21 Расчетные величины токов кз и их определение

При выполнении практических расчетов токов КЗ в СЭС принимают ряд допущений [8, 25].:

• принимается, что рассматриваемая трехфазная сеть является симметричной;

• не учитываются токи нагрузки, в том числе влияние мелких синхронных и асинхронных двигателей;

• не учитываются емкостные токи (емкостная проводимость) в воздушных и кабельных сетях;

• не учитываются токи намагничивания в трансформаторах;

• индуктивные сопротивления короткозамкнутой цепи принимаются постоянными (не учитывается насыщение магнитных систем трансформаторов).

В целом расчет токов короткого замыкания необходим для выбора и проверки оборудования по условиям короткого замыкания; для выбора уставок и оценки возможного действия релейной защиты и автоматики (РЗА); для определения влияния токов нулевой последовательности на линии связи; для выбора заземляющих устройств.

Для выбора и проверки оборудования допускается использовать упрощенные методы расчета, если их погрешность не превышает 5 – 10 %[25]. В этом случае определяются:

• начальное значение периодической составляющей тока кз и ее значения в произвольный момент времени вплоть до размыкания поврежденной цепи;

• начальное значение апериодической составляющей тока кз и значение этой составляющей в произвольный момент времени вплоть до расчетного времени размыкания поврежденной цепи;

• ударный ток КЗ.

Для выбора параметров настройки РЗА определяют максимальные и минимальные значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ в начальный и произвольный моменты времени как в месте КЗ, так и в отдельных ветвях расчетной схемы.

Остановимся на определении некоторых величин, используемых при расчетах токов КЗ и выборе высоковольтных и низковольтных коммутационных аппаратов [24, 27]:

Ток в месте короткого замыкания - суммарный ток всех ветвей электроустановки, сходящихся в точке короткого замыкания.

Действующее значение тока короткого замыкания в электроустановке - среднее квадратическое значение тока короткого замыкания в электроустановке за период рабочей частоты, середина которого есть рассматриваемый момент времени.

Периодическая составляющая тока короткого замыкания - составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся по периодическому закону с рабочей частотой.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания в электроустановке - свободная составляющая тока короткого замыкания в электроустановке, изменяющаяся во времени без перемены знака. Значение апериодической составляющей в любой момент времени t

I_at = , (2.1)

Где Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Т_а = Х_K/ωR_K (2.2)

и ω = 2πf - угловая частота, (2.3)

f – частота в сети, Гц.

Действующее значение периодической составляющей тока КЗ – среднее квадратическое значение тока КЗ за период рабочей частоты, середина которого есть рассматриваемый период времени,

(2.4)

где I – действующее значение тока КЗ, I_пm – амплитуда периодической составляющей тока КЗ за рассматриваемый период.

Начальное действующее значение периодической составляющей (упрощенно - начальное значение периодической составляющей) тока КЗ I_п0 - условная величина, равная двойной амплитуде периодической составляющей тока короткого замыкания рабочей частоты в электроустановке в начальный момент времени, уменьшенной в раз.

¹ (2.5)

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания может быть также определено по формуле

, кА (2.6)

где - амплитудное значение напряжения сети, кВ, определяемое по номинальному напряжению U_HC сети, кВ, в которой произошло КЗ:

Z_Kрез - результирующее (эквивалентное) сопротивление сети относительно точки КЗ, приведенное к напряжению сети, в которой произошло КЗ, Ом;

Z_Kрез = (2.7)

α – начальная фаза короткого замыкания;

φ_К – фаза тока в момент к.з. Для высоковольтных сетей напряжением выше 10 кВ φ_К ≈ 90^о. Для низковольтных сетей φ_К определяется соотношением активной и реактивной составляющей результирующего сопротивления сети в точке КЗ. Если принять указанное значение φ_К, то будем иметь максимальную величину апериодической составляющей при нулевой фазе включения на к.з.

Установившийся ток КЗ I_K – значение тока КЗ после переходного процесса, характеризуемого затуханием всех свободных составляющих этого тока и прекращением изменения тока от воздействия устройств автоматического регулирования возбуждения источников питания сети. Действующее значение установившегося тока принято также обозначать I_∞. Эта величина рассчитывается для проверки на термическую стойкость шин, электрических аппаратов, кабелей и др.

Начальное значение апериодической составляющей тока КЗ – значение апериодической составляющей тока КЗ в начальный момент времени.

Ударный ток короткого замыкания i_y – наибольшее возможно мгновенное значение тока КЗ.

Отключаемый ток КЗ – ток КЗ в цепи в момент начала расхождения дугогасительных контактов ее коммутационного электрического аппарата.

Определение указанных параметров необходимо для правильного выбора и проверки токоведущих частей и коммутационных аппаратов СЭС на устойчивость к термическому и динамическому воздействиям токов КЗ, сохранение работоспособности системы после ликвидации КЗ, а также для выбора уставок срабатывания устройств релейной защиты и автоматики СЭС.

22 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.