2.5 Термическое и электродинамическое действие токов кз

Протекание токов КЗ может привести к перегреву и расплавлению проводников, оплавлению контактов, если время воздействия этих токов не будет ограничено. Короткие замыкания в сетях с глухим и эффективным заземлением нейтрали отключаются автоматически действием защиты. Время отключения – от долей секунды до нескольких (2 ÷ 4) секунд.

Выбранные для установки в сети аппараты должны проверяться на динамическую и термическую стойкость при воздействии токов КЗ.

Термической стойкостью аппарата и проводника называется его способность выдерживать кратковременное тепловое воздействие токов КЗ без повреждений. Термическая стойкость аппарата характеризуется его номинальным током термической стойкости I_T и временем прохождения этого тока через аппарат t_T. Эта обобщенная характеристика выражается интегралом Джоуля В_к [7, 8], связывающим величину тепловых потерь в проводнике при прохождении тока КЗ с величиной этого тока.

В соответствии с законом Джоуля – Ленца количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально сопротивлению этого проводника R, квадрату величины протекающего по нему тока i и времени его протекания t:

(Дж) (2.20)

или в интегральной форме

(2.20а)

Величина В_к = получила название интеграл Джоуля и используется для характеристики термической стойкости проводников и аппаратов к действию токов КЗ. Аппарат термически устойчив, если

В_к ≤ , (2.21)

где I_т - паспортные значения соответственно тока и времени термической стойкости аппарата.

Считая процесс нагрева проводника адиабатическим, т.к. время КЗ составляет от 0,01 до 4 с, в течение которого практически не происходит теплообмена с окружающей средой, можно записать количество теплоты, полученной материалом проводника

(2.22)

где = Т_к – Т_н - изменение температуры при КЗ от начальной температуры нормального режима,

G – масса проводника, кг;

– теплоемкость материала, кДж/кг·К.

Отсюда, зная начальную температуру, можно определить температуру нагрева проводника при КЗ.

Рассчитанный ток КЗ должен быть меньше допустимого тока термической устойчивости проводника или коммутационного аппарата.

Допустимые температуры для проводников и аппаратов в нормальном режиме и при КЗ приведены в табл.А.7, приложение А.

Проверка аппаратов и проводников осуществляется также на электродинамическую стойкость при воздействии токов КЗ. Между двумя проводниками, по которым проходит ток, действует сила, величина которой зависит от величин токов, проходящих по проводникам, расстояния между ними и длины участка взаимодействия. Так сила взаимодействия двух параллельных проводников на длине l равна

(2.23)

где а - расстояние между проводниками, м,

i₁ и i₂ – мгновенные значения токов в проводниках.

Если токи в проводниках одинаковы (например, прохождение сквозного тока КЗ в обмотке трансформатора), то сила взаимодействия между проводниками или витками пропорциональна квадрату тока КЗ.

При возникновении КЗ токи в проводниках увеличиваются в несколько раз. Соответственно сила взаимодействия увеличивается пропорционально квадрату кратности токов при КЗ, что особо существенно для шинопроводов в распределительных устройствах, а также проводников в катушках трансформаторов. Максимальная сила взаимодействия развивается в момент прохождения максимального, т.е. ударного тока КЗ, равного сумме периодической и апериодической составляющих тока КЗ. Максимальные значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ имеют место, если КЗ происходит в момент прохождения кривой напряжения через 0. В этом случае максимальное значение тока к.з. имеет место в момент времени, равный половине периода t=0,01c.

i_уд ≈ i_t=0,01 = (2.24)

где k_у – ударный коэффициент, величина, которого зависит от соотношения х/r в расчетной схеме. Определить k_у можно по расчетным кривым [Федоров, справочник ЭПП, ч.1, рис.4.12]. или ориентировочно по табл. 1.1 в зависимости от места расположения точки КЗ.

Таблица 2.1- Значения ударного коэффициента k_у

Место КЗ	Значение kу
Выводы явнополюсного гидрогенератора без успокоительной обмотки с успокоительной обмоткой	1,95 1,93
Выводы турбогенератора	1,91
Во всех остальных случаях, когда не учитывается активное сопротивление цепи КЗ	1,8
Удаленные точки КЗ с учетом величины активного сопротивления	По кривым зависимости kу =f(x/r)

Для внутризаводских сетей характерно соотношение х/r ≤ 3, поэтому k_у может приниматься в пределах 1÷1,4 (меньшее значение для сетей до 1 кВ, удаленных от источников питания).

Расчетное значение ударного тока должно быть меньше допустимого для конкретного аппарата или проводника.

Выбор расчетной точки к.з. определяется конкретными целями расчета: для выбора коммутационных аппаратов рассчитывается КЗ в непосредственной близости к аппарату («на зажимах аппарата»), за трансформатором, в начальной точке токопровода или шин РУ. Для выбора уставок релейных защит селективного действия и устройств автоматики требуется также расчет минимальных токов КЗ, которые должна почувствовать защита. Как правило, это токи в конце участка линии или шин или при отключенном наиболее мощном источнике подпитки места КЗ.

При выполнении расчетов токов КЗ в цеховых сетях напряжением до 1 кВ рекомендуется выражать сопротивления элементов в мОм (Ом·10­^-3), мощность электроприемников в кВт, трансформаторов в кВА, напряжение – кВ, при этом расчетный ток КЗ получим в кА. Величины активных и индуктивных сопротивлений элементов электрических схем представлены в [7] и Приложении А, табл.А.8 – А.11. Сопротивление ошиновки РУ в расчетах токов к.з. для выбора аппаратуры, как правило, не учитывается. Сопротивления шинопроводов, к которым подключаются электроприемники, должны учитываться (см. раздел.3).

Пример расчета токов КЗ на участках электрической сети предстален в Приложении Е1.

Вопросы для самопроверки.

1. Виды коротких замыканий

2. Основные расчетные параметры токов КЗ и их определение.

3. Составление схемы замещения. Отличие схем замещения сетей напряжением выше 10 кВ и ниже 1 кВ.

4. Термическая и динамическая стойкость проводников и аппаратов к токам КЗ, расчет этих параметров.

5. Режимы заземление нейтрали электрических сетей, их использование. Требования к заземляющим устройствам сетей разных уровней напряжения.

6. Зануление электроприемников и его назначение.

3 СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

3.1 Силовое оборудование подстанций

3.1.1 Силовые трансформаторы

Трансформаторные подстанции, являющиеся одним из важнейших звеньев систем электроснабжения (СЭС), предназначены для преобразования электрической энергия одного напряжения в энергию другого или других напряжений с помощью трансформаторов.

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока неизменной частоты [17]. Силовые трансформаторы различных видов, с помощью которых осуществляется такое преобразование, являются основным оборудованием ПС различных классов напряжения.

В соответствии с [17] различают следующие виды трансформаторов:

• Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для непосредственного питания электроприемников, не отличающихся особыми условиями работы, например: резкими толчками нагрузки или изменениями напряжения и тока в обмотках, нарушения симметрии трехфазной системы и т.п.

• специальные трансформаторы, которые питают сеть или приемники, отличающиеся особыми условиями работы. К таким трансформаторам относятся печные трансформаторы, используемые для сталеплавильных, ферросплавных и других печей, сварочные трансформаторы, тяговые, регулировочные, преобразовательные, фазоповоротные и некоторые другие.

• повышающие трансформаторы - это трансформаторы, у которых первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения;

• понижающие трансформаторы – трансформаторы, у которых первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения.

По числу фаз различают однофазные, трехфазные и многофазные трансформаторы. Однофазный трансформатор – это трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле. В магнитной системе трехфазного трансформатора создается трехфазное магнитное поле. Трансформаторы, в магнитной системе которых создается магнитное поле с числом фаз более трех, относятся к многофазным.

Число обмоток трансформатора соответствует количеству ступеней трансформации. Класс напряжения, к которому относят трансформатор, определяется номинальным напряжением его обмотки высшего напряжения (ВН). Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора называется коэффициентом трансформации трансформатора. Для двухобмоточного трансформатора коэффициент трансформации

К_т = (3.1)

где U_B- напряжение на высокой стороне трансформатора, кВ;

U_H - то же на низкой стороне, кВ.

Трехобмоточные трансформаторы могут использоваться на главной понизительной подстанции (ГПП) предприятия или на центрах питания (ЦП), при наличии на предприятии сети напряжением 35 кВ. Эти трансформаторы имеют соответственно обмотки высокого, среднего и низкого напряжений, коэффициенты трансформации определяются отношением напряжений для каждой пары обмоток.

К_тВ-С = К_тВ-Н = К_тС-Н- = (3.1а)

На рис. 2.1 представлена упрощенная схема конструкции трехфазного двухобмоточного трансформатора, на рис. 2.2 – схема размещения концентрических обмоток трехобмоточного трансформатора и трансформатора с расщепленной обмоткой низшего напряжения.

По виду изолирующей среды внутри трансформатора различают:

• трансформаторы с жидким диэлектриком – это трансформаторы, в которых изолирующей средой и теплоносителем является жидкий диэлектрик. Основным видом в этой группе являются масляные трансформаторы, изолирующая среда в них и теплоноситель – трансформаторное масло.

сухие трансформаторы - изолирующей средой и теплоносителем служит атмосферный воздух, изолирующей средой может быть также твердый диэлектрик, а охлаждающей средой – воздух; На рис. 2.3 представлен вид активной части сухого трансформатора с литой изоляцией, используемого в цеховых ТП.

Рисунок 3.3 – Активная часть сухого трехфазного трансформатора с литой изоляцией.

• газонаполненные трансформаторы: сухие герметичные трансформаторы, в которых изолирующей и охлаждающей средой служит атмосферный воздух или другой газ:

• кварценаполненные трансформаторы – сухие трансформаторы, бак которых заполняется кварцевым песком, служащим основной изолирующей средой и теплоносителем.

В системах электроснабжения промышленных предприятий используются в основном понижающие силовые трансформаторы как общего назначения, так и специальные.

Для поддержания требуемого напряжения в сети часть обмотки трансформатора может выполняться с ответвлениями, позволяющими с помощью специальных переключающих устройств изменять число витков обмотки. По способу регулирования напряжения различают:

• трансформатор, регулируемый под нагрузкой – трансформатор, допускающий регулирование напряжения хотя бы одной из его обмоток без отключения его обмоток от сети. При этом другие обмотки могут не иметь регулирования или иметь регулирование без возбуждения.

• трансформатор, переключаемый без возбуждения, - регулируемый трансформатор, допускающий регулирование напряжения путем переключения ответвлений обмоток без возбуждения после отключения всех его обмоток от сети.

Номинальной мощностью трансформатора называют мощность, на которую он может быть нагружен непрерывно в течение всего своего срока службы (примерно 20 лет) при нормальных температурных условиях охлаждающей среды согласно [3] и [4]: (ГОСТ 14209 – 97 и 11677 – 75):

• а) температура охлаждающей среды должна быть равна 20 °С;

• б) превышение средней температуры масла над температурой охлаждающей среды должно составлять: для систем охлаждения М и Д 44 °С, для систем ДЦ и Ц 36 °С;

• в) превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над средней температурой обмотки должно быть равно 13 °С;

• г) отношение потерь КЗ к потерям ХХ должно быть равно пятикратному (принимают наибольшее значение для обеспечения запаса по нагреву изоляции);

• д) при изменении температуры изоляции на 6 °С от среднего ее значения при номинальной нагрузке, равной 85 °С, срок службы изоляции изменяется вдвое (сокращается при повышении температуры или увеличивается при ее понижении);

• е) во время переходных процессов в течение суток наибольшая температура верхних слоев масла не должна превышать 95 °С и наиболее нагретой точки металла обмотки 140 °С.

Эти условия справедливы только для эквивалентной температуры охлаждающей среды, равной 20 °С. При резком снижении этой температуры необходимо следить за нагрузкой трансформаторов по контрольно-измерительным приборам и не допускать превышения нагрузки сверх 150% номинальной.

Если известна расчетная нагрузка цеха или предприятия в целом, то мощность трансформатора может быть определена по формуле

S_н.т.= S_p / N·К_з.т. , (3.2)

где S_p – расчетная нагрузка, кВА,

N – число трансформаторов.

Более точно мощность трансформатора определяется с учетом допустимых перегрузок и их продолжительности в соответствии с [3].

Допускаются «сезонные» перегрузки: за счет недогрузки трансформаторов с масляным охлаждением в летнее время допускается перегрузка трансформаторов в зимнее время на 1% на каждый процент недогрузки в летнее время, но не более, чем на 15%. Допускаются также систематические перегрузки трансформаторов за счет неравномерности суточного графика нагрузки.

3.1.2 Силовые автотрансформаторы

Помимо трансформаторов, обмотки которых связаны только электромагнитной индукцией, используются также автотрансформаторы (АТ) – это трансформаторы, две или более обмоток которого связаны так, что они имеют общую часть [17] (рис.3.4).

А – вывод высокого напряжения автотрансформаторной обмотки; Аm – вывод среднего напряжения той же обмотки; Х – вывод нейтрали автотрансформаторной обмотки; а-х - начало и конец обмотки низкого напряжения (НН); 1–последовательная обмотка; 2 – общая часть автотрансформаторной обмотки; 3- обмотка НН.

Рисунок 3.4- Схема обмоток автотрансформатора: а) – двухобмоточного, б) – трехобмоточного c вводом ВН вверху обмотки, в) - трехобмоточного c вводом ВН в середину последовательной обмотки.

Двухобмоточные автотрансформаторы имеют две гальванически связанные обмотки, у которых есть общая часть, и не имеют других основных обмоток. Мощность, передаваемая трансформаторным (электромагнитным) путем от последовательной обмотки к общей, называется типовой мощностью и определяется по формуле

(3.2)

Полная мощность, передаваемая со стороны ВН на сторону СН, называется автотрансформаторной или проходной мощностью.

(3.3)

Соотношение между типовой и проходной мощностью АТ называется коэффициентом типовой мощности (коэффициентом «выгодности» α) АТ.

(3.4)

Расход железа (электротехнической стали на магнитопровод трансформатора) зависит от величины мощности, передаваемой электромагнитным путем, расход меди на обмотки – от величины тока в обмотках. Как следует из (2.4), по сравнению с обычными трансформаторами за счет наличия гальванической (электрической) связи между обмотками достигается снижение расхода электротехнической стали на магнитопровод и меди на обмотки автотрансформатора.

Поэтому автотрансформаторы используются в основном на районных и системных подстанциях при необходимости выполнения связи сетей напряжением выше 110 кВ и передачи большой мощности (100МВА и выше) или на энергоемких предприятиях, к которым подведены линии напряжением 220 кВ и выше. В системах внутризаводского электроснабжения АТ могут использоваться при необходимости регулирования уровня напряжения, подаваемого на электроустановку (регулировочные АТ) и в ряде других схем.

При общей нагрузке промпредприятий свыше 20 МВт для установки на ГПП в основном используются трансформаторы класса напряжения 110 (150) кВ, реже – 35 кВ (при небольших нагрузках) или 220кВ при весьма значительных нагрузках. В табл. Б.1, Б.2 приложения Б представлены технические данные масляных трансформаторов классов напряжения 6-10-35-110кВ. Для питания цеховых нагрузок могут также использоваться сухие трансформаторы (тип ТС) или с заполнением негорючим диэлектриком совтолом.

2.1.3 Условные обозначения типа трансформаторов и автотрансформаторов

Условные обозначения типов трансформаторов состоят из буквенной части, которая характеризует:

тип трансформатора (автотрансформатор – впереди ставится буква А);

число фаз: О –однофазный трансформатор, Т – трехфазный;

вид охлаждения (табл. 2.1);

число обмоток – для трехобмоточных трансформаторов указывается буква Т, для двух обмоточных дополнительные буквы не используются;

при наличии регулирования под нагрузкой в типе используется буква Н;

расщепленная обмотка – буква Р;

трансформатор для собственных нужд электростанций имеет в конце буквенного обозначения букву С;

в обозначении трансформатора с естественным масляным охлаждением без расширителя с азотной защитой после буквы, обозначающей вид охлаждения, ставится буква З.

В цифровой части обозначения указывается номинальная мощность трансформатора (автотрансформатора), класс напряжения обмотки ВН, на схемах и в текстовой части через дополнительную дробную черту может указываться напряжение обмоток СН и НН. Пример обозначения типов трансформаторов и их расшифровка приведены ниже.

Таблица 3.1 – Условные обозначения систем охлаждения трансформаторов и автотрансформаторов.

Система охлаждения	Условные обозначения
Масляные трансформаторы
Естественная циркуляция воздуха и трансформаторного масла	М
Принудительная циркуляция воздуха (обдув вентиляторами) и естественная циркуляция масла	Д
Принудительная циркуляция воды и масла	Ц
Принудительная циркуляция воздуха и масла	ДЦ
Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла	МЦ
Принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция масла	МВ
Сухие трансформаторы
Естественное воздушное открытого исполнения	С
Естественное воздушное при защищенном исполнении	СЗ
Естественное воздушное при герметичном исполнении	СГ
Воздушное с дутьем	СД
Трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком
Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком	Н
Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем	НД

Примеры обозначения типов силовых трансформаторов:

ТМ-100/10/0,4 – трансформатор трехфазный масляный мощностью 100кВа с высшим напряжением 10 кВ, напряжение обмотки НН – 0,4 кВ;

ТСЗ-25/0,66 – трансформатор трехфазный сухой защищенного исполнения мощностью 25 кВА с высшим напряжением 0,66 кВ;

ТДН-10000/110 – трансформатор трехфазный двухобмоточный с дутьевым охлаждением и регулированием напряжения под нагрузкой, мощностью 10000кВа класса 110 кВ (при необходимости указания напряжения обмотки НН через дробь указывается соответствующая величина напряжения на низкой или средней стороне в кВ: ТДН- 10000/110/10);

ТРДН-32000/150/10,5-10,5 – трансформатор трехфазный с расщепленной обмоткой НН с охлаждением дутьем, регулированием напряжения под нагрузкой, мощностью 32000 кВА с высшим напряжением 150 кВ, напряжение обмоток НН – 10,5 кВ;

АТДЦТН-250000/330/150/11 – автотрансформатор трехфазный с дутьевым охлаждением с принудительной циркуляцией масла, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой номинальной мощностью 250000кВА, напряжения обмоток ВН – 330кВ, СН – 150кВ, НН – 11кВ.