Расчет сечений кабельных линий 20кВ для ТП

Выполнили расчет кабельных линий для трансформаторной подстанции.

проект расчет кабельных линий ТП трансформаторной

Пример выполнения расчётов кабеля трансформаторной

Кабельные линии 20кВ от СП(РП)-2 до не входят в состав данного проекта, их длина должна быть уточнена на стадии разработки рабочей документации ЭС, все нижеприведённые расчёты являются предварительными, и проведены для выбора и проверки сечений межсекционных и отходящих линий, уставок МТЗ в трансформаторных подстанциях.

Сечения кабельных линий выбираются расчётным путём по длительно-допустимому току и допустимой потере напряжения.

схема тп

Исходные данные:

  • способ прокладки сети: смешанный – в земле, в земле в трубах, в коробах, открыто в воздухе по кабеленесущим конструкциям
  • марка кабелей: АПвВнг(В)-LS 1х240/35 от СП(РП)-1 до ТП, межсекционные перемычки в трансформаторных подстанциях выполнены кабелями марки АПвВнг(В)-LS 1х120/35 – 20кВ, кабели от РУ-20кВ до трансформаторов в трансформаторных подстанциях выполняются кабелями марки АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ
  • максимальная длина КЛ-20кВ: от СП(РП) до 1-й секции ТП – 1000м
  • максимальная нагрузка на любую кабельную линию, прокладываемую от СП(РП)-1 и СП(РП) до трансформаторных подстанций в аварийном режиме Sав=Sед.тп16+Sед.тп17+Sед.тп18+Sед.тп19 =1497,9+1259,1+1838,4+558,2=5153,6кВА
  • при максимальной нагрузке на межсекционную перемычку между РУ-20кВ в трансформаторных подстанциях Sав=Sтп.2000кВА*Кперегр.=2000*1,1=2200кВА
  • при максимальной нагрузке сети на кабельную линию 20кВ между РУ-20кВ и трансформатором в трансформаторных подстанциях Sав=Sтп.2000кВА*Кперегр.=2000*1,1=2200кВА

Расчет сечения кабеля по длительно допустимому току

При максимальной нагрузке на любую из кабельных линий от СП(РП) до ТП: Iр.ав=Sав/(3^0,5*Uном)=5153,6/(3^0,5*20)=148,8А

Способ прокладки кабелей – в земле и в земле в трубах

  • Iдоп земля=Iдоп*к1=422*0,64=270,1А, где
  • Iдоп=422А – токовая нагрузка кабеля марки АПвВнг(В)-LS 1х240/35 – 20кВ, прокладка в земле, расположение треугольником для расчётов принимаем наихудший вариант – по данным ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод
  • к1=0,64 – поправочный коэффициент на прокладку в земле и в земле в трубах.

монтаж трансформаторов

Условие Iр.ав=148,8< Iдоп земля = 270,08А выполнено, что удовлетворяет требованиям расчёта.

Способ прокладки кабелей – в коробах

  • Iдоп короб= Iдоп*к2=533*0,6=319,8А , где
  • Iдоп=533А – токовая нагрузка кабеля марки АПвВнг(В)-LS 1х240/35 – 20кВ, прокладка в воздухе, расположение треугольником для расчётов принимаем наихудший вариант – по данным ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод
  • К2=0,6 – поправочный коэффициент ПУЭ табл. 1.3.12.

Условие Iр.ав=148,8< Iдоп короб= 319,8А выполнено, что удовлетворяет требованиям расчёта.

При максимальной нагрузке на межсекционную перемычку между РУ-20кВ в трансформаторных подстанциях Iр.ав=Sав/(3^0,5*Uном)=2200/(3^0,5*20)=63,5А

Способ прокладки кабелей – в кабельном техподполье

  • Iдоп (техподполье) = Iдоп*к=348*0,67=233,2А , где
  • Iдоп=348А – токовая нагрузка кабеля марки АПвВнг(В)-LS 1х120/35 – 20кВ, прокладка в воздухе, расположение треугольником для расчетов системы принимаем наихудший вариант – по данным ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод
  • К2=0,67 – поправочный коэффициент ПУЭ табл. 1.3.12.

Условие Iр.ав=63,5А<Iдоп техподполье=233,2А выполнено, что удовлетворяет требованиям расчёта.

При максимальной нагрузке на кабельную линию между РУ-20кВ и трансформатором в трансформаторных подстанциях

Iр.ав=Sав/(3^0,5*Uном)=2200/(3^0,5*20)=63,5А

Способ прокладки кабелей – в кабельном техподполье

  • Iдоп техподполье= Iдоп*к=301*0,6=201,7А , где
  • Iдоп=301А – токовая нагрузка кабеля марки АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ, прокладка в воздухе, расположение треугольником, для расчётов принимаем наихудший вариант – по данным ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод
  • К2=0,67 – поправочный коэффициент ПУЭ табл. 1.3.12.

Условие Iр.ав=63,5А<Iдоп техподполье=201,7А выполнено, что удовлетворяет требованиям расчёта.

Расчет сечения кабеля по допустимой потере напряжения

Допустимое падение напряжения на кабельной линии 20кВ – не более 5%

В аварийном режиме на самом длинном участке состоящим из:

  • Уч.1 - КЛ-20кВ от СП(РП)-2 до 1-й секции ТП16 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20кВ, L1=1220м, Sав=5153,6, I1=148,8А
  • Уч.2 - КЛ-20кВ от 1-й секции ТП6 до 1-й секции ТП7 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20кВ, L2=15м, Sав=3655,7, I2=105,5А
  • Уч.3 - КЛ-20кВ от 1-й секции ТП7 до 1-й секции ТП8 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20кВ, L3=15м, Sав=2396,6, I3=69,2А
  • Уч.4 - КЛ-20кВ от 1-й секции ТП8 до 1-й секции ТП9 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20кВ, L4=15м, Sав=558,2, I4=16,1А
  • Уч.5 - КЛ-20кВ от 1-й секции ТП9 до 2-й секции ТП9 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х120/35) – 20кВ, L5=9м, Sав=558,2, I5=16,1А
  • Уч.6 - КЛ-20кВ от 2-й секции ТП19 до трансформатора кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х95/35) – 20кВ L6=9м, Sав=558,2, I6=16,1А.
  • dU(Уч.1)=√3*I(1)*L(1)*r0(1)*cosf(1)=√3*148,8*1,220*0,125*0,96=39,1В
  • dU(Уч.2)=√3*I(2)*L(2)*r0(2)*cosf(2)=√3*105,5*0,015*0,125*0,96=0,33В
  • dU(Уч.3)=√3*I(3)*L(3)*r0(3)*cosf(3)=√3*69,2*0,015*0,125*0,96=0,22В
  • dU(Уч.4)=√3*I(4)*L(4)*r0(4)*cosf(4)=√3*16,1*0,015*0,125*0,96=0,05В
  • dU(Уч.5)=√3*I(5)*L(5)*r0(5)*cosf(5)=√3*16,1*0,009*0,253*0,96=0,06В
  • dU(Уч.6)=√3*I(6)*L(6)*r0(6)*cosf(6)=√3*16,1*0,009*0,320*0,96=0,08В
  • dU%=(dU(Уч.1)+….+dU(Уч.6))*100/Uн=(39,1+0,33+0,22+0,05+0,06+0,08)*100/20000=0,199%<5% - условие выполнено.

Проверка кабелей на термическую стойкость

Принимаем максимальное время срабатывания МТЗ на отходящих линиях в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 0,7с. По данным ПД ООО шифр ЭС.П9 «Электроснабжение Центрального стадиона «Динамо» максимальный трёхфазный ток КЗ на шинах СП(РП) равняется 6,302кА.


Допустимые токи односекундного короткого замыкания кабелей марки АПвВнг(В)-LS 1х240/35 – 20кВ должны быть не более 22,7кА по данным ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод. Тепловой импульс для этого кабеля за время срабатывания МТЗ на отходящих линиях в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 - Вд=22,72*0,7с=360,70кА2*с.

Межсекционные перемычки в трансформаторных подстанциях выполнены кабелями марки АПвВнг(В)-LS 1х120/35 – 20кВ. Тепловой импульс для этого кабеля за время срабатывания МТЗ на отходящих линиях в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 - Вд=11,32*0,7с=89,38кА2*с

Тепловой импульс от воздействия реального КЗ в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 составляет 6,3022*0,7=27,80кА, что значительно меньше допустимого для кабеля АПвВнг(В)-LS 1х240/35–20кВ и для кабеля АПвВнг(В)-LS 1х120/35-20кВ.

Кабели от РУ-20кВ до трансформаторов в трансформаторных подстанциях выполнены кабелями марки АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ. Тепловой импульс для этого кабеля Вд=8,92*1с=79,21кА2*с. Принимаем максимальное время срабатывания МТЗ на отходящих линиях в трансформаторных подстанциях 0,4сек.

Реактивное сопротивление электрической системы при двойном КЗ на землю:

  • Кпн – коэффициент перенапряжения, равен 1,05
  • Uн – номинальное напряжение, равно 20кВ
  • Iкз(3) – максимальный ток трёхфазного КЗ на шинах СП(РП)-1 и СП(РП)-2, равен 6,302кА.

Активное сопротивление кабельной линии:

  • Rж – сопротивление жилы кабеля при t=90°C
  • Rэ – сопротивление экрана кабеля при t=90°C
  • m – коэффициент тока в экране, равен 0,9
  • l – длина КЛ.

Активное сопротивление на самом длинном участке состоящим из:

  • Уч.1 - КЛ 20 кВ от СП(РП)-2 до 1-й секции ТП 9 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20 кВ L1=1265м
  • Уч.2 - КЛ-20кВ от 1-й секции ТП9 до 2-й секции ТП9 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х120/35) – 20кВ L2=9м
  • Уч.3 - КЛ-20кВ от 2-й секции ТП9 до трансформатора кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х95/35) – 20кВ L3=9м.
  • Rк∑=Rк(Уч.1)+Rк(Уч.2)+Rк(Уч.3)=(0,161+0,9*0,61/3)*1,265+(0,325+0,9*0,61/3)*0,009+(0,411+0,9*0,61/3)*0,009=0,445 Ом
  • X2c=1.05*2*20000/(3^0.5*6302)=3.84 Ом

Ток двойного короткого замыкания на землю: I2к=1,05*20000/(3,84*3,84+0,445*0,445)^0,5=5432

Тепловой импульс от воздействия реального КЗ на конце Уч.3 составит 5,4322*0,4=11,8кА2*с, что значительно меньше допустимого для кабеля АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ значения 79,21кА2*с.

Активное сопротивление на самом коротком участке - КЛ-20кВ от СП(РП)-1 до ТП9 кабелями марки АПвВнг(В)-LS 3(1х240/35) – 20кВ L=30м составит Rк=(0,161+0,9*0,61/3)*0,030=0,010 Ом

Реактивное сопротивление электрической системы при двойном КЗ на землю: X2c=1.05*2*20000/(3^0.5*6302)=3.84 Ом

Ток двойного короткого замыкания на землю в конце самого короткого участка от от СП(РП)-1 до ТП3: I2к=1,05*20000/(3,84*3,84+0,010*0,010)^0,5=5469A

Тепловой импульс от воздействия реального КЗ на конце самого короткого участка составит 5,4692*0,4=11,96кА, что значительно меньше допустимого для кабеля АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ значения 79,21кА2*с.

Вывод: Выбранные кабели соответствуют критерию термической стойкости.

Расчёт токов КЗ на стороне 0,4кВ

Токи трёхфазного короткого замыкания вычисляются по формуле:

, где

  • Uk — напряжение короткого замыкания из паспорта или паспортной таблички трансформатора, %, для сухих трансформаторов 1000кВА и 2000кВА – 6%
  • Iном.тр. — номинальный ток трансформатора на стороне НН из паспорта трансформатора, А, для сухих трансформаторов 1000кВА – 1519А, для сухих трансформаторов 2000кВА – 3038А
  • р = 100Sном. TP/SK Sном. тр — номинальная мощность трансформатора из паспорта, MB-A
  • SK — мощность трехфазного КЗ питающей энергосистемы в той точке, где подключен трансформатор.
  • Т.к. мощность энергосистемы относительно велика «бесконечна», то р = 0

Итого ток трёхфазного короткого замыкания на стороне 0,4кВ трансформаторных подстанций:

  • для ТП6 с трансформаторами 2000кВА – Iк(3)=100*3038/6=50,633кА
  • для ТП9 с тр-ми 1000кВА – Iк(3)=100*1519/6=25,317кА

Расчет термической стойкости экрана

Исходные данные:

  • марка кабелей - АПвВнг(В)-LS 1х240/35 от СП(РП)-1 и СП(РП)-2 до трансформаторных подстанций, АПвВнг(В)-LS 1х120/35 в качестве межсекционных перемычек в трансформаторных подстанциях, кабели от РУ-20кВ до трансформаторов в трансформаторных подстанциях - АПвВнг(В)-LS 1х95/35 – 20кВ
  • сечение экрана кабелей – 35м2
  • время срабатывания защиты в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 – 0,7сек., время срабатывания защиты в трансформаторных подстанциях – 0,4сек.
  • материал экрана – медь
  • величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления токопроводящего элемента при 0°С, b=234,5К смотри таблицу 1, ГОСТ Р МЭК 60949-2009
  • удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента при 20°С,sс=3,45х106 Дж/К×м3 смотрите таблицу 1, ГОСТ Р МЭК 60949-2009
  • удельное электрическое сопротивление токопроводящего элемента при 20°С, r20=1,7241х10-8 Ом×м, смотри таблицу 1, ГОСТ Р МЭК 60949-2009
  • постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, К=226 (Ас1/2/мм2), смотрите таблицу 1, ГОСТ Р МЭК 60949-2009
  • температура экрана до короткого замыкания, Qi =70°С данные «Камкабель»
  • температура экрана после короткого замыкания, Qf =350°С, данные «Камкабель»
  • допустимое значение тока односекундного короткого замыкания в медном экране сечением 35 кв.мм кабеля с изоляцией из СПЭ, Iд.э=7,1 кА, данные «Камкабель».

Расчет термической стойкости экрана выполняется по ГОСТ Р МЭК 60949-2009.

Проверка экрана кабеля на термическую стойкость сводиться к выполнению условия:

  • Iд.э≥ IАД,
  • где Iд.э- допустимый ток короткого замыкания в медном экране, А
  • IАД - ток короткого замыкания, вычисленный на основе адиабатического нагрева.

Формула адиабатического процесса нагрева имеет следующий общий вид:

где

  • t – время срабатывания зашиты кабельной линии, с
  • К - постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента Ас1/2/мм2
  • S - площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, мм2
  • Qf - температура экрана после короткого замыкания, °С
  • Qi - температура экрана до короткого замыкания, °С
  • b - величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления токопроводящего элемента при 0 °С (К)
  • ln - loge
  • sс - удельная объемная теплоемкость токопроводящего элемента при 20 °С, Дж/К×м3
  • r20 - удельное электрическое сопротивление токопроводящего элемента при 20 °С,
  • Ом×м.
  • IАД=(226^2*35^2*ln((350+234,5)/(70+234,5))/0,7)^0,5=7,63к

Сравним тепловой импульс от тока КЗ через экран кабелей АПвВнг(В)-LS 1х240/35 от СП(РП)-1 и СП(РП)-2 до трансформаторных подстанций, АПвВнг(В)-LS 1х120/35 в качестве межсекционных перемычек в трансформаторных подстанциях при срабатывании защиты в СП(РП)-1 и СП(РП)-2 – 0,7сек.

  • (7,1*7,1)*1≥(7,63*7,63)*0,7
  • 50,41 кА2с ≥40,75 кА2с

Сравним тепловой импульс от тока КЗ через экран кабелей АПвВнг(В)-LS 1х95/35 от трансформаторных подстанций до трансформаторов при срабатывании защиты в трансформаторных – 0,4сек.

  • (7,1*7,1)*1≥(7,63*7,63)*0,4
  • 50,41 кА2с ≥23,29кА2с

Вывод: Выбранные кабели с экраном сечением 35мм2 соответствуют критерию термической стойкости.