CC BY
40
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Бронникова В.В.,
студент 4 курса СурГУ, Голдобин Д.А, канд.техн.наук, доцент СурГУ г. Сургут, РФ E-mail: goldobin.dorian@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ 110 кВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПРОКЛАДКИ И СХЕМАХ СОЕДИНЕНИЯ ЭКРАНОВ
Аннотация
Разработана математическая модель трехфазной кабельной линии (КЛ) для расчета индуктированных токов в экранах при их двухстороннем заземлении или наведенных напряжений на изоляции экранов при их одностороннем разземлении в симметричных или несимметричных режимах, включая аварийные. Расчеты показали существенную зависимость токов экранов и наведенных напряжений от способа прокладки фаз КЛ. Произведены исследования теплового поля трехфазной КЛ при заземленных или разземленных экранах. Наибольшая эффективность, с точки зрения пропускной способности по току, наблюдается при горизонтальном или треугольном расположении и разнесении фаз на расстояние 0,5 м, которая при разземлении экранов может быть увеличена на 30-45%. Разработанная модель и методика может являться инструментом для обоснования проектных решений для КЛ и оптимизировать их способ прокладки и схему соединения экранов.
Ключевые слова:
кабельная линия, сшитый полиэтилен, математическая модель, токи экранов, пропускная способность, разземление экранов, наведенные напряжения, тепловой режим, способ прокладки, аварийный режим.
Одной из проблем применения кабелей с изоляцией из СПЭ является зависимость их пропускной способности по току от условий прокладки и условий теплоотвода. При принятии проектных решений зачастую невозможно оценить без применения специальных методов расчета фактическую пропускную способность. Температурный режим кабеля существенно зависит от потерь в жиле и экране кабеля. В проектном решении необходимо рассмотрение вариантов различного способа прокладки трех фаз кабеля, а также необходимости применения специальных схем соединения экранов для устранения продольных токов с целью увеличения пропускной способности. [2]
К математической модели трехфазной кабельной линии 110 кВ, исходя из задачи исследования, можно предъявить следующие требования:
- возможность расчёта стационарного симметричного режима протекания токов нагрузки;
- возможность расчета различных несимметричных режимов;
- возможность учёта различных способов соединения экранов (заземление, частичное разземление, полное разземление);
- возможность учёта различных геометрических размеров фазы кабеля (исходя из конструкции - жила, изоляция, изоляция экрана), а также геометрию расположения фаз кабеля;
- возможность проведения расчётов для разных длин отрезков КЛ;
- возможность учета электрических характеристик грунта.
В основе разработанной математической модели лежит модель фазы кабеля (рисунок 1), представляющей из себя двухканальную систему: канал 1 - «жила-экран», канал 2 - «экран-земля». В модели учтены погонные индуктивности каналов L1' и L2', а также активное сопротивление экрана Ra'.
Рисунок 1 - Модель фазы кабеля 110 кВ
(1)
Уравнения, описывающие стационарный режим протекания тока нагрузки частоты 50 Гц по фазе кабеля длиной I, имеют вид:
+7^111 - и^ + ^ - 12Яэ = 0;
[Й2н +7^^212 - и2к - ^э + ¡2^3 = 0,
где и1н , и1к - напряжение между экраном и жилой в начале и конце линии;
и2н , и2к - напряжение между экраном и землей в начале и конце линии;
11,12 - петли комплексных токов каналов «жила - экран» и «экран - земля»;
Яэ= Яэ' * I - сопротивление экрана кабеля длиной I ;
Ь1= ЬГ * I - индуктивность канала «жила-экран» кабеля длиной I ;
Ь2= Ь2' * I - индуктивность канала «экран-земля» кабеля длиной I ;
В модели не учитываются ёмкостные токи, так как при длинах кабелей не более 10 -15 км решающую роль в формировании параметров стационарного режима играют индуктивные связи и потери в жиле и экране кабеля.
Трехфазная модель кабельной линии для рассмотрения стационарных и квазистационарных режимов приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Трехфазная модель кабельной линии 110 кВ
Уравнения, описывающие стационарный режим частоты 50 Гц в каналах экран-земля фаз с учетом их магнитной связи имеют вид:
-Яэ * 11а + (Яэ + jwL2) * I2a + I2b * jwMab + I2c * jwMac + и2на - и2ка = 0; -Яэ * Ilb + (Яэ + jwL2) * I2b + I2a * jwMab + I2c * jwMbc + U2Hb - U2Kb = 0; -Яэ * Ilc + (Яэ + jwL2) * I2c + I2b * jwMcb + I2a * jwMac + U2m - U2m. = 0;
Полная система уравнений режима КЛ с учетом граничных условий в начале и конце кабельной линии в матричном виде выглядит как
[Л] X X = Е,
где [ A ] - квадратная матрица комплексных коэффициентов размерностью 20х20, X - вектор неизвестных токов и напряжений в схеме, Е - вектор комплексных изображений источников ЭДС фаз a, b, c. Все дальнейшие расчеты произведены с использованием данной модели.
На рисунке 3 приведены результаты расчетов токов и потерь в экранах при их двухстороннем заземлении по концам КЛ при различном способе их расположения (треугольном или горизонтальном) и при различном расстоянии между фазами. Величина тока в экране определяет потери энергии в экране, которые приводят к повышению температуры фазы кабеля. Расчеты производились для кабеля с сечением жилы 300 мм2, длиной 1 км, при симметричном токе нагрузки 1 кА.
Рисунок 3 - Токи и потери в экранах кабеля при различном способе
расположения фаз.
Для предотвращения продольных токов в экранах применяется схема с односторонним разземлением экранов. При этом на изоляции экранов (антикоррозионном покрытии) наводится напряжение, величина которого зависит от тока нагрузки и способа расположения фаз (табл.1).
_НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №6/2016 ISSN 2411-7161_
Таблица 1
Наведенные напряжения частоты 50 Гц на изоляции экранов при токе нагрузки 1 кА и длине КЛ 1 км,
В/кмкА
Расстояние между фазами, м 0,1 0,2 0,5 1
Горизонтальное расположение фаз
А 88,9 130 186 229
В 58 102 160 204
С 88 129 185 228
Треугольное расположение фаз
А, В, С 58 102 160 204
Несимметричный аварийный режим работы КЛ приводит к особому распределению наведенных напряжений на экранах, а в случае их двухстороннего заземления - к термическому воздействию на экраны, дополнительный нагрев экранов зависит при этом от распределения аварийного тока по экранам фаз. Результаты расчетов режима внешнего однофазного КЗ на крайней фазе при их горизонтальном расположении показывают следующие закономерности и особенности:
- по экранам здоровых фаз протекает только часть аварийного тока, причем большая часть тока протекает по экрану аварийной фазы; при малых расстояниях по экрану аварийной фазы течет 60% тока, а при расстоянии порядка 1м 80-90% аварийного тока;
- суммарный ток по экранам, если брать в расчет модули токов, превышает значение аварийного тока на 10-15%, что объясняется разными фазами токов экранов;
-при увеличении расстояния между фазами от минимального до 1 метра потери в экране поврежденной фазы увеличиваются примерно в 2 раза;
- величина наведенного напряжения на изоляции экрана поврежденной фазы, приведенного к току КЗ 1 кА, при одностороннем разземлении не зависит от способа расположения фаз и составляет 680 В/кмкА;
-на экранах здоровых фазах величина наведенного напряжения ниже на 5-10%.
В трехфазной кабельной линии конфигурация теплового поля, а значит и распределение температуры внутри кабеля и между фазами кабеля, зависит от взаимного расположения фаз. Условия теплоотвода будут более благоприятными при значительном расстоянии между фазами. При укладке фаз вплотную будут наблюдаться наиболее неблагоприятные условия теплоотвода, поскольку источники тепла максимально сконцентрированы.
Наличие или отсутствие продольных токов в экранах может существенным образом повлиять на температуру кабеля при одинаковых внешних условиях. Увеличение расстояния между фазами приводит, с одной стороны, к лучшему теплоотводу, а с другой - к увеличению общих потерь, которые можно исключить, применяя схему с разземлением экранов. [3]
Ток нагрузки, создающий температуру на границе раздела "жила-изоляция" не более 90о С для конкретной конфигурации расположения фаз и условий теплообмена с окружающей средой, является предельно допустимым током для КЛ. Определение предельного тока возможно лишь при расчете стационарного теплового поля КЛ, учитывающего все источники тепла - потери в жилах и экранах, а также условия теплоотвода. Тепловое поле трехфазной КЛ, проложенной в грунте, может быть рассчитано с использованием многих известных программных продуктов, в основе которых лежит метод конечных элементов.
В таблице 2 приведены результаты сравнительных расчетов предельных допустимых токов нагрузки для КЛ 110 кВ с сечением жилы 800 мм2 при допустимой температуре на границе жила-изоляция 90о С.
Таким образом, разработанная модель КЛ в сочетании с использованием одного из известных программных продуктов для расчета полей методом конечных элементов может являться инструментом для
обоснования проектных решений по прокладке кабельных линий 110-220 кВ и оптимизировать их способ прокладки и схему соединения экранов.
Таблица 2
Эффективность одностороннего разземления экранов КЛ для увеличения тока пропускной
способности, tж.доп= 90о С
Способ прокладки С заземленными экранами С односторонним разземлением экранов
• •• s=0.5m 700 1040 (+30%)
А вплотную 800 900 (-12%)
••• s-C). : м 695 1015 (+46%)
Список использованной литературы:
1. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. - М. 1996.
2. Силовые кабельные линии напряжением 110-500 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС», СТО 56947007, дата введения: 25.03.2011, 125 с.
3. Силовые кабели. Методика расчета устройств заземления экранов, защиты от перенапряжений изоляции силовых кабелей на напряжение 110-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС», СТО 56947007, дата введения: 11.10.2011, 32 с.
©Бронникова В.В., Голдобин Д.А. 2016
Дикун Жанна Евгеньевна
аспирант КНУСиА, г.Киев, Украина E-mail: arch_zhanna@ukr.net
МЕТОДИКА РЕКОНСТРУКЦИИ МОРСКИХ ПАСАЖИРСКИХ ТЕРМИНАЛОВ
Аннотация
Актуальность темы определяется необходимостью обеспечения возможности активного использования существующего фонда морских пассажирских терминалов после их реконструкции, приведения их в соответствие с современными нормативными требованиями. Цель работы создать пошаговый алгоритм при проектировании новых и реконструкции существующих МПТ. В статьи приведены основные методы и виды реконструкции терминалов. Результат данного исследования может быть использован в реальном проектировании, в методической литературе в данной отрасли, а также в учебном процессе. Выводом данного исследования есть методика реконструкции МПТ.
Ключевые слова:
Морские пассажирские терминалы, реконструкция, методы, методика,
