Исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Антонов, Андрей Анатольевич

• Антонов, Андрей Анатольевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Антонов, Андрей Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Электромагнитное взаимодействие пофазно-экранированных кабелей

1.2. Нагрев пофазно-экранированных кабелей

1.3. Влияние режима заземления нейтрали на нагрев кабелей

1.4. Выводы

2. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35 КВ

2.1. Обоснование выбора программы ЕМТР-ЯУ для математического моделирования переходных процессов

2.2. Верификация математической модели

2.3. Обоснование выбора программы ЕЬСиТ для математического моделирования тепловых процессов

2.4. Определение тепловыделения дугового столба

2.5. Верификация математической модели

2.6. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В МЕСТЕ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ

3.1. Температура нагрева пофазно-экранированных кабелей в нормальном режиме

3.2. Процесс перехода однофазного замыкания в двухфазное короткое замыкание на землю

3.3. Рекомендации по предотвращению перехода однофазных замыканий на землю в двухфазные короткие замыкания на землю

3.4. Выводы

78

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОК ДВОЙНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ

КАБЕЛЯМИ

4.1. Влияние взаимоиндукции кабелей

4.2. Влияние сопротивления заземления подстанций

4.3. Выводы

5. ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПРОВЕРКИ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЭКРАНЫ ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ

5.1. Распределение токов по экранам кабелей при сквозных и внутренних повреждениях кабельной линии

5.2. Влияние способа заземления экранов

5.3. Времятоковые кривые предельного времени отключения КЗ по условию обеспечения термической стойкости и невозгораемости

5.4. Обобщение и обоснование расчетных условий термического действия токов короткого замыкания

5.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 кВ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ

НАПРЯЖЕНИЕМ В ПРОГРАММЕ ЕМТР-ЯУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ 10 кВ. 153 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ОиСаЫлпеБ)»

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИЛ И ЭКРАНОВ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ С УЧЁТОМ НЕАДИАБАТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА НАГРЕВА ПРОВОДНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Кабельные линии (КЛ), состоящие из пофазно-экранированных кабелей одножильного исполнения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), находят широкое применение в электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ. Необходим анализ особенностей расчета и выбора пофазно-экранированных кабелей, обусловленных наличием отдельного металлического экрана у каждой из жил и использованием изолированных и компенсированных способов заземления нейтралей сетей 6 - 35 кВ.

Металлический экран не полностью компенсирует магнитное поле жилы за пределами оболочки кабеля. Известные методики не учитывают взаимоиндукцию между пофазно-экранированными кабелями при определении сопротивлений нулевой последовательности КЛ. Необходимо исследовать влияние взаимоиндукции кабелей на растекание тока короткого замыкания (КЗ) по экранам, влияние их на нагрев кабелей, влияние на погонные сопротивления КЛ и обосновать расчетные условия для выбора электрооборудования электрических сетей.

Существующие методики проверки последствий термического действия токов двойного замыкания на землю (ДЗЗ) на пофазно-экранированные кабели в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью не учитывают влияние взаимоиндукции и сопротивлений заземления подстанций на распределение тока ДЗЗ по экранам кабелей, зависимость тока ДЗЗ от способа соединения и заземления экранов КЛ. Необходимо уточнить расчетные условия проверки термического действия токов КЗ и требования, предъявляемые к релейным защитам КЛ.

Среди критериев выбора способа прокладки пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью ранее не рассматривались электродуговые процессы в месте повреждения кабеля, сопровождающиеся выделением значительной тепловой энергии. При прокладке

кабелей треугольником без просвета однофазное замыкание на землю (033) за короткое время переходит в двухфазное КЗ на землю [52], поврежденная линия отключается защитой. Необходимо оценить длительность процесса перехода 033 в КЗ и предложить рекомендации по предотвращению развития аварии.

Проведение данной научно-исследовательской работы является актуальной задачей, так как невыполнение требований термической стойкости и невозгораемости ведет к повреждениям КЛ с пофазно-экранированными кабелями в питающих и распределительных сетях и увеличению издержек на эксплуатацию кабельных сетей.

Целью работы является исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели для проверки термической стойкости и невозгораемости кабельных линий с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью напряжением 6-35 кВ на основе исследования модели процесса нагрева экранов токами короткого замыкания.

Объектом исследования являются кабельные линии, состоящие из одножильных пофазно-экранированных кабелей, в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6 - 35 кВ.

Предметом исследования являются:

- ток КЗ в экранах кабелей при внутренних ДЗЗ с учетом сопротивлений заземления подстанций и расположения точки ДЗЗ;

- ток в экранах кабелей, при внешних КЗ и ДЗЗ;

- влияние способа заземления экранов на ток ДЗЗ;

- влияние способа прокладки кабелей на взаимоиндукцию и распределение токов по экранам;

- обеспечение релейной защитой термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей;

- тепловое действие электрической дуги на изоляцию пофазно-экранированных кабелей в месте 033.

Задачами работы являются:

1) анализ состояние вопроса учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью, определение целей и задач исследования;

2) разработка уточнённых математических моделей кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями 6-35 кВ;

3) исследование термического действия электрической дуги в месте 033 на изоляцию пофазно-экранированных кабелей;

4) исследование факторов, влияющих на ток ДЗЗ в сети с пофазно-экранированными кабелями;

5) обоснование условий проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью.

Методы научных исследований базируются на теории электрических цепей, теории электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах (ЭЭС), теоретических основах релейной защиты, на расчетных и экспериментальных методах исследования процессов в ЭЭС, в том числе:

1) аналитическое решение системы линейных алгебраических уравнений;

2) математическое моделирование на основе системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа;

3) расчётно-экспериментальное исследование КЗ (ДЗЗ) и термического действия дуги в месте 033 в специализированных компьютерных программах для моделирования электромагнитных переходных процессов ЕМТР-ЯУ и тепловых

переходных процессов ЕЬСиТ;

4) расчеты по аналитическим выражениям в программе МшкСАО.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1) обобщены и систематизированы данные о влиянии на КЗ и ДЗЗ в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью отдельного металлического экрана у каждой из жил пофазно-экранированных кабелей, проанализированы недостатки условий учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ при выборе пофазно-экранированных кабелей;

2) разработаны математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся от аналогичных учетом, посредством аналитических выражений, взаимоиндукции между КЛ, сопротивлений заземления подстанций и термического действия электрической дуги 033 в сети с изолированной нейтралью;

3) получены результаты оценки продолжительности перехода ОЗЗ в двухфазное КЗ на землю в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью при наиболее неблагоприятных условиях развития повреждения, основанные на эмпирической модели оценки тепловыделения дугового столба. Доказано, что при прокладке пофазно-экранированных кабелей треугольником без просвета любое однофазное замыкание с током 100 А переходит в КЗ за время менее 1 с, увеличение просвета между кабелями помогает увеличить длительность процесса до десятков секунд, уменьшается вероятность возникновения процесса;

4) уточнены выражения для определения собственных и взаимных сопротивлений схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся учетом взаимоиндукции между линиями и сопротивлений заземления подстанций;

5) уточнен метод расчета тока КЗ (ДЗЗ) и распределения тока по экранам при внутренних повреждениях в КЛ с учетом места повреждения и

сопротивлений заземления подстанций. При этом показано, что ток ДЗЗ, рассчитанный с учетом сопротивлений заземления подстанций, снижается на 15 -25%, и проверку чувствительности релейных защит необходимо проводить по току ДЗЗ вместо двухфазного КЗ;

6) получен отличительный признак внутреннего повреждения КЛ с пофазно-экранированными кабелями от внешнего:

- при внутреннем повреждении ток в заземлителе экранов с питающей стороны КЛ всегда превышает ток в заземлителе экранов со стороны нагрузки КЛ;

- при внешнем повреждении ток в заземлителях экранов с питающей стороны КЛ и со стороны нагрузки КЛ одинаковы;

7) обоснованы условия проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью: неучет сопротивлений заземлений подстанций, определение тока в экране по разработанным аналитическим выражениям в зависимости от места КЗ (ДЗЗ); расчет температуры экрана по неадиабатическому процессу. Доказано, что в сети с изолированной и компенсированной нейтралью термическая стойкость и невозгораемость распространенных типов пофазно-экранированных кабелей определяется металлическим экраном.

Достоверность научных положений диссертационной работы.

Достоверность математических моделей подтверждается

удовлетворительным совпадением результатов моделирования с результатами верификационных расчетов, выполненными по известным аналитическим выражениям в программном обеспечении МшкСАЭ. Результаты работы подтверждены сопоставлением сведений по авариям в действующих сетях с пофазно-экранированными кабелями с результатами расчетно-теоретических исследований на математических моделях в программах ЕМТР-ЯУ и ЕЬСиТ.

Практическая ценность работы:

1) Разработаны методические указания по определению параметров схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями с учетом взаимоиндукции между КЛ, для последующего расчета КЗ и ДЗЗ в электрических сетях;

2) Разработан метод расчета распределения тока по экранам кабелей при внешних и внутренних КЗ (ДЗЗ) с учетом сопротивлений заземления подстанций, позволяющий выбирать параметры блокировки АПВ кабельно-воздушных линий.

3) Разработаны практические рекомендации по выбору расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью.

Реализация и внедрение результатов работы.

1) обоснован выбор расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабелей, результаты используются на курсах повышения квалификации специалистов электросетевых и проектных организаций, проводимых в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;

2) разработана компьютерная программа ОиСаЬЫпех для определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями для последующего расчета коротких замыканий и выбора уставок релейных защит, программа используется во всех региональных филиалах ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «СО ЕЭС»;

3) методические указания и алгоритм определения сопротивлений К Л с пофазно-экранированными кабелями приняты к утверждению в качестве стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС».

Положения, выносимые на защиту:

1) уточненные модели кабельной сети с пофазно-экранированными

и

кабелями, отличающиеся учетом, посредством разработанных аналитических выражений, взаимоиндукции между KJ1, сопротивлений заземления подстанций и термического действия дуги в месте 033;

2) результаты оценки термического действия электрической дуги в месте ОЗЗ на изоляцию неповрежденных пофазно-экранированных кабелей при прокладке треугольником вплотную и горизонтально с просветом;

3) уточненные выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности KJI с пофазно-экранированными кабелями в части учета взаимоиндукции с соседними линиями и сопротивлений заземления подстанций;

4) проверка чувствительности релейных защит пофазно-экранированных кабелей по токам ДЗЗ, определяемых с учетом сопротивлений заземлений подстанций;

5) условия выбора пофазно-экранированных кабелей с учетом термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны: вид и место КЗ (ДЗЗ), распределение тока КЗ (ДЗЗ) по экранам, нагрев экранов - по неадиабатическому процессу;

6) термическая стойкость и невозгораемость KJI с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью полностью определяется металлическим экраном, при выполнении условий термической стойкости и невозгораемости для экрана, жила KJI заведомо будет удовлетворять условиям выбора по КЗ (ДЗЗ).

Апробация результатов работы. Работа была апробирована:

1) на XV, XVI и XVII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), февраль 2009, февраль 2010 гг.; НИУ «МЭИ», февраль 2011 г.);

2) на VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, апрель 2012 г.);

3) на III и IV международных научно-технических конференциях

«Энергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.; г. Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано восемь печатных работ [64], [66-70], [72-73], в том числе две статьи [64], [72] - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 72 наименований источников, пяти приложений. Основной текст диссертации изложен на 146 страницах, включает 76 ри сунков и 6 таблиц. Общий объем диссертации 173 страницы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, научная новизна, формулируется цель и основные задачи исследований, описывается реализация и внедрение результатов работы, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования» проведен аналитический обзор работ по применению пофазно-экранированных кабелей в сетях 6 - 35 кВ. Показано, что в нормативную документацию не внесены дополнения и уточнения, касающиеся применения пофазно-экранированных кабелей в сетях 6 — 35 кВ. Установлено, что в каталогах производителей отсутствуют сопротивления нулевой последовательности KJI с пофазно-экранированными кабелями, необходимые для определения токов ДЗЗ. Приведены недостатки существующих методик определения сопротивлений нулевой последовательности KJI с пофазно-экранированными кабелями, в частности, методики не учитывают, посредством аналитических выражений,

взаимоиндукцию и сопротивления заземления подстанций. Показано, что сопротивление заземления подстанции, при использовании пофазно-экранированных кабелей, не удается снизить до близких к нулю значений.

Представлен ряд работ по проверке термической стойкости и невозгораемости экранов пофазно-экранированных кабелей, показана необходимость учета дополнительных расчетных условий: внешнее или внутреннее КЗ (ДЗЗ), распределение тока ДЗЗ по экранам, адиабатический или неадиабатический характер нагрева экрана. Показано, что в сети с изолированной и компенсированной нейтралью расчетным для проверки термического действия токов КЗ является ДЗЗ, частичное разземление или транспозиция экранов не являются основанием для снижения сечения экрана.

Проведен анализ работ по исследованию перенапряжений при 033 в сети с изолированной нейтралью. Показано, что дуговые перенапряжения обладают кратностью до 3,2Иф, поэтому существенно снижают ресурс твердой изоляции (СПЭ) кабелей, не обладающей, в отличие от бумажной пропитанной изоляции, свойством самовосстановления.

Показано, что ОЗЗ в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в сетях с изолированной нейтралью переходят в двухфазные КЗ на землю. Представлен ряд работ по оценке термического действия дуги на электроустановки, приведены эмпирические выражения для численной оценки выделения дуговым столбом тепловой энергии, в зависимости от тока замыкания, времени и расстояния до дуги. Проведен анализ расчетных условий и допущений эмпирической модели для расчета тепловыделения дуги при ОЗЗ.

Во второй главе «Разработка уточненных математических моделей кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями напряжением 6-35

кВ» разработаны: уточненная математическая модель распределительной сети 10 кВ с пофазно-экранированными кабелями в программе ЕМТР-ЯУ и уточненная

математическая модель переходных тепловых процессов в месте 033 кабельной линии с пофазно-экранированными кабелями в программе ЕЬСиТ.

Перечислены требования к расчетным моделям, принятые допущения. Достоверность математических моделей подтверждена выполнением верификационных расчетов. Для модели кабельной сети в программе ЕМТР-ЯУ выполнено сопоставление значений токов ДЗЗ, полученных по аналитическим выражениям в программе МшкСАИ, и на расчетной модели в программе ЕМТР-ЯУ. Для модели тепловых процессов при 033 в программе ЕЬСиТ выполнено сопоставление двух способов определения тепловыделения от дугового столба, а также визуальное сравнение зоны повреждения кабеля после реального случая 033 с зоной повреждения, рассчитанной на модели.

Расчетная модель распределительной кабельной сети в программе ЕМТР-ЯУ позволяет исследовать особенности КЗ в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью: пути протекания токов КЗ при внутренних и внешних повреждениях КЛ, распределение тока КЗ по экранам кабелей при внутренних КЗ с учетом сопротивлений заземления подстанций, влияние взаимоиндукции между КЛ на токи в экранах соседних КЛ, определить факторы, влияющие на термическое действие токов КЗ на экраны, и чувствительность токовых защит пофазно-экранированных кабелей.

Расчетная математическая модель переходных тепловых процессов при 033 в программе ЕЬСиТ позволяет исследовать особенности нагрева изоляции пофазно-экранированных кабелей в месте 033, дать рекомендации по предотвращению перехода 033 в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в двухфазное КЗ на землю.

В третьей главе «Исследование термического действия электрической дуги в месте однофазного замыкания» выполнен расчет времени перехода ОЗЗ в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в двухфазное КЗ на землю при

прокладке кабелей треугольником без просвета и горизонтально с просветом 70 мм, для этого проведено моделирование переходных тепловых процессов при ОЗЗ в программе ЕЬСиТ.

Проанализирован тепловой режим КЛ в предшествующем режиме. Выявлено, что в нормальном режиме, при прокладке пофазно-экранированных кабелей треугольником вплотную, возникают локальные области перегрева рабочей изоляции в точках соприкосновения кабелей, в них вероятность появления частичных разрядов в жильной изоляции от жилы в направлении экрана (триингов) и возникновения ОЗЗ наибольшая.

На основе расчетов показано, что для пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью, проложенных треугольником без просвета, отсутствуют условия для самопогасания дуги. ОЗЗ в КЛ с пофазно-экранированными кабелями переходит в двухфазное КЗ на землю. При токах однофазного замыкания 100 А и более время процесса составляет менее 1 с. Требуется селективное отключение однофазных замыканий релейной защитой.

Расчеты термического действия электрической дуги в месте однофазного замыкания показали, что прокладка пофазно-экранированных кабелей в сетях 635 кВ горизонтально с просветом, практически исключает возможность превращения ОЗЗ в двухфазное КЗ на землю. Однако при этом возрастают токи в экранах в нормальном режиме, меры для снижения токов в экранах могут стать причиной увеличения затрат на строительство распределительных сетей с пофазно-экранированными кабелями.

В четвертой главе «Исследование факторов, влияющих на ток двойного замыкания на землю в сети с пофазно-экранированными кабелями»

выполнен анализ влияния взаимоиндукции между близко проложенными КЛ и сопротивлений заземления подстанций на ток ДЗЗ в распределительных сетях с пофазно-экранированными кабелями. Получены аналитические выражения для

определения сопротивлений нулевой последовательности KJI с учетом указанных факторов, проанализировано влияние факторов на сопротивление нулевой последовательности KJI и ток ДЗЗ, предложены рекомендации по учету факторов при определении максимальных и минимальных токов ДЗЗ.

Получены уточненные аналитические выражения определения сопротивлений нулевой последовательности двух KJI с пофазно-экранированными кабелями: представлены схема замещения, расчетные выражения. Выявлено, что наиболее существенное влияние на сопротивление оказывают три фактора: удаленность KJI друг от друга S\.2, сечение металлического экрана и сопротивление заземления подстанций. Влияние класса напряжения, сечения жилы, просветов Sb S2 -несущественно. При отказе от учета взаимоиндукции значение сопротивления нулевой последовательности KJ1 завышается. Установлено, что под влиянием взаимоиндукции при протекании тока КЗ по одной линии, в экранах близких линий возникают наведенные токи до 1000 А, в жилах близких линий - до (20 - 30) А.

Исследовано влияние сопротивления заземления подстанций на ток ДЗЗ. Результаты расчетов показали, что сопротивления заземления подстанций Ä£] и RE2 оказывают заметное влияние на ток КЗ: при RE\ и R& 0,5 Ом уменьшение тока ДЗЗ составляет 10 - 15%. Установлено, что при сопротивлениях RE] и Rn 0,5 Ом расчетный ток ДЗЗ снижается меньше тока двухфазного КЗ, и проверку чувствительности максимальной токовой защиты (МТЗ) для большинства KJ1 с пофазно-экранированными линиями в распределительных сетях 6 - 35 кВ необходимо выполнять по току ДЗЗ. В настоящее время чувствительность МТЗ в сетях с пофазно-экранированными KJI проверяют по двухфазному КЗ, это является одной из причин нечувствительности релейных защит к ДЗЗ.

В пятой главе «Обоснование условий проверки термического действия токов короткого замыкания на экраны пофазно-экранированных кабелей»

проведен анализ факторов, влияющих на термическое действие токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабелей. Получены расчетные условия для выбора КЛ с пофазно-экранированными кабелями с учетом термического действия токов КЗ на экраны кабелей.

Рассчитано распределение тока КЗ по экранам пофазно-экранированных кабелей при внешних и внутренних КЗ. При внешних КЗ отношение тока в экране к тому жилы /э//ж макси мальное - при однофазных КЗ (в сети с резистивно-заземленной нейтралью), минимальное - при трехфазных КЗ. Принимая во внимание непостоянное соотношение тока однофазного и трехфазного КЗ в сети, максимальный ток в экране может получаться как при однофазных, так и при трехфазных КЗ. С увеличением просвета между кабелями отношение /э//ж возрастает. Распределение токов в экранах для внутренних ДЗЗ получено с помощью определения сопротивления контура КЗ (или сопротивление петли ДЗЗ) с учетом сопротивлений заземления подстанций: составлена и решена алгебраическая система уравнений по законам Кирхгофа, получены расчетные выражения для тока в начальном и конечном участках поврежденного экрана. Проанализировано влияние сечения и сопротивлений заземления подстанций, способа прокладки пофазно-экранированных кабелей на распределение токов в экранах, построены графики зависимостей.

Построены времятоковые характеристики предельного времени отключения короткого замыкания по условию обеспечения термической стойкости и невозгораемости экранов. Исследовано влияние теплообмена между экраном и прилегающей изоляцией на конечную температуру экрана к моменту отключения КЗ, для этого проведено сравнение времятоковых характеристик, полученных по адиабатическоу и неадиабатическому процессу нагрева. Учёт неадиабатического характера нагрева экранов при КЗ увеличивает допустимое время протекания тока ДЗЗ в среднем на 0,25 с для экрана сечением 35 мм2, на 0,3 с для экрана сечением 50 мм2 и на 0,4 с для экрана сечением 70 мм2, что играет существенную роль при

координации уставок срабатывания релейной защиты с термической стойкостью кабелей.

Произведено обобщение указаний по проверке термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей по экранам. Рекомендован выбор расчетного вида КЗ (внешнее или внутренее), расчет температуры экрана к моменту отключения КЗ по неадиабатическому процессу, проверка начального участка поврежденного экрана в связи с протеканием наибольшего тока КЗ. Показано, что для наиболее распространенных пофазно-экранированных кабелей термическая стойкость и невозгораемость кабеля обусловлена экраном, т.к. при внутренних повреждениях КЛ экран, по сравнению с жилой, будет находиться в более тяжелых условиях по термическому действию токов КЗ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Электромагнитное взаимодействие пофазно-экранированных кабелей

КЛ с пофазно-экранированными кабелями представляет собой трёхфазную группу экранированных кабелей одножильного исполнения с рабочей изоляцией, как правило, из сшитого полиэтилена (СПЭ). Вместо СПЭ может применяться другая аналогичная по свойствам изоляция - этиленпропиленовая резина (ЭПР) с максимальной рабочей температурой, аналогичной СПЭ - 90°С.

В современной научно-технической литературе и публикациях вопросу использования пофазно-экранированных кабелей уделяют недостаточное внимание. В частности, необходимы обобщение и систематизация знаний по вопросу учета термического действия токов КЗ на металлические экраны пофазно-экранированных кабелей.

Вопросы расчета и эксплуатации КЛ, состоящих из одножильных маслонаполненных кабелей высокого напряжения, представлены в [1-6].

Среди отечественной нормативной базы отсутствуют документы, касающиеся определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями нулевой последовательности, за исключением [7]. Поэтому проектные организации в работе вынуждены отчасти руководствоваться международными стандартами МЭК [8-9] или справочными материалами [10], составленными на их основе, которые не всегда доступны, применимы и узаконены. Часто расчеты кабелей выполняет фирма-изготовитель.

В ПУ Э [11] и ПТЭ [12] до настоящего времени не внесены соответствующие дополнения и изменения. Отсутствуют указания о выборе способа заземления экранов пофазно-экранированных кабелей, не уточняется, в каких случаях допускается их эксплуатация с односторонним заземлением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Антонов, Андрей Анатольевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы кабельной техники. Учеб. Пособие для вузов / Под ред. В.А. Привезенцева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия. - 1975. - 472 с.

2. Привезенцев В.А., Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. Учебное пособие для вузов. Под общ. Ред. В.А. Привезенцева. -М.: Энергия. - 1970. - 424 с.

3. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. - М.: ЭАИ. - 1996. - 464 с.

4. Кузнецов И.Ф., Цицикян Г.Н. Электромагнитные силы, действующие в экранах пофазно-экранированного токопровода // Электричество. - 1970. - № 5. -С. 64-68.

5. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. Ю.Г. Барыбина, Л.Е. Фёдорова, М.Г. Зименкова, А.Г. Смирнова. - М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 463 с.

6. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 11. Расчеты токов короткого замыкания для релейной защиты и системной автоматики в сетях 110 — 750 кВ. Институт «Энергосетьпроект». - М.: Энергия. - 1979. - 152 с.

7. СТО 56947007-29.060.20.103-2011. Силовые кабели. Методика расчета устройств заземления экранов, защиты от перенапряжений изоляции силовых кабелей на напряжение 110 - 500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. - М.: ОАО «ФСК ЕЭС». - 2011. - 32 с.

8. IEC/TR 60909-2. Short-circuit currents in three-phase a.c. systems - Part 2: Data of electrical equipment for short-circuit current calculations. Edition 2.0. -Geneva: Publication of International Electrotechnical Commission. - 2008. - 43 p.

9. IEC 60909-3. Short-circuit currents in three-phase a.c. systems - Part 3: Currents during two separate simultaneous line-to-earth short circuits and partial short

circuit currents flowing through earth. Edition 3. - Geneva: International Electrotechnical Commission/ - 2009. - 118 p.

10. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4 - 35 kB и 110 — 1150 кВ, том IV / Под ред. И.Т. Горюнова, A.A. Любимова. - М.: Папирус Про. -2005.-640 с.

11. Правила устройства электроустановок. Издание седьмое. - М.: ПЦ ЭПАС,-2002,- 184 с.

12. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - СПб.: ДЕАП. - 2003. - 336 с.

13. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г. Анализ условий работы кабелей на электрических станциях с газотурбинными установками // Вестник Московского энергетического института. - 2006. - №3. - С.71-76.

14. Нечаев Б.В., Цугуля А.Ф. О влиянии неравномерности распределения тока по толщине стенок на потери в экранах мощных токопроводов // Revue Roumaine des Sciences Techniques. Serie Elektrotechnique et Energetique. - 1969. -V. 14.-No. 4.-P. 587-604.

15.Цицикян Г.Н. Электромагнитные силы в мощных токопроводах: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Л.: ЛПИ. - 1970. - 22 с.

16. Кузнецов И.Ф. Электромагнитные характеристики токоведущих систем при поверхностном эффекте и методы их определения: Автореф. дис. докт. техн. наук. - Л.: ЛПИ. - 1977. - 32 с.

17. Долин А.П. Современные токопроводы. - М.: Высшая школа. -1988. -80

с.

18. Теоретические основы электротехники. Т. 1, 2, 3 / К.С. Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - СПб.: Питер. - 2003. С. 377, 463, 576.

19. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - Т. 1, 2. - Л.: Энергоиздат. - 1981. - С. 416, 536.

20. ТУ 16.К71-335-2004. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20, 35 кВ. ВНИИКП. - М.: ВНИИКП. - 2004.

21. Инструкция по прокладке кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20 и 35 kB. RUKAB/ID 23-2-019. - М.: ABB Москабель. - 34 с.

22. Инструкция по прокладке силовых кабелей на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. ИМ СК-20-03. - М.: Камкабель. - 18 с.

23. Инструкция по эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ. ИЭ-1-К10. - М.: ABB Москабель, ВНИИКП. -24с.

24. Кабельные системы высокого напряжения 6 - 35 кВ. Проспекты компании «Nexans». - М.: Nexans. - 2010.

25. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена среднего и высокого напряжения. Проспекты компании «ABB Москабель». - М.: ABB Москабель. -2011.

26. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ. Расчет заземления экранов // Новости ЭлектроТехники. - 2007. - №2(44). -С. 125-128.

27. ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 1. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки (100%-ный коэффициент нагрузки) и расчет потерь. Общие положения. - М.: Стандартинформ. - 2009.

28. Методические вопросы расчета зависимости продольных параметров кабельных линий от частоты / А.Ф. Дьяков, Б.К. Максимов, Д.А. Матвеев, B.C. Ларин // Энергетик. - 2003. - № 3. - С. 17-24.

29. Федосеев A.M., Федосеев М.А.. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат. - 1992. - 528 е.: ил.

30. Кострик А.Г. Повышение уровня надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости при вводе современных ТЭС с ГТУ и АЭС.

05.26.01 - Охрана труда (энергетика и электротехника): Диссертация кандидата технических наук / МЭИ (ТУ). - М. - 2007. - 184 с.

31. Неклепаев Б.Н. К вопросу об учете взаимной индукции между линиями электропередачи при несимметричных режимах. // Электричество. - 1965. - №12. -С. 19-23.

32. Bernard Lacroix, Roland Calvas. Earthing systems worldwide and evolutions // Cahier Technique Merlin Gerin. - 1995. - №173. - 24 p.

33. Короткие замыкания и выбор электрооборудования: учеб. пособие для вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев и др.; под ред. И.П. Крючкова, В.А. Старшинова. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2012. - 568 е.: ил.

34. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Однофазные силовые кабели 6-500 кВ. Расчет термической стойкости экранов при КЗ // Новости ЭлектроТехники. -2008. - №2(50). - С. 80-84.

35. Расчет термической стойкости экранов одножильных кабелей 10 кВ с полиэтиленовой изоляцией / Тодирка С.Н., Попов JI.B., Пельтцер В.Б. // Энергетик. - 2002. - №4. - С. 30-31.

36. ГОСТ Р МЭК 60949-2009. Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева. - М.: Стандартинформ. - 2009. - 27 с.

37. Методика расчета металлических экранов одножильных кабелей / АО «Фирма ОРГРЭС». - М. - 1999.

38. Методика расчета токов при однофазном двойном коротком замыкании в кабельных линиях и термической стойкости металлических экранов кабелей / АО «Фирма ОРГРЭС». - М. - 1999.

39. Аварийные токи и термическая стойкость экранов кабельных линий однофазного исполнения распределительных сетей / А.Ф. Дьяков, В.Е. Зинаков, Б.К. Максимов, Д.А. Матвеев // Вестник МЭИ. - 2001. №2. С 5-10.

40. Расчет термической стойкости экранов кабельных линий однофазного исполнения в радиальных распределительных сетях / А.Ф. Дьяков, В.Е. Зинаков, Б .К. Максимов, Д.А. Матвеев // Энергетик. - 2001. - № 8. - С. 11-14.

41. ГОСТ Р МЭК 52736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания. - М.: Стандартинформ. - 2007. - 43 с.

42. Электрическая часть станций и подстанций: Учебник для вузов / Под ред. A.A. Васильева. - М.: Энергоатомиздат. - 1990. - 578 с.

43. Жуков В.В., Крючков И.П., Кузнецов Ю.П., Неклепасв Б.Н. Сопоставление существующих методов проверки коммутационных электрических аппаратов на термическую стойкость // Электрические станции. - 1996. - №8. - С. 38-46.

44. Кадомская К.П., Тихонов A.A., Цырикова О.В., Курсиш В.А. Процессы при однофазных дуговых замыканиях в сетях 6-35 кВ с учётом распределенности параметров воздушных линий // Известия вузов. Энергетика. - 1994. - № 1/2. -С.3-8.

45. Алиев Ф.Г., Злобинский В.Д., Халилов Ф.Х. Проблемы защиты от перенапряжений в системах электроснабжения. - Екатеринбург: ООО НЦ «Терминал плюс». - 2001. - 160 с.

46. Торосян A.C. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 - 10 кВ // Энергетика. Известия РАН. - 2001. - №6. - С. 67-76.

47. Короткие замыкания и несимметричные режимы электроустановок: учеб. пособие для студентов вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пираторов; под ред. И.П. Крючкова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский дом МЭИ.-2011.-472 е.: ил.

48. F.J. Pazos, A. Amezua, I. Gutierrez, J.M. Garcia, G. Santamaria, V. Valverde. Active earthing system for MV networks by means of power electronics // CIRED: Prague. - 2009. - 8-11 June.

49. Neutral Grounding in Wind Farm Medium Voltage Collector Grids / C. Feltes (Student member IEEE), R. van de Sandt (member IEEE), F. Koch, F. Shewarega (member IEEE), I. Erlich (senior member IEEE) // IEEE. - 2011.

50. Electro-magnetic transients program (EMTP). Theory book. - Quebec: POWERSYS. - 2003. - 483 p.

51.Балаков Ю.Н., Мисриханов М.Ш., Шунтов A.B. Проектирование схем электроустановок: Учебное пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ. - 2004. -228 е., ил.

52. ELCUT. Моделирование двухмерных полей методом конечных элементов. Версия 5.10. Руководство пользователя. - Санкт-Петербург: ООО «Тор».-2012.-356 с.

53. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводки при аварийных режимах. - М.: Энергоатомиздат. - 1984. - 184 с.

54. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок. - М.: ООО «КАБЕЛЬ», 2009.-328 с.

55. IEEE Std 1584™-2002. IEEE Guide for performing arc-flash hazard calculations. - New York: IEEE. - 2002. - 121 p.

56. Lee R.. The other electrical hazard: electrical arc blast burns. // IEEE Transactions on Industry Applications. - 1982. - Vol 1A-18. - no 3. - P. 246. -May/June.

57. Doughty R.L., Neal Т.Е., and Floyd H.L.. "Predicting incident energy to better manage the electric arc hazard on 600-V power distribution systems," // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2000. - Vol. 36. - no. 1. - P. 257-269. -Jan./Feb..

58. Doughty R.L., Neal Т.Е., Macalady Т., Saporita V., and Borgwald K.. The use of low voltage current limiting fuses to reduce arc flash energy. // Petroleum and Chemical Industry Conference, Industry Applications Society 46th Annual. - San Diego, CA. - 1999. P. 371-380. - Sept.

59. Neal Т.Е., Bingham, A.H., and Doughty, R.L.. Protective clothing guidelines for electric arc exposure. // Petroleum and Chemical Industry Conference, Industry Applications Society 43rd Annual. - Philadelphia, PA. - 1996. - P. 281-298. Sept.

60. Рокотян Ю.В. Принципы и методы построение систем защит судовых ЭЭС /текст/: дис. ...канд. тех. наук: 05.09.03/ Рокотян Юрий Васильевич. -Л.:ЦНИИ СЭТ. - 1984. - 150с.

61. Брон О.Б. Электрическая дуга в аппаратах управления / О. Б. Брон. — М.:Госэнергоиздат. - 1954. - 532 с.

62. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория / И. С. Таев. - М.: Энергия, - 1970.-445 с.

63. Залесский A.M. Электрическая дуга отключения / А. М. Залесский. - М.: Гоэнергоиздат. - 1967. - 320 с.

64. Антонов A.A., Гусев Ю.П. Электродуговые процессы при однофазных замыканиях в пофазно-экранированных кабелях // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журн. - 2013. - №5. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/0513.0598819

65. СТО ФСК ЕЭС 56947007-29.060.20.020-2009. Методические указания по применению силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ и выше. - М.: ОАО «ФСК ЕЭС». - 2009. - 50 с.

66. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Расчёт погонных параметров кабельных линий высокого напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. -М.: МЭИ (ТУ). - 2011. - Т.З. - С.347-348.

67. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Обеспечение термической стойкости кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена при двойных коротких замыканиях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. - М.: МЭИ (ТУ). -2009.-Т.З.-С.334-336.

68. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Особенности расчета коротких замыканий в пофазно-экранированных кабельных линиях // Тинчуринские чтения. Тез. докл. VII Междунар. молодеж. науч. конф. В 4-х т. - Казань: КГЭУ. - 2012. - Т.1. -С. 29.

69. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Распределение тока короткого замыкания по экранам пофазно-экранированных кабелей напряжением 110 - 500 кВ // Электроэнергетика глазами молодёжи. Докл. III Междунар. науч.-техн. конф. В 2-х т. - Екатеринбург: УрФУ. - 2012. - Т.2. - С. 89-93.

70. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Исследование процесса нагрева кабельных линий из сшитого полиэтилена при двойных коротких замыканиях на основе уравнения теплопроводности // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. - М.: МЭИ (ТУ). - 2010. - Т.З. - С.404-405.

71. Циркуляр № Ц-02-98(Э). О проверке кабелей на невозгораемость при воздействии тока короткого замыкания. - М: РАО «ЕЭС России». - 1998.

72. Антонов A.A., Гусев Ю.П. Влияние способов заземления экранов и взаимоиндукции пофазно-экранированных кабелей 6 - 35 кВ на токи двойных однофазных замыканий на землю // Энергетик. - 2013. - №9. - С. 42-44.

73. A.A. Антонов. Особенности проверки термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей 6-35 кВ // Электроэнергетика глазами молодёжи. Докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. В 2-х т. -Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ). - 2013. - Т. 1. - С. 286-289.

74. Справочник по проектированию электрических сетей. / Под ред. Д.Л. Файбисовича. - М.: Издательство НЦ ЭНАС. - 2005. - 179 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 кВ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ В ПРОГРАММЕ ЕМТР-ЯУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 кВ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ В ПРОГРАММЕ ЕМТР-ЯУ

Рис. П1.1. Математическая модель распределительной кабельной сети 10 кВ с пофазно-экранированными кабелями в

программном комплексе ЕМТР-ЯУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ

НАПРЯЖЕНИЕМ 10 кВ

П2.1. Исходные данные для расчета

а) Пофазно-экранированный кабель:

- тип АПвПу-1x500/70-10 [74];

- жила: сечение = 500 мм , материал - алюминий, тип жилы - круглая многопроволочная;

- экран: сечение 70 мм , материал - медь, толщина = 2,0 мм;

- наружный диаметр кабеля Ц, = 47 мм;

- толщина изоляционных слоев: рабочей изоляции t¡ = 4,0 мм, оболочки ¿3 = 2,5 мм;

- толщина полупроводящих слоев: по жиле /пс = 0,6 мм, по рабочей изоляции tn¡ = 0,6 мм, по внутренней стороне экрана = 0,5 мм;

- способ прокладки - треугольником без просвета (расстояние в просвете между кабелями равно 0);

- способ заземления экранов - с двух сторон КЛ;

- транспозиция экранов - отсутствует;

б) Длина КЛ-1 /кл-1=0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 км;

в) Сопротивления заземления подстанции в начале КЛ-1: Яе\=0,5 Ом;

г) Сопротивления заземления подстанции в конце КЛ-1: ^£2=0,5 Ом.

П2.2. Расчет геометрических размеров кабеля

Разрез поперечного сечения пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения приведен на рис. 1.1.

а) Радиус жилы кабеля гс определен и сходя из известного поперечного сечения жилы:

Гс

154

я. _ 1"5оо

V

= 13,3 мм,

где: &зап - коэффициент заполнения, учитывающий проволочную структуру жилы и принимается равным 0,9.

б) Внутренний радиус экрана кабеля г5/. с учётом полупроводящих покрытий по жиле, рабочей изоляции и внутренней поверхности экрана, равен:

^.=^+^+^.+^.+^=13,3 + 0,6+4,0+0,6+0,5 = 19,0

мм.

в) Внешний радиус экрана г5 равен: — ^у=19,0+2,0 = 21,0 мм.

г) Внешний радиус кабеля ге определяется исходя из известного внешнего диаметра De:

А 47 оо с гр =——=23,5 мм.

е 2 2

П2.3. Расчет погонных активных сопротивлений жилы и экрана

а) Погонное активное сопротивление жилы Я0 и экрана постоянному

току при температуре 20°С рассчитано по формуле в зависимости от материала проводника:

/£=^.109 =^26+1^.109=0,05653

500 км

д - . 1 р9 = 7241 •1 °~8.! р9 =0,2463 05 70 км

где: рс (р3) - удельное сопротивление жилы (экрана) при нормированной температуре 20°С [21], Омм, для меди удельное сопротивление 1,7241-10"8 Ом • м, для алюминия - 2,8264 • 10"8 Ом • м .

б) Погонное сопротивление жилы переменному току Яс, Ом/км, определено с учётом поверхностного эффекта и эффекта близости [21]:

Яс = Яо • 11 ■+ у8к + у А =0,05653 • (1 + 0,02522 + 0,03308)=0,05983

Ом

км

где: у5к~ коэффициент, учитывающий поверхностный эффект; у к коэффициент, учитывающий эффект близости; (1+УУр]А ~ коэффициент добавочных потерь.

Коэффициент, учитывающий поверхностный эффект, определен по формуле [21]:

х А 1 4914

У V =---г =--г = 0,02522,

*5к 192 + 0,8-х/ 192+0,8-1,4914

^•Ю-4-^ = Л^-Ю-4-1,0=1,491; для круглой

где хзк = многопроволочной жилы к к = 1,0.

Коэффициент, учитывающий эффект близости, определен по формуле [21]:

х

У

рк

Рк 192 + 0,8-х/

V * /

0,312

'2-гУ

V у

+ -

1,18

х

рк

192+0,8-х/

+ 0,27

1,4914

192 + 0,8-1,49 Г

^2-13,Зл2 47

0,312

'2-13,Зл

47

1,18

1,49 Г

= 0,03308,

192 + 0,8 1,49Г

+ 0,27

где

•10"4 -1,0 = 1,491; для круглой

многопроволочной жилы к к = 1,0; 5 - среднегеометрическое расстояние между

осями жил, равно наружному (внешнему) диаметру кабеля в случае прокладки пофазно-экранированных кабелей треугольником без просвета.

в) Погонное сопротивление металлического экрана переменному току с учётом рабочей температуры кабеля :

Поверхностный эффект и эффект близости в медном проволочном экране незначительны и проявляются в большей степени в круглых проводниках сечением 630 - 800 мм и более. По этой причине при расчёте сопротивления металлического экрана переменному току поверхностный эффект и эффект близости не учитываются.

П2.4. Расчет погонных собственных и взаимных индуктивных сопротивлений КЛ

а) Удельное сопротивление земли (грунта) учитывается в методике при расчёте глубины залегания обратного провода 8, которым представляется земля. Глубина залегания обратного провода определяется согласно стандарту 1ЕС 60909-3 [9], удельное сопротивление земли ре примем равным 100 Омм:

где: ре - удельное сопротивление земли, в котором проложена линия; ¿у = 314,16 - угловая частота сети, с"1; и //0 = 4-л"-10"7 - магнитная постоянная, Гн/м.

= 931,6м,

Глубина залегания обратного провода 8 участвует в расчётах собственных и взаимных индуктивных сопротивлений трехфазной экранированной кабельной линии.

б) Погонное собственное индуктивное сопротивление жилы пофазно-экранированного кабеля-одножильного исполнения Хс [8]:

2 ж

-+1п 4

г-10"

•103 =314,16

4;г-10 2 ж

,-7

1

+ 1п

931,6 13,3-10"

•103 = 0,7167

Ом

км

в) Погонное взаимное индуктивное сопротивление между жилой (экраном) и соседними кабелями КЛ трёхфазной группы пофазно-экранированных кабелей одножильного исполнения Хт [20]:

1п

5-10

-з

•103=314,16

4тг-Ю-7 2 7Г

1п

931,6 47-Ю-3

-103 =0,6217;

Ом

км

г) Погонное взаимное индуктивное сопротивление между жилой и экраном пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения [9]:

Я 2 Ж

1п

• 103 =314Л 6

Аж • 10"7 2 ж

1п

931,6 20,0-10"3

•103 =0,67 54

Ом

км

Г3а+ГБ1 _ 21,0 + 19,0

где г5т = ^ - ' = 20,0 мм - средний радиус металлического экрана.

д) Погонное собственное индуктивное сопротивление металлического экрана пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения [9]:

5 2 ж

1п

8

103=314,16

4ж -Ю-7 2 ж

1п

931,6 20,010"

•103 =0,67 54

Ом

км

П2.5. Погонные собственные и взаимные сопротивлений КЛ, выраженные в комплексном виде

а) Погонное собственное сопротивление жилы пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения, выраженное в комплексном виде:

7с=Дс + Де+уХс=0,05983+0,04935+у0,7167 = (0,1092+ /0,7167) —,

7 км

где Яе = со • 103 = 314,16 ^ • 103 = 0,0493 5 ^^ - погонное сопротивление, 8 8 км

учитывающее потери активной мощности в земле от протекающего в ней тока.

б) Погонное взаимное сопротивление между жилой (экраном) и соседними кабелями КЛ трёхфазной группы пофазно-экранированных кабелей одножильного исполнения, выраженное в комплексном виде:

=^ + ^=(0,0494+70,6217)

КМ

в) Погонное взаимное сопротивление между жилой и экраном пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения, выраженное в комплексном виде:

= ■«е+ /хя=(0.0494+/0,6754) ^.

г) Погонное собственное сопротивление металлического экрана пофазно-экранированного кабеля одножильного исполнения, выраженное в комплексном виде:

=Д5+Де+уХ5=0,2463+0,0494+уД 6754= (0,2956+/0,6754) —.

КМ

П2.6. Расчет погонных сопротивлений прямой (обратной) и нулевой последовательности КЛ, выраженных в комплексном виде

Погонное сопротивление КЛ прямой последовательности, выраженное в

комплексном виде, в случае двустороннего соединения экранов без транспозиции:

(Z -Z )2

Z(i)nor =ZC-Zm-1 _7m} = (0,:11092+y'0,7167)-(0,0494+y0,6217>

Z< с -¿я

.((0^6754H0,04^6217)j ^

(0,2956+y0,6754)-(0,0494+y0,6217) v 7 7 км

Сопротивление КЛ прямой последовательности при длине линии /кл-1=2 км, выраженное в комплексном виде:

¿пом =гс)пог-1кя =(0,0710+/'0,092б)-2,0 = (0,1420+у0,1852)0м.

Сопротивление КЛ нулевой последовательности, выраженное в комплексном виде, в случае двустороннего соединения экранов:

С(0,0494+/0,6754)+ 2 ■ (0,0494+/0,6217)1 • 2,02

+ 2 • (0,0494+/0,6217)1 • 2,0 - ^-^---/----^-

v [(0,2956+у0,6754)+ 2 • (0,0494+/0,6217)] • 2,0+3 • 0,5+3 • 0,5

= (2,0230+Д6924)0м.

П2.7. Результаты расчета сопротивлений К Л прямой (обратной) и нулевой последовательности

Результаты расчета сопротивлений прямой и нулевой последовательности КЛ-1 для всех длин линии, а также для сопротивлений заземления подстанций ^£1=^£2=0Д Ом приведены в табл. П2.1.

Полученные сопротивления будут использованы для определения тока двойного замыкания на землю (ДЗЗ), раздел 2.2.

Таблица П2.1

Сопротивление последовательностей КЛ-1 в зависимости от длины линии /Кл-1 и сопротивлений заземления подстанций RE\, RE2

Сопротивление КЛ-1, Ом, в зависимости от вида симметричной

/кл-1, км составляющей

Прямая последовательность Нулевая последовательность

=^£2=0Д ОМ

0,5 0,0353 + 70,0464 0,485 +70,344

1,0 0,0705 + 70,0928 0,754 +70,337

2,0 0,1420 +70,1852 1,113 +70,360

3,0 0,212+70,278 1,430+70,412

4,0 0,282+70,371 1,738+70,474

5,0 0,353 +70,464 2,04 +70,539

Д£1=Д£2=0,5 ОМ

0,5 0,0353 +70,0464 0,354+70,861

1,0 0,0705 +70,0928 0,953 +71,372

2,0 0,1420 +70,1852 2,02 +У1,692

3,0 0,212+70,278 2,76 +У 1,717

4,0 0,282 +70,371 3,31+71,697

5,0 0,353 +70,464 3,77+71,685

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (СиСаЫлпеэ)»

РШШЙШКАЯ ШТШЛИЖШ

ш

2S

ш &

а т m m ш ш

зз «f

SS

ES

m m

ш

S£ SS

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о гос.улар<л венной регистрации программы для ЭВМ

№ 2012610902

«Расчет параметров кабельных линий высокого напряжения

(СиСаМлпев)»

11|)анооб.1ада1сл1,(ли) федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования <?Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУВПО «НИУМЭИ») (Ш)

Лигор(ы) Гусев Юрий Павлович, Антонов Андрей Анатольевич (Ни)

Заявкам 2011618886 Да га поступления 24 ноября 2011 Г. Зарегистрировано в I'eetrpe программ ;ыя ЭВМ 20 января 2012 г.

Pi/Koeodumi' ib Федеральной с 1ужбы по ннте iлектуальной собственности

Б !I Симонов

Ш

ш

ш

щ

т

э

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИЛ И ЭКРАНОВ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ С УЧЁТОМ НЕ АДИАБАТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА НАГРЕВА ПРОВОДНИКОВ

П4.1 Исходные данные и методика расчета

В табл. П4.1 приведён список параметров, необходимых для определения температуры проводников и проверке термической стойкости кабелей. Методика расчета температуры при неадиабатическом нагреве соответствует ГОСТ Р МЭК 60949 [31].

Таблица П4.1

Параметры для учета теплообмена проводников с прилегающей изоляцией при расчете термической стойкости пофазно-экранированных кабелей

№ Условное обозначение Единица измерения Описание Значения

1 Материал проводника Алюминий Медь

2 мм2 Площадь поперечного сечения жилы

3 мм2 Площадь поперечного сечения экрана

4 1 м Длина кабельной линии

5 п Число параллельных кабелей в линии

6 кк.с Число разборных контактных соединений по длине одной жилы

7 К\пог мОм/м Погонное активное сопротивление прямой последовательности кабеля

8 Копог мОм/м Погонное активное сопротивление нулевой последовательности кабеля

9 Х\П0Г мОм/м Погонное индуктивное сопротивление прямой последовательности кабеля

10 Хопог мОм/м Погонное индуктивное сопротивление нулевой последовательности кабеля

№ Условное обозначение Единица измерения Описание Значения

И -Кк.с мОм Сопротивление одного разборного контактного соединения

12 °С Условная температура, зависящая от материала проводника 236 °С - алюминий 234 °С - медь

13 З'раб °С Рабочая температура проводника

14 'Э'норм °С Нормированная температура Обычно 20 °С

15 ^окр °С Температура окружающей среды

16 Эдоп.прод °с Допустимая температура нагрева изоляции кабеля в продолжительном режиме 90 °С - полиэтиленовая изоляция 70 °С - бумажная изоляция

17 9'окр.норм °с Нормированная температура окружающей среды 40 °С для кабельных каналов внутри зданий

18 7расч А Расчетный ток режима, предшествующий короткому замыканию

19 ^доп.прод А Допустимый ток продолжительного режима для проводника данного сечения

20 К с°'5/мм2 Константа, зависящая от физических свойств материала жилы 226 А-с 1 /мм - для меди; 148 А-с°'5/мм2 - для алюминия

21 ^ Коэффициент полноты теплового контакта между жилой и изоляцией 0,7 для твердой изоляции 1,0 для маслонаполненных кабелей

22 с, мм/м Константа 2464

23 с2 К мм /Дж Константа 1,22

24 сгж Дж/(К-м3) Удельная объемная теплоемкость жил 3,45-106 Дж/(К-м3) - для меди; 2,56-106 Дж/(К-м3) - для алюминия

25 Дж/(К-м3) Удельная объемная 2-106 Дж/(К-м3) -

№ Условное обозначение Единица измерения Описание Значения

теплоемкость изоляции жил бумажная пропитанная 2,4-106 Дж/(К-м3) -полиэтиленовая 1,7-106 Дж/(К-м3) -поливинилхлоридная

26 Ри Км/Вт Удельное термическое сопротивление изоляции жил 6,0 К-м/Вт - бумажная пропитанная 3,5 К м/Вт -полиэтиленовая 5 К-м/Вт - поливинилхлоридная

Допустимый ток короткого замыкания определяют по формуле:

1 = £- /А д >

где I - допустимый ток короткого замыкания, кА;

/Ад - ток короткого замыкания, вычисленный на основе

адиабатического нагрева;

е - коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы. Для адиабатических расчетов 5 = 1. Сопротивление сечения проводника растет с увеличением температуры:

П = го(

«9ус +

где г0( - сопротивление сечения проводника при начальной температуре, Ом/км; 19 - текущая температура, к которой приводится активное сопротивление, °С; $ус - условная температура (для меди 234°С, для алюминия 236°С); -

начальная температура (обычно 20 °С).

Нагрев проводника АТ на элементарном интервале времени когда его сопротивление можно считать постоянным, определяется выражением:

АТ =-

где /(г) - ток КЗ, в общем случае зависящий от времени, А; гД$) -погонное активное сопротивление проводника при текущей температуре 19,

Для определения конечной температуры необходимо осуществить интегрирование по шкале как температуры, так и времени:

Для численного интегрирования использован алгоритм, реализованный в программе МшкСАИ.

Общий вид эмпирического уравнения для коэффициента, учитывающего неадиабатический характер нагрева:

где ^ - коэффициент учета неполного теплового контакта между жилой или проволоками и окружающими или соседними неметаллическими материалами (0,7 для кабелей с твердой изоляцией, 1,0 для маслонаполненных кабелей); А, В - эмпирические постоянные, основанные на термических характеристиках окружающих или соседних неметаллических материалов:

Ом/км; ас - удельная объемная теплоемкость изоляции жил, Дж/(К-м3); рс -плотность материала проводника, кг/м3); 5 - поперечное сечение проводника, мм2.

В = —21 /с)? где с2 = 1,22 К-мм^Дж;

^с V А

<тс - удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента,

Дж/(°С-м3); <7] - удельная объемная теплоемкость окружающих или

соседних неметаллических материалов, Дж/(°С-м3); рх - удельное термическое сопротивление окружающих или соседних неметаллических материалов, °С-м/(Вт).

Коэффициент 8 для оболочек, экранов и брони определяют по формуле: ¿г = 1 + 0.61МлЛ - 0.069(Мл/1)2 + 0.004з(МлЯ)3.

1 /2

Коэффициент М, с" определяют по формуле:

1(Т_2+ 0з

2ах8 -10

где сг2 и сг3 - удельная объемная теплоемкость среды с каждой стороны экрана, оболочки или брони, Дж/(°С-м ); р2 и р3- удельное термическое сопротивление среды с каждой стороны экрана, оболочки или брони °С-м/(Вт); <тх

л

- удельная объемная теплоемкость экрана, оболочки или брони, Дж/(°С-м ); 8 -толщина экрана, оболочки или брони, мм.

6 Дж

Удельная объемная теплоемкость медного экрана сгСи = 3,45 • 10' -V—;

м • С

удельное термическое сопротивление изоляции (сшитого полиэтилена)

Рхьре =3,5 ^ М , удельная объёмная теплоемкость изоляции, окружающей экран Вт

а хере ~ • 106 —уут • м • С

П4.2. Задание на расчет температуры жилы и экрана к моменту отключения

КЗ

Дано:

а) Токи двухфазных КЗ (ДЗЗ на шинах питающей подстанции) - от 5 до 15

кА;

б) Длительность КЗ - 1,0; 1,8; 2,0; 2,1 и 2,5 с.

Задача - определить температуру нагрева жилы и экрана при протекании по нему тока КЗ.

Расчетные условия: ДЗЗ на землю, одна точка находится на шинах питающей подстанции или распределительного пункта (РП), другая - в начале КЛ, отходящей от питающей подстанции или РП. Процесс нагрева жил кабелей считается адиабатическим, экранов - неадиабатическим, ток незатухающим. В нижеприведенных таблицах в первом столбце указаны токи, протекающие по жилам и экрану (ток ДЗЗ) и ток трехфазного КЗ на шинах питающей подстанции или РП.

Результаты расчета температур для жил и экранов приведены в таблицах П4.2 - П4.7. Начальная температура проводников пофазно-экранированных кабелей с изоляцией из СПЭ принята: для жил - 90 °С, экранов - 90 °С.

Таблица П4.2

Температура алюминиевых жил пофазно-экранированных кабелей поперечным

2

сечением 120 мм в зависимости от длительности КЗ.

Ток, кА, Температура жил, °С

К(Ь1) (К(3)} 1,5 с 1,8 с 2,0 с 2,1 с 2,5 с

5 (5,77) 129 137 142 145 155

6 (6,93) 146 157 165 169 184

7 (8,08) 166 181 192 197 218

8 (9,24) 189 209 223 230 257

9 (10,39) 216 241 258 267 301

10(11,55) 245 277 298 309 351

11 (12,70) 278 316 341 355 405

12 (13,86) 314 359 389 405 465

13 (15,01) 353 405 441 460 531