Стартовая >> Статьи >> О проверке кабелей на термическую стойкость

О проверке кабелей на термическую стойкость

Мокеев С.Ф., Вицинский С.А.,   МокеевА.С.

Согласно [1] выбор сечения электрических проводников (неизолированных и изолированных проводов, кабелей и шин) производят по нагреву и экономической плотности тока. По режиму короткого замыкания должны проверяться кабели и другие проводники напряжением выше 1 кВ. В электроустановках до 1 кВ такая проверка выполняется только для распределительных щитов, токопроводов и силовых шкафов. Причем, в соответствии с ПУЭ, стойкими при коротких замыканиях являются те аппараты и проводники, которые при расчетных условиях выдерживают воздействие этих токов, не подвергаясь электрическим, механическим и иным разрушениям или деформациям, препятствующим их нормальной дальнейшей эксплуатации; в качестве расчетного вида короткого замыкания следует принимать для определения термической стойкости аппаратов и проводников трехфазное короткое замыкание. Расчетный ток короткого замыкания следует определять исходя из условия повреждения в такой точке рассматриваемой цепи при коротком замыкании, в которой аппараты и проводники этой цепи находятся в наиболее тяжелых условиях.
В связи с имеющими место случаями пожаров на ряде электростанций институтом Атомтеплопроект Минэнерго в 1986 г. были выпущены директивные указания [2], предусматривающие выбор и проверку на термическую стойкость и невозгорание при воздействии токов короткого замыкания кабелей не только выше, но и до 1 кВ. В документе определены условия проверки при работе основных и резервных защит. В частности, согласно [2] кабели должны проверяться как при коротких замыканиях в начале (при работе основной защиты присоединения), так и за расчетным отрезком кабеля длиной 20 м и более (при работе резервной защиты).
Учитывая актуальность проблемы, в 1995 г. РАО “ЕЭС России” выпустило циркуляр № Ц-0395 “О проверке кабелей на невозгорание при воздействии токов короткого замыкания”, а позднее (в 1998 г.) - циркуляр [3], который отменил первый циркуляр, уточнил методику проверки кабелей и фактически распространил действие [2] в дополнение к требованиям главы 1.4 ПУЭ на все действующие энергетические объекты.
Циркуляр [3] определяет методику проверки по условиям невозгорания силовых кабелей напряжением до 10 кВ, проложенных в кабельных коммуникациях энергетических объектов, и предписывает выполнить определенные мероприятия в случае отрицательных результатов проверки. В отличие от [2] в циркуляре снято требование проверки при коротких замыканиях в начале кабеля - допускается принимать расчетные токи короткого замыкания на расстоянии 20 м от начала кабельной линии напряжением до 1 кВ и 50 м от начала кабельной линии напряжением 6 - 10 кВ.
Для определения температуры нагрева жил кабелей при действии токов короткого замыкания длительностью до 4 с рекомендуется пользоваться номограммами, данными в приложении 1 к [3]. Номограммы построены на основании выражения, полученного решением уравнения адиабатического процесса нагрева проводника с учетом роста его сопротивления при протекании тока
(1)
где I - ток проводника; R0 = pL/S - сопротивление проводника с удельным сопротивлением p длиной L и сечением S при температуре Θ = 0°С; а - температурный коэффициент сопротивления; с - удельная теплоемкость; m = yLS - масса проводника плотностью γ; dt - дифференциал времени; άΘ и Θ - соответственно дифференциал и текущая температура жилы.
Для пояснения: левая часть уравнения - энергия, выделяемая в проводнике при протекании тока I через активное сопротивление R за время dt; правая часть уравнения - нагрев проводника с массой m и удельной теплоемкостью с.
Решая уравнение (1), получаем выражение, рекомендуемое методикой [3]
(2)
где Θκ - температура жилы в конце короткого замыкания, °С; ΘΗ - температура жилы до короткого замыкания, °С; a = 1/а - величина,
обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228°С; k = btI2/S2 - расчетный коэффициент, рекомендуемый [3]; b = αβ/cy - коэффициент, характеризующий теплофизические характеристики материала жилы, согласно [3] равный для алюминия - 45,65 мм4/(кА2-с), для меди - 19,58 мм4/(кА2-с).
Решая уравнение (1) относительно времени t, получаем
(3)
где 0к - конечная температура проводника за время нагрева t.
В табл. 1, рассчитанной по методике [3], дана зависимость времени нагрева t от сечения кабеля с алюминиевыми жилами при повреждении на расстоянии 20 м.
Начальная температура кабеля 50°С, конечная - 350°С, трансформатор 1000 кВ-А,                6/0,4 кВ,
UK = 8%.
Считая, что резервная защита из условий селективности не может иметь уставку по времени ниже 0,5 - 0,8 с, согласно табл. 1 фактически необходимо либо заменять кабели, отходящие от шин первичной секции 0,4 кВ, на кабели с сечением не менее 95 мм2, либо устанавливать неселективную максимальную токовую защиту трансформатора.
Очевидно, что при неизменном токе (нагрев проводника от источника тока) допустимое время нагрева проводника определяется его сечением и не зависит от расстояния до места короткого замыкания. Однако в реальных условиях при повышении температуры с ростом сопротивления проводника снижается и ток повреждения - имеет место, так называемый, тепловой спад тока. Расчет же теплового импульса тока, рекомендуемый приложением 2 [3], определяется как сумма интегралов Джоуля от периодической и апериодической составляющих по ГОСТ 30323-95 с учетом подпитки токов короткого замыкания от электродвигателей и, по нашему мнению, не учитывает факта теплового спада тока.
Для определения влияния теплового спада тока выполним расчет допустимого времени отключения в зависимости от температуры в схеме с источником напряжения U. Исходным уравнением при этом будет выражение
(4)
Решая уравнение (4) относительно времени нагрева, получим
(5)
Таким образом, в схеме с источником напряжения согласно уравнению (5) при заданных значениях начальной и конечной температур время отключения, в отличие от схемы с источником тока, не зависит от сечения и определяется только расстоянием до места короткого замыкания. Так, например, повреждение на расстоянии 20 м в сети с напряжением 0,4 кВ, исходя из требований невозгорания кабеля (температура 350°С), должно быть отключено за время 0,29 с, а на расстоянии 50 м - за 1,78 с.
В реальных сетях с источником конечной мощности ток короткого замыкания определяется не только активным сопротивлением кабеля и его реактивной составляющей, но и сопротивлением питающей сети
(6)
где R (Θ) - активное сопротивление кабеля; Z (Θ) - полное сопротивление “петли” короткого замыкания.
Решение уравнения (6) относительно времени t можно представить в виде суммы
(7)
Таблица 1


S, мм2

16

25

35

50

70

95

120

150

185

t, с

0,08

0,12

0,16

0,24

0,38

0,62

0,92

1,37

2,03

Первое слагаемое t1 характеризует нагрев кабеля от тока, определяемого реактивным сопротивлением “петли” короткого замыкания с учетом тока подпитки от электродвигателей. В данном случае проявляется эффект источника тока - при заданном токе 1кз время нагрева проводника не зависит от расстояния до места короткого замыкания. Второе слагаемое t2 - нагрев кабеля от тока, определяемого активным сопротивлением кабеля до места повреждения. Характерно для нагрева проводника от источника напряжения, когда время нагрева не зависит от сечения проводника. Третье слагаемое t3 - нагрев кабеля от тока, определяемого активным сопротивлением сети до места подключения кабеля Rс (время нагрева не зависит от расстояния до места повреждения). Четвертое слагаемое t4 - нагрев кабеля определяется половиной условной мощности, равной произведению тока, определяемого активным сопротивлением сети до места подключения кабеля Rс (ток нагрева составляющей t3), на фазное напряжение сети. В данном случае время нагрева зависит как от места повреждения, так и от сечения жилы кабеля.
Рассмотрим влияние этих составляющих, и прежде всего, влияние эффекта теплового спада тока, а также расчетной длины “петли” короткого замыкания на время нагрева кабеля в сетях напряжением до и выше 1 кВ.
В качестве примера в табл. 2 представлены результаты расчета общего времени допустимого нагрева кабеля и его четырех составляющих для случая короткого замыкания на расстоянии 20 м от секции. Питание секции от трансформатора мощностью 1000 кВА, 6/0,4 кВ, ик = 8%.
Из табл. 2 видно, что значения составляющих t3 и t4 незначительны, а определяющей время нагрева, особенно для кабелей малого сечения, является составляющая t2, как раз и не учитываемая в [3].
В табл. 3 дана сравнительная зависимость общего времени нагрева кабеля при повреждении на расстоянии 50 м с учетом теплового спада тока (время t1) и без его учета (время t2) по методике [3].
Анализ данных табл. 2, 3 показывает, что при учете теплового спада тока допустимое время отключения значительно повышается даже при небольшом увеличении расстояния до места короткого замыкания. В [3] допускается принимать расчетные токи короткого замыкания на расстоянии 20 м от начала кабельной линии напряжением до 1 кВ. Хотя это расстояние выбрано достаточно условно (например, для сетей 6 кВ принято расстояние 50 м), оно оказалось определяющим при выборе кабелей в сетях 0,4 кВ, несмотря на то, что в этом случае при работе резервных защит вероятность повреждения (возгорания) кабеля невелика, так как время работы защиты при ее достаточной чувствительности меньше допустимого времени нагрева кабеля при коротком замыкании практически в любом месте трассы.
Оценим влияние эффекта теплового спада тока в сетях напряжением 6 - 10 кВ (табл. 4). Расчеты, представленные в табл. 4, выполнены для случая повреждения кабелей 6 кВ в сети с питанием от трансформатора 63 МВ-А, 20/6 кВ, ик=10%. В табл. 4: t1 - время нагрева кабеля с учетом теплового спада тока, t2 - время нагрева кабеля по методике [3]. Расстояние до места повреждения выбрано согласно [3] равным 50 м.
В табл. 5 даны те же зависимости при коротком замыкании на расстоянии 200 м.
Из табл. 4 и 5 видно, что в отличие от сетей до 1 кВ влияние теплового спада тока в сетях 6 кВ на время нагрева кабелей невелико и время нагрева кабеля в сети 6 кВ мало зависит от расстояния до места короткого замыкания, т.е., если кабель не проходит по пожарной безопасности при коротком замыкании в начале трассы, то он будет нестойким и при коротком замыкании практически по всей трассе.

Таблица 2


S, мм2

Время, с

 

t1

t2

t3

t4

16

0,348

0,011

0,32

0,00

0,02

25

0,385

0,028

0,33

0,00

0,02

35

0,442

0,05

0,35

0,00

0,03

50

0,546

0,11

0,38

0,00

0,05

70

0,718

0,22

0,43

0,00

0,07

95

0,987

0,40

0,46

0,01

0,09

120

1,318

0,64

0,55

0,01

0,12

150

1,794

1,00

0,63

0,02

0,14

185

2,450

1,53

0,72

0,03

0,18

Таблица 4


S, мм2

16

25

35

50

70

95

120

150

185

t1, с

0,011

0,017

0,025

0,042

0,075

0,132

0,206

0,317

0,478

t2, с

0,004

0,009

0,017

0,034

0,067

0,124

0,198

0,309

0,472

Таблица 5


S, мм2

16

25

35

50

70

95

120

150

185

t1, с

0,131

0,137

0,147

0,167

0,206

0,273

0,36

0,49

0,678

t2, с

0,005

0,010

0,02

0,04

0,079

0,145

0,231

0,361

0,55

Таблица 3


S,
мм2

16

25

35

50

70

95

120

150

185

t1, с

1,84

2,00

2,13

2,32

2,58

3,00

3,39

4,00

4,80

t2, с

0,27

0,39

0,49

0,64

0,85

1,18

1,58

2,18

3,02

Таблица 6


S, мм2

16

25

35

50

70

95

120

150

185

L1, м

3,9

9,2

15,5

22,6

31,8

42,2

54,8

66,8

81,4

L2, м

0,7

2,6

4,8

6,5

10,3

14,2

20,0

25,4

31,5

Сравнивая результаты расчетов для сетей 0,4 и 6 кВ, можно сделать следующие выводы:

в сетях высокого напряжения 6 - 10 кВ выбор и проверку сечения кабеля можно выполнять согласно [3] (без учета теплового спада тока).

В данном случае влияние расстояния до места короткого замыкания на конечный результат невелико и рекомендованное в [3] расчетное расстояние в 50 м практически соответствует рекомендациям [1] - выбор сечения кабеля из условия короткого замыкания в начале трассы;
в сетях напряжением до 1 кВ при проверке кабелей доминирующим является эффект теплового спада тока и соответственно определяющей величиной, выбранной в [3] достаточно условно, - расстояние до места короткого замыкания. В [3] при определении условий повышения пожарной безопасности кабельных трасс это обстоятельство не
учитывается и поэтому ведет к существенному завышению сечения жил кабелей, т.е. к неоправданным материальным затратам в наиболее распространенных сетях 0,4 кВ (согласно [1] сечение определятся допустимым током нагрева и экономической плотностью тока);
по нашему мнению, критерии выбора кабеля, рекомендованные [1], оптимальны и не требуют какой-либо корректировки.
В тесной взаимосвязи с задачей повышения пожарной безопасности кабелей, особенно в сетях 0,4 кВ, находится проблема дальнего резервирования, связанная с недостаточной чувствительностью резервных защит. В табл. 6 в качестве примера приведена зависимость зоны работы (L) традиционных защит понижающих трансформаторов, где L1 - зона работы максимальной токовой защиты с уставкой срабатывания, равной трехкратному току трансформатора (это минимальная применяемая уставка по току), L2 - зона работы максимальной токовой защиты с вольтметровой блокировкой (с уставкой по напряжению 0,55 номинального напряжения). Трансформатор секции мощностью 1000 кВА, 6/0,4 кВ, U = 10%.
Из табл. 6 видно, что зона резервирования традиционных защит секций недостаточна, она, как правило, значительно меньше длин кабелей, применяемых на энергетических объектах. На это обстоятельство директивный документ, каким является [3], также не акцентирует внимание. Например, под резервными защитами, о которых упоминается в [3], можно понимать как традиционную защиту вводного выключателя секции, так и резервную защиту (в частности, тепловую защиту) выключателя отходящего фидера.

Выводы

  1. Методика проверки по условиям невозгорания силовых кабелей, представленная в [3], не учитывает эффект теплового спада тока, что необоснованно завышает требования к сечению применяемых кабелей, особенно в сетях 0,4 кВ, и приводит к значительным материальным затратам.
  2. Основная проблема защиты сетей напряжением 0.4 - 10 кВ - это не столько быстродействие защит, а, прежде всего, проблема дальнего резервирования, так как традиционные защиты (максимальные токовые защиты, защиты с вольтметровыми блокировками) имеют малую зону резервирования и отказ выключателя поврежденной кабельной линии, как правило, ведет к пожару в кабельных коммуникациях объекта.
  3. Необходим выпуск нового директивного документа, в котором должно быть выполнено следующее:
    отменена или откорректирована методика выбора кабелей на невозгорание с учетом теплового спада тока и с обоснованием допустимых расчетных расстояний до мест повреждений отдельно для сетей до и выше 1 кВ;
    акцентировано внимание на необходимость оснащения кабельных сетей собственных нужд энергетических объектов защитами дальнего резервирования.

Список литературы

  1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986.
  2. Директивные указания № 2794-Э, АТЭП Минэнерго, 1986.
  3. Ц-02-98(э). О проверке кабелей на невозгорание при воздействии токов короткого замыкания. РАО “ЕЭС России”, 1998.
 
« Новый ВЕКТОР развития отечественного КРУ-строения   О температуропроводности для термографиста »
электрические сети