§4. Переходные процессы, обусловленные особенностями технологии производства

Электротехнологические установки имеют ряд специфических особенностей, проявляющихся в большом разнообразии режимов работы и переходных процессов в СЭС предприятий вследствие резкопеременного, импульсного, несинусоидального и несимметричного характера нагрузки, изменения напряжения, появления электромагнитных полей в сетях и т. п.

Колебания напряжения вызываются резкопеременными и ударными нагрузками, которые характерны в первую очередь, для электродуговых сталеплавильных печей и электросварочных установок. Они также могут создаваться такими потребителями, как вентильные преобразователи прокатных станов, электротяговые установки и т. п.

Колебания напряжения – это изменение модуля напряжения, происходящее со скоростью не более 1% U_н в секунду.

Колебания напряжения влияют на работу светотехнических устройств, радио, телеаппаратуры, систем автоматики и управления, вычислительной техники и т. п.; приводят к ухудшению энергетических показателей работы электрооборудования и сетей к нежелательному изменению механических характеристик электродвигателей.

Рассмотрим особенности протекания переходных процессов при работе некоторых электротехнологических установок:

1) Электрические дуговые сталеплавильные печи характеризуются циклическим резкопеременным режимом работы, эксплуатационными КЗ, значительным числом отключений от сети по ходу плавки, связанных с технологическими операциями или с аварийными остановами.

Они создают ударный эффект, случайные колебания напряжения в сети, превышающие допустимые пределы. В виду случайного характера изменения параметров нагрузки дуговых печей и размахов колебаний напряжения, при их анализе и нормировании следует применять методы теории случайных процессов.

2) Электросварочные установки имеют импульсный характер графиков нагрузки, что приводит к появлению провалов в огибающей кривой напряжения, форма которой зависит от формы индивидуальных импульсов тока сварки.

Законы изменения провалов напряжения описываются зависимостями, определяемыми с помощью вероятностных методов.

Электросварочные установки создают также разнообразные колебания напряжения с максимальной частотой от 5-12 Гц. Режимы работы электросварочных установок регулируются с помощью тиристоров.

§5. Процессы, происходящие при коммутациях конденсаторных батарей

Конденсаторные батареи устанавливаются в узлах нагрузки сетей напряжением 6-110 кВ в основном для регулирования реактивной мощности, повышения устойчивости режимов, ограничения I_кз, регулирования напряжения.

Процессы коммутации конденсаторных батарей имеют специфические особенности: они сопровождаются изменением многих параметров режима, могут возникать толчки тока и перенапряжения, опасные для сетей и коммутационной аппаратуры, самих батарей.

При включении конденсаторных батарей - на токи промышленной частоты накладываются высокочастотные токи переходного режима. Еще большие броски тока возможны при параллельном включении конденсаторных батарей, такие токи специально ограничиваются реакторами.

Частые коммутации конденсаторных батарей (1-2 раза в сутки) приводят к увеличению вероятности отказа выключателя.

Для снижения скорости нарастания переходного тока, при наличии высокочастотных составляющих, включают реактор между выключателем и батареей.

Значения токов при отключении конденсаторной батареи зависит от мощности конденсаторной батареи, характеристик сети, а значения перенапряжений зависят от числа повторных зажиганий дуги во время перенапряжений.

Применение маломасляных выключателей снижает время горения дуги, а перенапряжения, повторный пробой или зажигание дуги – отсутствуют.

Применение заземляющих сопротивлений в нейтрали конденсаторной батареи может снизить перенапряжения при повторных зажиганиях и восстанавливающиеся напряжения на контактах выключателя на 15- 20 %.

31) Способы ограничения токов короткого замыкания Уровни токов КЗ и мощностей КЗ определяют выбор сечения шин, токопроводов, проводов, кабелей, отключающую и коммутационную способность аппаратов, электродинамическую и термическую стойкость токоведущих частей и конструкций оборудования.

Выбор электрооборудования с учетом токов КЗ, ведет к повышению его стоимостных показателей, и предъявляются более жесткие требования к его техническим характеристикам. Т.е. при проектировании СЭС решается технико - экономическая задача ограничения уровней токов КЗ до значений допустимых параметрами электрооборудования, которое должно быть целесообразным экономически.

Меры по ограничению токов КЗ направлены на:

1) увеличение сопротивления цепи КЗ;

2) локализацию в аварийном режиме источников её питания;

3. отключение поврежденной электрической сети за время t<(1/4f)=5мс при 50 Гц.

Применяются следующие методы:

1. Выбор структуры и схемы электрических соединений элементов СЭС;

2) Стационарное и автоматическое деление электрической сети;

3) Выбор режима эксплуатации сети;

4) Выбор схем питания СЭС;

5) Применение оборудования с повышенным электрическим сопротивлением;

6) Использование быстродействующих коммутационных аппаратов;

7) Изменение режима нейтрали элементов сети.

Структура и схемы электрических соединений элементов СЭС выбираются на стадии ее проектирования и реконструкции. В основу принимаемых решений должны быть положены следующие принципы:

а) раздельное питание узлов нагрузки от источников электроэнергии с обеспечением их параллельной работы; через связи в электросети и с использованием блочных соединений ”генератор – трансформатор – линия”;

б) разукрупнение приемных подстанций и поэтапное создание СЭС путем внедрения глубоких вводов ВН;

в) применение раздельной работы основных элементов СЭС - линий, трансформаторов;

г) применение раздельной работы основных элементов СЭС на всех ступенях распределения электроэнергии;

д) применение разомкнутых распределительных сетей и широкое внедрение в них токопроводов, шинных и кабельных магистральных линий;

Автоматическое деление сети используется во внешнем электроснабжении предприятий в сетях с напряжением 35 кВ и выше.

С

С ТЭЦ

Г₁ Г₂ Г_N

T₁

T₂

a

тационарное деление исходной схемы (рис.35) выполняют в нормальном режиме таким образом, чтобы максимальный уровень тока КЗ в конкретном узле нагрузки не превышал допустимый, по параметрам установленного электрооборудования (Рис.36, а)

Рис.35. Исходная схема для деления схемы сети

а)

б)

Рис.36. Деление схемы сети а) стационарное, б) автоматическое

Автоматическое деление сети осуществляется в аварийных режимах последовательной локализацией места КЗ. При КЗ в точке, (Рис.36, б) указанной на схеме, производится отключение части источников питания места повреждения (выключателем Qs2 или Qs3), а затем выключателем Qs1 отключается присоединение. Последовательное отключение источников питания цепи тока КЗ позволяет применять коммутационные аппараты с меньшей отключающей способностью.

Выбор режима эксплуатации сети, рекомендуется:

а) раздельная работа силовых трансформаторов ГПП и ТП;

б) секционирование;

в) разукрупнение подстанций;

Схемы питания СЭС при проектировании внешнего электроснабжения выбираются на основе фактической мощности КЗ от энергосистемы, требуемой степени надежности, состава и территориального размещения электроприемников.

Определяющим для уровней токов КЗ в СЭС является выбор схемы электросоединений ГПП, как узла связи между ЭЭС и распределительной сетью СЭС. Чем больше мощность понижающего трансформатора связи ЭЭС, тем больше токи КЗ на шинах ГПП, отсюда следует, что нужно разукрупнять по мощности подстанции СЭС или применять схемы электрических соединений, ограничивающие уровень токов КЗ на шинах НН (Рис.37):

Применение оборудования с повышенным электрическим сопротивлением предусматривает установку как общесетевых, так и специальных элементов. При проектировании СЭС можно целенаправленно выбирать элементы сети с большим реактивным и активным сопротивлениями, изменяя количество и мощность трансформаторов, применяя трансформаторы с повышенным относительным напряжением КЗ, ВЛ и токопроводы с увеличенным расстоянием между фазами, протяженные шинопроводы и т. п. К специальному электрооборудованию относятся трансформаторы и авто трансформаторы с расщепленными обмотками НН, одноцепные и сдвоенные реакторы, токоограничивающие устройства резонансного, трансформаторного и реакторно-вентильного типов, назначение которых – увеличивать сопротивление току, превышающему ток рабочего режима.

Токоограничивающее действие коммутационных аппаратов проявляется при быстродействии, соизмеримом с периодом изменения тока. При этом ограничивается воздействие по амплитуде и длительности отключения тока КЗ, уменьшается электродинамическое действие тока КЗ (время срабатывания таких аппаратов менее 5 мс)(Рис.38). Это могут быть:

1. 1) безинерционные предохранители;

2) тиристорные выключатели с принудительной коммутацией;

3) ограничители ударного тока взрывного действия;

2. 4) некоторые типы автоматов до 1 кВ.

Изменение режима нейтрали является весьма существенным фактором изменения значений токов КЗ, которые протекают в контурах проводники – земля.

Заземление нейтралей элементов через цепи с дополнительными сопротивлениями приводит к изменению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности.

Эту же цель достигают заменой автотрансформаторов в узловых точках сети трансформаторами такой же мощности с соединением фазных обмоток по схеме «звезда – звезда». Заземление нейтрали облегчает решение других важных задач проектирования (уровней изоляции, требований безопасности, уровней перенапряжений, надежности), но повышает значение тока КЗ на землю. По этому выбор и изменение режима нейтрали сети или ее элементов должны решаться комплексно путем технико-экономического обоснования.

32) Применение технических средств ограничения токов короткого замыкания Реализация различных способов ограничения токов КЗ, кроме принятия при проектировании и эксплуатации решений о структуре схем соединения элементов и режимов эксплуатации СЭС, предусматривает применение и специальных технических средств. Последнее представляет собой специальное электрооборудование, которое непосредственно, благодаря своему конструктивному исполнению, ограничивает значение или продолжительность воздействия тока КЗ либо используется в схемах соединения элементов, выполняющих в совокупности эту функцию. К таким средствам относятся:

• аппараты и устройства, реализующие автоматическое деление сети;

• силовые трансформаторы и автотрансформаторы с особым исполнением конструкции и с соединением фазных обмоток;

• токоограничивающие элементы и устройства;

• токоограничивающие коммутационные аппараты;

• устройства изменения режима работы нейтрали силовых трансформаторов.

Автоматическое деление сети реализуется с применением устройств противоаварийной автоматики и коммутационных аппаратов, устанавливаемых на мощных присоединениях, между секциями РУ и на вводах. Средства противоаварийной автоматики включают в себя релейную защиту, реагирующую на появление КЗ; устройства автоматического выполнения последовательного отключения коммутационных аппаратов, устройства АЧР, устройства АПВ и АВР). Эта система последовательного отключения токов КЗ должна обладать высокой надежностью и быстродействием.

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы могут создаваться с учетом необходимости ограничения токов КЗ. Для ограничения уровня мощности КЗ на шинах вторичного напряжения может быть использована конструктивная особенность трансформатора. Известно, что напряжение КЗ определяется номинальным напряжением и проходной мощностью трансформатора, которые обуславливают геометрические размеры его обмоток.

Для ограничения уровня мощности КЗ на шинах вторичного напряжения следует выбирать трансформаторы с повышенным для соответствующих обмоток напряжением КЗ, разукрупнять по мощности понижающие подстанции на связях с мощной ЭЭС, использовать раздельную работу трансформаторов.

Трансформаторы и автотрансформаторы могут выполняться с расщепленными обмотками НН. Части расщепленной обмотки размещаются симметрично относительно обмотки ВН, имеют самостоятельные выводы и допускают произвольное распределение нагрузки между обмотками. Ограничение мощности КЗ конструктивно достигается большим значением напряжения КЗ между частями расщепленной обмотки.

Для ограничения несимметричных токов КЗ существенную роль играет схема соединения фазных обмоток трансформаторов и автотрансформаторов. Так как в схеме замещения нулевой последовательности включается только те ветви, по которым циркулируют токи нулевой последовательности, то она не содержит участков электрической сети, находящихся за обмотками, соединенными в треугольник.

Токоограничивающие реакторы представляют собой дополнительные реактивные сопротивления, включаемые в различных точках электрической сети 6-220 кВ .

Их назначение – снижение токов КЗ за реактором и сохранение требуемого уровня остаточного напряжения в узловых точках сети перед реактором.

В зависимости от места включения (рис.39) различают:

а) реактирование присоединений;

б) реактирование вводов;

в) реактирование секций.

По схеме включения различают реакторы одноцепные и сдвоенные (расщепленные).

У сдвоенных реакторов имеется средний вывод обмотки.

Токоограничивающее действие реактора характеризуется его индуктивным сопротивлением и номинальным током.

Токоограничивающие коммутационные аппараты совмещают функции ограничения наибольших значений токов КЗ и защищены от воздействия сверхтоков на электроустановке путем их отключения. К ним относятся быстродействующие токоограничивающие предохранители, ограничители ударного тока и специальные автоматические выключатели на напряжение до 1кВ.

Токоограничивающие предохранители (в сетях до 35 кВ) обеспечивают защиту ЭУ при условии, что

,

где i_yожид – ожидаемый ток, который возник бы в сети при отсутствии в ней предохранителя

Как средство токоограничения предохранители сравнительно дешевы, просты, но имеют ряд недостатков: одноразовое использование плавкой вставки, ограниченный выбор по шкале плавких вставок и патронов, нестабильность токовременных характеристик, плохо совместимы с РЗ и А, и имеют недостаточную эксплуатационную надежность.

Степень токоограничения оценивается по коэффициенту ограничения:

Ограничители ударного тока как и предохранители являются коммутационными аппаратами одноразового действия. В них используется принцип отключения цепи взрывом токоведущего проводника пиропатроном. Сигнал на срабатывание ограничителя поступает от внешних устройств РЗ, контролирующих ток КЗ и его первую производную. Ток КЗ ограничивается за время около 0.5 мс при полном отключении сети за 5 мс.

Ограничители ударного тока применяются в сетях с большими токами на 0,66-35 кВ. В СЭС промышленных предприятий они могут быть использованы для:

1) шунтирования реакторов в нормальных рабочих режимах с целью снижения потерь напряжения и мощности.

2. осуществления параллельной работы в схемах коммутации с электрооборудованием, обладающим недостаточной стойкостью по параметрам КЗ.

3. построения схем питания особо ответственных потребителей, не допускающих перерывов в электроснабжении;

4. автоматического деления сети с двусторонним питанием;

5. разземления нейтрали силового трансформатора при больших токах КЗ на землю (Рис.40).

Автоматические выключатели, применяемые в сетях напряжением до 1 кВ, срабатывают при токах КЗ за время 0,2 – 0,6 с. Это время достаточно для обеспечения защиты электрооборудования от теплового воздействия токов КЗ, благодаря чему электрические сети, защищаемые такими выключателями на термическую стойкость не проверяются.

Известны конструкции специальных автоматических выключателей (токоограничивающие выключатели, выключатели с ограничителями) для снижения амплитуды тока КЗ в течение времени отключения. В них ограничение сверхтоков достигается быстрым введением в электрическую цепь больших сопротивлений. Для этой цели используется сопротивление электрической дуги, образующейся между размыкающимися контактами выключателя или в специальных элементах (ограничителях). Быстрое нарастание сопротивлений электрической дуги реализуется отбросом контактов выключателя под действием электродинамической силы, вызываемых протекающим током КЗ, или в результате срабатывания быстродействующих электромагнитных элементов. В ограничителях сопротивлением дуги уровень тока КЗ снижается до такого значения, при котором электрическую цепь может разомкнуть выключатель, работающий совместно с ограничителем.

Устройства, включаемые в цепь заземления нейтрали силовых элементов имеют различное назначение, так как режим нейтрали сети влияет на решение многих вопросов электроснабжения: облегчение условий работы релейной защиты; выбор класса рабочей изоляции проводников; снижение уровня атмосферных и коммутационных перенапряжений и др, а также вопросы ограничения наиболее распространенных (однофазных) КЗ на землю.

Режим работы нейтралей сетей в СЭС зависит от уровня напряжения, значения емкостных токов КЗ на землю, требований безопасности и рабочей среды предприятий.

Сети до 1 кВ работают с глухозаземленной нейтралью. В условиях рабочей среды, где определяющим фактором является требование электро- и взрывобезопасности сети до 1 кВ выполняют с изолированной нейтралью.

Сети 6-35 кВ – с изолированной нейтралью или заземленной через дугогасительные реакторы.

Сети 110 кВ и выше – с эффективно заземленной нейтралью (большие токи замыкания на землю)

Для ограничения токов КЗ на землю разземляют нейтраль части силовых трансформаторов (рис.41), включают в цепь нейтрали элементов сети реакторы с линейной характеристикой (рис.42,а), насыщающиеся реакторы (рис.42,б), дугогасящие реакторы и резисторы (рис.42,в).