2.4 Расчет токов короткого замыкания
Расчеты токов короткого замыкания (КЗ) производится для выбора или проверки параметров электрооборудования, а также для выбора или проверки уставок релейной защиты и автоматики. Основная цель расчета состоит в определении периодической составляющей тока КЗ для наиболее тяжелого режима работы сети. Учет апериодической составляющей производят приближенно, допуская при этом, что она имеет максимальное значение в рассматриваемой фазе. Расчет тока КЗ с учетом действительных характеристик и действительного режима работы всех элементов энергосистемы, состоящей из многих электрических станций и подстанций, весьма сложен. Вместе с тем для решения большинства задач, встречающихся на практике, можно ввести допущения. К таким опущениям относятся следующие:
все источники, участвующие в питании рассматриваемой точки КЗ, работают одновременно и с номинальной нагрузкой;
расчётное напряжение каждой ступени схемы электроснабжения принимается на 5 % выше номинального значения;
короткое замыкание наступает в момент времени, при котором ударный ток КЗ будет иметь наибольшее значение;
сопротивление места КЗ считается равным нулю;
не учитывается сдвиг по фазе ЭДС различных источников питания, входящих в расчётную схему;
не учитываются ёмкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушных и кабельных сетях;
не учитываются токи намагничивания трансформаторов;
напряжение источников питания остаются неизменным.
2.4.1 Расчетная схема установки
Под расчетной схемой установки понимают упрощенную однолинейную схему электроустановки с указанием всех элементов и их параметров, которые влияют на ток КЗ и поэтому должны быть учтены при выполнении расчетов.
Расчетная схема приведена на рис.2.1. На расчетной схеме электроустановки намечают точки, в которых предполагается КЗ.
Рис.
2.1 Расчетная схема
Составляем эквивалентную электрическую схему замещения.
2.4.2 Электрическая схема замещения
Схемой замещения называют электрическую схему, соответствующую по исходным данным расчетной схеме, но в которой все магнитные связи заменены электрическими. Схема замещения для расчета токов КЗ представлена на рис.3.1. Каждому сопротивлению в схеме присваивается свой порядковый номер, который сохраняется за данным сопротивлением в течение всего расчета. В схеме сопротивление имеет дробное обозначение, где числитель- номер сопротивления, знаменатель – численное значение сопротивления.
Рис. 3.1 Схема
замещения.
Базовую мощность Sб принимаем произвольно, равной 100 МВА.
Сопротивление системы Х1, по данным «Карелэнерго», равно 0,924
Исходной расчетной точкой при определении токов к.з. являются шины низкого (НН) рассматриваемой станции.
Для трехобмоточного трансформатора подставляют следующие значения:
;
;
где
(2.1)
Если напряжение КЗ какой-либо из обмоток получается равным нулю или принимается равным нулю, меньше нуля, то сопротивление соответствующей обмотки трансформатора найдем сопротивления трансформатора АТДЦТГУ-120000/220, находящегося на станции.
Uк.вн-нн = 11 % ; Uк.вн-сн = 45% ; Uк.сн-нн = 28 % ;
Сопротивление трансформатора Х2
,
(2.2)
где Xт %– относительное сопротивление трансформатора, определяемое через Uк – напряжение КЗ трансформатора SНОМ – номинальная мощность трансформаторов
АТДЦТГУ-120000/220 мощностью 120 МВА,
По формуле (2.2)
(в)
(н)
Сопротивление трансформатора Х3 .По формуле (2.2)
,
где Xт %– относительное сопротивление трансформатора, определяемое через Uк – напряжение КЗ трансформатора
ТДЦ-125000/220, равное 11 %;
SНОМ – номинальная мощность трансформаторов
ТДЦ-125000/220мощностью 125 МВА,
По формуле (2.2)
Сопротивление трансформаторов Х9,X10,X11 по формуле (2.2)
,
где Хт% - напряжение КЗ для трансформаторов ТС-750/10, равное 7,6 %;
Sном – номинальная мощность ТС-750/10, равное 0,75МВА.
Сопротивление трансформаторов Х12, Х13, Х14, Х15, Х16, Х17 по формуле (2.2)
,
где Х%т - напряжение КЗ для ТМ-630/10, равное 5,5 %;
Sном – номинальная мощность ТМ-630/10, равная 0, 63 МВА.
Сопротивление трансформаторов Х18, Х19 и Х20 по формуле (2.2)
,
где Хт% - напряжение КЗ для ТМ-250/10, равное 4,5 %;
Sном – номинальная мощность ТМ-250/10, равная 0,25 МВА.
Сопротивление генераторов Х4, Х5 и Х6
,
(2.3)
где Х”d – сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора ВГС 800/110-52, равное 0,19 о.е.;
Sном – номинальная мощность генератора, равная Рном/cosµ=35МВА.
По формуле (2.4)
.
Сопротивление реактора X8 и X7
(2.4)
где Xр- индуктивное сопротивление реактора, Ом (спр. материал)
Uср- среднее напряжение в месте установки реактора, кВ
РБАМ-10-400-3 для данного реактора, Xр=3Ом
Производим расчет токов КЗ
Произведем расчет токов КЗ в точке К1. Для этого необходимо определить результирующее сопротивление в этой точке КЗ. Ниже приведены схемы замещения для точки КЗ К1 (рисунок 3.2).
Рис. 3.2 Схема замещения для точки КЗ К1
Результирующее сопротивление Х6 и Х5 (рисунок 3.3)
Рис. 3.3
Результирующее сопротивление Х21 и Х3 (рисунок 3.4)
Рис. 3.4
Результирующее сопротивление Х22 и Х1 (рисунок 3.5)
X23=X22||X1
Рис. 3.5
Результирующее
сопротивление Х23,Х2 (рисунок 3.6)
(рисунок 3.6 )
Рис. Результирующее сопротивление Х24 и Х4 (рисунок 3.7)
X25=X24||X4
Рис.
3.7
Результирующее
сопротивление Х25,Х7,Х9 (рисунок 3.8 )
Рисунок 3.8
Базовый ток в точке короткого замыкания К1
,
(2.4)
где,
-базовое
значение тока при среднем напряжении
в точке КЗ
кА.
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ
,
(2.5)
где Е”х - электродвижущая сила системы, равная 1 ;
Хрез к1 – результирующее сопротивление в точке КЗ К1 , равное 11,39.
кА.
Ударный ток в точке короткого замыкания К1
,
(2.6)
где, ky – ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени затухания апериодической составляющей, равный 1,904 .
кА.
Произведем расчет токов короткого замыкания в точке К2. Для этого определяем результирующее сопротивление для данной точки.
(рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 – Схемы замещения для точки КЗ К2
Результирующее сопротивление Х24 и Х7и (рисунок 4.2)
Базовый ток в точке КЗ К2 по формуле (2.5) при среднем напряжении на стороне короткого замыкания, равном 10,5 кВ
кА.
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ в точке К2 по формуле (2.6)
Определим ударный ток в точке КЗ К2 по формуле (2.6)
кА.
Произведем
расчет токов короткого замыкания в
точке К3. Для этого необходимо определить
результирующее сопротивление в этой
точке К3. Ниже приведены схемы замещения
для точки К3 (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1
Результирующее сопротивление Х3 и Х4 (рисунок 5.2)
Рисунок 5.2
Результирующее сопротивление Х28 и Х1 (рисунок 5.3)
X29=X28||X1
Рисунок 5.3
Результирующее сопротивление Х29 и Х3 (рисунок 5.4)
Рисунок 5.4
Результирующее сопротивление Х6 и Х5 (рисунок 5.5)
Рисунок 5.5 - Схема замещения для точки КЗ К-3
Результирующее
сопротивление Х30 и Х21иХ8 (рисунок 5.6)
Базовый ток в точке короткого замыкания К3 по формуле (2.5) при среднем напряжении на стороне короткого замыкания, равном 10,5 кВ
кА.
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ в точке К3 по формуле (2.6)
Определим ударный ток в точке КЗ К3 по формуле (2.6)
кА.
Произведем расчет токов короткого замыкания в точке К4. Для этого определяем результирующее сопротивление для данной точки.
Рисунок 6.1
Рисунок 6.1 – Схемы замещения для точки КЗ К4
Результирующее сопротивление Х31 и Х11и (рисунок 4.2)
.
Базовый ток в точке короткого замыкания К4
, (2.4)
где, -базовое значение тока при среднем напряжении в точке КЗ
кА.
Начальное значение периодической составляющей тока КЗ
, (2.5)
где Е”х - электродвижущая сила системы, равная 1 ;
Хрез к1 – результирующее сопротивление в точке КЗ К1 , равное 11,39.
кА.
Ударный ток в точке короткого замыкания К4
, (2.6)
где, ky – ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени затухания апериодической составляющей, равный 1,904 .
кА.
Таблица 2.1-Данные расчетов токов КЗ .
-
Наименование
показателей
Точки КЗ
К1
К2
К3
К4
Ех
Хрез
IБ, кА
IП.О, кА
ky
iy, кА
1
10,74
144,5
13,4
1,904
36
1
0,64
5,5
8,6
1,904
23,2
1
0,29
5,5
18,5
1,904
50
1
10,4
144,5
13,8
1,904
37
2.5 Выбор электрических аппаратов и токоведущих частей
2.5.1 Выбор электрических аппаратов
К электрическим аппаратам относятся выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы напряжения и тока.
а) При выборе выключателей необходимо учесть 12 различных параметров, но, так как заводами-изготовителями гарантируется определенная зависимость параметров, например:
Iвкл,
ном ≥ Iотк,
ном; iвкл,
ном ≥ 1,8
Iотк,
ном
Выбор выключателей можно производить по главным параметрам:
- по отключающей способности;
- по напряжению установки Uуст ≤ Uном;
- по длительному току Iнорм ≤ Iном; Imax ≤ Iном.
Также осуществляется проверка:
- на термическую стойкость по тепловому импульсу тока КЗ Вк ≤ I²тер · tтер;
- на электродинамическую стойкость по предельным сквозным токам КЗ In,o ≤ Iдин; Iу ≤ Iдин.
Тепловой импульс квадратичного тока КЗ
,
(2.9)
где In,o – ток короткого замыкания в точке К3
tотк – полное время отключения короткого замыкания;
TА – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, равная 0,03с.
Полное время отключения КЗ
,
(2.10)
где tр,з – время действия резервной защиты в случае отказа основной, равное 1с (по условию селективности);
tотк,в – полное время отключения выключателя, равное 0,07с.
По формуле (2.9)
кА²·с.
Наибольший ток нормального режима для трансформатора
,
(2.11)
где Sном – номинальная мощность трансформатора.
Наибольший ток нормального режима для трансформаторов собственных нужд типа ТС-750/10 при Uном=10,5кВ
А.
Наибольший ток нормального режима для трансформаторов собственных нужд типа ТМ-630/10 при номинальном напряжении 10,5 кВ
А.
Наибольший ток нормального режима для трансформаторов обогрева решеток типа ТМ-250/10 при номинальном напряжении 10,5 кВ
А.
Наибольший ток ремонтного или послеаварийного режима трансформатора
,
(2.12)
где (1,3 : 1,4) – допустимая перегрузка трансформатора, принимаем равной 1,4.
Для трансформаторов обогрева решеток
А.
Для трансформаторов собственных нужд ТС-750/10
А.
Для трансформаторов собственных нужд типа ТМ-630/10
А.
Произведем выбор выключателей, используя данные таблицы 1 и расчеты приведенные выше.
Для присоединений трансформаторов собственных нужд подбираем вакуумный выключатель типа BB/TEL-10-20/1000 У2с номинальным током 1000А (рис 5.6).
Все расчетные данные и данные по каталогу сведены в таблицу2.2.
Рис 5.4 Вакуумный выключатель BB/TEL-10-20/1000 У2
Таблица 2.2 – Расчетные данные и данные по каталогу
Расчетные данные |
|
|
BB/TEL-10-20/1000 У2 |
||
Uуст=10кВ |
Uном=10кВ |
|
Генераторный выключатель Iмакс=1920А |
--- |
|
Собственные нужды ТМ-630/10 Iмакс=49А |
Iном=1000А |
|
Собственные нужды ТС-750/10 Iмакс=57А |
Iном=1000А |
|
Обогрева решеток Iмакс=20А
|
Iном=1000А |
|
In,o=18,5кА iy=50кА Bk=376кА²·с |
Iдин=51кА Iдин=51кА I²ter·tter=20²·3=1200кА²·с |
|
Эти выключатели являются выключателями нового поколения, в которых реализованы самые современные достижения в вакуумной коммутационной технике и электромеханике, позволившие создать аппараты наиболее высокого технического уровня, не требующие ремонта в течение всего срока службы.
Современным способом ограничения коммутационных перенапряжений считается установка нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).
б) Выбор трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения выбираются:
- по напряжению установки Uуст ≤ Uном;
- по конструкции и схеме соединения обмоток;
- по классу точности;
- по вторичной нагрузке S2∑ ≤ Sном;
где Sном – номинальная мощность в выбранном классе точности, при этом следует иметь в виду, что для однофазных трансформаторов, соединенных в Y, следует взять суммарную мощность всех трех фаз, а для соединенных по схеме открытого ∆ - удвоенную мощность одного трансформатора;
S2∑ - нагрузка всех измерительных приборов и реле, присоединенных к трансформатору напряжения (ТН), ВА.
Для выбора трансформатора напряжения необходимо знать его вторичную нагрузку. Подсчет нагрузки трансформатора напряжения приведен в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Вторичная нагрузка ТН
Прибор |
Тип |
S одной обмотки, ВА |
Число обмоток |
cosφ |
sinφ |
Число приборов |
Общая потребляемая мощность |
||
P,Вт |
Q,ВАР |
||||||||
Вольтметр |
Э-335 |
2 |
1 |
1 |
0 |
1 |
2 |
_ |
|
Ваттметр |
Д-335 |
1,5 |
2 |
1 |
0 |
2 |
6 |
_ |
|
Датчик активной мощности |
Е-829 |
10 |
_ |
1 |
0 |
1 |
10 |
_ |
|
Датчик реактивной мощности |
Е-830 |
10 |
_ |
1 |
0 |
1 |
10 |
_ |
|
Счетчик энергии |
Альфа А1800 |
3,6 |
_ |
1 |
0 |
1 |
2 |
_ |
|
Ваттметр регистрирующий |
H-348 |
10 |
2 |
1 |
0 |
1 |
20 |
_ |
|
Вольтметр регистрирующий |
H-344 |
10 |
1 |
1 |
0 |
1 |
10 |
_ |
|
Частотомер |
Э-372 |
3 |
1 |
1 |
0 |
2 |
6 |
_ |
|
Итого |
|
|
|
|
|
|
66 |
_ |
|
Определяем вторичную нагрузку трансформатора напряжения, пользуясь данными таблицы 2.3
,
(2.13)
ВА.
Выбираем трансформатор напряжения НАМИТ-10-2-УХЛ2.
Общие сведения.
Трансформатор напряжения антирезонансный типа НАМИТ-10-2 УХЛ2 (рис 6.1) предназначен для измерения напряжения и контроля изоляции в сетях 6 и 10 кВ с любым режимом заземления нейтрали, в котором используется схема защиты от феррорезонанса.
Структура условного обозначения.
НАМИТ-10-2 УХЛ2, Н - трансформатор напряжения;
А – антирезонансный,
М - с естественным масляным охлаждением;
И - для измерительных цепей,
Т - трехфазный;
10 - номинальное напряжение, кВ,
2 - конструктивный вариант;
УХЛ2 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ
Рис. 6.1 Трансформатор напряжения НАМИТ-10-2-УХЛ2
Технические характеристики ТН типа НАМИТ-10-2-УХЛ2:
- напряжение первичной обмотки U1ном=10кВ;
- напряжение основной вторичной обмотки Uвт =100В;
- напряжение дополнительной обмотки Uдоп =100√3В;
- класс точности приборов 0,5;
- номинальная мощность в классе точности 0,5 200 ВА.
Таким образом, трансформатор напряжения будет работать в выбранном классе точности 0,5.
Для соединения трансформатора напряжения с приборами принимаем контрольный кабель КВВГс сечением жил 2,5 мм² по условию механической прочности.
в) Выбор трансформаторов тока
Трансформатор тока предназначен для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, и так же для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения
Трансформаторы тока выбирают по:
- по напряжению установки Uуст ≤ Uном;
- по току Iнорм ≤ I1ном; Imax ≤ I1ном.
Номинальный ток должен быть как можно ближе к рабочему току установки, так как недогрузка первичной обмотки приводит к увеличению погрешностей;
- по конструкции и классу точности;
- по электродинамической стойкости iy ≤ Кэд√2I1ном,
где iy – ударный ток КЗ по расчету;
Кэд – кратность электродинамической стойкости по каталогу;
I1ном – номинальный первичный ток ТТ;
- по термической стойкости Bк≤ (КтI1ном)²tтер,
где Bк – тепловой импульс по расчету;
Кт – кратность термической стойкости по каталогу;
tтер – время термической стойкости по каталогу;
- по вторичной нагрузке Z2 ≤ Z2ном;
где Z2 – вторичная нагрузка трансформатора тока;
Z2ном – номинальная допустимая нагрузка трансформатора тока в выбранном классе точности.
Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому Z2 ≈ r2. Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов, соединительных проводов и переходного сопротивления контактов.
.
(2.14)
Сопротивление приборов определяется по выражению
,
(2.15)
где Sприб – мощность, потребляемая приборами;
I2 – вторичный номинальный ток прибора.
Мощность, потребляемая приборами, приведена в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Вторичная нагрузка трансформатора тока
Прибор |
Тип |
Нагрузка, В·А, фазы |
||
А |
В |
С |
||
Ваттметр |
Д-335 |
0,5 |
_ |
0,5 |
Варметр |
Д-335 |
0,5 |
_ |
0,5 |
Счетчик энергии |
Альфа А1800 |
0,12 |
0,12 |
0,12 |
Ваттметр регистрирующий |
H-348 |
10 |
_ |
10 |
Амперметр регистрирующий |
H-344 |
_ |
10 |
_ |
Итого |
|
11,12 |
10,12 |
11,12 |
Из таблицы 2.4 видно, что наиболее загружены трансформаторы тока фаз А и С. Общее сопротивление приборов по формуле (2.15)
Ом.
Сопротивление контактов при количестве приборов более трех принимается 0,1 Ом. Сопротивление соединительных проводов зависит от их длины и сечения. Чтобы ТТ работал в выбранном классе точности, необходимо выдержать условие
,
откуда
.
(2.16)
Допустимое сопротивление проводов
Ом
Зная rпр, можно определить сечение соединительных проводов
,
(2.17)
где ρ – удельное сопротивление провода с медными жилами, равное 0,0171;
lрасч – расчетная длина, принятая 40м.
мм²
(2.17)
По условию прочности для медных жил сечение не должно быть менее 4 мм² (согласно ПУЭ). Принимаем контрольный кабель АКРВГ с жилами сечением 4 мм² для вторичных цепей ТТ.
Принимаем трансформатор тока типа ТОЛ-10-1. Расчетные данные и данные по каталогу указаны в таблице 2.6 (расчетные данные взяты из п.2,4).
Рисунок 6.2 – Трансформатор тока типа ТОЛ-10-1
Таблица 2.6 – Расчетные данные и данные по каталогу
Расчетные данные |
Данные по каталогу |
Uуст=10кВ Imax=57А iy=50кА Bk=376кА²·с |
Uном=10кВ I1ном=200А iдин=51кА I²тер·tтер=31,5²·3=2900кА²·с |
г) Выбор предохранителей высокого напряжения для защиты трансформаторов напряжения типа НАМИТ-10-2-УХЛ2:
Выбор предохранителей производится:
- по напряжению установки Uуст ≤ Uном;
- по току I1max ≤ Iном;
- по конструкции и роду установки;
- по току отключения In,o ≤ Iотк,
где Iотк – предельный ток отключения.
Определяем максимальный ток вторичной обмотки ТН
,
(2.18)
где Sном – номинальная мощность НАМИТ-10-2 в выбранном классе точности, равная 200ВА;
Uвт – напряжение вторичной обмотки ТН, 100В.
А.
Определяем коэффициент трансформации
,
(2.19)
где Uуст – напряжение установки, 10,5кВ.
.
Максимальный ток первичной обмотки ТН
,
(2.20)
А.
Выбираем предохранитель типа ПКТН-10. Расчетные данные и данные по каталогу приведены в таблице 2.8.
Таблица 2.8 – Расчетные данные и данные по каталогу
Расчетные данные |
Данные по каталогу |
Uуст=10кВ I1max=120,75 In,o=18,5кА |
Uном=10кВ Iном=1000А Iотк=50кА |
Примечание к таблице 2.8:
- Iном – наибольший пик тока при отключении предельного тока КЗ (токоограничение);
- Iотк- предельный эффективный ток отключения.
Реконструкция распределительного устройства СБРУ-10кВ не предусматривает замену заземлителей, так как их данные соответствуют всем техническим требовани