Artellie.ru

Дизайн интерьеров
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

О проверке кабелей на термическую стойкость

О проверке кабелей на термическую стойкость

Согласно [1] выбор сечения электрических проводников (неизолированных и изолированных проводов, кабелей и шин) производят по нагреву и экономической плотности тока. По режиму короткого замыкания должны проверяться кабели и другие проводники напряжением выше 1 кВ. В электроустановках до 1 кВ такая проверка выполняется только для распределительных щитов, токопроводов и силовых шкафов. Причем, в соответствии с ПУЭ, стойкими при коротких замыканиях являются те аппараты и проводники, которые при расчетных условиях выдерживают воздействие этих токов, не подвергаясь электрическим, механическим и иным разрушениям или деформациям, препятствующим их нормальной дальнейшей эксплуатации; в качестве расчетного вида короткого замыкания следует принимать для определения термической стойкости аппаратов и проводников трехфазное короткое замыкание. Расчетный ток короткого замыкания следует определять исходя из условия повреждения в такой точке рассматриваемой цепи при коротком замыкании, в которой аппараты и проводники этой цепи находятся в наиболее тяжелых условиях.
В связи с имеющими место случаями пожаров на ряде электростанций институтом Атомтеплопроект Минэнерго в 1986 г. были выпущены директивные указания [2], предусматривающие выбор и проверку на термическую стойкость и невозгорание при воздействии токов короткого замыкания кабелей не только выше, но и до 1 кВ. В документе определены условия проверки при работе основных и резервных защит. В частности, согласно [2] кабели должны проверяться как при коротких замыканиях в начале (при работе основной защиты присоединения), так и за расчетным отрезком кабеля длиной 20 м и более (при работе резервной защиты).
Учитывая актуальность проблемы, в 1995 г. РАО “ЕЭС России” выпустило циркуляр № Ц-0395 “О проверке кабелей на невозгорание при воздействии токов короткого замыкания”, а позднее (в 1998 г.) — циркуляр [3], который отменил первый циркуляр, уточнил методику проверки кабелей и фактически распространил действие [2] в дополнение к требованиям главы 1.4 ПУЭ на все действующие энергетические объекты.
Циркуляр [3] определяет методику проверки по условиям невозгорания силовых кабелей напряжением до 10 кВ, проложенных в кабельных коммуникациях энергетических объектов, и предписывает выполнить определенные мероприятия в случае отрицательных результатов проверки. В отличие от [2] в циркуляре снято требование проверки при коротких замыканиях в начале кабеля — допускается принимать расчетные токи короткого замыкания на расстоянии 20 м от начала кабельной линии напряжением до 1 кВ и 50 м от начала кабельной линии напряжением 6 — 10 кВ.
Для определения температуры нагрева жил кабелей при действии токов короткого замыкания длительностью до 4 с рекомендуется пользоваться номограммами, данными в приложении 1 к [3]. Номограммы построены на основании выражения, полученного решением уравнения адиабатического процесса нагрева проводника с учетом роста его сопротивления при протекании тока
(1)
где I — ток проводника; R0 = pL/S — сопротивление проводника с удельным сопротивлением p длиной L и сечением S при температуре Θ = 0°С; а — температурный коэффициент сопротивления; с — удельная теплоемкость; m = yLS — масса проводника плотностью γ; dt — дифференциал времени; άΘ и Θ — соответственно дифференциал и текущая температура жилы.
Для пояснения: левая часть уравнения — энергия, выделяемая в проводнике при протекании тока I через активное сопротивление R за время dt; правая часть уравнения — нагрев проводника с массой m и удельной теплоемкостью с.
Решая уравнение (1), получаем выражение, рекомендуемое методикой [3]
(2)
где Θκ — температура жилы в конце короткого замыкания, °С; ΘΗ — температура жилы до короткого замыкания, °С; a = 1/а — величина,
обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228°С; k = btI2/S2 — расчетный коэффициент, рекомендуемый [3]; b = αβ/cy — коэффициент, характеризующий теплофизические характеристики материала жилы, согласно [3] равный для алюминия — 45,65 мм4/(кА2-с), для меди — 19,58 мм4/(кА2-с).
Решая уравнение (1) относительно времени t, получаем
(3)
где 0к — конечная температура проводника за время нагрева t.
В табл. 1, рассчитанной по методике [3], дана зависимость времени нагрева t от сечения кабеля с алюминиевыми жилами при повреждении на расстоянии 20 м.
Начальная температура кабеля 50°С, конечная — 350°С, трансформатор 1000 кВ-А, 6/0,4 кВ,
UK = 8%.
Считая, что резервная защита из условий селективности не может иметь уставку по времени ниже 0,5 — 0,8 с, согласно табл. 1 фактически необходимо либо заменять кабели, отходящие от шин первичной секции 0,4 кВ, на кабели с сечением не менее 95 мм2, либо устанавливать неселективную максимальную токовую защиту трансформатора.
Очевидно, что при неизменном токе (нагрев проводника от источника тока) допустимое время нагрева проводника определяется его сечением и не зависит от расстояния до места короткого замыкания. Однако в реальных условиях при повышении температуры с ростом сопротивления проводника снижается и ток повреждения — имеет место, так называемый, тепловой спад тока. Расчет же теплового импульса тока, рекомендуемый приложением 2 [3], определяется как сумма интегралов Джоуля от периодической и апериодической составляющих по ГОСТ 30323-95 с учетом подпитки токов короткого замыкания от электродвигателей и, по нашему мнению, не учитывает факта теплового спада тока.
Для определения влияния теплового спада тока выполним расчет допустимого времени отключения в зависимости от температуры в схеме с источником напряжения U. Исходным уравнением при этом будет выражение
(4)
Решая уравнение (4) относительно времени нагрева, получим
(5)
Таким образом, в схеме с источником напряжения согласно уравнению (5) при заданных значениях начальной и конечной температур время отключения, в отличие от схемы с источником тока, не зависит от сечения и определяется только расстоянием до места короткого замыкания. Так, например, повреждение на расстоянии 20 м в сети с напряжением 0,4 кВ, исходя из требований невозгорания кабеля (температура 350°С), должно быть отключено за время 0,29 с, а на расстоянии 50 м — за 1,78 с.
В реальных сетях с источником конечной мощности ток короткого замыкания определяется не только активным сопротивлением кабеля и его реактивной составляющей, но и сопротивлением питающей сети
(6)
где R (Θ) — активное сопротивление кабеля; Z (Θ) — полное сопротивление “петли” короткого замыкания.
Решение уравнения (6) относительно времени t можно представить в виде суммы
(7)
Таблица 1

Читайте так же:
Освещение от 12 вольт постоянного тока 1

Выбор и проверка силовых кабелей на соответствие их параметров расчетным при коротких замыканиях

Силовые кабели выбирают по расчетному току, номинальному напряжению, способу прокладки, условиям окружающей среды и проверяют на термическую устойчивость при коротком замыкании путем расчета минимальной площади сечения токоведущей жилы по формуле:

где — ?т.у – минимальная площадь сечения токоведущей жилы кабеля; ?– установившейся ток короткого замыкания; ?пр – приведенное время короткого замыкания, сек, в течение которого установившейся ток ? выделяет такое же количество теплоты, что и изменяющийся ток короткого замыкания за действительное время; С – термический коэффициент, соответствующий разности значений теплоты, выделенной в проводнике после и до короткого замыкания, значения которого принимаются для кабелей с медными жилами С = 141, с алюминиевыми С = 85.

После расчета минимальной площади сечения токоведущей жилы по термической устойчивости уточняют сечение токоведущих жилы силовых кабелей с учетом установленной мощности электроприемников и проверяют его по допустимым потерям напряжения, термической стойкости к воздействию токов КЗ и на невозгорание при протекании токов КЗ.

Проверка силовых кабелей на невозгорание при протекании тока КЗ осуществляется из предположения, что максимальный ток, протекающий в кабеле, равен действующему значению тока короткого замыкания в начале линии.

Проверка силовых кабелей на нагрев при протекании тока КЗ производится в соответствии с циркуляром Ц02-98 (Э) «О проверке кабелей на невозгорание при протекании тока короткого замыкания». Проверка производится для каждого выбранного сечения кабелей, при этом для проверки выбирается кабельная линия с наиболее «тяжелыми» условиями, т.е. с максимальным значением тока КЗ в начале линии.

Температура жилы силового кабеля при протекании тока КЗ определятся по формуле:

Читайте так же:
Сечение медных кабелей для переменного тока

где ϑн – максимальная температура жилы до КЗ; ? = 228 ℃ − величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0 ℃;

где ϑн– фактическая температура окружающей среды, ℃ ; ϑдд– длительно допустимая температура токопроводящих жил кабеля, ℃ ; ϑокр – температура окружающей среды:

  • для кабелей в земле 15 ℃ ;
  • для кабелей на воздухе 25 ℃ ;

?раб – рабочий ток, А; ?дд – длительно допустимый ток нагрузки кабеля, А;

где b – постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала токопроводящей жилы:

(?к) ∙ ? – суммарный тепловой импульс;

?к –действующее значение тока КЗ, кА;

t – длительность тока КЗ (время срабатывания резервной защиты вышестоящего АВ), с;

S – сечение токоведущей жилы кабеля, мм 2 .

Термическая стойкость проводника обеспечивается, если площадь сечения S, мм 2 , удовлетворяет неравенству: ? ≥ ?тер . где ? ≥ ?тер . — минимальное сечение проводника по условию термической стойкости, мм 2 , которое следует определять по формуле:

?откл – время срабатывания защиты, зависящее от уровня напряжения (регламентированное время отключения тока КЗ), для сетей 220 кВ обычно принимается равным 0,1 с;

– параметр, принимаемый по таблице 8 стандарта ГОСТ Р 52736-2007 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчёта электродинамического и термического действия токов короткого замыкания» и значения которого равны:

  • для кабеля 220 кВ – 90;
  • для кабеля 10 кВ – 65.

Отметим, что температура жилы силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена не должна превышать 350 градусов Цельсия.

Термическая стойкость электропроводящего экрана силового кабеля обеспечивается, если обеспечивается следующее условие:

где – ?д.э – допустимый ток медного экрана, кА, значения которого:

  • для кабеля 220 кВ (сечение экрана 120 мм2) – 24,36 кА;
  • для кабеля 10 кВ (сечение экрана 25 мм2) – 19,2 кА.

– ток двухфазного короткого замыкания, кА.

Основным назначением экрана является обеспечение равномерности электрического поля, воздействующего на главную изоляцию кабеля (изоляцию «жила-экран»), что достигается только в случае заземления экрана. Поэтому электропроводящая оболочка кабеля (экран), как правило, заземлена на его концах и в ряде промежуточных точек (муфтах или транспозиционных узлах). При этом для токов нагрузки образуется путь в земле, параллельный проводнику. В этом отношении металлическая оболочка кабеля аналогична заземленным тросам у воздушной линии. На распределение тока между оболочкой и землей существенное влияние оказывает не только собственное сопротивление оболочки (экрана), но и сопротивление ее заземлений, значения которых зависят от характера прокладки кабеля (траншея, блоки, туннель, эстакада и т.д.) и ряда других факторов.

Читайте так же:
Односекундные токи термической стойкости для кабелей

В однофазном режиме ток нагрузки протекает по экрану и земляному каналу, обладающего сопротивлением ?з (рис. 1).

Активное сопротивление линии «экран – земля» складывается из активного сопротивления экрана ?э и дополнительного сопротивления ?з, учитывающего потери активной мощности в земле от протекающего в ней тока:

На частоте ? = 50 Гц удельное сопротивление земли ?з = 0,05 Ом⁄км, что свидетельствует о практическом постоянстве потерь активной мощности в земле при заданной частоте.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена в однофазном включении Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена - схема замещения

Рис. 1. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена: а) в однофазном включении; б) схема замещения

Сопротивление, обусловленное взаимоиндукцией между двумя параллельными линиями «провод-земля» с расстоянием ? ≪ ?з между осями их проводов:

где , м, – эквивалентная глубина возврата тока через землю.

На промышленной частоте 50 Гц и среднем значении удельной проводимости земли ? = 10 −4 (Ом ∙ см) −1 , получим ?з = 935 м.

Заземление экранов с двух сторон

Рис. 2. Заземление экранов с двух сторон трех однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

При отсутствии данных о проводимости земли обычно принимают

Отметим, что взаимоиндукция с другими фазами уменьшает сопротивление фазы для токов прямой (обратной) последовательности и увеличивает его для токов нулевой.

При расчете режима экранов однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в трехфазном включении необходимо учитывать взаимоиндукцию с другими фазами (рис. 2) с учетом расстояния между центрами кабелей при выбранном способе прокладки.

Выбор проводников по термической и динамической устойчивости к току к.з.

Проводники и токопроводы в электрических сетях выше 1000 в, как правило, подлежат проверке на условия нагревания током к. з.
В электрических сетях до 1000 в на термическую устойчивость проверяются только токопроводы.
Повышение температуры жил изолированных проводников и кабелей в результате прохождения тока к. з. ведет к химическому разложению изоляции и резкому снижению ее электрической и механической прочности, а следовательно, и к возможности аварии. Поэтому установлены определенные максимально допустимые пределы температур в режиме к. з., указанные в табл. 6-1.

Проверка кабелей на нагревание от токов к. з. должна производиться:
1)для одиночных кабелей небольшой протяженности, исходя из к. з. в начале кабеля;
2)для одиночных кабелей, имеющих соединительные муфты, исходя из к. з. s начале каждого участка, с тем чтобы иметь возможность ступенями уменьшать сечение кабеля по его длине;
3)для двух и более параллельно включенных кабелей, исходя из к. з. непосредственно за пучком (по сквозному току).

Допускается не проверять проводники по режиму к. з. в случае их защиты плавкими предохранителями. Линия считается защищенной предохранителем, когда отключающая способность предохранителя достаточна для отключения наибольшего возможного аварийного тока линии.
Для линий к индивидуальным электроприемникам, в том числе к цеховым трансформаторам общей мощностью до 1000 ква включительно, допускается не проверять сечения проводников по току к. з при одновременном соблюдении следующих условий:

1.В электрической или технологической части предусмотрено резервирование, гарантирующее от расстройства производственного процесса.
2.Повреждение проводников при к. з. не может вызвать взрыва.
3.Возможна замена проводников без значительных затруднений.

Для линий к индивидуальным электроприемникам или небольшим распределительным пунктам неответственного назначения допускается не производить проверку проводников на термическую устойчивость при к. з., если обеспечивается только одно условие 2 (отсутствие опасности взрыва).
Провода воздушных линий до 10 кв не проверяются по току к. з.
Допустимые величины тока к. з. для кабелей определяются в зависимости от материала и сечения кабеля и длительности прохождения тока к. з.
Термическое действие тока к. з. в течение действительного времени прохождения его t д , характеризуется величиной фиктивного времени t ф прохождения установившегося тока к. з. с одинаковым по термическому действию эффектом.
Фиктивное время определяется в зависимости от отношения

где I» — действующее значение периодической составляющей тока к. з. в начальный момент, а
— установившийся ток к. з. (действующее значение), а.
Действительное время I д слагается из выдержки времени, установленной на максимально-токовой защите линии, и собственного времени отключающего аппарата (выключателя мощности).
При проверке на термическую устойчивость проводников линий, оборудованных быстродействующим автоматическим повторным включением, должно учитываться повышение нагревания проводников из-за увеличения суммарной продолжительности к. з.
При расчетах тока к. з. в распределительных сетях 6-10 кв весьма часто затухание не учитывают. В этом случае фиктивное время может быть принято равным действительному и задача проверки проводников на термическую устойчивость упрощается отсутствием необходимости определения фиктивного времени.
Сечение, обеспечивающее термическую устойчивость проводника к току к. з. при заданной величине фиктивного времени t ф , определяется из выражения

где F-сечение жилы кабеля, мм кв
С — постоянная, определяемая в зависимости от заданной ПУЭ конечной температуры нагревания жил и напряжения; числовые значения постоянной С- указаны в табл. 6-1.
Ниже приведена табл. 6-2 для проверки кабелей на термическую устойчивость, составленная по формуле (6-2) в величинах допустимого установившегося тока к. з. в килоамперах.
В дополнение к расчету на термическую устойчивость сечение шин токопроводов должно быть проверено также на механическую прочность при к. з. (динамическая устойчивость токопровода).

Читайте так же:
Схема подключения выключателя регулятора освещения

Пример выбора сечения кабеля 10кВ

Дата23 марта 2016 Авторk-igor

Пример выбора сечения кабеля 10кВ

Выбор кабелей 10 кВ немного отличается от выбора кабелей 0,4 кВ. Здесь есть некоторые особенности, о которых нужно знать. Также хочу представить свою очередную вспомогательную программу, с которой выбор сечения кабелей 10 кВ станет проще.

Еще в далеком 2012 г у меня была статья: Как правильно выбрать сечение кабеля напряжением 6 (10) кВ? На тот момент я не владел теми знаниями, которые есть у меня сейчас, поэтому данная статья является дополнением.

Задача: выбрать кабель для питания трансформаторной подстанции 250 кВА. Расстояние от точки питания (РУ-10кВ, ТП проходного типа) до проектируемой КТП – 200 м. Объект в городской черте.

Первое, с чем необходимо определиться: тип кабеля.

Я решил применить кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Полезная информация из каталога:

Кабели марок ПвП, АПвП, ПвПу, АПвПу, ПвБП, АПвБП, в том числе с индексами «г», «2г», «гж» и «2гж» предназначены для эксплуатации при прокладке в земле независимо от степени коррозионной активности грунтов. Допускается прокладка этих кабелей на воздухе, в том числе в кабельных сооружениях, при условии обеспечения дополнительных мер противопожарной защиты, например, нанесения огнезащитных покрытий.

Прокладка одножильного кабеля в стальной трубе не допускается.

Кабели указанных марок с индексами «г», «2г», «гж» и «2гж» предназначены для прокладки в земле, а также в воде (в несудоходных водоемах) — при соблюдении мер, исключающих механические повреждения кабеля.

Кабели марок ПвПу, АПвПу, ПвБП, АПвБП, в том числе с индексами «г», «2г», «гж» и «2гж» предназначены для прокладки на сложных участках кабельных трасс, содержащих более 4 поворотов под углом свыше 30 градусов или прямолинейные участки с более чем 4 переходами в трубах длиной свыше 20 м или с более чем 2 трубными переходами длиной свыше 40 м.

Кабели марок ПвВ, АПвВ, ПвВнг-LS, АПвВнг-LS, ПвБВ, АПвБВ, ПвБВнг-LS, АПвБВнг-LS могут быть проложены в сухих грунтах (песок, песчано-глинистая и нормальная почва с влажностью менее 14%).

Кабели марок ПвВнг-LS, ПвБВнг-LS могут быть использованы для прокладки во взрывоопасных зонах классов В-I, B-Ia; кабели марок АПвВнг-LS,

АПвБВнг-LS – во взрывоопасных зонах В-Iб, В-Iг, B-II, B-IIa.

Кабели предназначены для прокладки на трассах без ограничения разности уровней.

Исходя из рекомендаций, выбор мой остановился на АПвБП. В этой статье не буду рассматривать стоимость различных марок кабелей.

Читайте так же:
Нормы утечки тока при испытании кабеля

Далее нам необходимо определиться с сечением кабеля.

Сечение кабеля 6 (10) кВ выбирают на основании расчетного тока линии, длины линии, тока трехфазного КЗ на шинах питания, времени срабатывания защиты, материала изоляции и жилы кабеля.

Основные проверки, которые нужно выполнить при выборе сечения кабеля 6 (10) кВ:

1 Проверка кабеля по длительно допустимому току.

2 Проверка кабеля по экономической плотности тока.

3 Проверка кабеля по термической устойчивости току трехфазного КЗ.

4 Проверка по потере напряжения (актуально для больших длин).

5 Проверка экрана кабеля на устойчивость току двухфазного КЗ (при наличии).

Для упрощения выбора сечения кабеля я сделал программу: расчет сечения кабеля 6 (10) кВ.

Внешний вид программы:

Программа для расчета сечения кабеля 6(10)кВ

Программа для расчета сечения кабеля 6 (10)кВ

Более подробно о программе и выборе сечения кабеля смотрите в видео:

Выбор сечения кабеля:

Изначально выбираем кабель по расчетному току: АПвБП- (3×35) 16. Расчетный ток в нашем примере всего около 15 А. По экономической плотности тока выходит и вовсе 10 мм2.

При проверке кабеля на термическую устойчивость минимальное сечение получается 29 мм2. Здесь стоит отметь, ток трехфазного КЗ я принял 10 кА, т.к. сейчас в отпуске и нет возможности запросить данное значение в РЭСе, а в ТУ не указано. Согласно ТУ необходимо предусмотреть КСО с выключателем нагрузки (для установки в подключаемой ТП). Выключатель нагрузки я применил с предохранителями типа ПКТ на 40 А.

Согласно время-токовой характеристике предохранителя ПКТ, время отключения составит не более 0,01 с. Я решил перестраховаться и принял время 0,1 с.

ВТХ ПКТ

Для расчета потери напряжения можно использовать программу: расчет потери напряжения в трехфазных сетях с учетом индуктивного сопротивления. В моем случае нет смысла проверять кабель на потери напряжения.

Экран выбранного кабеля способен выдержать ток двухфазного КЗ.

На основании всех расчетов и с учетом того, что ток трехфазного КЗ мне пришлось принять самому я решил подстраховаться и выбираю кабель АПвБП- (3×50) 16, за что от вас получу справедливую критику =) Попытаюсь запросить дополнительную информацию в РЭСе и сделаю новый расчет, который с этой программой займет пару минут.

На подготовку данного материала у меня ушло около двух дней. Но, с этими знаниями вы сможете сделать подобную программу значительно быстрее.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector