Введение к работе
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 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.
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:
-
проанализировать состояние вопроса учета термического действия токов КЗ и ДЗЗ на пофазно-экранированные кабели в сетях с изолированной нейтралью, определить цели и задачи исследования;
-
разработать уточнённые математические модели кабельной сети с пофазно-экранированными кабелями 6-35 кВ;
-
исследовать термическое действие электрической дуги в месте 033 на изоляцию пофазно-экранированных кабелей;
-
исследовать факторы, влияющие на ток ДЗЗ в сети с пофазно-экранированными кабелями;
-
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:
-
аналитическое решение системы линейных алгебраических уравнений;
-
математическое моделирование на основе системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа;
-
расчётно-экспериментальное исследование КЗ (ДЗЗ) и термического действия дуги в месте 033 в специализированных компьютерных программах для моделирования электромагнитных переходных процессов EMTP-RV и тепловых переходных процессов ELCUT;
4) расчеты по аналитическим выражениям в программе MathCAD.
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;
-
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;
-
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;
-
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;
-
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;
-
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 заземлите лях 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 MathCAD. Результаты работы подтверждены сопоставлением сведений по авариям в действующих сетях с пофазно-экранированными кабелями с результатами расчетно-теоретических исследований на математических моделях в программах EMTP-RVи ELCUT.
На защиту выносятся следующие положения:
-
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 033;
-
результаты оценки термического действия электрической дуги в месте 033 на изоляцию неповрежденных пофазно-экранированных кабелей при прокладке треугольником вплотную и горизонтально с просветом;
-
уточненные выражения для определения сопротивлений нулевой последовательности КЛ с пофазно-экранированными кабелями в части учета взаимоиндукции с соседними линиями и сопротивлений заземления подстанций;
-
проверка чувствительности релейных защит пофазно-экранированных кабелей по токам ДЗЗ, определяемых с учетом сопротивлений заземлений подстанций;
-
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;
-
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:
-
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;
-
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;
-
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»;
-
разработана компьютерная программа GuCabLines 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:
-
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.);
-
на VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, апрель 2012 г.);
-
на III и IV международных научно-технических конференциях «Энергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.; г. Новочеркасск, ЮРГПУ (НИИ), 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.
