автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью

АНТОНОВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ УЧЁТА ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫЕ КАБЕЛИ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 В НОЯ 2013

Москва 2013

005539977

005539977

Работа выполнена на кафедре «Электрические станции» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Гусев Юрий Павлович

кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Электрические станции» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты: —

Максимов Борис Константинович

доктор технических наук, профессор кафедры «Релейная защита и автоматизация энергосистем» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

- Дмитриев Михаил Викторович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические системы и сети» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»

Ведущая организация: - ОАО «Объединенная энергетическая

компания»

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 1330 в аудитории Г-200. на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, 2 этаж, корпус «Г».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 1 % » Но&£[><а 2013 г.

Председатель диссертационного совета Д 212.157.03

доктор технических наук, профессор

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Кабельные линии (КЛ), состоящие из пофазно-экранированных кабелей одножильного исполнения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), находят широкое применение в электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ. Необходим анализ особенностей расчета и выбора пофазно-экранированных кабелей, обусловленных наличием отдельного металлического экрана у каждой из жил и использованием изолированных и компенсированных способов заземления нейтралей сетей 6-35 кВ. В работе будут рассмотрены сети с изолированной нейтралью, однако результаты также распространяются на сети с компенсированной нейтралью.

Металлический экран не полностью компенсирует магнитное поле жилы за пределами оболочки кабеля. Известные методики не учитывают взаимоиндукцию между пофазно-экранированными кабелями при определении сопротивлений нулевой последовательности КЛ. Необходимо исследовать влияние взаимоиндукции кабелей на растекание тока короткого замыкания (КЗ) по экранам, влияние их на нагрев кабелей, влияние на погонные сопротивления КЛ и обосновать расчетные условия для выбора электрооборудования электрических сетей.

Существующие методики проверки последствий термического действия токов двойного замыкания на землю (ДЗЗ) на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью не учитывают влияние взаимоиндукции и сопротивлений заземления подстанций на распределение тока ДЗЗ по экранам кабелей, зависимость тока ДЗЗ от способа соединения и заземления экранов КЛ. Необходимо уточнить расчетные условия проверки термического действия токов КЗ и требования, предъявляемые к релейным защитам КЛ.

Среди критериев выбора способа прокладки пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью ранее не рассматривались электродуговые процессы в месте повреждения кабеля, сопровождающиеся выделением значительной тепловой энергии. При прокладке кабелей треугольником без просвета однофазное замыкание на землю (033) за короткое время переходит в двухфазное КЗ на землю, поврежденная линия отключается защитой. Необходимо оценить длительность процесса перехода ОЗЗ в КЗ и предложить рекомендации по предотвращению развития аварии.

Проведение данной научно-исследовательской работы является актуальной задачей, так как невыполнение требований термической стойкости и невозгораемости ведет к повреждениям КЛ с пофазно-экранированными кабелями в питающих и распределительных сетях и увеличению издержек на эксплуатацию кабельных сетей.

Объектом исследования являются кабельные линии, состоящие из одножильных пофазно-экранированных кабелей, в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ.

Предметом исследования являются:

- ток КЗ в экранах кабелей при внутренних ДЗЗ с учетом сопротивлений заземления подстанций и расположения точки ДЗЗ;

- ток в экранах кабелей, при внешних КЗ и ДЗЗ;

- влияние способа заземления экранов на ток ДЗЗ;

- влияние способа прокладки кабелей на взаимоиндукцию и распределение токов по экранам;

- обеспечение релейной защитой термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей;

- тепловое действие электрической дуги на изоляцию пофазно-экранированных кабелей в месте 033.

Целью работы является исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели для проверки термической стойкости и невозгораемости кабельных линий с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью напряжением 6 - 35 кВ на основе исследования модели процесса нагрева экранов токами короткого замыкания.

Задачи работы:

1) проанализировать состояние вопроса учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью, определить цели и задачи исследования;

2) разработать уточнённые математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями 6-35 кВ;

3) исследовать термическое действие электрической дуги в месте ОЗЗ на изоляцию пофазно-экранированных кабелей;

4) исследовать факторы, влияющие на ток ДЗЗ в сети с пофазно-экранированными кабелями;

5) обосновать условия проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью.

Методы научных исследований базируются на теории электрических цепей, теории электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах (ЭЭС), теоретических основах релейной защиты, на расчетных и экспериментальных методах исследования процессов в ЭЭС, в том числе:

1) аналитическое решение системы линейных алгебраических уравнений;

2) математическое моделирование на основе системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа;

3) расчётно-экспериментальное исследование КЗ (ДЗЗ) и термического действия дуги в месте 033 в специализированных компьютерных программах для моделирования электромагнитных переходных процессов ЕМТР-ЯУ и тепловых переходных процессов ЕЬСиТ;

4) расчеты по аналитическим выражениям в программе МаЛСАБ.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные и

практические результаты:

1) обобщены и систематизированы данные о влиянии на КЗ и ДЗЗ в сети с

изолированной (компенсированной) нейтралью отдельного металлического экрана у каждой из жил пофазно-экранированных кабелей, проанализированы недостатки условий учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ при выборе пофазно-экранированных кабелей;

2) разработаны математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся от аналогичных учетом, посредством аналитических выражений, взаимоиндукции между КЛ, сопротивлений заземления подстанций и термического действия электрической дуги 033 в сети с изолированной нейтралью;

3) получены результаты оценки продолжительности перехода 033 в двухфазное КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью при наиболее неблагоприятных условиях развития повреждения, основанные на эмпирической модели оценки тепловыделения дугового столба. Выявлено, что при прокладке пофазно-экранированных кабелей треугольником без просвета любое однофазное замыкание с током 100 А переходит в КЗ за время менее 1 с, увеличение просвета между кабелями помогает увеличить длительность процесса до десятков секунд, уменьшается вероятность возникновения процесса;

4) уточнены выражения для определения собственных и взаимных сопротивлений схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся учетом взаимоиндукции между линиями и сопротивлений заземления подстанций;

5) уточнен метод расчета тока КЗ (ДЗЗ) и распределения тока по экранам при внутренних повреждениях в КЛ с учетом места повреждения и сопротивлений заземления Подстанций. При этом показано, что ток ДЗЗ, рассчитанный с учетом сопротивлений заземления подстанций, снижается на 15 - 25%, и проверку чувствительности релейных защит необходимо проводить по току ДЗЗ вместо двухфазного КЗ;

6) получен отличительный признак внутреннего повреждения КЛ с пофазно-экранированными кабелями от внешнего:

- при внутреннем повреждении ток в заземлителе экранов с питающей стороны КЛ всегда превышает ток в заземлителе экранов со стороны нагрузки КЛ;

- при внешнем повреждении ток в заземлителях экранов с питающей стороны КЛ и со стороны нагрузки КЛ одинаковы;

7) обоснованы условия проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью: неучет сопротивлений заземлений подстанций, определение тока в экране по разработанным аналитическим выражениям в зависимости от места КЗ (ДЗЗ); расчет температуры экрана по неадиабатическому процессу. Доказано, что в сети с изолированной и компенсированной нейтралью термическая стойкость и невозгораемость распространенных типов пофазно-экранированных кабелей определяется металлическим экраном.

Достоверность научных положений диссертационной работы.

Достоверность математических моделей подтверждается удовлетворительным совпадением результатов моделирования с результатами верификационных расчетов, выполненными по известным аналитическим выражениям в программном обеспечении МшкСАБ. Результаты работы подтверждены сопоставлением сведений по авариям в действующих сетях с пофазно-экранированными кабелями с результатами расчетно-теоретических исследований на математических моделях в программах ЕМТР-ЯУи ЕЬСШ.

На защиту выносятся следующие положения:

1) уточненные модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся учетом, посредством разработанных аналитических выражений, взаимоиндукции между КЛ, сопротивлений заземления подстанций и термического действия дуги в месте ОЗЗ;

2) результаты оценки термического действия электрической дуги в месте 033 на изоляцию неповрежденных пофазно-экранированных кабелей при прокладке треугольником вплотную и горизонтально с просветом;

3) уточненные выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями в части учета взаимоиндукции с соседними линиями и сопротивлений заземления цодстанций;

4) проверка чувствительности релейных защит пофазно-экранированных кабелей по токам ДЗЗ, определяемых с учетом сопротивлений заземлений подстанций;

5) условия выбора пофазно-экранированных кабелей с учетом термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны: вид и место КЗ (ДЗЗ), распределение тока КЗ (ДЗЗ) по экранам, нагрев экранов - по неадиабатическому процессу;

6) термическая стойкость и невозгораемость КЛ с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной и компенсированной нейтралью полностью определяется металлическим экраном, при выполнении условий термической стойкости и невозгораемости для экрана, жила КЛ заведомо будет удовлетворять условиям выбора по КЗ (ДЗЗ).

Реализация и внедрение результатов работы:

1) разработаны методические указания по определению параметров схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями с учетом взаимоиндукции между КЛ, для последующего расчета КЗ и ДЗЗ в электрических сетях;

2) разработан метод расчета распределения тока по экранам кабелей при внешних и внутренних КЗ (ДЗЗ) с учетом сопротивлений заземления подстанций, позволяющий выбирать параметры блокировки АПВ кабельно-воздушных линий;

3) обоснован выбор расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабелей, результаты используются на курсах повышения квалификации специалистов электросетевых и проектных организаций, проводимых в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;

4) разработана компьютерная программа СиСаЬЫпез для определения

сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями для последующего расчета коротких замыканий и выбора уставок релейных защит, программа используется во всех региональных филиалах ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «СО ЕЭС»;

5) методические указания и алгоритм определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями приняты к утверждению в качестве стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС».

Апробация работы. Работа была апробирована на следующих конференциях:

1) на XV, XVI и XVII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), февраль 2009, февраль 2010 гг.; НИУ «МЭИ», февраль 2011 г.);

2) на VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, апрель 2012 г.);

3) на III и IV международных научно-технических конференциях «Энергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.; г. Новочеркасск, ЮРГПУ (ИЛИ), 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано восемь печатных работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ [1,2].

Личный вклад. Учет взаимоиндукции и сопротивлений заземления подстанций в уточненных расчетных выражениях для сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями [3] и при определении минимальных токов ДЗЗ [1]. Результаты оценки времени перехода 033 в сети с изолированной нейтралью в двухфазное КЗ на землю [2]. Обоснование расчетных условий для выбора пофазно-экранированных кабелей с учетом термического действия токов КЗ на экраны [4-8].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 74 наименований источников, четырех приложений. Основной текст диссертации изложен на 143 страницах, включает 76 рисунков и 7 таблиц. Общий объем диссертации 171 страница.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, научная новизна, формулируются цель и основные задачи исследований, описывается реализация и внедрение результатов работы, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования» проведен аналитический обзор работ, нормативной документации и брошюр производителей, рассматривающих вопросы выбора и использования пофазно-экранированных кабелей в сетях 6-35 кВ. Приведены недостатки

существующих методик определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями. Показано, что сопротивление заземления подстанций в распределительных сетях с пофазно-экранированными кабелями не удается снизить до близких к нулю значений.

Проведен анализ ряда работ по проверке термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей, определению токов в экранах при внутренних повреждениях в КЛ, перечислены недостатки существующих указаний по проверке термической стойкости и невозгораемости кабелей. Показано, что в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью расчетным для проверки термического действия токов КЗ является ДЗЗ.

Представлен ряд работ по оценке перенапряжений при однофазных замыканиях в сети с изолированной нейтралью. Показано, что дуговые перенапряжения обладают кратностью до 3,2Цф, способствуют образованию частичных разрядов в жильной изоляции от жилы в направлении экрана (триингов), поэтому ускоряют снижение ресурса твердой изоляции кабелей (СПЭ), не обладающей, в отличие от бумажной пропитанной изоляции, свойством самовосстановления.

Также рассмотрено явление перехода ОЗЗ в пофазно-экранированных кабелях в двухфазные КЗ на землю, случающееся на практике в сетях с изолированной нейтралью. Представлен ряд работ по оценке теплового действия дуги на электроустановку, приведены эмпирические выражения для численной оценки выделения дуговым столбом тепловой энергии, в зависимости от тока замыкания, времени и расстояния до дуги. Проведен анализ расчетных условий и допущений эмпирической модели для расчета тепловыделения дуги при 033 на КЛ с пофазно-экранированными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Таким образом, анализ состояния вопроса учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ на пофазно-экранированные кабели в сети с изолированной нейтралью показал, что необходимо решить следующие задачи:

1) разработать уточненные математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями для исследования факторов, влияющих на значение тока ДЗЗ и протекание тепловых процессов в месте ОЗЗ;

2) исследовать термическое действие электрической дуги в месте ОЗЗ на изоляцию пофазно-экранированных кабелей для оценки времени перехода ОЗЗ в двухфазное КЗ на землю на основе уточненной математической модели;

3) исследовать влияние факторов, в том числе взаимоиндукции между КЛ и сопротивлений заземления подстанций, на токи ДЗЗ в распределительных сетях 6 - 35 кВ с пофазно-экранированными кабелями на основе уточненной математической модели кабельной сети;

4) обосновать условия учета термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели на основе исследования модели нагрева экранов токами КЗ и ДЗЗ.

Перечисленные вопросы 1) - 4) являются содержанием данной работы.

Во второй главе «Разработка уточненных математических моделей кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями напряжением 6 - 35

кВ» разработаны математические модели распределительной сети 10 кВ с пофазно-экранированными кабелями: для исследования КЗ (ДЗЗ) в программе ЕМТР-Я V и исследования переходных тепловых процессов в месте 033 в программе ЕЬСиТ. Достоверность математических моделей подтверждена результатами верификационных расчетов.

Математическая модель для исследования переходных тепловых процессов в месте 033 в программе ЕЬСЦТ, рис. 1, состоит из: круглой жилы; рабочей изоляции промежутка жила-экран; проволочного экрана; оболочки из СПЭ или поливинилхлорида (ПВХ); земли. Источником тепловыделения является дуговой столб, первоначально возникающий между жилой и экраном.

Принято, что потеря электрической прочности изоляции происходит при достижении ее температуры предела невозгораемости; для сшитого полиэтилена (СПЭ) - 400° С.

Математическая модель термического действия электрической дуги при ОЗЗ адекватно представляет распределение температуры нагрева изоляции при термическом воздействии на нее дугового столба. Модель позволяет исследовать факторы, влияющие на термическое действие дуги в месте 033: емкостной ток 033, расстояние в просвете между кабелями, способ прокладки кабелей, исследовать длительность перехода 033 в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в двухфазное КЗ на землю.

:: ■ "рабочая ^

п т^гпт; ч,пч• Л^обвльчкар 11 ~

Рис. 1. Математическая модель тепловыделения электрической дуги при 033 в программе ЕЬСЛГ

£

-1-э

ДГР

— 11 — и

Рис. 2. Схема модели кабельной сети в программе ЕМТР-ЯУ: ДГР - дугогасящий реактор, Кв(1) и Кс(1) - точки ДЗЗ

Тепловая энергия, выделяемая дуговым столбом тока 033, определялась по эмпирическим выражениям (1) и (2), выражения получены в ходе лабораторных экспериментов с дугой за рубежом.

Плотность энергии электрической дуги Е, Дж/см2:

где С/ - коэффициент напряжения (для напряжения выше 1 кВ - 1,0); Е„ -нормализованная по времени и расстоянию плотность энергии согласно (2), Дж/см2; t - время горения дуги, с; D- расстояние от места возникновения дуги до расчётной точки, мм; х - показатель степени, зависящий от вида оборудования и класса напряжения (для кабеля 10 кВ - 2,0).

Плотность энергии дуги Е„, Дж/см2, нормированная по времени и расстоянию от дуги до расчётной точки:

\gEn=Kx+K2+\,m-\gIa + 0,0011-G ; £„= 10№, (2)

где Кi — коэффициент, принимаемый минус 0,792 для открыто горящей дуги и минус 0,555 для дуги, горящей в ограниченном пространстве; К2 - коэффициент, принимаемый 0 для изолированной нейтрали, и минус 0,113 для заземленной нейтрали; 1а - ток дугового КЗ, кА; G - длина промежутка между анодом и катодом, мм.

Математическая модель для исследования токов КЗ (ДЗЗ) в программе EMTP-RV, рис. 2, включает: эквивалент системы 110 кВ; ее внутреннее сопротивление; понижающий трансформатор 110/10 кВ с группой соединения обмоток Уо/Д-11; две KJI 10 кВ с пофазно-экранированными кабелями, подключенные к шинам 10 кВ питающей подстанции; нагрузки линий.

Модель кабельной сети учитывает зависимость тока ДЗЗ от факторов:

- взаимное расположение точек ДЗЗ;

- сопротивление заземления подстанций, на которых заземлены экраны;

- взаимоиндукция между близко проложенными KJI;

- сопротивление системы.

Взаимоиндукция между двумя КЛ с пофазно-экранированными кабелями учитывается в модели путем расчета сопротивлений нулевой последовательности двух КЛ одновременно, с учетом взаимного расположения линий, в блоке «Cable Data» программы EMTP-RV.

Выводы:

1) Разработаны уточненные математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями напряжением 6 - 35 кВ:

- для исследования ДЗЗ, отличающаяся от аналогичных моделей учетом взаимоиндукции между экранами кабелей и сопротивлений заземления подстанций; модель реализована в программе EMTP-R V;

- для исследования термического действия дуги в месте 033, отличающаяся от аналогичных моделей достаточно полным учетом тепловыделения электрической дуги при 033 применительно к КЛ с пофазно-экранированными кабелями; математическая модель реализована в программе ELCUT.

2) Подтверждена достоверность уточненных математических моделей КЛ с пофазно-экранированными кабелями:

- реализованной в программе EMTP-RV- методом сопоставления значений токов ДЗЗ, полученных по аналитическим выражениям в программе MathCAD, и

на расчетной модели в программе ЕМТР-ЯУ-, наибольшая относительная погрешность не превышает 5%;

- реализованной в программе ЕЬСШ - методом сопоставления двух способов расчета тепловыделения от дугового столба. Установлено, что отечественные и зарубежные источники, основываясь на различных эмпирических моделях тепловыделения дуги, дают близкие результаты.

В третьей главе «Исследование термического действия электрической дуги в месте однофазного замыкания» выполнена оценка длительности перехода 033 в двухфазное КЗ на землю в КЛ с пофазно-экранированными кабелями при прокладке кабелей треугольником без просвета и горизонтально с просветом 70 мм, для этого проведено моделирование переходных тепловых процессов при 033 в программе ЕЬСиТ.

Проанализировано распределение температуры КЛ в предшествующем режиме, показано, что в нормальном режиме, при прокладке пофазно-экранированных кабелей треугольником вплотную, возникают локальные области перегрева рабочей изоляции в точках соприкосновения кабелей, в них вероятность развития триингов и возникновения ОЗЗ выше.

На основе выполненных расчетов термического действия электрической дуги в месте 033 в математической модели выделены стадии перехода 033 в двухфазное КЗ на землю, рис. 3:

1) пробой жилы на экран - дуга полностью локализована внутри кабеля, длина дуги равна толщине изоляции промежутка жила-экран; выделяемая в дуговом столбе теплота передается изоляции кабеля;

2) прожигание покровной оболочки - энергия, выделяемая дугой, прожигает покровную оболочку кабеля, дуга принимает открытую форму;

3) открытая форма дуги — дуга увеличивается в длине, соприкасается с землей, элементами конструкции кабельной траншеи (канала), разогревает оболочку соседнего неповрежденного кабеля, наиболее продолжительная стадия;

4) прожигание оболочки соседнего кабеля - электрическая дуга прожигает оболочку и входит в контакт с экраном соседнего кабеля;

5) прожигание рабочей изоляции неповрежденного кабеля - стадия заканчивается двухфазным КЗ на землю, линия отключается релейной защитой.

Стадия 033 с закрыто горящей дугой включает процессы 1 и 2, рис. 3. Прожиг оболочки кабеля наступает при средней температуре ее нагрева до предела невозгораемости 400°С (СПЭ), картина нагрева изоляции кабеля в момент прожигания оболочки приведена на рис. 4 а.

Стадия 033 с открыто горящей дугой включает процессы 3-5, рис. 3. После разрыва оболочки поврежденного кабеля закрытая дуга, при прокладке кабелей треугольником без просвета, оказывает термическое воздействие на соседний неповрежденный кабель: прожигается покровная и рабочая изоляция неповрежденного кабеля, картина нагрева изоляции кабеля - на рис. 4 б, ОЗЗ переходит в двухфазное КЗ на землю, и кабельная отключается защитами.

Рис. 3. Стадии процесса перехода однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью в двухфазное КЗ на землю

Проведена серия расчетов продолжительности перехода 033 в КЗ при наиболее тяжелом случае - в месте соприкосновения кабелей, проложенных треугольником; исследовано влияние на процесс тока 033 и расстояния в просвете между пофазно-экранированными кабелями (способ прокладки кабелей).

Продолжительность прожигания оболочки поврежденного кабеля, при токе 033 100 А, составляет 0,1 с, при увеличении тока - резко снижается. Продолжительность прожигания оболочки и жильной изоляции неповрежденного кабеля - 0,55 с.

Рис. 4. Закрытая и открытая формы горения дуги при 033 в сети с изолированной

нейтралью: а - прожигание покровной изоляции; б — нагрев и прожигание изоляции неповрежденного кабеля, рамкой обозначена область нагрева оболочки

неповрежденного кабеля

На основе расчетов получено, что для КЛ с пофазно-экранированными кабелями, проложенными треугольником без просвета, в сетях с изолированной нейтралью, отсутствуют условия для самопогасания дуги, любое ОЗЗ в КЛ с пофазно-экранированными кабелями переходит в двухфазное КЗ на землю. При токах ОЗЗ 100 А и более длительность процесса составляет менее 1 с, требуется селективное отключение ОЗЗ релейной защитой.

При прокладке пофазно-экранированных кабелей в сетях 6-35 кВ горизонтально с просветом практически исключается возможность превращения

033 в двухфазное КЗ на землю, однако при этом возрастают токи в экранах в нормальном режиме, и применение мер для снижения рабочих токов в экранах может стать причиной увелич ения затрат на строительство распределительных кабельных сетей.

Выводы:

1) Выявлена возможность возникновения двухфазных КЗ на землю из 033 в КЛ с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной нейтралью, выявлены стадии процесса. Исследовано термическое действие электрической дуги в месте 033 в части оценки длительности перехода 033 в двухфазное КЗ на землю. На основании расчетов на модели установлено, что для кабелей, проложенных треугольником без просвета, отсутствуют условия для самопогасания душ, и всякое 033 с током более 50 А переходит в двухфазное КЗ на землю.

2) Разработан метод оценки длительности перехода 033 в двухфазное КЗ на землю при прокладке кабелей треугольником без просвета. При токах однофазного замыкания 100 А и более время процесса составляет менее 1 с, требуется селективное отключение ОЗЗ релейной защитой.

3) Установлено, что при прокладке пофазно-экранированных кабелей 6-35 кВ треугольником вплотную наибольшая вероятность появления триингов и возникновения 033 - в точках соприкосновения кабелей, где в нормальном режиме возникают локальные области перегрева рабочей изоляции.

4) Установлено, что способ прокладки пофазно-экранированных кабелей в сетях 6-35 кВ горизонтально с просветом 70 мм практически исключает возможность превращения ОЗЗ в двухфазное КЗ на землю - просвет между кабелями способствует деионизации дугового столба.

Четвертая глава «Исследование факторов, влияющих на ток двойного замыкания на землю в сети с пофазно-экранированными кабелями»

посвящена анализу влияния взаимоиндукции между близко проложенными КЛ и сопротивлений заземления подстанций на ток ДЗЗ в распределительных сетях с пофазно-экранированными кабелями. Получены аналитические выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ с учетом указанных факторов, проанализировано влияние факторов на сопротивление нулевой последовательности КЛ и ток ДЗЗ, предложены рекомендации по учету факторов при определении максимальных и минимальных токов ДЗЗ.

Разработаны уточненные аналитические выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности двух КЛ с пофазно-экранированными кабелями со взаимоиндукцией: получены схема замещения, рис. 5, аналитические расчетные выражения (3) - (4).

а) б)

Рис. 5. Две КЛ с пофазно-экранированными кабелями со взаимоиндукцией: а -фактическое расположение КЛ; б - схема замещения нулевой последовательности

Собственное сопротивление нулевой последовательности КЛ-1:

7®Л-1) _ 7 ~ (3)

(0)соб ^(О^-с! 72 7---'

Л (0)51-52 ^(0)11-11'^(0)12-12

где 2(0)х-у - собственные или взаимные сопротивления эквивалентных жил (экранов); с 1, с2 - эквивалентные жилы КЛ-1 и КЛ-2; б2 - эквивалентные экраны КЛ-1 и КЛ-2.

Общее (взаимное) сопротивление нулевой последовательности между КЛ-1 и КЛ-2:

7(КЛ-1-КЛ-2) _ 7 +^(0)с1-12(^(0)С2-А^(0)Л-,2~^(0)С2-12^(0)11-!1) (4)

^(0)общ ~^(0)с1-с2 у2 ^7-7-■

(0)51-52 ■6(0)51-Л'^(0)52-52

В распределительных сетях 6 - 35 кВ КЛ, во многих случаях, прокладывают в одной траншее с малыми (менее 1 м) просветами между линиями. Неучёт взаимоиндукции в таких случаях может привести к завышению сопротивлений нулевой последовательности до 50 %.

Обосновано, что при сопротивлениях заземления подстанции пе\ и яа 0,5 Ом расчетный ток ДЗЗ снижается меньше тока двухфазного КЗ. Для большинства КЛ с пофазно-экранированными кабелями, применяемых в распределительных сетях 6-35 кВ, средняя длина КЛ удовлетворяет условию £кл кР, таблица 1, поэтому расчётным видом для проверки чувствительности защит большинства таких КЛ будет ДЗЗ.

Таблица 1

Критическая длина Ьт для определения минимального тока ДЗЗ

Тип КЛ Критическая длина линии Ь^, км, при токе КЗ на питающей подстанции /к(3), кА

6 12

АПвП2г-Зх(1 х500/70)-10 5,1 5,7

АПвП2г-Зх(1х240/50)-10 3,6 3,8

АПвП2г-3 х(1х120/35)-10 1,95 2,0

Выводы:

1) Исследованы факторы, влияющие на ток ДЗЗ в сети с пофазно-экранированными кабелями: взаимоиндукция между KJI и сопротивления заземления подстанций. Неучет взаимоиндукции между KJI может привести к завышению сопротивлений нулевой последовательности на 50%. Выявлено, что при определении минимальных токов ДЗЗ в сети 6 - 35 кВ необходим учет сопротивлений заземления подстанций RE¡ и Reí- При сопротивлениях Rei и Reí, равных 0,5 Ом, расчетное значение тока ДЗЗ меньше значения тока двухфазного КЗ.

2) Рекомендовано, на основании расчетов токов КЗ и ДЗЗ на уточненной математической модели в программе EMTP-RV, при проверке чувствительности МТЗ пофазно-экранированных KJI расчетный вид КЗ определять сравнением фактической длины KJI с экстремумом Z,KP:

- если Lm < LKр - ДЗЗ, одна из точек которого находится в начале защищаемой КЛ, другая в конце защищаемой зоны;

- если La >LKp - двухфазное КЗ в конце защищаемой зоны.

3) Установлено, что при проверке чувствительности защит большинства КЛ с пофазно-экранированными кабелями в сетях 6 - 35 кВ расчетным видом повреждения является ДЗЗ, так как для КЛ выполняется условие Lm < Lr?. В настоящее время чувствительность МТЗ в сетях с пофазно-экранированными КЛ проверяют по двухфазному КЗ, что является одной из причин недостаточной чувствительности релейных защит к ДЗЗ.

4) Уточнены аналитические в ыражения для определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями в части учета взаимоиндукции между КЛ и сопротивлений заземления подстанций.

5) Разработаны методические указания, алгоритм и программное обеспечение GuCabLines для определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями прямой и нулевой последовательности, необходимые для расчета установившихся режимов и коротких замыканий. Подготовлен стандарт организации для ОАО «ФСК ЕЭС» «Методика расчета параметров высоковольтных кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена».

6) Получено свидетельство о государственной регистрации разработанного программного обеспечения № 2012610902 «Расчет параметров кабельных линий высокого напряжения (GuCabLines)», используемого всеми филиалами ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «СО ЕЭС».

Пятая глава «Обоснование условий проверки термического действия токов короткого замыкания на экраны пофазно-экранированных кабелей»

посвящена анализу факторов, влияющих на термическое действие токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабелей. Получены рекомендации по выбору КЛ с пофазно-экранированными кабелями с учетом термического действия токов КЗ на экраны кабелей.

Рассчитано распределение тока КЗ (ДЗЗ) по экранам пофазно-экранированных кабелей при внешних и внутренних КЗ, рис. 6. При внешних КЗ

отношение тока в экране к тому жилы /э//ж максимальное - при однофазных КЗ (в сети с резистивно-заземленной нейтралью), минимальное - при трехфазных КЗ. С увеличением просвета между кабелями отношение токов при внешних КЗ возрастает.

Система

-o-fa-

КЛ-1

Я

К1

/ К2

Рис. 6. Место короткого замыкания: К1 - внутреннее КЗ; К2 -внешнее КЗ

Для внутренних ДЗЗ, рис. 7, получены расчетные выражения для распределения тока ДЗЗ /к(1,1) по экранам KJI с учетом сопротивлений заземления подстанций: составлена и решена аналитически система уравнений по законам Кирхгофа для токов в начальном и конечном участках поврежденного экрана Isa и /sa, токов в экранах неповрежденных кабелей ISA и ISb, токов через заземлители экранов кабелей соответственно со стороны источника и со стороны нагрузки KJI

¡El И 1Е2 ■

k-L,-—-J

_ _4

U„

1

JÉ

ІВ+ІІ

v <—

la

Рис. 7. Растекание тока внутреннего ДЗЗ по экранам: Reí, Reí - сопротивления заземления подстанции в начале и в конце КЛ

Ток в начальном участке поврежденного экрана с учетом сопротивлений заземления подстанций Ке\ и Яп:

hc\ -

С2 СЗІ С 2 С 3 к

(5)

где /41 = (Zc¡- Zj.ci); В\ =(Zsl-Zc.sl); C\=ReúA2=~ (Zc.si+ Zs2+ B2 = (Zs-Zc.c); C2 = (Rsi+Rn+Z^y, A3 = - (Zc.c + R^); B3 = 0,5(Zc.c-Zs); C3 = (Re¡+Rei+ 0,5(Zs+-Zc.c)); Zc - сопротивление жилы; Zc.¡- сопротивление между жилой и экраном кабеля; Z, — сопротивление экрана; Zc.c — сопротивление между жилами КЛ; индекс «1» означает, что сопротивление относится к участку LI от начала KJI до точки повреждения, рис. 7.

Сопротивления заземления подстанций REi и Rn оказывают незначительное влияние на распределение тока КЗ по экранам КЛ. При проверке термической стойкости кабелей по токам ДЗЗ в сети с изолированной (компенсированной)

нейтралью следует считать, что 100% тока ДЗЗ попадает в начальный участок поврежденного экрана.

Ток в заземлителях экранов в начале и конце КЛ 1е1 и 1е2 при внешних КЗ протекает одинаковый, а при внутренних КЗ и ДЗЗ больший ток попадает в заземлитель с питающей стороны КЛ. С помощью трансформаторов тока нулевой последовательности, установленных в месте объединения экранов кабелей по концам КЛ, можно однозначно различить внутренние повреждения от внешних.

Исходя из условий термической стойкости и невозгораемости экранов кабелей рассчитаны времятоковые характеристики предельного времени отключения короткого замыкания. Учёт неадиабатического характера нагрева экранов при КЗ (ДЗЗ) позволяет увеличить допустимое время отключения ДЗЗ по условию термической стойкости на 0,2 - 0,4 с.

Выполнено обобщение указаний по проверке термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей. Рекомендованы выбор расчетного вида КЗ (внешнее или внутреннее), проверка начального участка поврежденного экрана, разработаны аналитические выражения для определения токов КЗ в экранах в зависимости от места точки КЗ на КЛ, определение температуры экрана к моменту отключения КЗ - по неадиабатическому процессу. Показано, что для наиболее распространенных пофазно-экранированных кабелей термическая стойкость и невозгораемость кабеля обусловлена экраном, так как при внутренних повреждениях КЛ экран, по сравнению с жилой, будет находиться в более тяжелом положении по термическому действию токов КЗ.

Выводы:

1) Обоснованы условия проверки термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабели в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью в части выбора: расчетного вида и места КЗ (ДЗЗ), распределения токов в экранах, учета теплообмена экрана с прилегающей изоляцией при КЗ (ДЗЗ):

- расчетный вид и место КЗ - двойное замыкание на землю, одна из точек которого расположена на шинах питающей подстанции, вторая - в начале КЛ, при этом 100% тока ДЗЗ попадает в начальную часть поврежденного экрана;

- получены аналитические выражения для распределения тока КЗ (ДЗЗ) по экранам с учетом сопротивлений заземления подстанций в зависимости от расположения точки КЗ (ДЗЗ);

- расчёт температуры нагрева экранов к моменту отключения КЗ (ДЗЗ) необходимо проводить с учётом теплообмена между экраном и прилегающей изоляцией - по неадиабатическому нагреву.

2) Получены аналитические выражения для сопротивления петли в зависимости от способа соединения и заземления экранов пофазно-экранированных кабелей. Сопротивление петли необходимо для определения тока внутреннего ДЗЗ в зависимости от способа соединения и заземления экранов.

3) На основании расчетов по разработанным аналитическим выражениям выявлено, что при внутренних повреждениях КЛ ток через заземляющее

устройство экранов со стороны источника питания КЛ /£! превьппает ток через заземлитель со стороны нагрузки КЛ /д при любой удаленности точки КЗ (ДЗЗ) от начала КЛ, при внешних КЗ ток в заземлителях экранов в начале и конце КЛ протекает одинаковый. Этот индикатор необходимо использовать в автоматике запрета АПВ в случае повреждения кабельного участка кабельно-воздушной линии.

4) В результате расчетов в программе МмНСАБ доказано, что учёт неадиабатического характера нагрева экранов позволяет увеличи ть допустимое время протекания тока ДЗЗ по условию обеспечения термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей по экранам в среднем на 0,2 -0,4 с.

5) Выявлено, что в расчетном случае внутреннего ДЗЗ в сети с изолированной нейтралью экраны кабелей будут находиться в более тяжелом положении по термическому действию токов ДЗЗ, так как площадь поперечного сечения экрана в несколько раз меньше площади поперечного сечения жилы дп. Термическая стойкость и невозгораемость КЛ с пофазно-экранированными кабелями полностью определяется металлическим экраном, при выполнении условий термической стойкости и невозгораемости для экрана, жила КЛ заведомо будет удовлетворять условиям выбора по КЗ (ДЗЗ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены научные и практические результаты, представляющие законченную самостоятельно работу на актуальную тему, решающую научно-техническую задачу исследования и обоснования условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью на основе уточнения и внедрения выражений для определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ, совершенствования модели нагрева экранов кабелей, уточнения расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ и ДЗЗ на экраны кабелей, уточнения требований к быстродействию и чувствительности релейных защит.

Обобщенно результаты работы состоят в следующем:

1. Разработаны уточненные математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся от аналогичных учетом, посредством аналитических выражений, взаимоиндукции между КЛ, сопротивлений заземления подстанций и достаточно полным учетом термического действия электрической дуги в месте 033 на пофазно-экранированные кабели. На основании моделей проведены исследования и получены основные научные и практические результаты работы.

2. Разработан метод оценки длительности перехода 033 в двухфазное КЗ на землю в сети с пофазно-экранированными кабелями, выявлена возможность возникновения процесса. Показано, что при прокладке кабелей треугольником без просвета 033 переходит в двухфазное КЗ на землю при токах ОЗЗ более 50 А.

3. По результатам математического моделирования ДЗЗ предложены индикаторы внутренних повреждений KJI с пофазно-экранированными кабелями для запрета АПВ воздушно-кабельной линии:

- при внешних КЗ токи в заземлителях экранов со стороны питания и со стороны нагрузки KJI протекают равные;

- при внутренних КЗ больший ток протекает в заземлителе экранов кабелей со стороны источника питания.

4. По результатам математического моделирования ДЗЗ рекомендовано, при проверке чувствительности релейной защиты KJI с пофазно-экранированными кабелями в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью, расчет минимальных токов КЗ выполнять с учетом соотношения длины KJI LrjI с критической длиной ¿кр:

- если Lm < LKp - в качестве расчетного вида повреждения принимать ДЗЗ и рассчитывать его для одной из точек в начале защищаемой зоны, а другой в конце защищаемой зоны;

- если 1Ш > LYp - в качестве расчетного вида повреждения принимать двухфазное КЗ и расчетную точку в конце защищаемой зоны.

5. Обоснованы расчетные условия для выбора KJI 6 - 35 кВ с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью с учетом термического действия токов ДЗЗ на экраны:

- сопротивления заземления подстанций - принимать равными нулю;

- вид и место повреждения - ДЗЗ: одна из точек повреждения расположена на шинах питающей подстанции, вторая - в начале KJI;

- при определении тока ДЗЗ - учитывать способ соединения и заземления экранов через сопротивление петли;

- температуру экранов к моменту отключения КЗ определять с учетом теплообмена с изоляцией.

Выявлено, что термическая стойкость и невозгораемость KJI с пофазно-экранированными кабелями определяются металлическим экраном кабелей.

6. Уточнены аналитические выражения для расчета сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями путем учета взаимоиндукции между КЛ и сопротивлений заземления подстанций. Разработаны методические указания, алгоритм и программное обеспечение «GuCabLines» для определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями нулевой последовательности с учетом взаимоиндукции между КЛ, необходимые для расчета коротких замыканий. Подготовлен стандарт организации для ОАО «ФСК ЕЭС» «Методика расчета параметров высоковольтных кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена».

7. Получено свидетельство о государственной регистрации разработанного программного обеспечения № 2012610902 «Расчет параметров кабельных линий высокого напряжения (GuCabLines)», используемого всеми филиалами ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «СО ЕЭС».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях по списку ВАК

1. Антонов A.A., Гусев Ю.П. Влияние способов заземления экранов и взаимоиндукции пофазно-экранированных кабелей 6-35 кВ на токи двойных однофазных замыканий на землю//Энергетик. - 2013. - №9. С, 42-44.

2. Антонов A.A., Гусев Ю.П. Электродуговые процессы при однофазных замыканиях в пофазно-экранированных кабелях // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журн. - 2013. - №5. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/0513.0598819

В других изданиях

3. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Расчёт погонных параметров кабельных линий высокого напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. -М: МЭИ (ТУ). - 2011. - Т.З. - С.347-348.

4. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Обеспечение термической стойкости кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена при двойных коротких замыканиях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. - М.: МЭИ (ТУ). -2009. — Т.З. - С.334-336.

5. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Особенности расчета коротких замыканий в пофазно-экранированных кабельных линиях // Тинчуринские чтения. Тез. докл. VII Междунар. молодеж. науч. конф. В 4-х т. - Казань: КГЭУ. - 2012. - Т.1. - С. 29.

6. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Распределение тока короткого замыкания по экранам пофазно-экранированных кабелей напряжением 110 - 500 кВ // Электроэнергетика глазами молодёжи. Докл. III Междунар. науч.-техн. конф. В 2-х т. - Екатеринбург: УрФУ. - 2012. - Т.2. - С. 89-93.

7. A.A. Антонов, Ю.П. Гусев. Исследование процесса нагрева кабельных линий из сшитого полиэтилена при двойных коротких замыканиях на основе уравнения теплопроводности // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. - М.: МЭИ (ТУ). - 2010. - Т.З - С.404-405.

8. A.A. Антонов. Особенности проверки термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей 6-35 кВ // Электроэнергетика глазами молодёжи. Докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. В 2-х т. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ). - 2013. - Т.1. - С. 286-289.

Подписано в печать (kOiS Зак. ¿/Л4 Тир. fOO П.л. af

Полиграфический центр МЭИ, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, стр.4

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201450141

Антонов Андрей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ УЧЕТА ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫЕ КАБЕЛИ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Гусев Ю.П.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 19

1.1. Электромагнитное взаимодействие пофазно-экранированных кабелей.... 19

1.2. Нагрев пофазно-экранированных кабелей.....................................................25

1.3. Влияние режима заземления нейтрали на нагрев кабелей...........................32

1.4. Выводы..............................................................................................................37

2. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35 КВ...........................................................................................39

2.1. Обоснование выбора программы ЕМТР-ЯУ для математического моделирования переходных процессов...................................................................39

2.2. Верификация математической модели...........................................................42

2.3. Обоснование выбора программы ЕЬСиТ для математического моделирования тепловых процессов.......................................................................48

2.4. Определение тепловыделения дугового столба............................................53

2.5. Верификация математической модели...........................................................59

2.6. Выводы..............................................................................................................65

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В МЕСТЕ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ.............................................................67

3.1. Температура нагрева пофазно-экранированных кабелей в нормальном режиме.........................................................................................................................67

3.2. Процесс перехода однофазного замыкания в двухфазное короткое замыкание на землю...................................................................................................70

3.3. Рекомендации по предотвращению перехода однофазных замыканий на землю в двухфазные короткие замыкания на землю.............................................76

3.4. Выводы

78

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОК ДВОЙНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ

КАБЕЛЯМИ...................................................................................................................80

4.1. Влияние взаимоиндукции кабелей.................................................................80

4.2. Влияние сопротивления заземления подстанций.........................................98

4.3. Выводы............................................................................................................107

5. ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПРОВЕРКИ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЭКРАНЫ ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ............................................................................110

5.1. Распределение токов по экранам кабелей при сквозных и внутренних повреждениях кабельной линии.............................................................................110

5.2. Влияние способа заземления экранов..........................................................123

5.3. Времятоковые кривые предельного времени отключения КЗ по условию обеспечения термической стойкости и невозгораемости....................................128

5.4. Обобщение и обоснование расчетных условий термического действия токов короткого замыкания....................................................................................133

5.5. Выводы............................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 кВ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ

НАПРЯЖЕНИЕМ В ПРОГРАММЕ ЕМТР-ЯУ........................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОФАЗНО-ЭКРАНИРОВАННЫМИ КАБЕЛЯМИ НАПРЯЖЕНИЕМ 10 кВ. 153 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ОиСаЫлпеБ)»..........................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИЛ И ЭКРАНОВ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ С УЧЁТОМ НЕАДИАБАТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА НАГРЕВА ПРОВОДНИКОВ............................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Кабельные линии (КЛ), состоящие из пофазно-экранированных кабелей одножильного исполнения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), находят широкое применение в электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ. Необходим анализ особенностей расчета и выбора пофазно-экранированных кабелей, обусловленных наличием отдельного металлического экрана у каждой из жил и использованием изолированных и компенсированных способов заземления нейтралей сетей 6 - 35 кВ.

Металлический экран не полностью компенсирует магнитное поле жилы за пределами оболочки кабеля. Известные методики не учитывают взаимоиндукцию между пофазно-экранированными кабелями при определении сопротивлений нулевой последовательности КЛ. Необходимо исследовать влияние взаимоиндукции кабелей на растекание тока короткого замыкания (КЗ) по экранам, влияние их на нагрев кабелей, влияние на погонные сопротивления КЛ и обосновать расчетные условия для выбора электрооборудования электрических сетей.

Существующие методики проверки последствий термического действия токов двойного замыкания на землю (ДЗЗ) на пофазно-экранированные кабели в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью не учитывают влияние взаимоиндукции и сопротивлений заземления подстанций на распределение тока ДЗЗ по экранам кабелей, зависимость тока ДЗЗ от способа соединения и заземления экранов КЛ. Необходимо уточнить расчетные условия проверки термического действия токов КЗ и требования, предъявляемые к релейным защитам КЛ.

Среди критериев выбора способа прокладки пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью ранее не рассматривались электродуговые процессы в месте повреждения кабеля, сопровождающиеся выделением значительной тепловой энергии. При прокладке

кабелей треугольником без просвета однофазное замыкание на землю (033) за короткое время переходит в двухфазное КЗ на землю [52], поврежденная линия отключается защитой. Необходимо оценить длительность процесса перехода 033 в КЗ и предложить рекомендации по предотвращению развития аварии.

Проведение данной научно-исследовательской работы является актуальной задачей, так как невыполнение требований термической стойкости и невозгораемости ведет к повреждениям КЛ с пофазно-экранированными кабелями в питающих и распределительных сетях и увеличению издержек на эксплуатацию кабельных сетей.

Целью работы является исследование и обоснование условий учёта термического действия токов короткого замыкания на пофазно-экранированные кабели для проверки термической стойкости и невозгораемости кабельных линий с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью напряжением 6-35 кВ на основе исследования модели процесса нагрева экранов токами короткого замыкания.

Объектом исследования являются кабельные линии, состоящие из одножильных пофазно-экранированных кабелей, в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6 - 35 кВ.

Предметом исследования являются:

- ток КЗ в экранах кабелей при внутренних ДЗЗ с учетом сопротивлений заземления подстанций и расположения точки ДЗЗ;

- ток в экранах кабелей, при внешних КЗ и ДЗЗ;

- влияние способа заземления экранов на ток ДЗЗ;

- влияние способа прокладки кабелей на взаимоиндукцию и распределение токов по экранам;

- обеспечение релейной защитой термической стойкости и невозгораемости пофазно-экранированных кабелей;

- тепловое действие электрической дуги на изоляцию пофазно-экранированных кабелей в месте 033.

Задачами работы являются:

1) анализ состояние вопроса учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью, определение целей и задач исследования;

2) разработка уточнённых математических моделей кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями 6-35 кВ;

3) исследование термического действия электрической дуги в месте 033 на изоляцию пофазно-экранированных кабелей;

4) исследование факторов, влияющих на ток ДЗЗ в сети с пофазно-экранированными кабелями;

5) обоснование условий проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью.

Методы научных исследований базируются на теории электрических цепей, теории электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах (ЭЭС), теоретических основах релейной защиты, на расчетных и экспериментальных методах исследования процессов в ЭЭС, в том числе:

1) аналитическое решение системы линейных алгебраических уравнений;

2) математическое моделирование на основе системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа;

3) расчётно-экспериментальное исследование КЗ (ДЗЗ) и термического действия дуги в месте 033 в специализированных компьютерных программах для моделирования электромагнитных переходных процессов ЕМТР-ЯУ и тепловых

переходных процессов ЕЬСиТ;

4) расчеты по аналитическим выражениям в программе МшкСАО.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1) обобщены и систематизированы данные о влиянии на КЗ и ДЗЗ в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью отдельного металлического экрана у каждой из жил пофазно-экранированных кабелей, проанализированы недостатки условий учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ при выборе пофазно-экранированных кабелей;

2) разработаны математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся от аналогичных учетом, посредством аналитических выражений, взаимоиндукции между КЛ, сопротивлений заземления подстанций и термического действия электрической дуги 033 в сети с изолированной нейтралью;

3) получены результаты оценки продолжительности перехода ОЗЗ в двухфазное КЗ на землю в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью при наиболее неблагоприятных условиях развития повреждения, основанные на эмпирической модели оценки тепловыделения дугового столба. Доказано, что при прокладке пофазно-экранированных кабелей треугольником без просвета любое однофазное замыкание с током 100 А переходит в КЗ за время менее 1 с, увеличение просвета между кабелями помогает увеличить длительность процесса до десятков секунд, уменьшается вероятность возникновения процесса;

4) уточнены выражения для определения собственных и взаимных сопротивлений схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями, отличающиеся учетом взаимоиндукции между линиями и сопротивлений заземления подстанций;

5) уточнен метод расчета тока КЗ (ДЗЗ) и распределения тока по экранам при внутренних повреждениях в КЛ с учетом места повреждения и

сопротивлений заземления подстанций. При этом показано, что ток ДЗЗ, рассчитанный с учетом сопротивлений заземления подстанций, снижается на 15 -25%, и проверку чувствительности релейных защит необходимо проводить по току ДЗЗ вместо двухфазного КЗ;

6) получен отличительный признак внутреннего повреждения КЛ с пофазно-экранированными кабелями от внешнего:

- при внутреннем повреждении ток в заземлителе экранов с питающей стороны КЛ всегда превышает ток в заземлителе экранов со стороны нагрузки КЛ;

- при внешнем повреждении ток в заземлителях экранов с питающей стороны КЛ и со стороны нагрузки КЛ одинаковы;

7) обоснованы условия проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной нейтралью: неучет сопротивлений заземлений подстанций, определение тока в экране по разработанным аналитическим выражениям в зависимости от места КЗ (ДЗЗ); расчет температуры экрана по неадиабатическому процессу. Доказано, что в сети с изолированной и компенсированной нейтралью термическая стойкость и невозгораемость распространенных типов пофазно-экранированных кабелей определяется металлическим экраном.

Достоверность научных положений диссертационной работы.

Достоверность математических моделей подтверждается

удовлетворительным совпадением результатов моделирования с результатами верификационных расчетов, выполненными по известным аналитическим выражениям в программном обеспечении МшкСАЭ. Результаты работы подтверждены сопоставлением сведений по авариям в действующих сетях с пофазно-экранированными кабелями с результатами расчетно-теоретических исследований на математических моделях в программах ЕМТР-ЯУ и ЕЬСиТ.

Практическая ценность работы:

1) Разработаны методические указания по определению параметров схемы замещения нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями с учетом взаимоиндукции между КЛ, для последующего расчета КЗ и ДЗЗ в электрических сетях;

2) Разработан метод расчета распределения тока по экранам кабелей при внешних и внутренних КЗ (ДЗЗ) с учетом сопротивлений заземления подстанций, позволяющий выбирать параметры блокировки АПВ кабельно-воздушных линий.

3) Разработаны практические рекомендации по выбору расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ на экраны пофазно-экранированных кабелей в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью.

Реализация и внедрение результатов работы.

1) обоснован выбор расчетных условий для проверки термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны пофазно-экранированных кабелей, результаты используются на курсах повышения квалификации специалистов электросетевых и проектных организаций, проводимых в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;

2) разработана компьютерная программа ОиСаЬЫпех для определения сопротивлений КЛ с пофазно-экранированными кабелями для последующего расчета коротких замыканий и выбора уставок релейных защит, программа используется во всех региональных филиалах ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «СО ЕЭС»;

3) методические указания и алгоритм определения сопротивлений К Л с пофазно-экранированными кабелями приняты к утверждению в качестве стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС».

Положения, выносимые на защиту:

1) уточненные модели кабельной сети с пофазно-экранированными

и

кабелями, отличающиеся учетом, посредством разработанных аналитических выражений, взаимоиндукции между KJ1, сопротивлений заземления подстанций и термического действия дуги в месте 033;

2) результаты оценки термического действия электрической дуги в месте ОЗЗ на изоляцию неповрежденных пофазно-экранированных кабелей при прокладке треугольником вплотную и горизонтально с просветом;

3) уточненные выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности KJI с пофазно-экранированными кабелями в части учета взаимоиндукции с соседними линиями и сопротивлений заземления подстанций;

4) проверка чувствительности релейных защит пофазно-экранированных кабелей по токам ДЗЗ, определяемых с учетом сопротивлений заземлений подстанций;

5) условия выбора пофазно-экранированных кабелей с учетом термического действия токов КЗ (ДЗЗ) на экраны: вид и место КЗ (ДЗЗ), распределение тока КЗ (ДЗЗ) по экранам, нагрев экранов - по неадиабатическому процессу;

6) термическая стойкость и невозгораемость KJI с пофазно-экранированными кабелями в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью полностью определяется металлическим экраном, при выполнении условий термической стойкости и невозгораемости для экрана, жила KJI заведомо будет удовлетворять условиям выбора по КЗ (ДЗЗ).

Апробация результатов работы. Работа была апробирована:

1) на XV, XVI и XVII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ), февраль 2009, февраль 2010 гг.; НИУ «МЭИ», февраль 2011 г.);

2) на VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, апрель 2012 г.);

3) на III и IV международных научно-технических конференциях

«Энергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.; г. Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано восемь печатных работ [64], [66-70], [72-73], в том числе две статьи [64], [72] - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 72 наименований источников, пяти приложений. Основной текст диссертации изложен на 146 страницах, включает 76 ри сунков и 6 таблиц. Общий объем дисс�