 |
ЭКРАНЫ КОНТРОЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ
В материале новосибирских специалистов изложен принципиально новый подход к оценке термической стойкости экранов и оболочек кабелей, проложенных на ору подстанций высокого напряжения и заземлённых с двух концов.
Согласно новой методике, для оценки термической стойкости необходимо знать лишь разность потенциалов по концам кабеля при коротких замыканиях на подстанции. значения токов, протекающих по экрану, знать необязательно.
Сергей Нестеров, к.т.н., доцент, Новосибирский ГТУ
Сергей Прохоренко, к.т.н., директор ЗАО «Сибэлектросетьсервис», г. Новосибирск
Для эффективного экранирования высокочастотных (ВЧ) помех экран кабеля должен быть заземлен на обоих концах. При этом возникает опасность протекания по нему значительных токов при несимметричных коротких замыканиях (КЗ) на территории станции или подстанции вследствие неэквипотенциальности заземляющего устройства. Протекающий по экрану ток вызывает его нагрев, который может превысить допустимый уровень. Для определения допустимого тока в экране кабеля в [1] приведена соответствующая формула, но она, к сожалению, не отображает всей физики процесса нагрева, по ней невозможно определить конечную температуру и задать начальную.
Согласно [2] расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ следует определять сложением времени действия основной релейной защиты и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость- сложением времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения соответствующего выключателя. Также при расчетной продолжительности КЗ до 1 с процесс нагрева провод-ников под действием тока КЗ допустимо считать адиабатическим, а при расчетной продолжительности более 1 с и при паузах АПВ такого же порядка следует учитывать теплоотдачу в окружающую среду.
ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА
Значения допустимой температуры нагрева для экрана в нормативной литературе и в справочных данных не приводятся, а даются только данные о температурах нагрева жил кабелей, которые, видимо, можно принять и для экранов тех же кабелей. Ввиду лучшего, чем у жил, теплового контакта экрана с соседними элементами, такое допущение будет давать определенный запас при расчете.
Согласно нормативной литературе [2, 3] и техническим данным заводов-изготовителей кабельной продукции, допустимая температура нагрева при КЗ для кабелей с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката составляет 150-160 OС, предельная температура жил при КЗ по условию невозгорания 400 OС. Существуют и более нагревостойкие кабели, например, для кабелей марок КВВГЭнг-FRLS допустимая температура жил при КЗ составляет 250 OС.
В контрольных кабелях марки КВВГЭ экран выполнен в виде обмотки из медной фольги, или медной ленты номинальной толщиной 0,06 мм, или алюминиевой фольги номинальной толщиной 0,1-0,15 мм с перекрытием, обеспечивающим сплошность экрана при допустимых радиусах изгиба кабелей. Допускается изготовление экрана из продольно накладываемых с перекрытием гофрированных алюминиевых лент. Вдоль экрана из алюминиевой фольги продольно проложена медная проволока диаметром 0,4-0,6 мм.
ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ
Поскольку экран обладает большим по площади контактом с окружающей его оболочкой, то целесообразно учитывать тепловую передачу от экрана в оболочку и в другие элементы кабеля. Согласно [4] коэффициент учета тепловых потерь в соседние элементы e для экранов кабелей определяется по формуле:
Формула (4) позволяет учитывать изменяющееся удельное сопротивление материала при его нагревании. Для металлов удельное сопротивление с увеличением температуры растёт, соответственно при протекании по проводнику неизменяющегося тока и его нагреве количество выделяющейся энергии в единицу времени возрастает. Но в случае, если приложенное к проводнику напряжение неизменно, то при увеличении его сопротивления снижается протекающий по элементу ток и тепловыделение уменьшается.
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА
Поэтому важным вопросом при тепловом расчете токопроводящего элемента является выбор подходящей модели. Если сопротивление рассчитываемого элемента пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением источника энергии, то мы имеем источник тока и с увеличением удельного сопротивления увеличивается энерговыделение.
Если сопротивление внешней цепи пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением рассматриваемого проводника, то мы имеем дело с источником напряжения. Тогда при увеличении сопротивления проводника тепловыделение будет снижаться. В промежуточном варианте при соизмеримых сопротивлениях рассматриваемого проводника и источника энергии задача усложняется необходимостью решения нелинейной системы уравнений электрических цепей и тепловых расчетов.
Для выбора адекватной модели теплового расчета заземленного с двух сторон экрана кабеля была сделана экспериментально-расчетная оценка диапазона значений интересующих нас параметров.
На рис. 2 показана расчетная зависимость сопротивления медного экрана толщиной 0,06 мм (а) и алюминиевого экрана толщиной 0,15 мм (б) при внешнем диаметре кабеля 10, 20 и 30 мм и при различной длине кабеля.
Данные расчеты произведены при условии, что экран представляет собой сплошной цилиндр. Фактически, так как экран выполнен в виде спирально уложенной ленты, при неидеальных контактах между витками ленты его сопротивление будет больше, чем приведенное на рис. 2.
На рис. 3 приведены результаты измерений (проведенных на более чем полутора десятках подстанций) сопротивлений экрана
кабеля, сопротивления металлосвязи между точками, на которые заземляются концы этого экрана, и отношение этих величин. В качестве
аргумента принята длина кабеля, внешний диаметр кабелей в основном составлял 10–15 мм.
Как видно, сопротивления металлосвязей качественного ЗУ станции или подстанции в пределах ОРУ находятся в диапазоне от сотых долей Ома до 0,1–0,2 Ома для больших расстояний. То есть сопротивление экрана кабеля на один-два порядка больше сопротивлений
металлосвязей. Поэтому в случае расчета термической стойкости экрана кабеля источник энергии (неэквипотенциальность ЗУ) следует рассматривать как источник ЭДС с относительно малым внутренним сопротивлением.
Это позволяет сделать два вывода: во-первых, при расчете неэквипотенциальности
заземляющего устройства наличием заземленных
с двух сторон экранов кабелей можно пренебречь, а во-вторых, при тепловом расчете экрана кабеля следует исходить из модели с неизменным приложенным напряжением. (Нужно отметить, что в некоторых случаях, например, для кабеля, выходящего за пределы энергообъекта, или с экраном, заземленным в точках с большим сопротивлением металлосвязи между ними, следует производить расчет с учетом сопротивления экрана кабеля.)
В связи с этим представляется целесообразным преобразовать уравнение теплового баланса (4) к удобному для рассматриваемого случая виду. Заменим в уравнении (4) ток на напряжение, тогда левая часть уравнения преобразуется, как:
Здесь также сделано допущение о том, что экран кабеля представляет
собой цилиндр с определенным поперечным сечением в виде кольца. В случае отсутствия или плохого контакта между витками
ленты сопротивление экрана будет больше, чем при нулевом сопротивлении этих контактов, что приведет к снижению тока через экран при неизменном напряжении и соответственно к меньшему нагреву. Сделанное допущение направлено в сторону увеличения надежности, т.е. расчет будет производиться с запасом. Следует отметить, что при условии неизменного тока для увеличения надежности
необходимо делать допущение об отсутствии контакта между витками ленты, как указано в [4].
Уравнение теплового баланса будет выглядеть, как:
Характерной особенностью получившегося уравнения является отсутствие в нем величины сечения проводника (экрана), то есть при постоянстве приложенного напряжения адиабатический нагрев
экрана не зависит от его сечения, пропорционален квадрату приложенного напряжения, обратно пропорционален квадрату его длины и зависит от свойств материала экрана.
После интегрирования данного уравнения и при условии постоянства
приложенного напряжения получаем выражение:
На рис. 4 приведены результаты расчета нагрева медного экрана кабеля длиной 100 м при протекании по нему тока в течение 0,1 с и при условии неизменного напряжения или тока, начальная температура
20 OС. Также приведены результаты расчета при отсутствии изменения
сопротивления материала при нагревании. Во всех случаях учитывался теплоотвод от экрана кабеля, определенный по (1).
Из рис. 4 видно, что при относительно малых температурах нагрева расхождение между результатами невелико, в области температуры 160 OС составляет уже около 70 OС, а в области 400 OС уже весьма значительное (по формуле (3) экран нагревается до 400 OС при приложенном напряжении 1,7 кВ, по формуле (10) – при напряжении 3,0 кВ).
На рис. 5 приведены полученные по выражению (10) зависимости нагрева (разности между конечной и начальной температурами) экрана кабеля при различных значениях отношения U/L и времени приложения напряжения t от 0,1 до 1 с.
Интересным результатом является то, что расчетные кривые для медного и алюминиевого экрана практически совпадают, что объясняется почти одинаковым температурным коэффициентом удельного сопротивления меди и алюминия и близким значением произведения величин e2 · sc · r20 этих материалов.
Для практического использования на основании формулы (10) получено эмпирическое выражение для расчета нагрева экрана кабеля:
где DQ – нагрев экрана кабеля (в OС);
U – приложенное неизменное напряжение, (В);
L – длина кабеля, (м);
t – время, (с).
Результат, полученный по выражению (11), учитывает и теплоотвод
от экрана к изоляции кабеля, и увеличение удельного сопротивления
материала экрана при его нагревании. При этом экран может быть выполнен как из меди, так и из алюминия, толщина экрана принята равной среднему типовому значению для кабелей марки КВВГЭ. Коэффициенты в выражении подобраны с целью минимизации погрешности расчета для температур нагрева от 10 до 1000 OС, в этом случае разница с выражением (10) находится в пределах от –10 до +20 %.
Для оценки термической стойкости экранов контрольных кабелей необходимо знать приложенное к заземленным концам экрана напряжение.
Эти напряжения могут быть получены на действующих объектах путем моделирования ОКЗ на ОРУ с учетом всех составляющих тока КЗ - оттекающих в энергосистему и возвращающихся к заземленным нейтралям трансформаторов. При проектировании единственным способом оценки возникающих разностей потенциалов в процессе КЗ является расчет, производимый, как правило, с помощью специализированного программного обеспечения.
При расчетах возникающих разностей потенциалов по территории ЗУ при КЗ следует учитывать комплексный характер величин, определяющих протекающие процессы. Однако картина распределения потенциалов строится, как правило, относительно зоны нулевого потенциала и графически отображает только модули их значений. Если по такой диаграмме определить разность между потенциалами каких-либо двух точек на ЗУ как разницу модулей потенциалов, то при значительных фазовых сдвигах эта разница может существенно отличаться от фактической разности, рассчитанной с учетом фаз.
Для правильного определения напряжений между точками заземления экранов кабелей следует выводить картину распределения потенциалов, рассчитанных не относительно зоны нулевого потенциала, а относительно одной из точек заземления экрана. Если в качестве такой точки выбрать место размещения ОПУ, то наглядно можно оценить возникающие напряжения, которые будут приложены как к изоляции всех кабелей, заходящих на ОПУ, так и к заземленным в ОПУ и на ОРУ экранам контрольных кабелей.
ВЫВОДЫ
1. Расчет термической стойкости экранов контрольных кабелей, заземленных на ОРУ, следует производить при условии неизменности приложенного напряжения, а не протекающего по нему тока. В противном случае результаты расчета конечной температуры будут завышены.
2. Полученные зависимости показывают, что при неизменном напряжении, прикладываемом к проводнику, температура нагрева последнего не зависит от его сечения, а определяется длиной проводника, характеристиками материала и приложенным напряжением.
3. В связи с близким значением температурного коэффициента удельного сопротивления меди и алюминия и почти равным значением произведения величин e2 · sc · r20 расчетные кривые для определения температуры нагрева медных и алюминиевых экранов практически совпадают.
4. Получено простое эмпирическое выражение, позволяющее с допустимой для инженерных расчетов точностью определять температуру нагрева экранов кабелей с учетом теплоотвода в соседние с экраном элементы и при условии постоянства приложенного напряжения.
5. При расчете напряжений, прикладываемых к экранам кабелей при их двухстороннем заземлении, необходимо учитывать фазовые сдвиги между потенциалами отдельных точек ЗУ, возникающие за счет комплексного характера сопротивлений элементов заземляющего устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. СО 34.35.311.2004.
2. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.
3. Правила устройства электроустановок. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2006. - 854 с., ил.
4. ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева.
| 
|
