Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Кабельные линии в системах электроснабжения 10
1.1 Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена 10
1.2 Нормативная база для проектирования кабельных линий 14
1.3 Анализ пропускной способности кабельной линии 14
1.4 Проблема выбора способа заземления металлических экранов 18
Выводы к главе 1 20
ГЛАВА 2 Параметры систем заземления экранов 21
2.1 Анализ электромагнитных процессов в кабеле 21
2.2 Расчет параметров кабеля 24
2.3 Схемы соединения экранов 29
2.3.1 Двухстороннее заземление экранов 29
2.3.2 Одностороннее заземление экранов 32
2.3.3 Транспозиция экранов 40
Выводы к главе 2 46
ГЛАВА 3 Разработка методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильных кабелей 47
3.1 Постановка задачи 47
3.2 Составление алгоритма исследования 48
3.3 Выбор кабелей 50
3.3.1 Выбор трассы кабельной линии 50
3.3.2 Выбор сечения токопроводящей жилы 51
3.3.3 Выбор сечения экрана 54
3.4 Расчет параметров «разомкнутой» системы заземления экранов 56
3.5 Расчет параметров «замкнутой» системы заземления экранов 59
3.6 Экономическое сравнение систем заземления 60
Выводы к главе 3 63
ГЛАВА 4 Разработка программы выбора энергоэффективной системы заземления экранов 65
4.1 Обзор существующих решений 65
4.2 Описание программы 67
4.3 Разработка структуры программы 67
4.3.1 Ввод исходных данных 69
4.3.2 Обработка базы данных кабелей 70
4.3.3 Проведение расчета 72
4.3.4 Генерация отчета 73
4.4 Расчетно-экспериментальное исследование 73
Выводы к главе 4 75
Заключение 76
Список литературы 78
- Нормативная база для проектирования кабельных линий
- Двухстороннее заземление экранов
- Расчет параметров «разомкнутой» системы заземления экранов
- Ввод исходных данных
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В вопросе электроснабжения предприятий, организаций, городов важная роль отведена исследованию кабельных линий, улучшению технологий их производства, проектирования и эксплуатации.
В настоящее время в России ведется активное внедрение кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена для всех уровней среднего (6-35 кВ) и высокого (110-500 кВ) напряжений. В конструкции этих кабелей имеется металлический экран, предназначенный для отвода токов короткого замыкания в заземляющее устройство. Наибольшее распространение получили кабели одножильного исполнения. В линиях электропередачи с применением одножильных кабелей схема заземления металлических экранов влияет на пропускную способность, то есть на передаваемую мощность. Схемы соединения экранов могут быть с двухсторонним заземлением, односторонним заземлением и транспозицией экранов. При двухстороннем заземлении экранов протекание тока по экрану кабеля в нормальном рабочем режиме вызывает потери мощности, которые снижают пропускную способность кабельной линии. Исключить ток в экране можно с помощью одностороннего заземления или транспозиции экранов. Однако это требует дополнительных капиталовложений.
С решением этой проблемы сталкиваются при проектировании и эксплуатации линий с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Данный вид новой кабельной продукции не имеет широкой нормативной базы, необходимо наличие единых технологических норм и правил в электротехническом комплексе, методик по выбору систем заземления экранов.
В связи с этим разработка методики выбора системы заземления экранов для кабельных линий 6-500 кВ является актуальной.
Степень разработанности темы. Понятия о способах заземления экранов не раскрыты в отраслевых нормативных документах, имеют место лишь в стандартах отдельных организаций, рекомендуются к применению на линиях напряжением от 110 кВ и выше, несмотря на то, что оказывают влияние и на кабели среднего напряжения.
Поэтому нельзя однозначно подходить к выбору системы заземления экранов одножильных силовых кабелей при проектировании и эксплуатации кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы определить однозначный критерий выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильных силовых кабелей с изоляций из сшитого полиэтилена на напряжения 6-500 кВ.
Научной задачей является разработка теоретических положений по расчету сечения токопроводящей жилы с учетом режима работы экрана и создание методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов одножильных кабелей для линий напряжением 6-500 кВ в системах электроснабжения.
Научная новизна заключается в том, что для одножильных силовых кабелей на напряжение 6-500 кВ предложена математическая модель для выбора сечения токопроводящей жилы, которая, учитывая схему соединения экранов, позволяет определить потери мощности и наведенное напряжение на экране. На основании математической модели разработана методика выбора системы заземления экранов трехфазной группы, по которой проводится экономическое сравнение. Предложен критерий выбора, определяющий относительную окупаемость «разомкнутой» системы заземления с отсутствием тока в экранах по отношению к «замкнутой», в экранах которой протекают паразитные токи.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическую значимость работы заключается в разработке математической модели и методики выбора энергоэффективной системы заземления одножильных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Практическую значимость представляет разработанная компьютерная программа «Screen Bonding Method» для операционной системы Windows, реализованная по предложенной методике выбора системы заземления экранов. Экспериментальное применение программы было осуществлено в проекте распределительной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково». В настоящий момент программа внедрена в проектную деятельность ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» и московского филиала ОАО «ЭНЕКС», получены акты внедрения.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы положения из теорий электрических цепей, электрических сетей, электроснабжения и методы компьютерного моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Рекомендации по учету режима работы экрана при расчете сечения жилы в зависимости от системы заземления экранов.
-
Методика выбора энергоэффективной системы заземления экранов по алгоритму расчета двух вариантов исполнения кабельной линии и их экономическому сравнению.
-
Использование критерия выбора для однозначного определения системы заземления экранов.
-
Программа для ЭВМ, реализованная по разработанной методике для автоматизации процесса проектирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II-й всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика – 2012» (Ижевск, 2012); трех международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2012, 2013, 2014); двух международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013, 2014); XI-й международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2013); IV-й международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2012); III-й всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2014); VI-й всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими процессами» (Тула, 2012); двух всероссийских молодежных научно-практических конференциях (с международным участием) «Фёдоровские чтения» (Москва, 2012, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук. Одна работа сдана в издательство и готовится к публикации. Программа, разработанная в диссертации, получила свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 62 наименований и 4 приложений. Материал изложен на 92 страницах текста и иллюстрирован 32 рисунками.
Нормативная база для проектирования кабельных линий
Силовые кабели классифицируются по номинальному напряжению, току, а также по виду изоляции токоведущей жилы [17].
Опыт применения кабельной продукции на сегодняшний день насчитывает более сотни лет. Кабельная промышленность постоянно развивается, совершенствуются технологии, появляются новые изоляционные материалы. Долгое время для среднего напряжения (6-35 кВ) применяются кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией, а для высокого напряжения (110-500 кВ) – маслонаполненные кабели низкого и высокого давления [18,19,20].
В целом технологический процесс изготовления кабелей с пропитанной маслом бумажной изоляцией сложен и малопроизводителен. Применение металлической оболочки удорожает и утяжеляет конструкцию. Из-за стекания пропиточного состава имеются ограничения при вертикальных прокладках. Использование масла в качестве изолирующей среды, свинцовой защитной оболочки также отрицательно сказывается на экологии.
С начала 60-х годов прошлого века дальнейший прогресс в технологии изготовления кабелей во всём мире связан с развитием полимерной изоляции. Применение пластмасс для изоляции кабелей упрощает их изготовление. Процесс выдавливания пластмассы имеет преимущества перед обмоткой бумажными лентами. Пропадает необходимость сушки и пропитки изоляции, облегчается конструкция, упрощается процесс прокладки кабеля.
Среди пластмасс особыми диэлектрическими свойствами выделяется полиэтилен. Он обладает высокой электрической прочностью, меньшей диэлектрической проницаемостью, малым значением тангенса угла диэлектрических потерь, хорошей гибкостью и влагостойкостью [21]. Полиэтилен может быть получен в очень чистом виде, что позволяет применять его при высоких напряженностях электрического поля. Наиболее подходящим для изоляции кабелей материалом является сшитый полиэтилен (СПЭ). Высокий температурный коэффициент линейного расширения полиэтилена (0,00015-0,00018 С-1) приводит к появлению в нем высоких механических напряжений при смене температуры, что вызывает снижение срока службы изоляции. В целях повышения нагревостойкости полиэтилен подвергают сшиванию, при котором линейная структура переходит в пространственную. Нагревостойкость такого материала выше и может достигать 90С в длительном режиме работы и 250С при коротких замыканиях.
Существуют три основных способа сшивания полиэтилена низкой плотности: пероксидный, силанольный и радиационный [22]. Для изоляции силовых кабелей на рабочее напряжение 6 – 500 кВ в мире пока отдано предпочтение сшитому полиэтилену на основе пероксидов.
Изготовление сшитой изоляции по пероксидному способу осуществляется на кабельных линиях непрерывной вулканизации. В едином технологическом процессе происходит наложение трех слоев полимеров (экрана по жиле, изоляции и экрана по изоляции) с их вулканизацией в среде азота под давлением до 14 атмосфер и при температуре до 450С. «Сухой» процесс пероксидной сшивки позволяет производить кабели на напряжение от 6 до 500 кВ (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена: 1 – алюминиевая или медная токопроводящая жила, 2 – экран по жиле из полупроводящего сшитого полиэтилена, 3 – изоляция из сшитого полиэтилена, 4 – экран по изоляции из полупроводящего сшитого полиэтилена, 5 – водоблокирующий слой, 6 – экран из медных проволок, 7 – водоблокирующий слой, 8 – слой алюмополимерной ленты, 9 – оболочка из полиэтилена
Кабели могут быть как трехжильного, так и одножильного исполнения. Одножильные кабели получили более широкое распространение благодаря меньшему наружному диаметру, большим строительным длинам и возможным сечениям токопроводящей жилы, а также удобству при прокладке и эксплуатации.
Жилы изготавливают из меди или алюминия. Бывают секторные или многопроволочные. Для борьбы с частичными разрядами между жилой и изоляцией наносят полупроводящий слой из триингостойкого сшиваемого полиэтилена. Разделительные слои выполняются из полупроводящей водоблокирующей ленты, которая при повреждении кабеля препятствует распространению влаги в области экрана. Медный экран состоит из проволок и скрепляется медной лентой. Наружная оболочка кабеля выполняется из полиэтилена высокой плотности или ПВХ-пластиката [23,24,25].
Впервые полиэтилен был применен для силовых кабелей на напряжение 5 кВ в США в 1944 году. В 1963 году компанией General Electric была разработана изоляция из сшитого полиэтилена. Первым российским производителем кабеля с изоляцией из СПЭ в 1996 году стал «АББ Москабель», использующий технологию пероксидной сшивки полиэтилена (XLPE).
В таких странах, как США и Канада кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена занимают 80-85% на рынке силовых кабелей 10 — 220 кВ. В Германии и Дании эта цифра возрастает до 95%, а во Франции, Японии, Финляндии и Швеции — до 100%.
В последнее время в России ведущие энергосистемы также ориентированы на использование кабелей с изоляцией из СПЭ при прокладке новых кабельных линий и замене либо капитальном ремонте старых [26]. Производство кабелей с бумажной изоляцией сокращается, а номенклатура кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена постоянно растет. Подводя итог вышесказанному, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют ряд преимуществ перед кабелями с бумажной пропитанной изоляцией по физико-механическим, диэлектрическим и технологическим свойствам [27,28,29]: - длительно допустимая температура (90С), допустимый нагрев при перегрузках (130С), предельно допустимая температура при протекании тока короткого замыкания (250С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с бумажной изоляцией; - большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры жилы; - большой выдерживаемый ток короткого замыкания; меньший тангенс угла диэлектрических потерь; меньшая диэлектрическая проницаемость; меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что облегчает прокладку кабеля; возможность вести монтажные работы при температурах до -20С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки; низкая удельная повреждаемость; отсутствие жидких компонентов, ограничений по разнице уровней прокладки, что уменьшает время и стоимость монтажных работ; большие строительные длины.
Помимо преимуществ, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют и существенный недостаток. Для пластмассовой изоляции в отличие от бумажной пропитанной характерно отсутствие эффекта самозалечивания изоляции. При однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью при пробое твердого диэлектрика кабель не может восстановить свою электрическую прочность, что приводит к аварийному режиму. Именно поэтому для применения кабелей из сшитого полиэтилена необходимо введение резистивно-заземленной нейтрали для отключения замыканий на землю релейной защитой.
Двухстороннее заземление экранов
Проектирование кабельных линий среднего (6-35 кВ) и высокого (110-500 кВ) напряжения является ответственной задачей в вопросе электроснабжения. Применяемые решения должны соответствовать высоким требованиям по надежности и сохранности кабельной продукции, а также обеспечению безопасности и здоровья людей, связанных с прокладкой и последующей эксплуатации линии.
Кабельные линии являются одним из наиболее дорогостоящих элементов электроэнергетических систем. При их проектировании особое внимание необходимо уделять экономическим аспектам выбора параметров линии.
Основными нормативными документами для проектирования кабельных линий являются Правила устройств электроустановок (ПУЭ), Правила технической эксплуатации (ПТЭ), строительные нормы и правила (СНиП), государственные стандарты (ГОСТ). На сегодня объем нормативной документации не отвечает запросам отрасли для внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена [30]. СНиПы и ГОСТы редко обновляются и не успевают за технологическим прогрессом. Об изоляции из сшитого полиэтилена в ПУЭ не написано. Подобная ситуация является катализатором ошибок проектировщиков, монтажников, ведет к авариям при эксплуатации, неизбежным при столкновении с новой техникой. В таких условиях требуется разработка единого подхода к проектированию кабельных линий.
Главным вопросом при проектировании кабельной линии является выбор сечения токоведущей жилы. Увеличение пропускной способности кабеля позволяет уменьшать выбранное сечение жилы и сэкономить на его цене.
Анализ пропускной способности кабельной линии Выбор сечения кабелей с бумажной пропитанной изоляцией ниже 110 кВ регламентирован ПУЭ и производится по экономической плотности тока с проверкой по пропускной способности и термической стойкости к токам короткого замыкания [31].
Для маслонаполненных кабелей напряжением выше 110 кВ выбор сечения по экономической плотности тока не имеет смысла, поскольку сечения соответствующей экономической плотности меньше, допустимых по пропускной способности. Экономические сечения жил - это сечения, для которых сумма стоимостей капиталовложений и потерь электроэнергии минимальна. Для высоковольтных кабелей они существенно меньше, чем для кабелей меньших напряжений из-за большей стоимости кабельных линий и меньших потерь электроэнергии [32].
Выбор сечения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, как на среднее, так и на высокое напряжение по экономической плотности также не имеет смысла из-за еще более высокой стоимости кабельной продукции. Таким образом, основным критерием для выбора сечения этих кабелей является предельная токовая нагрузка, зависящая от допустимой температуры токоведущей жилы и изоляции.
Расчет номинальной токовой нагрузки в соответствии с [33] основан на параметрах теплового режима кабеля. где А0 - разница температур между токоведущей жилой и окружающей средой, С; Wd - диэлектрические потери на единицу длины, Вт/м; Ті - тепловое сопротивление между жилой и металлическим экраном, См/Вт; Т2 - тепловое сопротивление между металлическим экраном и броней, См/Вт; Т3 - тепловое сопротивление наружного покрова, См/Вт; Т4 - тепловое сопротивление окружающей кабель среды, См/Вт (для земли эта величина обусловлена процессом теплопроводности, а для воздуха - процессом конвекции и излучения); R - электрическое сопротивление токопроводящей жилы переменному току при максимально допустимой температуре жилы, Ом/м; Х\, Хг - отношение общих потерь в металлических экранах и броне к сумме потерь в токопроводящих жилах. Способы увеличения пропускной способности основываются на рационализации теплового режима: улучшении условий теплоотвода или уменьшении тепловыделения. К ним относятся: уменьшение потерь, применение засыпочных составов с пониженным тепловым сопротивлением, увлажнение засыпочного материала, улучшение теплоотвода путем рационального расположения кабелей, внедрение систем искусственного охлаждения кабелей [20]. Эти способы не равноценны как по эффективности, так и по затратам, необходимым для их осуществления.
Наиболее эффективным и при этом наиболее сложным путем увеличения пропускной способности является искусственное охлаждение кабеля. Способ основан на использовании потока жидкости для отвода тепла, выделяемого кабелем при его работе. Для его реализации необходима разработка специальных конструкций кабелей с внутренним каналом, обеспечивающим циркуляцию охладителя. Требуется изменение существующих технологий производства кабелей, а также конструкций насосных станций и оборудования для питания системы охлаждения, изолированных на полное рабочее напряжение линии в связи с тем, что охладитель соприкасается с токоведущей жилой. Решение этих вопросов является задачей исполнения кабельной продукции следующего поколения.
Допустимая нагрузка на кабель, проложенный в земле, зависит от внешнего теплового сопротивления кабеля, которое определяется удельным тепловым сопротивлением грунта. Занижение расчетного значения может привести к местному перегреву кабеля и даже тепловому пробою. Распространение тепла в грунте связано с рядом факторов, из которых определяющими являются теплопроводность частиц грунта, передача тепла в пустотах, частично заполненных влагой, связанная с проводимостью воздуха и влаги. Распределение частиц в грунте сказывается на тепловом сопротивлении вследствие изменения числа точек соприкосновения между частицами с одной стороны, либо изменения пористости с другой. Таким образом, тепловое сопротивление грунта может быть снижено при улучшении состава почвы: увеличении содержания частиц с низким удельным тепловым сопротивлением, увеличении плотности, увеличении содержания влаги.
Внешнее тепловое сопротивление кабеля зависит от взаимного расположения кабелей. Расположение кабелей треугольником является наиболее удобным при монтаже, но не может считаться оптимальным с точки зрения отвода тепла от кабелей. Наиболее перспективным с точки зрения увеличения пропускной способности выглядит расположение кабелей в вершинах равностороннего треугольника на определенном расстоянии друг от друга. Кроме того, на внешнее тепловое сопротивление влияет глубина заложения кабеля. Но при этом необходимо учитывать, что при увеличении расстояния между осями кабелей при двухстороннем заземлении экранов пропускная способность кабеля ухудшается из-за возрастания токов в экране.
Для маслонаполненных кабелей известна проблема потерь в заземленных металлических оболочках [20,32]. Они связаны с материалом оболочки, ее геометрическими размерами и взаимным расположением кабелей. Пока на большинстве линий низкого давления монтировались бронированные кабели, либо кабели со слоистыми защитными покровами, применялась схема с заземлением кабелей с двух концов. Внедрение шланговых защитных покрытий позволило применять схемы соединения оболочек, исключающих потери мощности в них. При такой схеме соединения экранов на оболочках наводится напряжение. Требовалось применение ограничивающих устройств и повышение электрической прочности, которая у шланговых покрытий оказалась больше, чем у применяемых ранее материалов.
Расчет параметров «разомкнутой» системы заземления экранов
Для «замкнутой» системы заземления экранов пропускная способность линии меньше, соответственно сечение токопроводящей жилы может быть больше. В «замкнутой» системе постоянно происходят дополнительные потери мощности. Вариант исполнения «разомкнутой» системы эти потери исключает, но его строительство, в отличие от «замкнутой» системы требует определенных затрат.
Имея два варианта исполнения кабельной линии, можно провести их экономическое сравнение, что будет являться обоснованием выбора энергоэффективной системы заземления экранов.
На первом этапе необходимо выбрать сечения кабелей, удовлетворяющих максимальной нагрузке линии в послеаварийном режиме и требованиям термической стойкости. Далее для выбранных сечений, характеризующих также геометрические параметры кабеля, следует провести расчеты технических параметров систем заземления, определив токи и напряжения, возникающие при различных схемах соединения экранов. Потом выбранные системы заземления надлежит сравнить по экономическому критерию, который и определит целесообразность применения одного из вариантов исполнения кабельной линии.
Выбор кабеля (рисунок 3.2) зависит от трассы прокладки кабельной линии и заключается в расчете сечений токопроводящей жилы и металлического экрана. Сечения жил кабелей должны выбираться по участку трассы с худшими условиями охлаждения, если длина его составляет более 10 метров [56,50]. Сечение экрана зависит от максимального тока короткого замыкания, протекающего по нему.
Трасса кабельной линии должна выбираться с учетом наименьшего расхода кабеля, обеспечения его сохранности при механических воздействиях, обеспечения защиты оболочки от химического воздействия, вибрации, перегрева и от повреждений соседних кабелей электрической дугой при возникновении КЗ на одном из кабелей. При размещении кабелей следует избегать пересечения их между собой и с трубопроводами. Кабели, перекрещивающие другие коммуникации, прокладывают в трубах. В зависимости от окружающей среды кабельные трассы разделяют на два вида: прокладываемые в земле или на воздухе.
В земле кабели прокладываются в отдельных траншеях и должны иметь снизу подсыпку, а сверху засыпку слоем мелкой земли, не содержащей камней, строительного мусора и шлака. Характеристиками траншеи служат глубина заложения, термическое сопротивление засыпочного материала грунта, количество параллельных кабелей. В одной траншее рекомендуется прокладывать не более шести кабелей.
К прокладке на воздухе относятся различные виды кабельных сооружений: туннели, коллектора, эстакады, галереи, блоки, каналы и т.д. Чаще всего подобные сооружения предназначены для большого количества кабелей, которые прокладываются по сборным металлоконструкциям, либо сплошным полкам. Характеристикой таких сооружений является взаимное геометрическое расположение кабелей в поперечном сечении: количество полок, расстояние между ними, расстояние между кабелями на полке и их количество.
Кабели одножильного исполнения в трехфазной системе возможно располагать в пространстве двумя способами. Они могут прокладываться параллельно в одной плоскости или в вершинах равностороннего треугольника [57].
При параллельной прокладке кабелей в плоскости (в земле или воздухе) расстояния по горизонтали в свету между кабелями отдельной цепи должно быть не менее размера наружного диаметра кабеля.
Расположение кабелей в вершинах равностороннего треугольника на практике осуществляется в основном вплотную для удобства монтажа, эксплуатации и экономии места.
Номинальное сечение токопроводящих жил кабелей (рисунок 3.3) выбирается на основе расчетного длительного допустимого тока согласно каталожным данным заводов-изготовителей где Iмакс.раб – максимальный рабочий ток линии, Iдл.доп – длительно допустимый ток кабеля выбранного сечения.
Для пересчета длительного допустимого тока по условиям прокладки, применяемым в проекте, заводы-изготовители кабеля в каталожных данных указывают поправочные коэффициенты на свою продукцию, которые учитывают изменения исходных условий и зависят от: температуры окружающей среды, глубины прокладки кабеля, величины удельного теплового сопротивления грунта, взаимного расположения кабелей и расстояния между ними, взаимного расположения и количества цепей, возможной прокладки кабелей в трубах.
В каталожных данных заводам-изготовителям рекомендуется представлять два длительно допустимых тока кабеля для каждого сечения токопроводящей жилы. Это необходимо для корректного выбора кабеля для каждой системы заземления экранов. Для «замкнутой» - с учетом протекания тока в экране. Для «разомкнутой» - с учетом отсутствия тока в экране.
Выбранное сечение токопроводящей жилы должно быть проверено по условию термической стойкости: где ki - коэффициент, зависящий от материала, - коэффициент, учитывающий отвод тепла, tКЗ - время отключения короткого замыкания выключателем, - величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0С, Тн - начальная температура проводника, Тк - конечная температура проводника.
Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена начальной температурой при расчете допустимой плотности тока в жиле является максимальная рабочая температура жилы 90С, конечной - предельно допустимая температура жилы при коротком замыкании 250С.
Коэффициенты ki и зависят от материала жилы. Для алюминия они равны соответственно 148 А с1/2/мм2 и 228 К. Для меди - 226 А с1/2/мм2 и 234,5 К. Таким образом, допустимая плотность односекундного тока в жиле равна 0,095 кА/мм2 для алюминия и 0,143 кА/мм2 для меди.
Ввод исходных данных
Изначально база данных составлена для кабелей уровня напряжений, принятых в нашей стране: 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500 кВ. Характеристики взяты в каталожных данных фирмы ABB [62], единственной, имеющей все необходимые параметры в свободном доступе. Кабели на напряжения 6 кВ в каталогах АВВ не представлены, поэтому они отсутствуют в базе данных.
Зачастую в каталогах заводов-изготовителей отсутствуют значения длительно допустимых токов для «разомкнутых» систем. А также такие важные данные для расчета параметров заземления экранов, как диаметр жилы и диаметр по экрану. База данных находится в открытом доступе, и при появлении у проектировщика данных по кабелям других фирм может быть изменена по образу и подобию исходных значений.
В зависимости от выбранного пользователем в исходных данных напряжения сети в программу подгружается лист книги Excel с характеристиками кабелей соответствующего напряжения. По исходным данным о трассе прокладки выбирается соответствующий столбец с длительно допустимым током кабеля и по нему выбирается сечение токопроводящей жилы. После чего из базы данных в таблицу (рисунок 4.6) загружаются характеристики кабеля выбранного сечения.
Таким образом, программа выбирает кабели для двух вариантов исполнения кабельной линии. Рисунок 4.6 - Таблица характеристик выбранного кабеля
Проведение расчета По характеристикам выбранных кабелей программа производит расчет параметров систем заземления: - для «замкнутой» по формулам (3.19) - (3.24), - для «разомкнутой» по формулам (3.10) - (3.18), по результатам которых происходит выбор между односторонним заземлением или транспозицией, а также подсчет количества секций/циклов. Полученные параметры систем заземления выводятся в соответствующих областях формы.
Для экономического сравнения вариантов кабельной линии производится расчет момента времени Т, когда общая стоимость вариантов становится одинакова. В данном случае он выступает в качестве срока окупаемости «разомкнутой» системы заземления экранов (рисунок 4.7) и вычисляется по выражению (3.33).
Для выполнения расчета пользователю необходимо внести данные об экономических характеристиках кабельной линии: - цена на электроэнергию, по которой осуществляется электроснабжение потребителя; - стоимость кабелей, выбранных программой для реализации вариантов линии с «замкнутой» и «разомкнутой» системами заземления экранов; - стоимость концевой или транспозиционной коробки, в зависимости от выбранной «разомкнутой» системы заземления; - дополнительные расходы, определяемые проектировщиком в каждом конкретном
После завершения расчетов двух вариантов исполнения кабельной линии и получения срока окупаемости «разомкнутой» системы заземления, пользователь принимает решение о выборе системы заземления экранов, а программа формирует и выдает отчет.
Отчет представляет собой документ Microsoft Word со всеми промежуточными расчетами, формулами и пояснениями. Генерация отчета осуществляется на основе шаблона документа, приложенного к программе.
Документ отчета является наглядной формой результата работы программы и может вкладываться в проектную документацию как расчет кабельной линии.
Практическое применение методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов и программы «Screen Bonding Method» было опробовано [15] для проекта распределительной кабельной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково».
Сеть 20 кВ построена по встречной двухлучевой схеме от трех центров питания. Для распределения мощности предусмотрено 15 распределительных трансформаторных подстанций (рисунок 4.8). Каждое РТП подключено двумя взаиморезервируемыми питающими линиям от разных источников, а также имеет резервные связи с соседним РТП. Для распределения нагрузки на 0,4 кВ от РТП построены кольца трансформаторных подстанций 20/0,4 кВ, мощность которых не должна превышать 20 МВА. Всего трансформаторных подстанций 162. Для питания РТП были выбраны одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена с медными жилами. Кабели прокладываются в коллекторе по металлоконструкциям с креплением трехфазной группы треугольником.
По данным проекта токи по линиям в нормальном режиме достигают 304 А, в максимальном – до 655 А, длины линий от 140 до 6460 м.
В программе были рассчитаны 30 питающих кабельных линий. На основании результатов расчета выбраны кабели сечением 500/35 мм2 с односторонним заземлением экрана. В среднем срок окупаемости «разомкнутой» системы составил около 4 лет (рисунок 4.9).
Срок окупаемости варьировался в зависимости от длины и нормальной загрузки линии. Результаты расчета были сформированы программой в виде отчетов. Пример отчета на одну из линий представлен в приложении Г.
Выводы к главе 4 1. Разработана программа «Screen Bonding Method» на основании методики выбора энергоэффективной системы заземления экранов, описанной в главе 3. 2. Программа реализована в виде приложения для Microsoft Windows и работает совместно с базой кабелей, выполненной в формате Microsoft Excel. 3. По результатам расчета программа формирует отчет по шаблону документа Microsoft Word, который можно использовать в проектной документации. 4. Программа «Screen Bonding Method» применена в проекте распределительной кабельной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково». ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Показано, что при проектировании кабельных линий 6-500 кВ наибольшее применение получили одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, пропускная способность которых зависит от системы заземления экранов кабелей.
2. Проведена классификация схем соединения экранов кабелей, выбраны математические модели определения параметров систем заземления экранов.
3. Разработана методика выбора энергоэффективной системы заземления экранов и сечения кабелей, которая заключается в одновременном расчете двух вариантов исполнения кабельной линии: в «замкнутой» и «разомкнутой» системах. Методика учитывает способ соединения экранов при расчете сечения токопроводящей жилы, параметры сети, условия проектирования кабельной линии.
4. В качестве экономического критерия выбора системы заземления экранов предложено использовать отношение момента времени, при котором стоимость вариантов исполнения кабельной линии одинакова, к сроку эксплуатации кабеля.
5. Реализована программа «Screen Bonding Method» в виде приложения для операционной системы Windows. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Выбор заземления экранов» №2014612060 от 17.02.2014 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. Она была применена для выбора кабелей в проекте распределительной сети 20 кВ инновационного центра «Сколково» и рекомендована к внедрению проектным организациям для проведения расчетов кабельных линий на напряжение 6-500 кВ.
