 |
СИСТЕМА СОБСТВЕННЫХ НУЖД ПОДСТАНЦИЙ.
СПЕЦИФИКА РАСЧЕТА НАГРЕВА ПРОВОДНИКОВ
Стремление снизить вероятность возгорания кабельных линий приводит к ужесточению требований по защите сетей 0,4 кВ электростанций и подстанций. В то же время задачи, которые в свете новых
требований встают перед проектировщиками, не всегда могут быть
решены с помощью существующей методической базы расчета нагрева кабельных трасс.
Петербургские ученые Александр Анатольевич Лапидус и Светлана
Николаевна Соловьева предлагают новую методику расчета нагрева
кабелей в системе собственных нужд подстанций по мгновенному
значению полного тока и сравнивают ее с методикой расчета по действующему значению тока.
 | |  |
Александр Лапидус,
к.т.н., доцент | | Светлана Соловьева,
ассистент | | Кафедра «Электрические станции
и автоматизация энергетических систем»
СПбГПУ, г. Санкт-Петербург |
В [1] показано, что существующие методики расчета электротеплового процесса в кабельных линиях 0,4 кВ нуждаются в
уточнении. На основании теоретического и расчетного анализа
предложена уточненная методика расчета токов короткого
замыкания (КЗ) и нагрева проводников при малых расчетных
временах по мгновенному значению полного тока КЗ i, реализуемая с помощью вычислительной техники.
Предлагаемый подход базируется на исследовании электросети с питающим трансформатором мощностью 1000 кВА.
Результатом данного анализа является обоснование перехода
от методики расчета по действующему значению тока Iп к методике, основанной на мгновенном значении тока i.
В дискуссии [2] было предложено расширить выводы работы [1] для трансформаторов собственных нужд меньших мощностей, чтобы охватить всевозможные схемы, характерные не
только для мощных энергоблоков, но и для подстанций.
Указанные замечания учтены в данной статье. При этом
определяются границы применения новой методики ввиду
ее сложности по сравнению с традиционными подходами к
расчету нагрева кабелей при КЗ [3].
УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ МЕТОДИК
На рис. 1 представлена схема собственных нужд подстанции
(ПС) с указанием характерных точек КЗ:
Рис. 1 Типовая схема собственных нужд подстанции
К1 – в начале индивидуальной кабельной линии (КЛ), отходящей от щита 0,4 кВ;
К2 – на расстоянии 20 м от начала индивидуальной КЛ (для
проверки на невозгораемость (НВ) согласно [3]);
К3 – на зажимах потребителя;
К4 – в начале групповой кабельной линии (КЛ), отходящей
от щита 0,4 кВ;
К5 – на расстоянии 20 м от начала групповой КЛ;
К6 – на вторичной сборке;
К7 – в начале КЛ, отходящей от вторичной сборки;
К8 – на расстоянии 20 м от начала КЛ, отходящей от вторичной сборки;
К9 – на зажимах конечного потребителя.
Мощность каждого ТСН должна быть не более 630 кВА для
подстанций 110–220 кВ и не более 1000 кВА для подстанций
330 кВ и выше [4]. Исходя из этого, расчеты проведены для
трансформаторов собственных нужд с диапазоном мощностей
Sном = 63…630 кВА. Параметры трансформаторов взяты из
источников [5, 6].
У современных автоматических выключателей минимальное время отключения токов КЗ может достигать порядка
0,01 с [7, 8]. Поэтому время отключения автоматического
выключателя за вторичной сборкой принято tоткл.АВ4 = 0,01 с.
Времена отключения остальных автоматов выберем из условия
селективности: tоткл.АВ1 = 0,4 с, tоткл.ав2 = 0,2 с, tоткл.АВ3 = 0,1 с.
Сечение групповой кабельной линии (КЛ2), питающей
вторичную сборку, принималось минимальным по двум
критериям:
- по условию нормального режима, то есть по длительно допустимому току;
- по условию аварийного режима, то есть по термической стойкости (ТС) и по невозгораемости (НВ).
Для индивидуальных кабельных линий КЛ1, КЛ3 определяющими являются термическая стойкость и невозгораемость.
Поэтому в расчетных примерах фигурируют такие сечения
указанных линий, для которых нагрев кабельных линий происходит до температур, близких к допустимым температурам
по условиям ТС и НВ.
Минимальные сечения кабелей, отходящих от вторичной
сборки, зависят от параметров ТСН, а также от длины, сечения
и материала группового кабеля. Чтобы избежать многочисленных вариативных расчетов, в качестве определяющего условия
для выбора указанных кабельных линий был принят ток КЗ
на вторичной сборке.
Очевидно, что один и тот же ток КЗ на вторичной сборке
можно задавать, используя различные комбинации длин и
сечений группового кабеля. Расчеты показали, что при фиксированном трансформаторе собственных нужд способ задания
тока КЗ на вторичной сборке не влияет на электротепловые
процессы за сборкой.
Расчеты для трансформаторов различных мощностей
показали, что наибольшие расхождения в температурах,
полученных по двум указанным методикам, наблюдаются
для индивидуальных кабельных линий небольшого сечения
(до 35 мм2) при малых временах отключения КЗ (tоткл = 0,01 с)
в начале кабеля. Описанные условия совпадают с условиями
проверки кабельных линий на термическую стойкость.
РАСЧЕТНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА
В табл. 1 приведены расчетные температуры нагрева индивидуальных кабельных линий КЛ1, отходящих от первичной
сборки.
Таблица 1. Температуры нагрева индивидуальных кабелей
КЛ1, отходящих от первичной сборки 0,4 кВ,
при их проверке на термическую стойкость
при времени отключения КЗ tоткл = 0,01 с
Из приведенных данных видно, что чем больше мощность питающего трансформатора, тем выше методическая
погрешность вычисления температуры. При этом методика,
основанная на действующем значении периодической составляющей тока КЗ, преуменьшает реальную температуру
нагрева. Сечения кабельных линий подобраны такими, чтобы
по методике Iп термическая стойкость обеспечивалась, а по
методике i – нарушалась. Допустимая температура по условию ТС принята 160 °С, что соответствует пластмассовой и
резиновой изоляции [3].
В табл. 2 приведены расчетные температуры нагрева индивидуальных кабельных линий КЛ3, отходящих от вторичной
сборки. Как было сказано выше, определяющим параметром
для электротеплового процесса в этом случае является уровень токов КЗ на вторичной сборке. Данные токи КЗ приняты
таким образом, чтобы результаты расчета температур по двум
методикам приводили к разным выводам по термической
стойкости кабелей.
Таблица 2. Температуры нагрева индивидуальных кабелей
КЛ3, отходящих от вторичных сборок, с уровнем
тока КЗ Iп0 при проверке на термическую
стойкость при времени отключения КЗ tоткл = 0,01 с
При анализе табл. 2 видно, что на нагрев КЛ сильно влияет напряжение короткого замыкания трансформатора uк. С
увеличением uк трансформатора возрастает и погрешность
расчета при использовании методики i. На температуры
нагрева КЛ, полученные с использованием методики Iп,
параметры трансформатора практически не влияют. Для
различных трансформаторов и КЛ разброс расчетных температур, определенных по методике Iп, гораздо меньше, чем
по методике i.
Результаты расчета для других точек КЗ и для другого
условия (условия невозгораемости) не приводятся, так как расчетные температуры, полученные по различным методикам,
практически не отличаются друг от друга.
На рис. 2 приведены графики температур нагрева жил
кабелей, рассчитанных по разным методикам и для разного
времени отключения. Данные зависимости получены при
расчете точки К7 (рис. 1) с параметрами схемы:
- трансформатор 6/0,4 кВ мощностью Sном = 160 кВА;
- напряжение КЗ uк = 4,5%;
- потери активной мощности КЗ Рк = 2,65 кВт;
- КЛ2 – алюминиевая, сечением s = 120 мм2 и протяженностью 50 м;
- КЛ3 – алюминиевая, сечением s = 10 мм2.
Графики на рис. 2а и 2б отражают один и тот же процесс
нагрева, но для наглядности построены в разных масштабах по
времени.
График на рис. 2а представляет собой увеличенную
начальную часть общего графика на рис. 2б.
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что чем меньше время отключения тока КЗ, тем сильнее
отличаются результаты расчета по разным методикам.
ВЫВОДЫ
1. Температура нагрева кабельной линии при расчете по
мгновенному значению полного тока КЗ может отличаться
от полученного значения температуры при расчете по действующему значению периодической составляющей тока
КЗ как в большую, так и в меньшую стороны.
2. Чем меньше время отключения КЗ, тем больше термическое
воздействие на КЛ зависит от начальной фазы возникновения КЗ.
3. При расчете нагрева кабелей по Iп для сетей, защищенных автоматами с малыми временами отключения, погрешность расчета становится недопустимой в связи с усреднением тока на малом промежутке времени; при
расчете удаленных точек КЗ результаты обоих методик
практически одинаковы.
4. Способ задания определенного тока КЗ на вторичной сборке не влияет на электротепловые процессы за сборкой.
5. Для различных мощностей трансформаторов, при фиксированном токе КЗ на вторичной сборке:
- температура, определенная по методике Iп, остается неизменной;
- температура, определенная по методике i, с ростом мощности трансформатора снижается и стремится к величине, определенной по методике Iп.
Изложенные закономерности позволяют сделать общий
вывод: расчет нагрева жил кабелей при воздействии токов КЗ
малой длительности (сотые доли секунды) в начале кабельной
линии, необходимо осуществлять, опираясь на мгновенные
значения тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лапидус А.А. Расчет нагрева проводников, защищенных автоматическими выключателями // Новости ЭлектроТехники. 2009.
№ 2.
2. Лапидус А.А., Фишман В.С. О проверке проводников на термическую стойкость и невозгорание // Новости ЭлектроТехники.
2009. №2.
3. Циркуляр № Ц-02-98(э) «О проверке кабелей на невозгорание
при воздействии тока короткого замыкания» Департамента
стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС
России».
4. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–750 кВ. СО 153-34.20.122-
2006.
5. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового
и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е
изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.
6. Официальный сайт ЗАО «Группа компаний "Электрощит" –
ТМ Самара» [Электронный ресурс]. – Самара, 2010. – Режим
доступа: http://www.electroshield.ru/.
7. Автоматические выключатели от 0,5 до 125 А серии MULTI9.
Технические условия TYME-009-SE-99. 1999.
8. Автоматические выключатели типа COMPACT NS. Технические
условия. 1996.
| 
|
