Продолжим анализ стойкости кабелей 10 кВ к термическим воздействиям, при коротких замыканиях (КЗ). В прошлой статье мы рассматривали проверку термической стойкости основной жилы и экрана кабеля, а в этой части выполним проверку на невозгорание изоляции кабеля
Приведу итоговую карту селективности и участок сети, для дальнейшего анализа
Рис. 1. Карта селективности и рассматриваемая схема
Напоминаю, что эту и предыдущие проверки мы делаем для случая использования зависимых (инверсных) ступеней МТЗ для того, чтобы показать возможность их применения не только с точки зрения улучшения селективности, но и обеспечения термической стойкости проводников и оборудования при КЗ
Смысл проверки на невозгорание кабеля
Проверка на невозгорание описана в циркуляре № ЦЭ-02-98 (Э) (1) и в настоящее время является обязательной для кабелей, проложенных на энергетических объектах (электростанции, подстанции). В целом наш учебный проект (внутриплощадочные РТП и ТП) не относится к данным объектам, но мы проведем данную проверку для примера
Смысл проверки заключается в том, чтобы убедиться, что изоляция кабелей не начнет гореть при отказе основной защиты линии и действии резервной (обычно защита ввода), с увеличенной выдержкой времени
В ходе проверки сначала находят начальную температуру кабеля, с учетом его нагрузки и температуры окружающей среды, которая предшествует короткому замыканию. Далее находят конечную температуру кабеля, в момент отключения короткого замыкания резервной защитой (предполагают отказ основной защиты или ее выключателя), и сравнивают конечную температуру с предельно допустимой, для данного вида изоляции
Проверка кабеля 10 кВ на невозгорание
У нас в проекте применяются кабели АПвПу2г с изоляцией из сшитого полиэтилена, для которых температура невозгорания равна 400 гр. С. Расчетная схема приведена на Рис. 2
Рис. 2. Расчетная схема для проверки кабеля на невозгорание
Будем проводить проверку только для линии W2 потому, что для линии W1 мы не знаем точные уставки ввода городской РПТ, а также потому, что на вводе этой РТП применена обычная независимая ступень МТЗ, а значит проверка на невозгорание кабелей делается стандартным способам
Таким образом, мы должны убедиться, что при КЗ в начале линии W2 (кабель типа АПвПу2г 3х(1х50/16)), и отключении этого КЗ от защит ввода (БМРЗ-152-ВВ), конечная температура не превысит 400 гр. С.
Для начала определим начальную температуру кабеля, предшествующую короткому замыканию (1, формула 3)
Рис. 3. Определение начальной температуры кабеля
Получаем, что начальная температура кабеля, при учете работы нижестоящей подстанции 2х1000 кВА в послеаварийном режиме, через наш кабель, составит 46,3 гр. С
При классической проверке кабеля на невозгорание дальше находят коэффициент К, пропорциональный интегралу Джоуля, и, по номограмме, находят конечную температуру после отключения КЗ (см. красные линии на номограмме, на Рис. 4)
Рис. 4. Классический способ проверки на невозгорание кабеля (слайд из курса)
Однако, мы усовершенствуем этот способ потому, что мы хотим нанести предельную время-токовую кривую кабеля на карту селективности, чтобы определить, может ли наша зависимая ступень МТЗ ввода обеспечить его невозгорание
Для этого обратимся к формуле 1, из Циркуляра, которая описывает зависимость конечной температуры кабеля от начальной температуры и условий протекания КЗ (по этой формуле и построены номограмма). Выразим из этой формулы зависимость времени отключения от КЗ. Чтобы получить предельную кривую невозгорания кабеля, зафиксируем конечную температуру на значении 400 гр.С (предельно допустимую для СП кабелей)
Рис. 5. Итоговая формула для построения кривой невозгорания кабеля
Как видим из итоговой формулы у нас квадратичная обратнозависимая характеристика времени от тока КЗ, которую можно нанести на карту селективности и напрямую сравнить ее с кривой отключения резервной защиты
Рис. 6. Графический анализ невозгорания кабеля 10 кВ на карте селективности
Кривая невозгорания показана сплошной синей линией. Ток начала построения кривой взят как 3*Iд.доп. (555 А) потому, что данный анализ проводится только для токов большой кратности. Как видно из графика защитная характеристика ввода (резервной защиты нашего кабеля) лежит ниже кривой кабеля, что говорит о соблюдении условий невозгорания изоляции
Синей пунктирной линией на Рис. 6 показана кривая стойкости изоляции, при которой, после КЗ, допускается дальнейшая эксплуатация кабеля, без его замены. Для кабелей из сшитого полиэтилена она соответствует конечной температуре 250 гр. С.
Рис. 7. Предельные температуры для кабеля из сшитого полиэтилена
Выводы
- Как и в случае с термической стойкостью кабелей, МТЗ с зависимыми ступенями позволяют обеспечивать невозгорание изоляции, при отказе основной защиты. Это обусловлено малыми временами отключения таких ступеней, при больших токах КЗ
- Графический анализ термических воздействий от тока КЗ, путем нанесения предельных кривых кабелей и оборудования на карту селективности, более универсальный, чем расчет единичных предельных параметров потому, что графики дают полную картину, во всем диапазоне токов
- При использовании зависимых (инверсных) ступеней МТЗ возрастает важность построения и анализа карты селективности, как с точки зрения согласования защит, так и с точки зрения комплексных проверок проводников и оборудования
В следующей статье мы рассмотрим аналогичную проверку на термической воздействие токов КЗ на силовые трансформаторы
Список литературы
- Циркуляр № Ц-02-98 (Э) о проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания