд. техн. наук: 05.14.02 / С. И. Подгайский; Белорусский национальный технический университет. Минск, 2022. 154 c.Podgaysky S. I. (2022) Power Electric Cables with Cross-Linked Polyethylene InsulationДмитриев, М. В. Кабельные линии высокого напряжения / М. В. Дмитриев. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2021. 688 с.[Dissertation]. Minsk, Belarusian National Technical University. 154 (in Russian).IEC 60287-2-1:2023. Calculation of the Current Rating. Part 2–1: Thermal Resistance – Calculation of Thermal Resistance. URL: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/9a2a6795afb1-4194-97ae-9eef8d36e808/iec-60287-2-1-2023.Dmitriev M. V. (2021) High Voltage Cable Lines. Saint Petersburg, Polytekh-Press Publ. 688 (in Russian).Герасименко, А. А. Электрические системы и сети: учеб. пособие / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. Ростов-на-Дону: Феникс, 2023. 473 с.IEC 60287-2-1:2023. Calculation of the Current Rating. Part 2–1: Thermal Resistance – Calculation of Thermal Resistance. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/9a2a6795-afb1-4194-97ae-9eef8d36e808/iec-60287-2-1-2023.IEC 60287-3-2:2012. Electric Сables – Calculation of the current rating. Part 3–2: Section on Operating Conditions – Economic Optimization of Power Cable Size. URL: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/22c648b0-31da-4b8b-a73c-90355e4d7914/iec-60287-3-2-2012.Gerasimenko A. A., Fedin V. T. (2023) Electrical Systems and Networks. Rostov-on-Don, Fenix Publ. 473 (in Russian).IEC 60287-3-2:2012. Electric Cables – Calculation of the Current Rating. Part 3–2: Section on Operating Conditions – Economic Optimization of Power Cable Size. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/22c648b0-31da-4b8b-a73c-90355e4d7914/iec-60287-3-2-2012.IEC 60287-3-2:2012. Electric Cables – Calculation of the Current Rating. Part 3–2: Section on Operating Conditions – Economic Optimization of Power Cable Size. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/22c648b0-31da-4b8b-a73c-90355e4d7914/iec-60287-3-2-2012.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.