 |
Часто можно услышать: "причиной пожара послужило короткое замыкание".
Наш постоянный автор Владимир Семенович Фишман считает, к этой фразе необходимо добавлять: "и неэффективное действие защитной аппаратуры", иначе возникновение пожара при коротком замыкании представляется неизбежным.
Более корректно говорить о неизбежности самих коротких замыканий в электрических сетях, о чем свидетельствует статистика. При этом КЗ не должно приводить к пожару при правильно выбранных защитной аппаратуре и параметрах проводников.
 |
|
КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ: ПОЖАРА МОЖНО ИЗБЕЖАТЬОсобенности методики расчета процессов КЗ в низковольтных сетях
Владимир Фишман, главный специалист ЭСП-НН-СЭЩ, филиала ЗАО "Группа компаний "Электрощит"-ТМ-Самара", г. Нижний Новгород
|
На правильный выбор защитной аппаратуры в сетях собственных нужд энергетических объектов с целью предотвращения пожаров обратило внимание техническое руководство РАО "ЕЭС России", выпустившее специальный циркуляр [1]. Необходимость принятия такого документа была вызвана неоднократно отмеченными пожарами в кабельных сооружениях подстанций из-за несвоевременного отключения КЗ. При внимательном анализе причин пожаров было замечено, что они возникали при отказе основного защитного аппарата и действии резервной защиты.
С вероятностью отказа защитного аппарата в низковольтной сети, особенно если используются автоматы отечественного производства, приходится считаться как с реальностью. Но при этом очевидно, что такая реальность не должна приводить к пожару, и требования циркуляра являются вполне обоснованными.
СЛОЖНОСТЬ РАСЧЕТА И АНАЛИЗА
Анализ процессов, происходящих при коротких замыканиях в низковольтных сетях напряжением до 1 кВ, оказывается достаточно сложным. Это объясняется, во-первых, значительным влиянием активного сопротивления элементов сети на ток КЗ и, во-вторых, существенным ростом активного сопротивления проводников в процессе КЗ в связи с повышением их температуры.
Требование о необходимости учета увеличения активного сопротивления проводников вследствие их нагрева указано в руководящих материалах по расчету токов КЗ [1, 3, 4]. Однако из-за своей сложности расчет редко выполняется в полном объеме. Тем не менее, в справедливости этих требований можно убедиться при выполнении конкретных расчетов.
Влияние температуры проводников на их сопротивление особенно заметно проявляется при расчете токов КЗ на кабельных линиях 0,4 кВ малого сечения и большой протяженности. В частности, на подстанциях, имеющих открытые распредустройства напряжением 35 кВ и выше, к таким проводникам относятся кабели питания обогрева электроприводов коммутационной аппаратуры (выключателей, разъединителей, заземляющих ножей), кабели питания двигателей заводки пружин электроприводов этой аппаратуры и т.п.
Для оценки сложности расчета с учетом изменения параметров в процессе КЗ достаточно сказать, например, что рост температуры проводников при КЗ вызывает рост их сопротивления. Это приводит, с одной стороны, куменыиениютока КЗ и интенсивности тепловыделения, а с другой - к увеличению времени отключения КЗ, вызванному замедлением действия защитной аппаратуры, имеющей зависимую от тока характеристику. Как следствие, увеличиваются тепловыделение и температура проводника, его сопротивление за счет большей продолжительности КЗ. С увеличением продолжительности КЗ вступает в действие и фактор теплоотдачи от токоведущих жил в изоляцию и окружающую среду. Налицо, таким образом, сложная взаимозависимость искомых параметров.
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ
Температура
Зависимость температуры жилы непосредственно после КЗ от температуры жилы до КЗ выражается уравнением:
 | (1) |
где
Qk - температура жилы в конце КЗ, °С;
Qн - температура жилы до КЗ, °С;
а - величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228°С; к - коэффициент, который вычисляется по формуле
 | (2) |
где
в - постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала жилы, равная для алюминия 45,65 мм4/(кА2*с), для меди 19,58 мм4/(кА2*с);
 - интеграл Джоуля или тепловой импульс, который дает количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ, кА2*с; S - сечение жилы, мм2.
Теплоотдача
При расчете температуры кабелей при КЗ необходимо учитывать фактор теплоотдачи в изоляцию и окружающую среду
 | (3) |
где
h - коэффициент, учитывающий теплоотдачу. Он зависит от материала и сечения проводника и продолжительности КЗ. Для кабелей с алюминиевыми и медными жилами и ПВХ или бумажной пропитанной изоляцией определяется по кривым, занесенным в базу, h = f (tзащ)
 | (4) |
где
IKЗ - ток КЗ с дугой, А;
S - площадь поперечного сечения проводника, мм2;
К1 р, a, - коэффициенты, зависящие от материала токопроводящих жил и изоляции проводника.
Сопротивление
Увеличение активного сопротивления кабеля RQ учитывается с помощью коэффициента КQ, зависящего от материала и температуры проводника:
 | (5) |
где RН - активное сопротивление проводника при его начальной температуре H, рассчитываемое по формуле
где
RУД - удельное активное сопротивление, Ом/м, при нормированной температуре;
L - длина проводника до места КЗ, м;
tр- условная температура, равная для меди 234°С, для алюминия 236°С;
- коэффициент увеличения активного сопротивления проводника, где Qk - конечная температура проводника, рассчитанная по формуле (3).
ГРАФИЧЕСКАЯ КАРТИНА РАСЧЕТА
Наглядное представление о том, как меняется ток КЗ, время действия защитной аппаратуры и температура проводника по мере удаления точки КЗ от щита 0,4 кВ можно получить из рис. 2, 3, 4. Напоминаем, что согласно [1] рассматривается отказ основной защиты (автомат А1) и действие резервной защиты (автомат А2).
Кривая А на рис. 2 отражает характер изменения тока КЗ по мере удаления точки повреждения от щита 0,4 кВ без учета увеличения сопротивления в процессе КЗ.
На рис. 3 этой кривой соответствует кривая С, отражающая время действия защитного автомата А2 при коротких замыканиях в разных точках. При этом отрезок 0 - в соответствует зоне действия отсечки автомата, а отрезок в - с соответствует зоне действия теплового расцепителя автомата.
Для сравнения на рисунках приведены кривые В, отражающая изменение тока КЗ, и D, отражающая изменение времени действия автомата А2, построенные с учетом увеличения активного сопротивления проводника в процессе КЗ.
Как показывает сравнение этих кривых, при росте сопротивления проводника зона действия отсечки (электромагнитного расцепителя) сокращается. Одновременно видно, что на границе перехода из зоны отсечки в зону действия теплового расцепителя (отрезки в - с и а - с) время отключения повреждения увеличивается скачком (в 10 и более раз), что вызывает резкий рост температуры и сопротивления проводника и соответствующее снижение тока КЗ.
По мере дальнейшего увеличения расстояния точки КЗ от источника питания время действия защитного аппарата увеличивается более интенсивно при росте сопротивления проводника. При этом время отключения КЗ и конечная температура проводника во многом зависит от времятоковой характеристики защитного аппарата - t = f(I).
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ПОКАЗАТЕЛЬ РАСЧЕТА
Определяющим показателем для расчета является изменение температуры проводника при отключении повреждения.
Для оценки состояния проводника (кабеля) после отключения КЗ в [1] установлено несколько критериев в зависимости от конечной температуры токопроводящих жил. По ним определяется возможность дальнейшей эксплуатации проводника или необходимость его замены. В частности, установлено, что возгорание кабеля с ПВХ-изоляцией наступает при температуре жил проводника 350°С и выше.
Расчеты показывают, что в зависимости от конкретной схемы и технической характеристики резервирующего автомата, температура кабелей малого сечения может превысить величину, допустимую по условию невозгорания. Так, на рис. 4 показано полученное расчетным путем изменение температуры жил двух кабелей - ВВГ(3х2, 5+1х1,5) и ВВГ(3х6+1х4) в зависимости от удаления от щита 0,4 кВ точки повреждения при действии резервирующего автомата А2. Из графика видно, что вне зоны действия отсечки температура обоих кабелей превышает допустимую норму. При этом особенно резко повышается температура кабеля малого сечения - ВВГ(Зх2,5+1х1,5). Температура кабеля ВВГ(Зх6+1х4) хоть и значительно ниже, но зато время действия теплового расцепителя при этом достигает двух десятков секунд. При таких температурах и продолжительности горения дуги поврежденный кабель успеет, если и не поджечь, то наверняка расплавить изоляцию близлежащих кабелей. Вследствие этого уже в них возникнут КЗ, и авария примет массовый характер с реальной вероятностью пожара.
ТОЧЕН ТОЛЬКО КОМПЬЮТЕРНЫЙ РАСЧЕТ
Таким образом, несмотря на сложность описанных выше расчетов их выполнение необзодимо для правильного выбора защитной аппаратуры и проводнтков, что значительно уменьшает вероятность пожара. В филиале Энергосетьпроект-НН-СЭЩ разрабатывается программа САПР на основе объединения математических зависимостей приведенныхв [1,3,4] сдобавлением время-токовых характеристик защитной аппаратуры. Получившийся алгоритм представляющий собой систему нелинейных уравнений и графических зависимостей не имеет аналитического решения, но он может быть решен методом итерации с использованием вычислительной техники.
НЕКОТОРЫЕ ВЫВОДЫ ПО МЕТОДИКЕ РАСЧЕТА
1. Приведенные в руководящих материалах формулы и вспомога тельные кривые позволяют определить увеличение активного со противления проводника при КЗ только при неизменяющихся значениях тока и времени его отключения.
В низковольтной сети, где ток КЗ и время его отключения в значительной степени сами зависят от активного сопротивления проводника и время-токовой характеристики автоматического выключателя, расчет следует выполнять путем совместного решения системы математических и графических зависимостей.
2. Расчеты стойкости кабеля к возгоранию следует производить не только на головном, но и на других участках кабеля в зонах действия как независимой, так и зависимой от тока части время-токовой характеристики автомата резервной защиты.
3. Указанные расчеты необходимо выполнять с помощью специально разработанной программы в системе автоматизированного проектирования сети собственных нужд энергетических объектов (САПР).
О том, что показали выполненные расчеты в отношении построения схем сети и выбора защитной аппаратуры, автор расскажет во второй части статьи, которая будет опубликована в следующем номере журнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Циркуляр РАО "ЕЭС России" № Ц-02-98(Э). О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания.
2. Правила устройства электроустановок (гл. 3 6-го изд., гл. 1.7 7-го изд).
3. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. - МЭИ. - Под ред. Б.Н. Неклепаева. - 2004 г.
4. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. - Введ. С 1994 г.
| 
|
