ОАО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ"

УТВЕРЖДЕН
распоряжением ОАО "РЖД"
от 25.12.2012 г. N 2679р

СТО РЖД 07.014-2012

СТАНДАРТ ОАО "РЖД"

МЕТОДИКА ВЫБОРА И ПРОВЕРКИ СЕЧЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ, ОБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМЫ ПОСТОЯННОГО, ВЫПРЯМЛЕННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ОПЕРАТИВНОГО ТОКА ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Дата введения - 2013-04-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
2 ВНЕСЕН Управлением электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО "РЖД"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Распоряжением ОАО "РЖД" от 25.12.2013 г. N 2679р
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методику выбора и проверки сечения проводников для систем постоянного, выпрямленного и переменного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций ОАО "РЖД" и предназначен для применения при новом строительстве и реконструкции тяговых и трансформаторных подстанций.
Настоящий стандарт предназначен для применения подразделениями аппарата управления ОАО "РЖД", филиалами ОАО "РЖД" и иными структурными подразделениями ОАО "РЖД".
Применение настоящего стандарта сторонними организациями оговаривается в договорах (соглашениях) с ОАО "РЖД".

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения, транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды
ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
ГОСТ 22483-77 Жилы токопроводящие медные и алюминиевые для кабелей, проводов и шнуров. Основные параметры. Технические требования
ГОСТ 24291-90 Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения
ГОСТ 26522-85 Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения
ГОСТ Р 28249-93 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ
ГОСТ 29176-91 Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока
ГОСТ Р 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия
ГОСТ Р 52736-2007 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчеты электродинамического и термического действия тока короткого замыкания.
ГОСТ Р 53685-2009 Электрификация и электроснабжение железных дорог. Термины и определения
СТО РЖД 1.07.004-2008 Электроустановки собственных нужд тяговых подстанций и линейных устройств тягового электроснабжения. Технические требования
СТО РЖД 07.013-2012 (проект) Методика выбора емкости источников электроэнергии для систем постоянного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 19431, ГОСТ 24291, ГОСТ 26522, ГОСТ Р 53685, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 временная нагрузка: Нагрузка, создаваемая электроприемниками, подключаемыми к источнику питания в аварийном режиме подстанции, и характеризующая установившийся аварийный режим.
3.2 кратковременная нагрузка: Нагрузка продолжительностью не более 5 секунд, возникающая в переходном аварийном режиме (например, ток электромагнитного привода выключателя при его включении).
3.3 постоянная нагрузка: Нагрузка в нормальном режиме и остающаяся неизменной в течение всего аварийного режима.
3.4 рабочая (электрическая) изоляция: Электрическая изоляция токоведущих частей электроустановки, обеспечивающая ее нормальную работу и защиту от поражения электрическим током.

4 Общие положения

4.1  Исходными данными для выбора и проверки сечения проводников для систем постоянного, выпрямленного и переменного оперативного тока тяговых и трансформаторных подстанций являются:
- номинальное напряжение и схема сети оперативного тока с указанием наибольшей рабочей нагрузки, коэффициента мощности (для подстанций с переменным оперативным током) и длины проводников, марок приводов выключателей;
- минимально допустимое значение напряжения на клеммах приводов выключателей;
- для сети оперативного постоянного тока: количество аккумуляторов в батарее, включая дополнительную группу аккумуляторов, и значение напряжения аккумуляторов в конце разряда;
- время отключения короткого замыкания основной и резервной защитами сети оперативного тока для каждого проводника;
- содержащиеся в технической документации изготовителей данные о значениях погонного активного и индуктивного сопротивления кабелей с медными жилами напряжением до 1 кВ.
4.2 Выбор и проверку сечения проводников (кроме цепей включения выключателей с электромагнитным приводом), производят в следующем порядке:
- выбирают сечение по наибольшему рабочему току;
- проверяют сечение:
1) по потере напряжения;
2) на термическую стойкость;
3) на невозгораемость.
4.3 Выбор и проверку сечения проводников в цепях включения выключателей с электромагнитным приводом производят в следующем порядке:
- выбирают сечение по потере напряжения;
- проверяют сечение:
1) на термическую стойкость;
2) на невозгораемость.
4.4 При выборе и проверке сечения проводников учитывают следующие требования:
а) минимальное сечение - не менее установленного в СТО РЖД 1.07.004 (пункт 4.4.1);
б) в полюсе цепи оперативного тока может быть один или несколько параллельных проводников одинакового сечения, каждый из которыз должен иметь сечение, не превышающее 185 кв.мм.
в) в результате проверок по потере напряжения, на термическую стойкость и невозгораемость сечение проводника может быть увеличено по отношению к первоначально выбранному не более чем на две ступени из номинального ряда сечений по ГОСТ 22483 (пункт 1.2).
г) температура проводника в продолжительных режимах не должна превышать следующих значений:
1) 70°С - для рабочей изоляции из поливинилхлоридного пластиката;
2) 90°С - для рабочей изоляции из сшитого полиэтилена.
д) потеря напряжения в цепи от источника питания до клемм электроприемников с постоянной и временной нагрузкой не должна превышать 4 % от номинального напряжения;
е) температура проводников при коротких замыканиях, отключаемых основной защитой, не должна превышать значений, установленных ГОСТ Р 52736 (пункт 6.3.3) для рабочей изоляции;
ж) температура проводников при коротких замыканиях, отключаемых резервной защитой, не должна превышать значений, установленных ГОСТ Р 52736 (пункт 6.4.3) для рабочей изоляции;
з) сечение проводников выбирают сначала для цепи от источника питания до главного распределительного устройства системы оперативного тока, затем для цепи от главного распределительного устройства до вторичного распределительного устройства и, наконец, для цепи до конечного электроприемника.

5 Выбор сечения по наибольшему рабочему току

5.1 Для выбора сечения по наибольшему рабочему току:
- определяют наибольший рабочий ток по формуле (1);
- определяют наибольший рабочий ток, приведенный к условной температуре окружающей среды 25 °С, по формуле (2);
- выбирают номинальное сечение по таблице 2 или 3 исходя из условия (3).
Для проводников в цепях конечных потребителей, питающих электромеханические реле и микропроцессорные защиты, выбирают сечение 1,5 кв.мм и расчеты по формулам (1) - (3) не производят.
5.2 Наибольший рабочий ток проводника, I       , А, определяют по формуле:
нб.раб

                      Р
нб.раб
I        = ───────────────────── ,                                    (1)
нб.раб     0,96U    · cos Фи
ном

     где P        - наибольшая рабочая нагрузка проводника, Вт; учитывают
нб. раб
наибольшую  постоянную и временную нагрузку проводников продолжительностью не
менее 5 с;
U     - номинальное напряжение сети оперативного тока, В, принимают равным
ном    110 или 2020 В;

     cos Фи - коэффициент мощности, для сетей постоянного и выпрямленного
оперативного тока cos Фи принимают равным единице.

     5.3 Наибольший рабочий ток проводника, приведенный к условной температуре
окружающей среды 25°С,  I      , А, определяют по формуле:
0усл

                 I
нб.раб
I     = ─────────────────                                                (2)
0усл      n     · k
пров    t

    где k    - поправочный коэффициент на токи в зависимости от расчетной
t     температуры окружающей среды, выбираемый по таблице 1;

    n      - количество отдельных проводников полюса цепи питания
пров    электроприемника, первоначально принимают равным 1, далее
уточняют по 5.4.

Таблица 3 - Длительно допустимые токи кабелей с медными жилами с изоляцией из сшитого полиэтилена

                                6 Выбор по потере напряжения

    6.1 Для выбора сечения по потере напряжения:
а) определяют предварительное значение сечения S' по формуле (4) с учетом
возможного наличия дополнительной группы аккумуляторов;
б) для сечения S' определяют потерю напряжения в цепи от источника питания
до клемм привода выключателя при его включении U      по формуле (5);
АБ-Пр
в) для сечения S' сравнивают U      с максимальной кратковременно
АБ-Пр
допустимой потерей напряжением в цепи от источника питания до клемм привода
выключателя при его включении в соответствии с неравенством (7).
Выбор сечения проводников с кратковременной нагрузкой начинают с цепей
питания привода выключателя, потребляющего наибольший ток при включении, а
также в цепи питания привода, наиболее электрически удаленного от клемм
источника питания. Электрическую удаленность оценивают по суммарному
сопротивлению цепи между аккумуляторной батареей и приводом.
6.2 Предварительное значение сечения медного проводника S', кв.мм,
определяют по формуле (4) с округлением в большую сторону до ближайшего сечения
из номинального ряда по ГОСТ 22483 (пункт 1.2):

                                      -2
1,85 · I    · l      x 10
вкл    (SUM)
S' >= ──────────────────────────────────────────────,                   (4)
(N · U          - U          ) · n
нм.раб.ак    нм.кр.доп      пров

    где I    - ток электромагнитного привода выключателя при его включении, А;
вкл

    l        - суммарная длина проводников в цепи от источника питания до клемм
(SUM)     подключения нагрузки, м;

    N - количество аккумуляторов в батарее, шт., определяемое по СТО РЖД 07.013
(раздел 6) с учетом наличия дополнительной группы аккумуляторов;

    U            - напряжение аккумулятора в конце разряда, В, принимают по
нм.раб.ак     СТО РЖД 07.013 (пункт 6.3);

    U           - минимально допустимое напряжение на клеммах электромагнитного
нм.кр.доп    привода, В, которое принимают по технической документации
на выключатель или привод.

    Примечание - Для выключателей или приводов, изготовленных по действующему
с 1 апреля 2007 г. ГОСТ Р 52565, минимально допустимое напряжение на клеммах
электромагнитного привода составляет 0,85 номинального. Однако на
реконструируемых подстанциях возможно сохранение выключателей, изготовленных
ранее и имеющих иные значения минимально допустимого напряжения на клеммах
электромагнитного привода.

    Первоначально n     принимают равным 1. Если предварительное сечение
пров
проводника, определенное по формуле (4), превышает 185 кв.мм, значение n
пров
увеличивают на единицу и повторяют расчет по 6.2.
6.3 Потерю напряжения в цепи от источника питания системы постоянного
оперативного тока до клемм привода выключателя при его включении, В, определяют
по формуле:

    Дельта U       = (I       + I    ) · R       + I    · R      ,          (5)
АБ-Пр      АБ-ЩПТ    вкл      АБ-ЩПТ    вкл    ЩПТ-Пр

    где I        - наибольший рабочий ток, потребляемый от аккумуляторной
АБ-ЩПТ    батареи электроприемниками системы оперативного постоянного
тока, в отсутствии операций включения и отключения
выключателей, А, для проводника в цепи от аккумуляторной
батареи до щита постоянного тока учитывают дополнительную
потерю напряжения от токов постоянной и временной нагрузок;

      R        - активное сопротивление проводника в цепи от аккумуляторной
АБ-ЩПТ    батареи до щита постоянного тока, Ом, определяют по формуле (6);

      R        -  активное сопротивление проводника предварительно
ЩПТ-Пр     выбранного сечения S в цепи от щита постоянного тока до клемм
привода выключателя, Ом, определяют по формуле (6).

    Активное  сопротивление i-ого проводника, R     , Ом, в цепи от источника
провi
питания до клемм потребителя определяют по формуле:

                                    -3
R     · l      · 10
погi    провi
R      = ─────────────────────────                                    (6)
провi               n
пров

    где R      - погонное активное сопротивление, мОм/м, определяемое
погi    по данным, содержащимся в технической документации
изготовителя, а при их отсутствии - по таблице 4;

      l        - длина i-ого проводника в цепи от источника питания до клемм
провi     потребителя, м; при расчете кольцевых участков сети оперативного
тока принимают максимальную длину l     , соответствующую
провi
разрыву кольца на одном из участков между автоматическим
выключателем со стороны питания и ближайшей к нему нагрузкой.

    Таблица 4 - Погонные значения активного и индуктивного сопротивления кабелей
с медными жилами напряжением до 1 кВ

    6.4 Для предварительного значения сечения проводника, выбранного по 6.2,
сравнивают Дельта U      с максимальной кратковременно допустимой потерей
АБ-Пр
напряжением в цепи от источника питания до клемм привода выключателя при его
включении:

    Дельта U      =< N · U           - U                                    (7)
АБ-Пр         нм.раб.ак     нм.кр.доп

    Если неравенство (7) не выполняется, увеличивают предварительное значение
сечения проводника S' на одну ступень из номинального ряда по ГОСТ 22483
(пункт 1.2) и повторяют выбор по 6.1, перечисления б) и в).

                        7 Проверка по потере напряжения

    7.1 Для проверки сечения проводника, выбранного в соответствии с
указаниями раздела 5, по потере напряжения:
а) определяют потерю напряжения в цепи от источника питания до клемм
потребителя системы оперативного тока U     по формуле (8) или (10);
потр
б) сравнивают значение U     с наибольшей допустимой потерей напряжения
потр
в цепи от источника питания до клемм потребителя.
7.2 Для системы переменного оперативного тока потерю напряжения в цепи от
источника питания до клемм потребителя, %, определяют по формуле:

                                              _________________
n   /                \   /  2        2
SUM ( I    + I         ) /  R      + X
i=1  \ вкл    нб.рабi / V    провi    провi
Дельта U     = ──────────────────────────────────────────────── · 100%   (8)
потр                       U
ном

    где i   - номер проводника в цепи от источника питания до клемм
потребителя;

    n       - количество последовательно соединенных проводников в цепи от
источника питания до клемм привода;

    X       - индуктивное сопротивление i-ого проводника в цепи от источника
провi    питания до клемм потребителя, Ом, определяемое по формуле (9).

    Индуктивное сопротивление проводника определяют по формуле:

                                    -3
X     · l      · 10
погi    провi
X       = ─────────────────────────── ,                              (9)
провi               n
пров

    где X      - погонное индуктивное сопротивление, мОм/м, определяемое по
погi    данным от производителей; а при их отсутствии - по таблице 4

    Если i-ый проводник в цепи от источника питания до клемм потребителя
питает только электроприемники, работающие с постоянной и (или) временной
нагрузкой, ток I     принимают равным нулю.
вкл
7.3 Потерю напряжения в цепи от источника питания до клемм потребителя в
системах постоянного и выпрямленного оперативного тока, %, определяют по
формуле:

                          n
SUM ( I    + I       ) · R
i=1    вкл    нб.рабi     провi
Дельта U      =  ────────────────────────────────────────── ·100%,
потр                       U
ном

    Если i-ый проводник в цепи от источника питания до клемм потребителя
питает только электроприемники, работающие с постоянной и (или) временной
нагрузкой, ток I    принимают равным нулю.
вкл

    7.4 Проводник  удовлетворяет  условиям  проверки по потере напряжения, если
значение Дельта U     не превышает 4 %. В противном случае сечение проводника S
потр
увеличивают  на  одну  ступень из номинального ряда по ГОСТ 22483 (пункт 1.2) и
повторяют проверку по 7.1, перечисления а) и б).

               8 Проверка на термическую стойкость и невозгораемость

    8.1  Сечение проводника, выбранное в соответствии с указаниями раздела 5 и
проверенное по потере напряжения в соответствии с указаниями раздела 7, и сечение
проводника, выбранное по потере напряжения в соответствии с указаниями раздела 6,
проверяют на термическую стойкость. Для этого:
а) определяют токи короткого замыкания в соответствии с расчетными условиями
по 8.2:
1) для системы переменного оперативного тока - по ГОСТ Р 28249;
2) для системы постоянного и выпрямленного оперативного тока - по ГОСТ 29176;
б) определяют расчетную температуру нагрева проводников при коротком
замыкании Q   по формуле (11);
кн
в) сравнивают расчетную температуру нагрева проводников при коротком замыкании
с предельно допустимой температурой для изоляции Q       по перечислению е) 4.4.
к.доп

8.2 Для выполнения расчета коротких замыканий при проверке на термическую стойкость и невозгораемость проводников задают расчетные условия: расчетную схему, место, вид, продолжительность короткого замыкания и предшествующий режим.
Для получения максимальных токов короткого замыкания в расчетную схему следует включать все источники электроэнергии с параметрами, соответствующими выдаче наибольшего тока при коротком замыкании. Рассматривают лишь продолжительные коммутационные состояния: нормальное, ремонтное, послеаварийное. Не рассматривают кратковременные коммутационные состояния, возникающие в процессе выполнения оперативных переключений.
В системах переменного оперативного тока в качестве расчетных сопротивлений проводников для определения токов короткого замыкания следует использовать активные и индуктивные сопротивления, в системах постоянного и выпрямленного оперативного тока - активные сопротивления.
При расчете токов короткого замыкания следует учитывать сопротивления источника, ошиновки, проводников, токовых катушек коммутационных аппаратов и переходное сопротивление электрических контактных соединений.
Расчетный вид и место короткого замыкания: дуговое в начале кабельной линии и металлическое в конце кабельной линии. Термическую стойкость проводников проверяют по температуре, рассчитанной для дугового короткого замыкания в начале кабельной линии и металлического в конце кабельной линии.
В качестве расчетного времени принимают:
- при проверке на термическую стойкость - время отключения короткого замыкания основной защитой, ближайшей к месту короткого замыкания;
- при проверке на невозгораемость - время отключения короткого замыкания резервной защитой, отключающей короткое замыкание, при неисправности основной защиты.
Расчетную продолжительность короткого замыкания определяют по времятоковым характеристикам отключающих защитных аппаратов, используя -наибольшее значение времени в зоне разброса характеристик.
Температуру проводника, предшествующую короткому замыканию Q   , °С,
н
принимают по 4.4, перечисление г).

     8.3 Расчетную температуру нагрева проводника при коротком замыкании, °С,
определяют по формуле:

                      ┌─                ─┐
│      2           │
│     I   t        │
│      п0  откл    │
Q   = (Q  + Бета)ехр │ ──────────────── │ - Бета,                          (11)
кн     н            │   2  2        2  │
│  К  S  Эпсилон   │
│   1              │
└─                ─┘

    где I  - действующее значение периодической составляющей расчетного тока
п0
короткого замыкания в начальный момент времени, А;
t     - время отключения короткого замыкания основной (резервной) защитой, с;
откл

    K     - постоянная, зависящая от материала проводника и равная:
1                             1/2
для меди К   = 226 А х с     /кв.мм;
1
1/2
для алюминия K  = 148 А х с    /кв.мм;
1

    Бета  - величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления
при 0 °С, K, равная: для меди Бета = 234,5 K; для алюминия = 228 K;

    Эпсилон  - коэффициент, учитывающий отвод тепла от проводника в изоляцию,
определяемый по (12).

    Примечание - Сечение S, для цепей состоящих из нескольких параллельных
проводников, принимают равным сечению одного из параллельных проводников.

    Коэффициент Дельта определяют по формуле:

                   ____________________________________________
/         ___________        ___________
/         /  t               /  t
/         /    откл          /    откл
Эпсилон =  /  1 + Х  /  ─────────  + Y  /  ─────────  ,                 (12)
V         V       S          V       S

                                                                            0,5
где X, Y - эмпирические постоянные (измеряемые соответственно в (кв.мм/с)
и в кв.мм/с), определяющие тепловые характеристики рабочей изоляции; для
поливинилхлоридного пластиката X и Y соответственно принимают 0,29 и 0,06, для
сшитого полиэтилена - 0,41 и 0,12.

    Примечание  - Коэффициент Эпсилон принимают равным единице без расчета по
формуле (12), если выполняется неравенство:

     t
откл              с
───────── < 0,1 ─────────                                               (13)
S             кв.мм

    8.4  Проводник  является  термически стойким, если выполняется неравенство
(14). В противном случае сечение увеличивают на одну ступень и повторяют проверку
по 8.1, перечисления а), б) и в).

    Q    =< Q      ,                                                        (14)
кн      к.доп

    где Q       - принимают по 4.4, перечисление).
к.доп
8.5 Сечение проводника,  выбранное  в  соответствии  с указаниями раздела 5 и
проверенное по потере напряжения в соответствии с указаниями раздела 7, и сечение
проводника, выбранное по потере напряжения в соответствии с указаниями раздела 6,
проверяют на невозгораемость. Для этого:
а) определяют токи короткого замыкания в соответствии с расчетными условиями
по 8.2;
1) для системы переменного оперативного тока - по ГОСТ Р 28249;
2) для системы постоянного и выпрямленного оперативного тока - по ГОСТ 29176;
б) определяют расчетную температуру нагрева проводников при коротком
замыкании по формуле (11);
в) сравнивают расчетную температуру нагрева проводников при коротком
замыкании с предельно допустимой температурой для изоляции к.доп по 4.4,
перечисление ж).
8.6 Проводник удовлетворяет условию невозгораемости, если выполняется
неравенство (14), при этом Q       - принимают по 4.4, перечисление ж). В
к.доп
противном случае сечение увеличивают на одну ступень и повторяют проверку по
перечислениям а), б) и в) 8.5.
8.7 При одновременном выполнении неравенства (14) для условий термической
стойкости и невозгораемости выбор сечения проводника следует считать завершенным.