ПРОВЕРКА КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НАПРЯЖЕНИЕМ до 1 кВ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ И НЕВОЗГОРАНИЕ[i]

Гусев Ю.П., канд. техн. наук, МЭИ (ТУ) Шиша М.А., канд. техн. наук, ООО КРУШ

 

 

 

При протекании тока короткого замыкания (КЗ) по кабелям, их токопроводящие жилы нагреваются, что в ряде случаев приводит к разрыву оболочек кабелей, разрушению концевых заделок, пожару в кабельных сооружениях и большим материальным потерям. Даже в тех случаях, когда пожар не возникает, физико-химические свойства изоляции кабелей существенно изменяются и возрастает вероятность их последующего электрического пробоя, что в конечном итоге также приводит к значительным материальным потерям.  Для предотвращения пожаров и поддержания надежности электроустановок на приемлемом уровне необходимо, при выборе силовых кабелей, учитывать максимально возможные термические действия токов КЗ, а в процессе эксплуатации, после каждого КЗ, необходимо выполнять расчет температуры токопроводящих жил и заменять кабели с расчетными значениями температуры, превысившими предел термической стойкости. Указанные цели применительно к электроустановкам переменного тока напряжением до 1 кВ, в настоящее время,  трудно достижимы из-за отсутствия четких и однозначных критериев для принятия решений, из-за недостаточной распространенности современных методик и средств расчета КЗ.

Неоднозначность критериев проявляется в расхождении требований по расчетным условиям проверки, сформулированных в государственном стандарте и в отраслевых научно-технических документах. Согласно действующему государственному стандарту [1], в качестве расчетной точки КЗ следует принимать такую точку на расчетной схеме, при КЗ в которой проводник подвергается наибольшему термическому воздействию. Очевидно, что наибольшее термическое воздействие будет при КЗ в начале кабельной линии. Однако отраслевая научно-техническая документация допускает проведение выбора и проверок силовых кабелей, в электроустановках напряжением до 1 кВ на не возгорание, по условиям КЗ, удаленного от начала кабельной линии на 20 метров. Государственный стандарт и отраслевые научно-технические документы не дают четкого ответа и на вопрос какое КЗ, металлическое или дуговое, следует рассматривать при выборе и проверке кабелей на термическую стойкость и не возгораемость.

С точки зрения практики и опыта эксплуатации электроустановок, критерием выбора и проверки кабелей по условиям термического действия токов КЗ должно быть расчетное максимальное значение температуры жил кабелей к моменту отключения дугового КЗ в начале кабельной линии или металлического КЗ в конце кабельной линии. КЗ, возникшее между головной и концевой разделками кабелей может быть только дуговым, т. к. металлическое соединение, с контактным давлением, превышающим электродинамические силы, раздвигающие замкнувшиеся проводники, по длине кабеля практически ничем не может быть обеспечено. Многочисленные эксперименты с КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ, показали, что металлическое КЗ возникает лишь при искусственно созданных условиях, например, при наложении термически стойкой штатной закоротки. Если закоротка наложена в начале кабельной линии, то ток КЗ от источника по кабелям протекать не будет и, следовательно, металлическое КЗ может рассматриваться в качестве расчетного вида лишь в конце кабельной линии.

Современная методика расчета КЗ в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ, рекомендованная ГОСТ [2], на практике применяется редко. Обусловлено это сложностью комплексного учета всех факторов, влияющих на ток КЗ, особенно для продолжительных КЗ, отключаемым резервными защитами. При ручном расчете обычно получают лишь значение тока для начального момента КЗ, как это делается, например, в методических указаниях фирмы ОРГРЭС [3]. Для расчета токов и интегралов Джоуля КЗ длительностью более 0,1 с целесообразно использовать компьютерные программы. Примером такой программы может служить программа GUEXPERT, комплексно учитывающая нелинейное сопротивление электрической дуги, увеличение сопротивления кабелей, обусловленное нагревом их жил, и электромагнитный переходной процесс в асинхронных электродвигателях. Программа выполняет расчет токов и температур токопроводящих жил с учетом процессов теплообмена между жилами и изоляцией кабелей по ГОСТ [4]. Комплексный учет многих факторов влияющих на процесс КЗ, позволяет  получить расчетные значения токов близкие к реальным значениям, что подтверждено многочисленными экспериментами. Программа имеет графический интерфейс и автоматизированную базу данных со всеми необходимыми для расчета параметрами элементов расчетных схем, включая внутренние сопротивления автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей, переходные сопротивления разъемных и разборных контактов. Компьютерный расчет позволяет избежать выбора кабелей с чрезмерно завышенными сечениями. Более чем десятилетний опыт использования программы GUEXPERT на энергетических объектах и в ведущих проектных организациях России и СНГ подтвердил ее соответствие современным требованиям. Демонстрационную версию программы можно найти в интернете на сайте http://es.mpei.ac.ru или получить по электронной почте обратившись по адресу GusevYP@mpei.ru.

С помощью программы GUEXPERT выполнен расчетно-теоретический анализ различных расчетных условий выбора и проверки кабелей на не возгораемость на примере электроустановки, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Параметры основных элементов схемы соответствуют наиболее часто применяющимся на электростанциях электроустановкам с трансформаторами мощностью 1000 кВА и преимущественно двигательной нагрузкой. На рассматриваемой схеме двигательная нагрузка представлена эквивалентным асинхронным электродвигателем мощностью 420 кВт. Путем проведения вариантных расчетов определялась температура токопроводящих жил кабеля типа АВВГ при дуговых и металлических трехфазных КЗ в начале и в конце кабельных линий в зависимости от продолжительности КЗ. Расчеты проводились с полным комплексным учетом всех вышеперечисленных факторов, влияющих на процесс КЗ, в соответствии с рекомендациями ГОСТ  и методических указаний ОРГРЭС [1-4].

На рис. 2 показаны результаты расчета металлических КЗ в начале кабельной линии. Из расчетов следует, что при продолжительности КЗ 0,5 с, складывающейся из времени действия резервной защиты и полного времени отключения автоматического выключателя, сечение токоведущих жил кабеля в линиях, отходящих от щита переменного тока, по условию не возгорания должно быть не менее 120 мм². По типовым проектам, широко применявшимся в 80-е годы, на электроустановках напряжением 0,4 кВ собственных нужд электростанций допускалось использование кабелей с сечением жил 35 мм². Таким образом, многие из действующих электроустановок имеют кабели, не отвечающие жестким требованиям государственного стандарта и отраслевых нормативно-технических документов.

Если опираясь на здравый смысл и опыт эксплуатации электроустановок считать, что КЗ в начале кабельной линии могут лишь дуговыми, то в присоединениях щита переменного тока могут использоваться кабели с сечением жил 70 мм², рис. 3. Практически такой же результат получается, если принять в качестве расчетного металлическое КЗ удаленное от начала кабельной линии на 20 м, рис. 4. Именно такой подход к выбору расчетной точки предлагается в циркуляре РАО «ЕЭС РОССИИ» № Ц-02-98 (Э) от 16.03.98 года. Выбор и проверка кабелей по термическому действию тока дугового КЗ в начале кабеля фактически не противоречит ГОСТ, так как он допускает учет вероятностных характеристик КЗ при условии соответствующего обоснования их в ведомственных нормативно-технических документах [1, п. 1.1.4]. Обосновать выбор расчетной точки в 20 м от начала кабельной линии более трудно, чем утверждение о дуговом характере КЗ в кабеле.

Короткие кабельные линии следует проверять и по условию металлического КЗ в конце линии, т. к. тепловой режим их может оказаться более тяжелым нежели при дуговых КЗ в начале кабельной линии. Так, например, кабель сечением 70 мм², при длине менее 13 метром не соответствует требованиям не возгораемости при металлическом КЗ продолжительностью 0,5 с в конце линии, хотя и соответствует требованиям не возгораемости по условию дугового КЗ в начале линии.

 

Выводы

1.      В новом издании «Правил устройства электроустановок» необходимо однозначно и четко сформулировать расчетные условия для выбора и проверки кабелей электроустановок напряжением до 1 кВ по условиям термической стойкости и невозгораемости.

2.      Проверку не возгораемости кабелей, по мнению авторов, следует проводить по температуре нагрева токопроводящих жил к моменту отключения резервной защитой дугового КЗ в начале кабельной линии и металлического КЗ в конце кабельной линии.

3.      Для практического расчета термического действия тока КЗ на кабели электроустановок переменного тока напряжением до 1 кВ может быть использована компьютерная программа GUEXPERT, разработанная на кафедре Электрические станции МЭИ (ТУ).

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      ГОСТ 30323-95. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания.

2.      ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.

3.      Методические указания по расчету токов короткого замыкания в сети напряжением до 1 кВ электростанций и подстанций с учетом влияния электрической дуги. - М.: Служба передового опыта ОРГРЭС, 1993.

4.      ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева.

 

 

 

Рис. 1. Расчетная схема рассматриваемой электроустановки (копия с экрана при работе с программой GUEXPERT)

Рис. 2. Температура токопроводящих жил кабеля АВВГ к моменту отключения трехфазного металлического КЗ в начале кабельной линии в зависимости от продолжительности КЗ и от сечения жил.

 

Рис. 3. Температура токопроводящих жил кабеля АВВГ к моменту отключения трехфазного дугового КЗ в начале кабельной линии в зависимости от продолжительности КЗ и от сечения жил.

 

Рис. 4. Температура токопроводящих жил кабеля АВВГ к моменту отключения трехфазного металлического КЗ в конце кабельной линии в зависимости от продолжительности КЗ и от сечения жил.