Во второй части статьи мы получили итоговую карту селективности. Анализ этой карты показал, что, в целом, наши защиты селективны. Привожу эту карту здесь, для начала обсуждения следующего вопроса — анализа термической стойкости кабелей и их экранов
Рис. 1. Итоговая карта селективности в ПО Гридис
Общие положения расчета термической стойкости
При использовании зависимых ступеней МТЗ у специалистов возникают опасения, что, из-за увеличения времен срабатывания защиты, термическая стойкость кабелей и оборудования может оказаться недостаточной. Кроме того возникает вопрос “А как вообще оценивать термическую стойкость, если время срабатывания защиты меняется в зависимости от тока?”
Для начала вспомним, как это делается при использовании независимой ступени МТЗ. Возьмем для примера одножильные кабели из сшитого полиэтилена, марки АПвПу2г-10 кВ, из предыдущего примера
Есть два основных способа, которые описаны в ГОСТ Р 52736−2007 (1):
1. Через определение минимально допустимого сечения жилы кабеля, для данных условий отключения
Рис.2. Определение минимально допустимого сечения кабеля (способ 1)
2. Через сравнения значения интеграла Джоуля с квадратом односекундного тока термической стойкости кабеля (равенство тепловых импульсов)
Рис. 3. Пересчет односекундного тока термической стойкости (способ 2)
Как видно из формул, для каждого кабеля есть зависимость его термической стойкости от тока КЗ и времени срабатывания защиты. Это позволяет создать кривую термической стойкости кабеля и сравнить ее с защитной характеристикой РЗА, на карте селективности. Давайте это сделаем
Анализ термической стойкости фазной жилы кабеля
Для построения кривой термической стойкости кабелей в координатах «ток-время», нужно вынести в левую часть формул время t. Далее, подставляя различные значения тока, мы получим искомую зависимость
Рис. 4. Формулы кривых термической стойкости кабелей
За t мы приняли именно время срабатывания защиты (tс.з.) потому, что хотим сравнить кривую стойкости кабеля с нашей защитной характеристикой, на карте селективности
Применим эти способы оценки термической стойкости для кабеля W1 марки АПвПу2г 3х(1х120/35)
Рис. 5. Кривые термической стойкости кабеля АПвПу2г 3х(1х150/35)
Как видно из графика оба способа дают близкие результаты. Далее будем использовать способ 2 — через пересчет односекундного тока термической стойкости
Нанесем этот график на карту селективности. Сделаем это в Excel потому, что в программе Гридис пока не добавлены кривые термической стойкости кабелей
Рис. 6. Кривая стойкости кабеля на участке карте селективности
Бирюзовым цветом показана защитная характеристика на базе терминала ТОР 200 Л, зеленым — кривая термической стойкости кабеля АПвПу2г 3х(1х120/35)
Диапазон токов КЗ, для данного присоединения, лежит в пределах от Ik2.мин = 3,4 кА (конец кабеля) до Ik3.макс. = 10 кА (начало кабеля). На карте селективности они показаны желтой и красной вертикальными стрелками, соответственно
Пересечение бирюзовой и зеленой кривых в зоне токов перегрузки, (1,5-2)*Iд.доп, показывает:
1. Использованные методы учета термической стойкости не подходят для рабочих токов и токов перегрузки.
Если аппроксимировать зеленую кривую до значения длительно допустимого тока кабеля Iд.доп. = 288 А, то мы получим время 1540 с, хотя, при таком токе, кабель может работать неограниченно долго. Это значит, что для малых токов нужно использовать другую методику расчета теплового воздействия — наносить точки допустимой перегрузки конкретного кабеля из каталога производителя или справочников, если данный анализ необходим
2. При выборе уставок мы не вводили защиту от перегрузки кабеля, поэтому защитная характеристика ТОР 200 Л не содержит соответствующего участка от 288 до 450 А
Для кабелей 6-10 кВ обычно не применяют защиту от перегрузки полагая, что данные защиты установлены на конечных устройствах (трансформаторы, двигатели и др.), а значит перегрузка кабелей маловероятна. Если такая перегрузка возможна, то следует предусмотреть соответствующую ступень защиты
Анализ термической стойкости экрана кабеля
В данном примере использовались одножильные кабели из сшитого полиэтилена, с алюминиевыми жилами и медными экранами. Помимо основной жилы мы также должны проверить термическую стойкости экрана кабеля
Серым цветом, на Рис.6, показана кривая термической стойкости медного экрана кабеля, сечением 35 кв.мм. Для построения кривой использовался метод пересчета односекундного тока термической стойкости экрана, равного 7,1 кА ((1), Табл. 14)
Особенность анализа стойкости экрана состоит в определении максимального аварийного тока, которым является ток двойного замыкания на землю (ОЗЗ + повторное ОЗЗ)
Рис. 7. Режим для проверки терм. стойкости экранов кабелей 6-10 кВ
Так как расчет двойного замыкания на землю представляет собой сложную задачу, на практике за расчетный можно принять ток двухфазного КЗ, в начале кабеля. Реальный ток двойного замыкания на землю в пределе стремится к току двухфазного КЗ, что создает расчетный запас
Кривая стойкости медного экрана строится до значения I2k.макс = 8650 А (серая вертикальная стрелка).
Также, при расчете термической стойкости экранов следует учитывать конструкцию кабеля и точки заземления экранов!
Рис. 8. Учет конструкции кабеля при расчете терм. стойкости экранов
Если экраны трехжильных кабелей соприкасаются, то следует суммировать их сечение при анализе протекания аварийных токов. Более подробно этот и другие аспекты проверки проводников и оборудования на термическую стойкость описаны в курсе «Расчеты защит и автоматики распределительных сетей 6-10 кВ»
Построим аналогичный график для кабеля W2 марки АПвПу2г 3х(1х50/16)
Рис. 9. Анализ термической стойкости кабеля №2
Здесь мы видим, что кривая стойкости жилы кабеля оказалась ниже аналогичной кривой его экрана, что обусловлено соотношением сечений и различием в материалах (жила — алюминий, экран — медь).
Выводы
- Анализ термической стойкости кабелей и их экранов показал возможность применения, для их защиты, рассчитанных ранее зависимых характеристик МТЗ
- При использовании зависимых ступеней МТЗ ситуация с обеспечением термической стойкости кабелей аналогична или даже лучше, чем при использовании независимых ступеней потому, что в зоне КЗ, их время отключения меньше (при полностью зависимых МТЗ) или равно (при ограниченно зависимых МТЗ) времени обычной МТЗ
- Приведенный анализ корректен только для зоны токов КЗ, когда кабель подвергается значительному тепловому воздействию. Термическое воздействие на кабель в зоне перегрузки нужно анализировать с учетом других факторов и исходных данных
Кроме термической стойкости кабелей, для энергетических объектов, следует провести проверку кабелей на невозгорание изоляции, при отказе основной защиты. Выполним эту проверку в следующей статье
Список литературы
- ГОСТР 52736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания
- ГОСТР 52735—2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ