CC BY
89
УДК 621.311
А.А. Лапидус, С.Н. Соловьева
АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ
В связи с тем, что довольно большая доля пожаров происходит по причине возгорания кабельных линий (КЛ) в системах электроснабжения напряжением 0,4 кВ, актуален вопрос об уточнении методик проверки кабелей по тепловому воздействию токов короткого замыкания (КЗ). При этом необходимо производить наиболее точный расчет конечной температуры нагрева кабелей как при условии своевременного устранения аварии, когда срабатывает ближайший аппарат защиты (автоматический выключатель — АВ), так и при затянувшемся процессе протекания токов КЗ и срабатывании вышестоящего АВ с учетом уставки селективности.
Однако в уточнении нуждаются не только сами методики проверки кабелей по допустимым температурам нагрева, но и нормативно-техническая документация, регламентирующая выбор и проверку КЛ на термическую стойкость (ТС) и невозгорание (НВ). Расчетная продолжительность КЗ для двух условий (по ТС и НВ) будет разной. При проверке кабелей на ТС необходимо учитывать время отключения основной защиты от токов КЗ, в зону которой входит проверяемый кабель (как правило, в качестве такой защиты в сетях до 1 кВ выступают электромагнитные или электронные расцепители АВ). При проверке на НВ учитывается время реализации дальнего резервирования. В этом случае поврежденный участок отключается срабатыванием теплового или электромагнитного/электронного расцепителя АВ смежного присоединения.
Основными документами, в соответствии с которыми необходимо выполнять проверку кабелей по вышеуказанным условиям, являются Правила устройства электроустановок [ 1], действующий государственный стандарт [2] и противопожарный циркуляр [3].
ГОСТ Р 52736-2007 [2] регламентирует: при проверке силовых кабелей на НВ при коротких замыканиях расчетную точку КЗ следует выбирать в начале кабеля независимо оттого, являет-
ся ли он одиночным или частью КЛ, содержащей несколько параллельно включенных кабелей. Если одиночный кабель имеет ступенчатое сечение по длине, то для каждого участка с новым сечением кабеля необходимо принимать свою расчетную точку КЗ в начале этого участка [2, п. 6.4.1].
Противопожарный циркуляр № Ц-02-98(э) [3] предлагает проверять силовые кабели напряжением до 1 кВ по условиям H В при коротком замыкании в начале КЛ и допускает осуществлять данную проверку при КЗ на расстоянии 20 м от начала кабеля. Следует отметить, что требования данного циркуляра не являются обязательными, а имеют рекомендательный характер в дополнение ктребованиям главы 1.4 ПУЭ.
В главе 1.4 «Выбор электрических аппаратов и проводников по условиям КЗ» [1] термин «невозгорание» не упоминается вообще. ПУЭ регламентирует проверку по режиму КЗ в электроустановках до 1 кВ только распределительных щитов, токопроводов и силовых шкафов. Проверка кабелей не предусматривается ни по ТС, ни на НВ. Однако в седьмом издании ПУЭ, вероятно, будет введена рекомендация проверки кабелей напряжением до1 кВнаНВ[4], так как эта проверка позволит достичь более высокого уровня надежности электрооборудования при эксплуатации благодаря снижению вероятности возникновения пожаров при КЗ.
При исследовании данной проблематики был создан программный модуль в рабочей среде Microsoft Office Access. Интерфейс разработанного модуля представлен на рис. 1. Программа позволяет производить расчет температур нагрева КЛ при возникновении КЗ на любом расстоянии от ее начала, используя типовую схему электроснабжения и учитывая тепловой спад тока, появляющийся вследствие увеличения активного сопротивления токоведущей жилы кабеля. Продолжительность протекания токов КЗ определяется автоматически исходя из величи-
Рис. 1. Интерфейс программного модуля
ны рассчитанного тока на каждом шаге интегрирования с помощью существующих время-токовых характеристик (ВТХ) расцепителей АВ.
С помощью разработанного модуля производились расчеты для различных кабелей и параметров схемы.
Температуру нагрева КЛ можно определить по методике, основанной на расчете мгновенного значения полного тока КЗ /(/) [5,6]:
де =
КО гкД
где А?, А9 — приращения времени и температуры нагрева КЛ на каждом шаге интегрирования; /(/) — мгновенное значение полного тока КЗ; 5,1,с,у — параметры КЛ (активное сопротивление, площадь сечения, длина, удельная теплоемкость и плотность материала линии).
Как видно из предложенной формулы, нагрев проводника зависит не только от параметров кабеля, протекающего по нему тока и продолжительности КЗ, но и от места возникновения повреждения. В процессе исследования последнего фактора было получено несколько видов зависимостей температур нагрева КЛ от места возникновения КЗ. В данной статье представлены
два примера, в которых кабели проходят проверку на НВ при КЗ в расчетных точках, предлагаемых нормативно-техническими документами [1—3], но в то же время существует один или несколько участков длины КЛ (участки /нв на рис. 3), при возникновении КЗ на которых температура нагрева превышает допустимую по НВ (рис. 3).
При выборе и проверке кабелей по нагреву токами КЗ расчетным считается наиболее тяжелый режим, при котором токи КЗ имеют максимальные значения. В данном случае необходимо рассматривать трехфазные металлические короткие замыкания.
При расчетах рассматривалась типовая схема электроснабжения напряжением 0,4 кВ от трансформатора с номинальной мощностью 5 = 250 кВА. От основной секции 0,4 кВ отходит групповая кабельная линия, ее сечение (^ = = 50 мм2 для расчетного примера, представленного на рис. 3, а и ^ = 35 мм2 — на рис. 3, б) выбрано таким образом, чтобы с помощью изменения длины кабеля можно было задать определенный ток КЗ на вторичной сборке (в рассматриваемых примерах/кз = 5кА).
Параметры АВ, отключающего кабель при реализации дальнего резервирования, задаются
в виде ВТХ автомата [7]. Общий вид характеристики представлен на рис. 2, где Уном — номинальный ток АВ, Уэ/.м и /э/.м — минимальный ток и время срабатывания электромагнитного расцепителя, I — ток КЗ, начиная с которого отключение автоматического выключателя будет происходить за счет давления, которое создается энергией дуги при КЗ, т. е. по характеристике «рефлексного» отключения [7] (кривая 1 на рис. 2), / — минимальное время срабатывания теплового расцепителя АВ, /ро— максимальное время срабатывания «рефлексного» отключения.
ВТХ автоматов задаются в программном модуле. При исследовании проблемы невозгорания характеристика АВ будет зависеть от параметров групповой КЛ, так как рассматривается случай отказа основной защиты и отключения повреждения с помощью АВ смежного присоединения. Для представленных примеров выбраны автоматические выключатели с номинальным током Уном = 400 А и токами электромагнитных расцепителей У = 140 А (рис. 3, а) и У = = 105 А (рис. 3, б).
Для исследования нагрева кабелей в зависимости от удаленности возникновения КЗ необходимо определить возможный диапазон протяженности КЛ. ГОСТ на качество электроэнергии [8] нормирует допустимое отклонение напряжения на зажимах конечного потребителя. Анали-
Рис. 2. Время-токовая характеристика АВ с тремя зонами отключения: 1 — зона «рефлексного» отключения; 2— зона отключения электромагнитного расцепителя; 3 — зона отключения теплового расцепителя
зируя векторную диаграмму напряжений начала и конца линии и приняв отклонение конечного напряжения А и = 5 % от номинального согласно [8], можно рассчитать максимальные длины групповых и индивидуальных КЛ. В рассматриваемых случаях расчет ведется для индивидуальных алюминиевых кабелей сечением 10 мм'1, для которых максимальная протяженность с точки зрения потерь напряжения/тах = 28,9 м.
На рис. 3, а приведен график зависимости 9 = .Д/кл) Для кабельной линии сечением 10 мм при проверке на невозгорание. При малых расстояниях от начала кабельной линии до точки КЗ (/ = 0—3,5 м) ликвидация повреждения осуществляется по характеристике «рефлексного» отключения АВ (кривая У на рис. 2). В этой зоне токи КЗ максимальны, а АВ срабатывает за минимальное время (кривая У на рис. 3, а).
Резкий скачок температуры нагрева кабеля обусловлен переходом АВ в зону срабатывания электромагнитного расцепителя. По мере возрастания дистанции до точки КЗ ток снижается с учетом соответствующего роста сопротивления кабельной линии, время его протекания при этом остается практически постоянным, так как АВ срабатывает в зоне действия электромагнитного расцепителя. Соответственно конечная температура нагрева КЛ уменьшается по мере отдаления расчетной точки КЗ от вторичной сборки (кривая 2 на рис. 3, а). В начале КЛ (на расстоянии 3,5—7 м от ее начала) существует зона, для которой при возникновении КЗ расчетная температура КЛ становится выше температуры плавле-
9
= 660 °С). В связи с этим график в области температур выше 660 °С не имеет физического смысла и на рисунках обрывается.
9
= Д/^) на рис. 3, б'имеет место в диапазоне длин / = 0—16 м. Параметры схемы подобраны таким образом, что при возникновении повреждения на расстоянии 16,5 м от начала КЛ начинает срабатывать тепловой обратнозависимый расцепитель АВ. При этом время ликвидации КЗ вновь увеличивается, и происходит очередной скачок температуры нагрева кабеля (кривая 3 на рис. 3,6). Далее по мере удаления расчетной точки КЗ возникает эффект, связанный с увеличением интенсивности роста ВТХ теплового расцепителя при плавно уменьшающемся токе КЗ (примерно 27 м от начала КЛ).
Аналогичные зависимости можно получить и для других расчетных условий. Исследования проводились для различных схем с трансформаторами мощностью до 1000 кВА включительно. Более мощные трансформаторы с низшим напряжением 0,4 кВ рассматривать нецелесообразно ввиду их малого практического применения. В работе рассматривались алюминиевые и медные кабели различного сечения и длины, а также множество вариаций ВТХ автоматических выключателей.
Итак, при отказе основной защиты расчетная температура нагрева кабеля не всегда будет максимальной при возникновении КЗ в начале линии или на расстоянии 20 м от ее начала, как регламентируют основные нормативно-технические документы [1—3]. При этом удаленность от начала линии точки КЗ, приводящей к наибольшему нагреву КЛ, зависит от параметров схемы и ВТХ автоматического выключателя и не может быть определена в обобщенном виде для различных схем.
Несмотря на это, в результате данных исследований можно сформулировать основной подход к нахождению наиболее опасного места повреждения проводника, короткое замыкание в котором приводит к максимальному нагреву токоведущих частей. Для этого необходимо рассчитывать температуру нагрева в начале и в конце кабельной линии, а также во всех контрольных точках ВТХ защитного аппарата, т. е. в месте ее перехода от срабатывания одного расцепителя к другому.
С развитием компьютерного моделирования стало возможным производить проверку оборудования при различных авариях по методикам, которые ранее были нецелесообразны ввиду
СПИСОК I
1.Правила устройства электроустановок |Текст|,— 6-е изд., перераб. и доп., с изм,— СПб.: Изд-во ДЕАН, 2005,- 463 с.
2. ГОСТ Р 52736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания |Текст|,— М. : Стандартинформ, 2007,- 40 с.
3. Циркуляр № Ц-02-98(э). О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания [Текст] / РАО «ЕЭС России»,— М.: Изд-во Департамента стратегии развития и науч-
Рис. 3. Графические зависимости 9 = Д/кл)
при отключении тока КЗ: а — электромагнитным расцепителем АВ или с помощью «рефлексного» отключения; б — по любой кривой ВТХ АВ (рис. 2)
сложности расчетов. Однако в настоящее время эта задача решается с помощью доступных вычислительных средств.
Следовательно, необходимо в существующие и вновь разрабатываемые нормативные требования и рекомендации вносить более точные условия проверки и методики расчета термических воздействий токов КЗ на кабели, что позволит избежать возгораний кабельного хозяйства в системах электроснабжения различного назначения.
но-технической политики РАО «ЕЭС России», СПО ОРГРЭС, 1998,- 12 с.
4. Новости электротехники. Приложение «Вопрос— ответ» [Текст].— 2007. N° 6,— С. 27.
5. Лапидус, A.A. Расчет нагрева проводников, защищенных автоматическими выключателями |Текст] / A.A. Лапидус // Новости электротехники,- 2009. № 2,- С. 46-49.
6. Лапидус, A.A. Специфика расчета нагрева проводников [Текст] / A.A. Лапидус, С.Н. Соловьева // Новости электротехники,— 2010. N° 2,— С. 44-46.
7. Автоматические выключатели типа COMPACT NS. Технические условия [Текст].— 1996.
8. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнит-
ная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст].— М.: Международный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997,— 35 с.
УДК 621.398
И.Г.Плотников, Д.А.Устинов
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ПУСКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
К одной из наиболее энергоемких составляющих технологического процесса добычи нефти относится система поддержания пластового давления. Она представляет собой целый комплекс технологического оборудования, предназначенного для подготовки, транспортировки и закачки в пласт энергоносителя. Нефтегазодобывающие предприятия расходуют до 40 % мощности на закачку воды. Поэтому формирование заданных пусковых характеристик насосных агрегатов — одна из важнейших задач в электротехнических системах предприятий нефтяной промышленности.
Наиболее энергоемкими элементами таких систем являются центробежные насосы с приводом от синхронного электродвигателя (СД) мощностью до 6 МВт. При пуске высоковольтных синхронных двигателей кустовых насосных станций (КНС) остаточное напряжение на шинах 6 кВ составляет 70 % и менее, что недопустимо. Кроме того, становится невозможным массовый самозапуск электродвигателей после восстановления напряжения на источниках питания. Поэтому весьма актуальна разработка системы плавного пуска высоковольтных двигателей, при котором обеспечивается электромагнитная совместимость оборудования в соответствии с ГОСТ 13109-97 и СН 174-75[1,2].
В зависимости от условий эксплуатации насосов могут быть сформулированы различные ограничения как со стороны рабочего механизма, так и со стороны системы электроснабжения, приводного двигателя и насосной установки. В числе этих ограничений следующие:
потеря напряжения в системе электроснабжения не должна превышать допустимой по условию устойчивости технологического процесса;
ускорение в процессе разгона механизма не должно превышать значения, допустимого как для механизма, так и для самого двигателя;
нагрев обмоток двигателя в процессе пуска не должен превышать допустимой величины;
стоимость пускового оборудования должна быть минимально возможной.
Существуют различные способы пуска СД насосной установки: асинхронный пуск СД; пуск с помощью разгонного устройства (тонного двигателя); пуск при пониженном напряжении (автотрансформаторный, реакторный пуск илитиристорный пуск); частотный пуск. Во всех практических случаях процесс пуска СД можно разбить условно на два этапа. На первом этапе разгон происходит до подсинхронной частоты вращения (до скольжения 5, равного 0,05 и менее) в основном под действием асинхронного момента. Второй этап представляет собой процесс вхождения в синхронизм.
Обычно наибольший интерес при анализе первого этапа процесса пуска представляют следующие величины: начальный толчок тока статора (в момент подключения двигателя к сети); длительность режима пуска; изменение токов статора и ротора в процессе разгона (для определения нагрева обмоток).
Данные величины необходимо учитывать при оценке прямого пуска (при наличии или отсутствии дополнительных сопротивлений, установок продольной емкостной компенсации в цепи статора), а также при выборе схемы и алгоритма включения обмотки возбуждения. Для известного типа двигателя воздействие на его асинхронную моментную характеристику может быть осуществлено изменением величины пускового
