CC BY
142
УДК 621.316
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 0,4 КВ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
НАГРУЗКОЙ
А. А. ГАЛИМОВА Самарский государственный технический университет
В статье рассмотрен алгоритм выбора сечения провода линии электропередачи с учетом допустимого отклонения напряжения на шинах нагрузки, приведена методика выбора аппаратов защиты в линиях электропередачи 0,4 кВ, имеющих при большой протяженности небольшую нагрузку, распределенную по всей длине. Особенность протяженных линий с распределенной нагрузкой, например линий наружного освещения автомобильных магистралей, - большие падения напряжения, а также небольшие токи коротких замыканий в конце линии.
Ключевые слова: проектирование линии электропередачи, допустимое отклонение напряжения, защитные аппараты, распределенная нагрузка, режим короткого замыкания, токи короткого замыкания.
Задача проектирования линии электропередачи с распределенной нагрузкой, особенно большой протяженности, имеет ряд особенностей. Важными критериями проектируемых систем электроснабжения являются обеспечение качества электроэнергии и надежность защиты электрооборудования в аварийных режимах.
Известно, что при выборе сечения провода рассчитывается величина рабочего тока нагрузки, выбирается сечение проводника и выполняется проверка по экономической плотности тока и допустимому отклонению напряжения на шинах нагрузки. Допустимое падение напряжения на шинах нагрузки регламентируется стандартом качества электроэнергии и варьируется от 5 до 10% от номинального напряжения. Основным фактором, влияющим на падение напряжения в линии электропередачи, является сечение провода и ее длина. Известно, что чем больше сечение провода, тем меньше падение напряжения в нем; чем протяженней линия электропередачи, тем больше в ней потери напряжения. Однако увеличение сечения провода приводит к увеличению стоимости системы электроснабжения, при этом дороже становится не только провод, но и линейная арматура для его подвески. Экономический критерий системы электроснабжения сегодня является одним из важнейших показателей как при создании новых объектов, так и при реконструкции существующих. Расчет падения напряжения в линиях электропередачи выполняется согласно [1]. Если нагрузка линии электропередачи расположена в конце линии, падение напряжения для выбранного сечения определяется по формуле
А^ а'М
^пр I
© А. А. Галимова
где а - поправочный коэффициент [1]; Мг- момент нагрузки в г-м фидере, кВт*км; 5пр. - сечение провода на г-м фидере, мм2.
В таких линиях нагрузка остается неименной на всем протяжении, что не позволяет изменить сечение провода в цепи, так как момент нагрузки на фидере определяется согласно [1] и остается неизменным на всем протяжении линии электропередач:
м г=р • ц,
где Рг - мощность нагрузки в г-м фидере, кВт; Ц - длина г-го фидера, км.
В данной статье рассматриваются линии электропередачи с распределенной нагрузкой. Структура таких цепей - разветвленные разомкнутые (древовидные) сети. В таких линиях ток каждого участка фидера уменьшается по мере подключения отпаек потребителя в каждом узле линии. Поэтому при расчете падения напряжения и выборе сечения провода возможно уменьшение расчетного сечения. Алгоритм оптимизации сечения провода изложен в работах [2, 3]. Алгоритм применялся для оптимизации сечения проводов в автономных системах электроснабжения космических летательных аппаратов.
Допустимое падение напряжения в фидере определяется исходя из заданных значений:
Аи = инн - ин,
где инн - напряжение на шинах в распределительном устройстве низкого напряжения трансформаторной подстанции, В; ин - напряжение на зажимах нагрузки, наиболее удаленной от источника, В. Удельное сопротивление фидера
* Аи
ли1 =—, (1)
где Ц - длина г-го фидера, км.
Если некоторые участки входят в несколько фидеров, удельное сопротивление принимается наибольшим из всех расчетных значений.
Далее рассчитывается падение напряжения на у-м участке:
*
диу =Ш Ц, (2)
где Ц - длина у-го участка, км.
Расчетное сечение провода определяется согласно [1]:
а • М у
^ннрасч = ли . ' (3)
где а - поправочный коэффициент [1]; Му - момент нагрузки нау-м расчетном участке, кВт*км;
Так как нагрузка каждого участка фидера уменьшается, момент на следующем участке меньше, чем на предыдущем, что существенно влияет на расчетное падение напряжения.
Из стандартного ряда сечений проводов выбираем значение, равное или немного больше расчетного, и пересчитываем падение напряжения при выбранном сечении:
а • М:
Лирасч = --. (4)
пр ст]
Так как при пересчете падения напряжения на участке фидера для стандартного сечения образуется так называемый запас по допустимому падению напряжения на оставшихся участках фидера, на некоторых последующих участках можно выбрать провод меньшего сечения. На оставшейся части магистрали падение напряжения пересчитывается по выражениям (1) - (4), при этом каждый этап длина фидера уменьшается на величину рассчитанного участка. Таким образом выбирается сечение провода на каждом участке фидера.
Аналогичная задача оптимизации сечения провода ставилась при проектировании линии наружного освещения автомобильной магистрали. Линии наружного освещения имеют следующие особенности: протяженность их, как правило, составляет несколько километров, а нагрузка - однофазные светильники небольшой мощности, распределенные по всей длине. Условие по допустимому отклонению напряжения в конце таких линий будет выполняться при выборе очень большого сечения провода, так как основным фактором, влияющим на падение напряжения, является длина, несмотря на небольшую потребляемую мощность. В качестве примера в статье приводится выбор сечения провода линии наружного освещения автомобильной дороги, принадлежащей к категории общегородской магистрали протяженностью 6 км, имеющей четыре магистральных участка, протяженностью около 3 км каждый. При решении поставленной задачи принимались некоторые упрощения, так как сечение провода рассчитывалось по длительно допустимому току и проверялось по экономической плотности тока. Далее производилась проверка по допустимому отклонению напряжения на шинах нагрузки. При расчете падения напряжения без оптимизации на протяжении всего фидера сечение провода должно быть не менее 150 мм2 при суммарной мощности нагрузки, не превышающей 50 кВт. При оптимизации сечения провода стало возможным уменьшить сечения на существенной части магистрали на одну ступень, то есть до 120 мм2.
Расчет падения напряжения в магистралях линии наружного освещения выполнялся для одной фазы, так как светильники освещения в таких линиях являются однофазными и распределяются равномерно по фазам на протяжении всей линии.
Согласно упрощенному алгоритму, расчет падения напряжения в пролете рассчитывается по формуле
а • М;
Аи=
£
Пр у
где а - коэффициент из [2]; Му - момент нагрузки на у-м расчетном участке,
2
кВт*км; £пр . - сечение провода на у-м расчетном участке, мм .
Момент нагрузки на расчетном участке фидера определяется согласно [1]:
М у=Ру • ь'
где Ру - мощность нагрузки ву-м узле, кВт; Ь1 - длина г-го участка, км.
Допустимое падение напряжения в линиях освещения - не более 5% на шинах наиболее удаленного светильника. Результаты расчета приведены в табл. 1. Протяженность магистрали № 1 - 3,055 км, магистрали № 2 - 3,064 км. В магистрали № 1 подключено 178 светильников ЖКУ-250 с натриевыми лампами ДНаТ мощностью 250 Вт каждая, в магистраль № 2 включено 146 аналогичных светильников. Нагрузка каждой фазы в магистралях - 16,226 кВт и 13,4 кВт, соответственно, с учетом потерь в светильниках. Даже при такой небольшой нагрузке расчетное сечение проводов в этих магистралях 150мм2 и 120 мм2 из-за большой протяженности. Поэтому оптимизация сечения проводов имеет существенное значение. При этом уменьшение сечения провода на одну ступень позволяет снизить стоимость на линейную арматуру для подвески проводов и светильников, так как стоимость линейной арматуры существенно зависит от сечения применяемого провода.
Таблица 1
Магистраль № 1 Магистр эаль № 2
№ опоры одной фазы № узла Длина между опорами одной фазы, км Момент полета, кВт*км Падение напряжения на участке фидера, % Выбранное сечение, мм2 № опоры одной фазы № узла Длина между опорами одной фазы, км Момент полета, кВт Падение напряжения на участке фидера, % Выбранное сечение, мм2
89 256 0 0,03 0,54 0,08 150
86 1 0,10 1,68 0,25 150 253 1 0,11 1,73 0,25 150
83 2 0,10 1,63 0,24 150 250 2 0,11 1,67 0,24 150
80 3 0,10 1,57 0,23 150 247 3 0,11 1,62 0,24 150
77 4 0,10 1,51 0,22 150 244 4 0,11 1,56 0,23 150
74 5 0,10 1,46 0,21 150 241 5 0,11 1,50 0,22 150
71 6 0,10 1,40 0,20 150 238 6 0,11 1,44 0,21 150
68 7 0,10 1,35 0,20 150 235 7 0,11 1,39 0,20 150
65 8 0,10 1,29 0,19 150 232 8 0,11 1,33 0,19 150
62 9 0,10 1,23 0,18 150 229 9 0,11 1,27 0,19 150
59 10 0,10 1,18 0,17 150 226 10 0,11 1,21 0,18 150
56 11 0,10 1,12 0,20 120 223 11 0,11 1,16 0,17 150
53 12 0,10 1,07 0,19 120 220 12 0,11 1,10 0,16 150
50 13 0,10 1,01 0,18 120 217 13 0,11 1,04 0,15 150
47 14 0,10 0,95 0,17 120 214 14 0,11 0,98 0,14 150
44 15 0,10 0,90 0,16 120 211 15 0,11 0,92 0,13 150
41 16 0,10 0,84 0,15 120 208 16 0,11 0,87 0,16 120
38 17 0,10 0,79 0,14 120 205 17 0,11 0,81 0,15 120
35 18 0,10 0,73 0,13 120 202 18 0,11 0,75 0,14 120
32 19 0,10 0,67 0,12 120 199 19 0,11 0,69 0,13 120
29 20 0,10 0,62 0,11 120 196 20 0,11 0,64 0,12 120
26 21 0,10 0,56 0,10 120 193 21 0,11 0,58 0,11 120
23 22 0,10 0,50 0,09 120 190 22 0,11 0,52 0,09 120
20 23 0,10 0,45 0,08 120 187 23 0,11 0,46 0,08 120
17 24 0,10 0,39 0,07 120 184 24 0,11 0,40 0,07 120
14 25 0,10 0,34 0,06 120 181 25 0,11 0,35 0,06 120
11 26 0,10 0,28 0,05 120 178 26 0,11 0,29 0,05 120
8 27 0,10 0,22 0,04 120 175 27 0,11 0,23 0,04 120
5 28 0,10 0,17 0,03 120 172 28 0,11 0,17 0,03 120
2 29 0,10 0,11 0,02 120 169 29 0,11 0,12 0,02 120
30 0,10 0,06 0,01 120 166 30 0,11 0,06 0,01 120
Падение напряжения 4,24 Падение напряжения 4,25
Одним из важных критериев выбора сечения провода линии электропередачи низкого напряжения является условие срабатывания аппаратов защиты на стороне низкого напряжения при возникновении в цепи короткого замыкания. Номинальный ток защитного аппарата должен иметь коэффициент кратности не менее 3 по отношению к току короткого замыкания в наиболее удаленной от защитного аппарата точке электрической сети. Более подробно методика выбора проводников по условию срабатывания при коротком замыкании в линиях низкого напряжения изложена в работе [1]. Однако приведенная методика эффективна для систем электроснабжения непротяженных линий, линий, соединяющих трансформаторную подстанцию (ТП) с нагрузкой, а также линий, имеющих большую мощность. В протяженных линиях с распределенной нагрузкой, особенно небольшой мощности, такая методика не позволяет выбрать эффективную защиту от коротких замыканий. В качестве примера можно привести линию наружного освещения автомобильных магистралей. Режим короткого замыкания в такой линии имеет особенность - ток короткого замыкания в конце линии, как правило, меньше или близок по значению току нагрузки в конце линии. В этом случае автоматические выключатели, как правило, устанавливаемые в распределительном устройстве 0,4 кВ на подстанции, не отключат нагрузку при возникновении короткого замыкания в конце линии. Номинальный ток выключателя должен превышать номинальный ток нагрузки не менее чем на 20%, это обеспечивает нормальную работу коммутационного аппарата при переходных процессах в цепи, обусловленных пусковыми токами, например, возникающих в светильниках.
В данной статье приведена методика выбора аппаратов защиты в протяженных линях, имеющих распределенную нагрузку. В основе методики лежит секционирование линии. Вся линия электропередачи делится на участки, каждый из которых защищен своими предохранителями.
При разработке методики ставилась следующая задача: рассчитать ток короткого замыкания в г'-й точке линии на расстоянии й от трансформаторной подстанции (ТП) и найти у-узел подключенной нагрузки на расстоянии 1у от ТП, в © Проблемы энергетики, 2010, № 11-12
котором можно установить аппарат для эффективной защиты участка линии Ц -й. При этом должны выполняться два условия:
- ток короткого замыкания должен быть не менее трехкратного номинального тока защитного аппарата:
1 кз — 31нз; (5)
- номинальный ток защитного аппарата должен быть не менее номинального тока нагрузки в у-том узле:
/нз — 1н] . (5)
Токи короткого замыкания рассчитываются в соответствии с ГОСТ 28249-93 [4]. Схема замещения системы электроснабжения содержит схему замещения трансформатора ТП, схему замещения линии электропередачи. При расчете комплексных сопротивлений схемы замещения также учитываются сопротивления коммутационных аппаратов, контактов, а также других элементов, входящих в систему электроснабжения.
Активное и реактивное сопротивление прямой последовательности трансформатора рассчитывается на основании паспортных данных по формулам, приведенным в справочнике [5]. Сопротивления обратной последовательности трансформатора, а также сопротивления прямой и обратной последовательности других элементов схемы замещения выбираются согласно ГОСТу [4].
В сетях 0,4 кВ самыми тяжелыми являются токи несимметричных коротких замыканий, поэтому в качестве критерия для выбора аппарата защиты принимается ток однофазного короткого замыкания:
/ (1)кз =л/зиср/ {(2 + ЯоГ + (2 X Е+ Хо)
где иср - среднее значение низкого напряжения, для сети 380 В среднее напряжение равно 400 В; - суммарное активное сопротивление прямой последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом; Ло -суммарное активное сопротивление обратной последовательности схемы замещения системы электроснабжения Ом; X ^ - суммарное реактивное сопротивление прямой последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом; Хо - суммарное реактивное сопротивление обратной
последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом.
Для определения у-го узла для установки защитного аппарата воспользуемся условием выбора аппарата (5). Подставив в левую часть формулу для определения тока однофазного короткого замыкания, получим
л/э^ср /д/(2ЛЕ + Ло)2 + (2XЕ + Xо)2 — 3/нз .
В правую часть неравенства подставим номинальный ток нагрузки и выразим его через мощность в у-м узле:
4ьиср/ д/(2 ЯЕ+ Яо)2 + (2 X 2+ X о)2 — (3 Рнуи)/ л/зисо«ф , (6)
(1) —.Р3т7 .1(2 + Р„)2 + (2 У„ + У„)2
где Рну - мощность в у-м узле, Вт; п - количество узлов от точки подключения в
ТП до в у-го узла; ^ф - коэффициент мощности, при проектировании коэффициент мощности принимается равным 0,85; и - номинальное напряжение системы электроснабжения, и = 380 В.
В результате решения неравенства, подставив параметры системы электроснабжения и схемы замещения, можно определить узел нагрузки п, в котором необходимо установить защитный аппарат. Расстояние от точки короткого замыкания в г-м узле до у-го узла с защитным аппаратом при таком расчете будет минимально допустимым исходя из условия решения неравенства. При выборе узла для установки защитного аппарата с помощью неравенства (6) получаем погрешность, обусловленную следующим. Номинальный ток защитного аппарата выбирается из стандартного ряда токов автоматических выключателей или предохранителей, выпускаемых для применения в электрических сетях. Если разница между номинальным током нагрузки в у-м узле /ну и стандартным номинальным током защитного аппарата /нз существенна, значение 3/нз может превышать ток короткого замыкания. Подставлять в правую часть неравенства (6) номинальный ток защитного аппарата также нецелесообразно, так как в формуле не будет связи с параметрами нагрузки. В приведенной методике автором предлагается следующее решение проблемы. Количество узлов от ТП до узла у, в котором необходимо установить защитный аппарат, определяется по формуле
где - суммарная нагрузка системы электроснабжения Вт.
Номинальный ток защитного аппарата выбирается следующим образом. Рассчитывается ток короткого замыкания в конце линии. Номинальный ток защитного аппарата выбирается не более чем 1/3 тока короткого замыкания. Подставив в формулу (7) выбранное значение номинального тока защиты, определяем значение п. Окончательный выбор узла у производится после проверки условий неравенства (6). Если неравенство (6) не выполняется, корректируется значение п. Практический опыт решения подобных задач показал, что если неравенство не выполняется, следует уменьшить значение п, выбрав узел у-1. Далее рассчитывается ток короткого замыкания в узле у, выбирается узел для установки защитного аппарата и определяется диапазон защиты. Таким образом выполняется расчет для всей линии электропередачи. Последний узел для расчета и установки защитного аппарата - распределительное устройство низкого напряжения в ТП.
Задача выбора узла для установки защитного аппарата участка линии электропередачи может быть решена графически.
На рисунке представлены токи короткого замыкания, трехкратные номинальные токи в узлах распределенной нагрузки. На рисунке также представлены линии, соответствующие трехкратным номинальным токам защитных аппаратов. Точка пересечения линии трехкратного номинального тока защитного аппарата и зависимости трехкратного тока нагрузки в узлах соответствует значению узла п, который является нижней границей, в котором целесообразно устанавливать аппараты защиты. Максимально допустимый узел установки защитного аппарата - точка пересечения линий, соответствующих трехкратным номинальным токам защитных аппаратов с линией токов
(7)
короткого замыкания. Диапазон действия защитного аппарата, установленного, например, в точке п1, - до точки п2, и т.д. Целесообразно выбирать узел нагрузки для установки защиты между двумя зависимостями, чтобы иметь запас надежности по срабатыванию при коротком замыкании и запас для возможной небольшой перегрузки в узле.
Рис. Распределение токов короткого замыкания и токов нагрузки в узлах линии
электроперед ачи
Методика применялась при проектировании линии наружного освещения автомобильной дороги, описанной выше. В результате секционирования каждая магистраль была разделена на 4-5 участков, каждый участок защищен группой предохранителей с номинальными токами, соответствующими условиям срабатывания.
Результаты расчетов одной из магистралей приведены в табл. 2. Соединение участков выполнено с помощью мачтовых рубильников, в каждом из которых установлены предохранители с параметрами, выбранными по приведенной методике. В результате секционирования каждый участок светильников линии наружного освещения защищается от токов короткого замыкания своими предохранителями.
Таблица 2
Результаты выбора узла установки и параметров аппаратов защиты линии наружного освещения
Магистраль № 1
Длина участков магистрали, км 0,585 | 1,193 1,73 | 2,566 | 3,055
Сечение провода, мм2 150 120
Сопротивление петли «фаза-нуль», Ом 1,314 2,44 3,67 4,63 6,69
Номинальный ток, А 87,7 70,9 55 38,4 17
Ток кз, А 527 284 189 150 103
Ток предохранителя, А 100 80 60 50 25
Номер опоры для установки предохранителя 89 72 56 39 17
Секционирование линии электропередач также повышает надежность работы нагрузки, подключенной к линии. Например, при возникновении коротких замыканий в середине или конце линии основная часть потребителей будет работать, так как отключатся только участки, оказавшиеся в зоне действия
токов короткого замыкания. Нагрузки на остальной части будут работать в обычном режиме, что особенно эффективно в линиях наружного освещения большой протяженности.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать выводы.
При проектировании линии электропередачи с распределенной нагрузкой, особенно большой протяженности, необходимо выполнять оптимизацию сечения провода. Это целесообразно не только с экономической, но и с технической точки зрения. Уменьшение сечения провода снижает затраты на провод и линейную арматуру, а также упрощает процесс электромонтажных работ.
Секционирование протяженной линии электропередачи с распределенной нагрузкой повышает надежность срабатывания коммутационных аппаратов для защиты электрооборудования, оказавшегося в зоне действия токов короткого замыкания, а также обеспечивает нормальную работу нагрузки в оставшейся части электрической сети.
Summary
Take up algorithm election section wire electricity lines transmission consideration admissible deviation voltage protector burden, bring the methods of the selection of the protection devices for the aerial with voltage 0.4 kV which have moderate load distributed on the long distance are considered in the article. Feature the long distance are considered in the article, for example, lines exterior lighting car road - big gradient voltage, also little running short-circuit at the end of lines.
Key words: power line design, distributed load, safeguard devices, short-circuit regime, short-circuit current.
Литература
1. Ф.Ф.Карпов, В.Н.Козлов. Справочник по расчету проводов и кабелей. Изд. второе. М.: Энергия, 1964.
2. Костырев М.Л., Мотовилов Н.В., Галимова А. А и др. Автоматизированный расчет автономной системы электроснабжения // Электротехника. 1994. № 8.
3. Костырев М.Л., Дружков А.А., Галимова А.А., Мотовилов Н.В. Комбинированные автономные системы электроснабжения космических летательных аппаратов «Электротехника». 2001. №» 4.
4. ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока до 1 кВ».
5. Электротехнический справочник. Т.1 / Под общ. ред. П.Г. Грудинского и др. Изд. 5-е, испр. М.: Энергия, 1974.
Поступила в редакцию 26 февраля 2010 г
Галимова Акиля Анверовна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» (ТОЭ) Самарского государственного технического университета (СамГТУ). Тел.: 8-927-7434546. E-mail: akilya@mail.ru.
