Система оперативного постоянного тока (СОПТ) — это совокупность источников питания, коммутационных и защитных электрических аппаратов, электрических цепей и потребителей постоянного тока.
СОПТ обеспечивает рабочим и резервным питанием основных потребителей, таких как устройства релейной защиты и автоматики, устройства управления коммутационными аппаратами, устройства передачи сигналов и команд, сигнализация, аварийное освещение и пр.
Для правильного построения сети, непрерывного и бесперебойного электроснабжения указанных потребителей на стадии проектной документации выполняются расчёты. Методики расчётов можно найти в различных источниках — не везде они соответствуют друг другу, а во многом и противоречат. Попытаемся собрать их здесь воедино и выстроить в порядке очерёдности.
СОДЕРЖАНИЕ:
- Исходные параметры.
- Выбор проводников.
- Проверка проводников по потере напряжения.
- Выбор защитных аппаратов.
- Выбор защитной характеристики аппарата.
- Проверка отстройки от токов кратковременной нагрузки.
- Расчёт токов короткого замыкания.
- Проверка защитных аппаратов на чувствительность.
- Проверка защитных аппаратов на селективность.
- Проверка защитных аппаратов на быстродействие.
- Проверка защитных аппаратов на отключающую способность.
- Проверка проводников на термическую стойкость.
- Проверка проводников на невозгорание.
- Карта селективности.
1. Исходные параметры
Исходными параметрами для расчёта СОПТ являются:
- электрическая схема СОПТ;
- номинальные токи электроприёмников, входящих в состав постоянной Iп, временной Iвр и кратковременной (толчковой) Imax нагрузок — см. таблицу 1⎘ в нашем предыдущем материале;
- параметры аккумуляторной батареи (тип и количество аккумуляторов в батарее, напряжение аккумулятора в конце разряда, ЭДС и внутреннее сопротивление батареи, её номинальная ёмкость).
Предположим, что электрическая схема определена.
Правила их выполнения можно найти по ссылке⎘, добавив «схемы» в окно ТРЕБОВАНИЕ. Подробнее вопроса структурного построения СОПТ мы касаться не будем, так как требования к ним из года в год меняются. Но все актуальные НТД, собранные в группы и расставленные в порядке приоритета, вы сможете найти в нашей базе знаний в любой удобный для вас момент.
Параметры электроприёмников известны.
| Наименование группы электроприёмников | Кол-во, шт. | Постоянная нагрузка | Кратковременная нагрузка | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Установленная мощность электро приёмника, Вт | Расчётный ток электро приёмника Iп, А | Установленная мощность электро приёмника, Вт | Расчётный ток электро приёмника Imax, А | ||
| АУВ выключателя 110 кВ | 9 | 39 | 1,58 | 87 | 3,54 |
| Резервные защиты ВЛ 110 кВ (ЭПЗ-1636) | 9 | 130 | 5,32 | 390 | 15,95 |
| ... | |||||
| Итого нагрузка ШУ ОПУ | - | - | 23,60 | - | 81,50 |
| ЭМВ В 110 кВ (МКП-110М) | 1 | 0 | 0,00 | 53680 | 244,00 |
| Итого нагрузка ШП ОРУ | - | - | 0,00 | - | 244,00 |
| Центральная сигнализация | 1 | 5831 | 26,50 | 5831 | 26,50 |
| Итого нагрузка ШС ОПУ | - | - | 26,50 | - | 26,50 |
Аккумуляторная батарея (АБ) уже нами выбрана — порядок выбора можно найти здесь⎘.
| Наименование оборудования | Тип | Кол-во пластин в элементе, шт. | Номинальная ёмкость, А*ч | Внутреннее сопротивление элемента R, мОм | Кол-во элементов, шт. | Внутреннее сопротивление батареи R, мОм |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Аккумуляторная батарея | 8OpzS800 | 8 | 800 | 0,30 | 104 | 31,20 |
| 120 | 36 |
Экспериментально доказано, что при коротком замыкании в СОПТ расчётное значение электродвижущей силы (ЭДС) каждого отдельного элемента батареи Ер и его сопротивление Rр зависят от значения тока короткого замыкания во внешней цепи. Теоретическому определению эти величины не поддаются, но создана методика для их вычисления.
Сначала рассчитывается граничное сопротивление:
Rгр = 7,5 * n/N * 10-3,
где n — количество элементов батареи, в нашем случае n=104 для большинства потребителей и n=120 — для питания электромагнитов выключателей 110 кВ,
N — номер аккумуляторной батареи (количество пластин в элементе), в нашем случае N=8.
Если Rвш<Rгр, принимается Ер=1,73 В, Rр=4,0 мОм,
где Rвш — внешнее сопротивление цепи от АБ до места КЗ.
Если Rвш>Rгр, Ер=1,93 В, Rр=5,4 мОм.
Важно ещё раз отметить, что полученные значения Ер и Rр являются не физическими величинами, которые можно измерить, а расчётными, полученными математической обработкой результатов испытаний.
Тогда расчётные значения аккумуляторной батареи
EАБ = n * Ер, В,
RАБ = Rр * n/N, мОм
Сведём их в таблицу
| Наименование оборудования | Rгр | RАБ (Rвш<Rгр), мОм | EАБ (Rвш<Rгр), В | RАБ (Rвш>Rгр), мОм | EАБ (Rвш>Rгр), В |
|---|---|---|---|---|---|
| ЩПТ «-104» | 97,50 | 52,00 | 179,92 | 70,20 | 200,72 |
| ЩПТ «-120» | 112,50 | 60,00 | 207,60 | 81,00 | 231,60 |
2. Выбор проводников
Выбор и проверка сечения проводников в цепях кратковременной нагрузки производится следующим образом:
- предварительно выбирается сечение проводника по потере напряжения;
- выбранное сечение проверяется на термическую стойкость и невозгорание.
Выбор проводников в остальных цепях выполняется в следующем порядке:
- предварительно выбирается сечение проводника по длительно допустимому току;
- выбранное сечение проверяется по потере напряжения;
- выбранное сечение проверяется на термическую стойкость и невозгорание.
Предварительный выбор сечения проводника Sпр (по потере напряжения) в цепях кратковременной нагрузки можно выполнить следующим способом:
Sпр ≥ (ρ*Imax*lΣ*10-2) / ((n*umin-Umin.доп)*nпр),
где ρ=1,85*10-2 Ом∙мм2/м — удельное сопротивление меди;
lΣ — суммарная длина проводников в цепи от аккумуляторной батареи до клемм нагрузки, м;
umin — напряжение аккумулятора в конце разряда, мы принимаем 1,8 В/эл (в случае отсутствия данных допускается принимать 1,9 В/эл);
Umin.доп — минимально допустимое напряжение на клеммах нагрузки, учтём, как 0,8*220 В (принимается по технической документации нагрузки);
nпр — количество параллельных проводников в одном полюсе, по умолчанию принимается равным 1.
Если выбранное сечение превышает 185 мм2, то требуется увеличить число параллельных проводников nпр и повторить выбор.
Предварительный выбор сечения проводников Sпр (по длительно допустимому току Iдл.доп) в цепях питания постоянной и временной нагрузки:
Iдл.доп ≥ (Iп+Iвр) / (nпр*kt),
где kt — поправочный коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды.
| Наименование оборудования | Предварительное сечение проводника Sпр, мм2 | Марка кабеля (провода) | Iдл.доп, А | Условие по длительно допустимому току | R, мОм/м | Длина, м | Rпр, мОм |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| АБ-БВП | 4,32 | КГнг(A)-LS 1*120 | 300 | соответствует | 0,15 | 15 | 4,40 |
| БВП-ЩПТ | 22,09 | ВВГнг(A)-LS 3*120 | 300 | соответствует | 0,15 | 25 | 58,67 |
| ШУ ОПУ | 0,04 | ВВГЭ(А)нг-LS 2х4 | 38 | соответствует | 4,40 | 20 | 176,00 |
| ШП ОРУ | 38,37 | ВВГЭ(А)нг-LS 2х50 | 211 | - | 0,35 | 100 | 70,40 |
| ШС ОПУ | 0,04 | ВВГЭ(А)нг-LS 3х4 | 38 | соответствует | 4,40 | 20 | 176,00 |
3. Проверка проводников по потере напряжения
Напряжение в конце каждого участка Uк определим на основании значения напряжения в его начале Uн:
Uк = Uн - Iр*Rпр,
где считается правильным учитывать двойное значение сопротивления участка цепи Rпр (как «плюс» и «минус»).
Данная проверка обязательна для постоянной и временной нагрузок, но мы выполним её для всех категорий потребителей, подставив значения напряжений на рассматриваемых участках и сравнив полученный результат с допустимым:
ΔU ≤ 5%
| Наименование оборудования | Uн, В | Iр, А | Длина, м | Uк, В | ΔU (от 220В), % | Падение напряжение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ЩПТ «-120» | 260,00 | 244,00 | 40 | 257,85 | -17,1 | в норме |
| ЩПТ «-104» | 230,00 | 174,46 | 40 | 227,44 | -3,38 | в норме |
| ШУ ОПУ | 227,44 | 0,08 | 20 | 227,41 | -3,37 | в норме |
| ШП ОРУ | 257,85 | 244,00 | 100 | 223,50 | -1,59 | в норме |
| ШС ОПУ | 227,44 | 0,1 | 20 | 227,41 | -3,37 | в норме |
4. Выбор защитных аппаратов
Выбор и проверка защитных аппаратов СОПТ осуществляется в следующем порядке:
- предварительный выбор аппарата по условиям применения: номинальному напряжению, номинальному току, климатическому исполнению, категории размещения;
- выбор защитной характеристики аппарата;
- проверка отстройки от токов кратковременной нагрузки;
- проверка защитных аппаратов на чувствительность;
- проверка защитных аппаратов на селективность;
- проверка защитных аппаратов на быстродействие;
- проверка защитных аппаратов на отключающую способность.
Выбор номинального тока Iном защитного аппарата производится по выражению:
Iном ≥ Iп + Iвр + 0,4*Imax
Для защитного аппарата в цепи зарядного устройства:
Iном ≥ kпер*Iном.ЗУ
где Iном.ЗУ — номинальный выходной ток зарядного устройства, А,
kпер — коэффициент, учитывающий возможность перегрузки зарядного устройства, принимается равным 1,15.
Проводники в зоне защиты аппарата должны соответствовать условию:
Iдл.доп ≥ Iном
Если последнее условие не выполняется, то выбирается проводник большего сечения, обеспечивающий выполнение этого условия.
5. Выбор защитной характеристики аппарата
Согласно современным требованиям НТД на первом и втором уровне защиты СОПТ предпочтительным является использование предохранителей, на третьем (в ШРОТ) — автоматических выключателей.
Для предохранителей предварительно выбираются плавкие вставки с защитной характеристикой типа gG, соответствующие номинальному току плавкой вставки.
У автоматических выключателей номинальным током более 125 А защитная характеристика предварительно выбирается с кратностью тока срабатывания не менее 5. У модульных автоматических выключателей номинальным током 125 А и менее предварительно выбирается характеристика типа С.
6. Проверка отстройки от токов кратковременной нагрузки
Проверка должна производиться для защитных аппаратов, через которые протекают токи кратковременной нагрузки. В рамках проверки на одном графике (карте селективности) строятся время-токовая характеристика кратковременной нагрузки и защитная характеристика аппарата. Результат считается удовлетворительным, если они не пересекаются.
| Наименование оборудования | Iр, А | Iном, А | Хар-ка пр-ля | Время откл. при Iр, с | Откл. способность Icu, кА | Сопр. пр-ля общая Rкс, Rтк, мОм | Потеря мощности в полюсе пр-ля, Вт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| БВП «+» | 415,00 | 160 | gG | 300 | 10 | 1,42 | 36,30 |
| БВП «-104» | 174,46 | 160 | gG | >1000 | 10 | 1,42 | 36,30 |
| БВП «-120» | 244,00 | 160 | gG | >1000 | 10 | 1,42 | 36,30 |
| ШУ ОПУ | 0,082 | 10 | gG | >1000 | 7 | 270,00 | 13,50 |
| ШП ОРУ | 244,00 | 63 | gG | 30 | 7 | 9,12 | 18,10 |
| ШС ОПУ | 0,095 | 6 | gG | >1000 | 7 | 794,44 | 14,30 |
7. Расчёт токов короткого замыкания
Ток КЗ при питании от батареи определяется по формуле:
Iкз.АБ = EАБ / (RАБ+Rвш),
где EАБ и RАБ рассчитываются по условиям, указанным выше,
а в Rвш учитывается сопротивление двух проводников («плюс» и «минус»).
Так как в нормальном режиме на подстанциях и электростанциях параллельно АБ подключено зарядно-выпрямительное устройство (ЗВУ), то рекомендуется внести небольшую поправку в расчёты, добавив эту составляющую
Iкз = Iкз.АБ + Iуст * 1/(1+Rвш/RАБ),
где Iуст — уставка ЗВУ по току перегрузки, в нашем случае Iуст=80А.
В дальнейшем нам понадобятся значения и металлического, и дугового КЗ на защищаемых участках, поэтому сведём их в таблицу
| Наименование оборудования | RАБ, мОм при Rвш в начале КЛ | RАБ, мОм при Rвш в конце КЛ | Rвш, мОм в начале КЛ | Rвш, мОм в конце КЛ | Iкз.мет, кА в начале КЛ | Iкз.мет, кА в конце КЛ | Iкз.дуг, кА (Кд=0,5-0,54) в начале КЛ | Iкз.дуг, кА (Кд=0,52-0,57) в конце КЛ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ШУ ОПУ | 70,2 | 70,2 | 572,8 | 748,8 | 0,323 | 0,254 | 0,162 | 0,134 |
| ШП ОРУ | 60,0 | 60,0 | 38,4 | 108,8 | 2,171 | 1,408 | 1,086 | 0,732 |
| ШС ОПУ | 70,2 | 70,2 | 1621,7 | 1797,7 | 0,123 | 0,111 | 0,061 | 0,061 |
8. Проверка защитных аппаратов на чувствительность
Чувствительность плавких предохранителей считается обеспеченной, если соблюдается их быстродействие (см. ниже).
Для проверки чувствительности автоматических выключателей (АВ) определяется коэффициент чувствительности Кч. Методика его вычисления и допустимые значения в СОПТ схожи с расчётами в сети переменного тока⎘ — не будем останавливаться на этом.
| Расчётное условие | Значение |
|---|---|
| Расчётная схема | Ремонтная |
| Расчётное место | Конец основной/резервной зоны защиты |
| Расчётный вид | Дуговое |
| Расчётный момент времени | Время срабатывания защитного аппарата |
| Предшествующий режим | Зарядные устройства отключены, аккумуляторная батарея разряжена |
Если чувствительность АВ не обеспечивается, предпринимаются следующие мероприятия, в порядке приоритета:
- выбирается АВ с меньшим током срабатывания, с защитной характеристикой Z;
- выбирается АВ с меньшим номинальным током;
- вместо АВ используются плавкие предохранители;
- увеличивается ток КЗ путём увеличения сечения кабелей
9. Проверка защитных аппаратов на селективность
Для обеспечения селективности смежных аппаратов защиты в большинстве случаев достаточно учитывать разброс уставок в ±25%. При этом неселективная работа возможна в исключительно неблагоприятных обстоятельствах. Для достижения полной селективности принимается разброс в ±50%. Но лучшим способом достичь нужного результата является построение карты селективности.
Правила построения карты селективности можно найти в нашем прошлом материале⎘ про переменный ток, наш пример — см. ниже.
| Расчётное условие | Минимальный ток КЗ | Максимальный ток КЗ |
|---|---|---|
| Расчётная схема | Нормальная | |
| Расчётная точка | Конец общей зоны защиты | Начало общей зоны защиты |
| Расчётный вид | Дуговое | Дуговое |
| Расчётный момент времени | Начальный момент | |
| Предшествующий режим | Зарядные устройства отключены, аккумуляторная батарея разряжена | Зарядные устройства включены, аккумуляторная батарея заряжена |
10. Проверка защитных аппаратов на быстродействие
Проверка быстродействия отключающих защитных аппаратов включает в себя:
- проверку обеспечения термической стойкости и невозгорания проводников в основной и резервной зонах защиты соответственно;
- проверку по продолжительности провалов напряжения.
Проверка проводника на термическую стойкость и невозгорание выполняется ниже.
Для выполнения проверки по продолжительности провалов:
- рассчитывают ток КЗ для двух наборов расчётных условий;
- определяют продолжительность провала напряжения по среднему значению времени отключения КЗ, согласно защитной характеристике аппарата.
| Расчётное условие | Набор 1 | Набор 2 |
|---|---|---|
| Расчётная схема | Нормальная | |
| Расчётное место | Начало основной зоны защиты | Конец основной зоны защиты |
| Расчётный вид | Дуговое | Металлическое |
| Расчётный момент времени | Начальный момент | |
| Предшествующий режим | Зарядные устройства включены, аккумуляторная батарея заряжена | |
Данная проверка считается пройденной, если продолжительность провала напряжения не превышает 0,5 с — время см. в таблице 13. В случае если условия проверки не выполняются, то уменьшают номинальный ток защитного аппарата или рассматривают другую схему питания электроприёмников.
11. Проверка защитных аппаратов на отключающую способность
| Расчётное условие | Значение |
|---|---|
| Расчётная схема | Нормальная |
| Расчётное место | Клеммы проверяемого аппарата защиты со стороны источника |
| Расчётный вид | Металлическое |
| Расчётный момент времени | Начальный момент |
| Предшествующий режим | Зарядные устройства включены, аккумуляторная батарея заряжена |
Отключающая способность предохранителей в нашем примере (см. таблицу 6) удовлетворяет требованиям, так как она превышает максимальный расчётный ток короткого замыкания (см. таблицу 7).
12. Проверка проводников на термическую стойкость
Проверка сечения проводников СОПТ на термическую стойкость, как и любой другой сети, производится по расчётной формуле:
Sтер. min = Iкз max*√tоткл / С,
где С — параметр, значение которого зависит от материала шин.
| Расчётное условие | Набор 1 | Набор 2 |
|---|---|---|
| Расчётная схема | Нормальная | |
| Расчётное место | Начало КЛ | Конец КЛ |
| Расчётный вид | Дуговое | Металлическое |
| Расчётный момент времени | Начальный момент | |
| Предшествующий режим | Зарядные устройства включены, аккумуляторная батарея заряжена | |
Продолжительность протекания тока КЗ в проводнике принимается равной максимальному времени срабатывания основной защиты. Термическая стойкость проводника считается обеспеченной, если обе расчётные температуры не превышают допустимые значения:
- 160 ºС — для проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
- 200 ºС — для проводников с бумажно-масляной изоляцией.
Выполнить расчёт, подставив свои значения, можно в нашем материале⎘.
| Наименование оборудования | Сечение S, мм2 | Iкз.мет в конце КЛ, кА | Iкз.дуг в начале КЛ, кА | tоткл.осн при кз мет в конце КЛ, с | tоткл.осн при кз дуг в начале КЛ, с | Пара- метр С |
Sтерм.min при кз мет в конце КЛ, мм2 | Sтерм.min при кз дуг в начале КЛ, мм2 | Условие термической стойкости |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ШУ ОПУ | 4,0 | 0,254 | 0,162 | 0,010 | 0,050 | 140 | 0,18 | 0,26 | удовлетворяет |
| ШП ОРУ | 50,0 | 1,408 | 1,086 | 0,025 | 0,070 | 140 | 1,59 | 2,05 | удовлетворяет |
| ШС ОПУ | 4,0 | 0,111 | 0,061 | 0,030 | 0,200 | 140 | 0,14 | 0,20 | удовлетворяет |
13. Проверка проводников на невозгорание
Методика расчёта проводников СОПТ на невозгорание не отличается от методики сети переменного тока⎘.
Продолжительность протекания тока КЗ в проводнике принимается равной максимальному времени срабатывания резервной защиты. Невозгорание проводника считается обеспеченными, если обе расчётные температуры не превышают допустимые значения:
- 350 ºС — для проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
- 400 ºС — для проводников с бумажно-масляной изоляцией.
Для цепей, защищаемых плавкими предохранителями (в нашем случае), проверку на невозгорание не проводят при условии обеспечения термической стойкости.
Если термическая стойкость или невозгорание проводника не обеспечена, следует предпринять следующие мероприятия, в порядке приоритета:
- использовать плавкие предохранители, обеспечивающие ближнее резервирование, вместо автоматических выключателей;
- увеличить сечение защищаемого проводника.
14. Карта селективности
ВЫВОД
В этой статье мы определили перечень исходных параметров, необходимый для расчёта СОПТ. Выполнили подбор и проверку проводников. Определили тип и характеристики аппаратов защиты, а также соответствие их расчётным значениям. Теперь с большей уверенностью можно заявить, что нештатных ситуаций в СОПТ на подстанции (или электростанции) не случится.
ССЫЛОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Более подробную информацию можно найти в ГОСТе, стандартах организаций и справочниках. Все указанные нормативно-технические документы, в актуальных редакциях, хранятся на странице НТД и отфильтрованы по ссылке⎘.
В телеграм
