CC BY
30
(ВестницК^асТЯ'У- 2012. №6
УДК 631.17 И.О. Егорушкин, Л.П. Костюченко, Я.А. Кунгс
О ПРИМЕНЕНИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО СПАДА ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
В статье рассмотрены информационные технологии для определения токов короткого замыкания, даны алгоритмы, программы и результаты расчетов. Для выполнения расчетов рекомендовано использование программ MS EXCEL, MATCAD и других.
В результате определено изменение тока однофазного короткого замыкания в зависимости от удаленности точки при сечении провода 25 мм2 и других значениях, а также предельные длины трасс, для которых необходим учет теплового спада тока однофазного короткого замыкания при фиксированной мощности трансформатора 400 кВА, что является основой для выбора автоматического выключателя.
Ключевые слова: сельские электрические инновационные технологии, тепловой спад тока, короткое замыкание.
1.0. Egorushkin, LP. Kostyuchenko, Ya.A. Kungs
ON THE INFORMATION TECHNOLOGY APPLICATION TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF SHORT ■ CIRCUIT CURRENT THERMAL DECAY IN THE RURAL ELECTRIC NETWORKS
Information technologies for the short-circuit current determination are considered, algorithms, programs and calculations results are given in the article.
It is recommended to use MS EXCEL, MATCAD and other programs for the calculations. As a result, the one-phase short-circuit current change depending on the point remoteness, when the wire section is 25 mm2' and other data and the utmost track lengths, for which it is necessary to take into account the thermal decay of the one-phase short-circuit current when the fixed transformer power is 400 KVA which is the basis for the automatic circuit breaker choice is determined.
Key words: rural electrical innovative technologies, current thermal decay, short-circuit.
В работах [1, 2] нами была показана необходимость учета теплового спада тока короткого замыкания (к. з.) для сельских электрических сетей при выборе коммутационной аппаратуры и площади сечения проводниковых материалов.
Там же рассмотрена предложенная нами методика расчета токов короткого замыкания на основании зависимости изменения величины активного сопротивления от тока к. з. Показано, что эту зависимость можно представить следующим образом:
1
где величина коэффициента с/ зависит от соотношения времени отключения (?) и постоянной времени нагрева короткозамкнутой цепи (7);
- при ИТ< 0,1 влиянием теплоотдачи проводника в окружающую среду можно пренебречь, а коэффициент д определять по следующей приближенной зависимости:
1 А12 Р°- 1 ? = ,° (2>
гАе Р - удельное сопротивление материала проводника, мОм мм2/м; а - температурный коэффициент сопротивления, град1; у - удельная плотность материала проводника, кг/м3; Со - удельная теплоемкость, ^(кг град); Г-сечение проводника, мм2;
- при ИТ > 0,1 влиянием теплоотдачи пренебрегать нельзя, тогда коэффициент я определяется по бедующей зависимости:
Для одного и того же проводника коэффициент, стоящий в (2) перед
F
и равный ю12 х J—, есть
С0у
величина постоянная. Например, для алюминия он равен 56,6.
С учетом (1) нами получено уравнение для расчета тока однофазного к. з. / в линиях электропередачи
Параметр q в уравнении (4) находится по одной из зависимостей - (2) или (3).
В (4) ток к, з. выражается неявно. Это значит, что фактически получается нелинейное уравнение относительно / (если только величина q * 0). Если приводить уравнение (4) к виду полинома (то есть избавиться от радикала), то нелинейная (правая) часть уравнения (4) преобразуется к многочлену 6-й степени относительно тока /. Поскольку корни многочлена 5-й и более степени невозможно выразить точно через коэффициенты самого многочлена, уравнение (4) можно решить, лишь прибегая к численным (итерационным) методам. Наиболее известными из них являются метод хорд, касательных (Ньютона) и метод деления отрезка пополам (бисекции или дихотомии).
При исследованиях для проведения численных экспериментов необходимо многократно решать уравнение (4) при различных значениях сечения F, времени отключения к. з. t и длины линии /. Кроме того, указанное уравнение является нелинейным не ниже шестого порядка, которое можно решить только одним из известных итерационных методов. Поэтому для расчетов необходимо использование ЭВМ. Нами создан программный комплекс, включающий процедуру решения нелинейного уравнения методом дихотомии.
В состав программного комплекса входят:
• программы на языке Паскаль, предназначенные для выполнения расчетов токов короткого замыкания и построения графических зависимостей;
• программы на языке Паскаль для выполнения расчетов и построения зависимостей в виде предельных длин трасс, до которых тепловой спад тока короткого замыкания учитывать необходимо;
• электронные таблицы MS Excel, содержащие результаты расчетов токов короткого замыкания, которые в свою очередь основаны на нестандартных функциях, разработанных авторами с использованием встроенного языка VBA;
• электронные таблицы MS Excel, содержащие результаты выбора защитной аппаратуры, как с учетом допустимого времени отключения автоматическим выключателем, так и с учетом теплового спада тока короткого замыкания.
Исходными данными для программ, входящих в состав описываемого комплекса, являются:
• напряжение сети (В);
• параметры, учитывающие материал проводника: р- удельное сопротивление (мОммм2/м); а-температурный коэффициент сопротивления (град1); удельная плотность материала проводника (кг/м3); Со -удельная теплоемкость (Дж/(кг град));
• площадь сечения проводника (мм2);
• мощность питающего трансформатора (кВА);
• время отключения к. з. (с);
• расстояние от источника до точки к. з. (м)
Общая блок-схема алгоритмов программ для выполнения расчетов представлена на рисунке 1.
В таблице 1 приведены результаты вычислений тока трехфазного к. з. за трансформатором мощностью 400 кВА, в линии 0,4 кВ, выполненной алюминиевыми проводами сечением 25 мм2, при времени отключения к. з., равном 1 с. Расчеты выполнены для различного расположения точек к. з. по длине линии.
1 =
U
(4)
(Вестни^7(расТЯ'У2012. №6
Рис. 1. Общая схема алгоритма программ
Таблица 1
Результаты вычислений тока трехфазного короткого замыкания (5=400 кВА, 25 мм2, *=1 с)
Расстояние до точки К.З., м Ток трехфазного короткого замыкания, кА
С учетом сопротивления дуги Без учета сопротивления дуги
__0_ 31,884 32,074
4,813 5,051
3,527 3,726
2,869 3,050
2,442 2,609
----50__ 2,133 2,290
1,895 2,043
Фрагмент листа Книги MS Excel, содержащего ввод данных, представлен на рисунке 2. Данные вводятся в соответствующие текстовые поля, после чего передаются в ячейки строки 2.
Mitroioft fcxcel - Данные к дисер (однофазное КЗ)
Щ Файл Qjaexa Вид Встарка Формат Сервис Данные Skho Qipawca______
/о # äi * ъ a > v: Í VAII SÍ & я i»* j
I Arial Cyr
f.............1"
■ i 50
U (напряжение, В) SN (мощность тр-ра, кВА) :ro alpha СО gamma F (сечение, кв. мм) ;t (время, с)
400 400, 0,034 0,004 890 2700 25 0,5
alpha =
С0 =
г-
'=--;- 1
OK
0.6
Рис. 2. Фрагмент листа ввода данных
Программный комплекс позволяет провести сравнение результатов выбора защитной аппаратуры с учетом допустимого времени отключения к. з. в зависимости от применяемой методики расчета токов к. з. В таблице 2 приведены результаты выбора автоматических выключателей при расчете токов к. з. без учета теплового спада, а в таблице 3 приведены результаты выбора защитной аппаратуры при расчете токов к. з. с учетом теплового спада. И в том и в другом случае выбор коммутационной аппаратуры проводился с учетом времятоковых характеристик автоматических выключателей. Расчеты выполнялись применительно к выключателям серии ВА-57, выпускаемых Дивногорским заводом низковольтных автоматов.
Таблица 2
Результаты выбора автоматических выключателей без учета теплового спада
Расстояние, м Номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя, А
16 20 25 50 63 80 160 200 250
0 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
25 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
50 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
75 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ___
100 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 _-
<Ъестни^КрасТЯ'У2012. №6
Таблица 3
Результаты выбора автоматических выключателей с учетом теплового спада
Расстояние, м Номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя, А
16 20 25 50 63 80 160 200 250
0 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
25 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
50 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
75 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
100 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31 ВА57-31
ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35 ВА57-35
Как видно из сравнения таблиц 2 и 3, при номинальном токе теплового расцепителя 160 А и расстоянии до точки к. з. > 50 м разные методики дают разные результаты выбора автоматических выключателей. При расчете токов к. з. без учета теплового спада тока получается, что для защиты сети можно выбрать выключатели типа ВА57-31 или ВА57-35. Если же расчет токов к. з. проведен с учетом теплового спада, получаем, что выключатель типа ВА57-31 применять нельзя, так как он не обеспечивает требуемого быстродействия отключения тока к. з. В таблице 2 выключатели, применение которых недопустимо, выделены жирно.
С помощью стандартных программ (Excel, MathCad и т. п.) построение графиков в желаемом для пользователя наглядном формате не всегда достижимо, поэтому нами разработано программное обеспечение, позволяющее строить графические зависимости и накладывать на рисунок как равномерную, так и неравномерную сетку, динамически меняя ее параметры, получать наглядные хорошо читаемые графики. Данное программное обеспечение разработано на языке Паскаль. Для примера на рисунке 3 приведены зависимости изменения тока однофазного к. з. от удаленности точки к. з. по длине трассы.
рис. 3. Изменение тока однофазного к. з. от удаленности точки к.з. при Р =25 мм2 и разных значениях Г
Зависимости построены с помощью Паскаль-программы при сечении провода Р=25 мм2, времени отключения (?) 1 с и 2,5 с для случая однофазного к. з. и разных методик расчета величины тока к. з. [3,4].
На рисунке 4 представлены предельные длины трасс, до которых необходим учет теплового спада тока однофазного короткого замыкания, при фиксированной мощности трансформатора 8=400 кВА.
Рис. 4. Предельные длины трасс, до которых необходим учет теплового спада тока однофазного короткого замыкания, при фиксированной мощности трансформатора 8=400 кВА
Таким образом, предлагаемые информационные технологии позволяют автоматизировать расчеты токов к. з., выбора коммутационной аппаратуры, придают наглядность и ясность получаемому результату. Данный программный комплекс внедрен в учебный процесс в Институте ИЭ и УЭР АПК КрасГАУ, способствует повышению информационной, исследовательской и проектно-конструкторской компетентности студентов при изучении дисциплины «Электроснабжение».
Литература
1. Выбор автоматических выключателей с учетом теплового спада тока короткого замыкания I И.О. Его-рушкин [и др.]. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008. - 336 с.
2. Егорушкин И.О. Учет термической стойкости проводников при выборе элементов электрических сетей до 1000 ВII Промышленная энергетика. - 1998. - № 8. - С. 31-33.
3. Жуков В.В. Электродинамическое и термическое действие токов короткого замыкания в системе с гибкими проводниками II Электричество. - 1993. - № 6. - С. 13-20.
4. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / под
ред. Б.Н. Неклепаева. - М.: НЦ ЭНАС, 2001. -152 с.
-♦-
