книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник
.pdfКабельные линии обладают рядом преимуществ: недоступность для посторонних лиц, защищенность от грозовых поражений и воз действий ветра, гололеда, взрыво- и пожароопасной среды.
Наиболее распространены кабели на напряжение до 1000 В и до 10 кВ. Кабели на напряжение 35 и 110 кВ в нефтедобывающей промышленности практически не применяются.
Существуют различные типы кабелей с разными числами токопроводящих жил, конструкциями и материалами оболочек. Кон струкция трехжильного кабеля с секторными жилами на напряжения 1—10 кВ показана на рис. 1.11.
7777:г7777777777777777-
U — woo — |
|
1680 |
*• |
б |
|
Рис. 1.14. Прокладка кабелей в траншее (а) и в тоннеле (б). |
|
Для соединения кабелей напряжением 6—10 кВ |
со свинцовыми |
и алюминиевыми оболочками применяют свинцовые соединительные муфты (рис. 1.12), которые заливают кабельной массой и защищают от механических повреждений чугунной или пластмассовой оболочкой.
Оконцевание кабелей напряжением до 10 кВ в сухих отаплива емых и неотапливаемых помещениях осуществляетея с помощью стальных концевых воронок (рис. 1.13, а), сухих заделок полихлор виниловой лентой (рис. 1.13, б) и концевых заделок из эпоксидных смол. На открытом воздухе оконцевание этих кабелей производится с помощью концевых муфт с фарфоровыми изоляторами (рис. 1.13, в).
Кабели вне помещений прокладывают в траншеях (рис. 1.14, а), а при большом количестве кабелей для них делают специальные туннели (рис. 1.14, б).
На морских промыслах иногда прокладывают специальные кабели марки СК по дну моря. На берег эти кабели выводят в трубах, а на морские основания — по сваям оснований.
Однако, если позволяет трасса линии, на морских промыслах кабели прокладывают главным образом по эстакадам, что обеспечи вает большую надежность их по сравнению с подводными линиями ^
Кабели СК имеют строительную длину 500 м. Поэтому, если длина линии превышает эту величину, применяют подводные соединитель ные муфты. Однако таких соединений стараются избегать, для чего на море делают небольшие основания, на которых соединяют кабели в воздухе обычными муфтами.
Силовые кабели, прокладываемые в туннелях и внутри помеще ния (в каналах, непосредственно на стенах и др.), должны быть освобождены от наружного покрова из пряжи (джутовой оплетки) в Целях пожарной безопасности.
§ 6. ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Для выбора аппаратуры подстанций и РП, расчета защитных устройств, сечений соединительных проводов на подстанциях, а часто и проводов линий передачи необходимо знать возможные значения токов, протекающих при коротких замыканиях.
Короткое замыкание (к. з), под которым понимается соединение раз личных полюсов или фаз электрической цепи сопротивлением малой величины, нарушающее нормальные условия эксплуатации, может быть нескольких видов.
Для трехфазной системы различают следующие виды к. з.: трех фазное — все три фазы соединены накоротко в одной точке; двух фазное — соединены между собой две фазы; однофазное, при котором происходит замыкание между одной из фаз и нейтралью системы (землей — при заземленной нейтрали).
Могут быть и другие, более сложные виды короткого замыка-ния, приводящиеся в основном к перечисленным, например двухфазные замыкания в разных точках и др.
Трехфазное короткое замыкание называют симметричным, так как в этом случае сохраняются равенство токов различных фаз, сдвиг по фазе между этими токами и равенство фазовых напряжений.
Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушение изоляции токоведущих частей в результате старения изоляционных материалов или действия перенапряжений. Не иск лючены короткие замыкания из-за ошибочных операций персонала при управлении аппаратурой распределительных устройств, механи ческого повреждения изоляции, схлестывания и обрыва проводов воздушных линий, соединения неизолированных токоведущих частей посторонними предметами и т. п.
Сила тока к. з. определяется данными генераторов, питающих систему, и результирующим электрическим сопротивлением пути от генерирующих установок до места к. з., характеризующим «элек трическую удаленность» места к. з.
При трехфазном коротком замыкании на зажимах генератора или при небольшой «электрической удаленности» места к. з. от генератора изменения тока короткого замыкания будут характеризоваться кривыми, представленными на рис. 1.15. При возникновении к. з. начинается переходный процесс, в течение которого полный ток
короткого замыкания і к представляется суммой |
апериодической |
слагающей іа и периодической слагающей іп |
|
ік=і3 + іп. |
(1.23) |
Периодическая слагающая одинакова во всех трех фазах, апери одическая — имеет наибольшее начальное значение в той фазе, где напряжение в момент к. з. проходит через нуль. Так как активное сопротивление рассматриваемой цепи к. з. незначительно, а пре обладающим является индуктивное сопротивление, то моменту перехода напряжения через нуль отвечает максимальное значение
ныирешим |
|
процесс к.з. |
' сярежим |
КЗ. |
Рис. 1. |
15. Кривые |
изменения тока |
короткого замыкания. |
|
периодической слагающей тока к. з. і п . Если ток, предшествовавший моменту к. з., равен нулю, то в начальный момент (t = 0)
*кО= *п0 ~Т~ &а0 ~ |
0 и *п0= |
г'а0> |
если же протекал ток нагрузки і |
н 0 , то в этот момент |
|
На рис. 1.15 показан ток в той фазе, в которой іа имеет наиболь шее начальное значение.
Апериодическая слагающая затухает по экспоненциальному за
кону |
|
іа = іаоЄ L , |
(1.24) |
где е — основание натуральных логарифмов; |
t — время; г и L — |
соответственно активное сопротивление и индуктивность цепи корот кого замыкания (в машине L — та индуктивность, которая опре деляется потоком рассеяния).
Апериодическая слагающая практически полностью затухает через 6—10 периодов, т. е. при частоте 50 Гц, через 0,12—0,2 с.
Периодическая слагающая изменяется гармонически в соответ ствии с выражением
*п = - ^ 8 І п ( < о Н - ^ - ф к ) , |
(1.25) |
где Етах — амплитуда э. д. с. генератора, питающего кброткозамкнутую цепь; т|з — начальная фаза э. д. с. е в момент короткого замыкания, равная нулю, если е проходит при t = 0 через нуль;
фк = arctg |
•— угол сдвига фаз между током к. з. и |
э. д. с., |
близкий к 90°; z — полное сопротивление. |
периода |
|
Величина |
Етах после возникновения к. з. убывает от |
|
к периоду вследствие увеличения потока реакции якоря в генера торе, направленного почти прямо противоположно основному маг нитному потоку машины из-за фк ^ 90°. Поэтому убывают ампли туды периодической слагающей тока к. з. Это продолжается до тех пор, пока не вступает в работу автоматический регулятор напря жения (АРН), который при снижении напряжения увеличивает ток возбуждения генератора, увеличивая Етах (линия А на рис. 1.15). Вли яние АРН практически начинает сказываться через 0,25 —0,3 с после начала короткого замыкания и приводит к увеличению периодической слагающей тока к. з. Через 3—5 с после возникновения короткого замыкания заканчивается переходный процесс, устанавливаются неизменный результирующий магнитный поток в зазоре машины и периодическая слагающая тока к. з. постоянной амплитуды. Про цесс короткого замыкания переходит в установившийся.
Полный ток к. з. имеет наибольшее мгновенное значение iy через 1 / 2 периода (Г/2) от момента возникновения короткого замыкания, представляющее собой сумму максимального значения периодиче
ской слагающей I n т а х |
и |
апериодической слагающей в момент t = |
||
= \ |
= 0,01 с |
|
|
|
|
|
|
0,01 |
(1.26) |
|
їу — |
-^п max~f~ &аое Г^ ~ Ку^-п max- |
||
іу |
называется ударным током к. з., а Ку—ударным |
коэффициентом. |
||
Предельные значения |
Ку, |
равные 1 и 2, соответствуют предельным |
||
значениям L = 0 и г = 0. |
|
|
||
При коротких замыканиях вблизи генератора (при малых актив ных сопротивлениях цепи) принимают Ку — 1,8.
Начальное (действующее) значение периодической слагающей тока короткого замыкания принято называть сверхпереходным током, и обозначать символом / "
TIT |
In max |
|
Тогда |
VI |
' |
|
(1.27) |
|
іу = Ку\Ґ2І". |
||
3 Заказ 2166 |
33 |
Ток установившегося режима принято называть установившимся током к. з. и обозначать символом 1^ (действующее значение).
Наибольшее действующее значение полного тока короткого замы кания / у имеет место в первый период после возникновения к. 3. Оно определяется обычно с допущением, что амплитуды периоди ческой слагающей в обе половины первого периода одинаковы и апе риодическая слагающая за первый период не изменяет своей вели чины и принимается равной ее значению в момент времени, рав ный 772.
При этом |
|
Так как |
|
TO |
(1.28) |
/ у = / " j / l + 2 ( t f y - l ) 2 . |
При ЛГу = 1,8 Iy = 1,52/".
Для вычисления тока короткого замыкания в сетях напряжением выше 1000 В необходимо знать параметры (сопротивления) генера торов, трансформаторов, линий передачи и других элементов цепи
к.з.
При вычислении тока к. з. обычно используются расчетные кри
вые, которые дают относительные величины действующего значения периодической слагающей тока к. з. непосредственно в точке к. з. в разные моменты переходного режима в зависимости от результиру ющего сопротивления цепи короткого замыкания [2].
Когда потребители присоединяются к системе через понижающий трансформатор относительно небольшой мощности, ее сопротивление до зажимов трансформатора можно считать равным нулю. При этом напряжение на стороне высшего напряжения трансформатора при коротком замыкании на вторичной стороне можно считать неизмен ным, а периодическая слагающая тока к. з. будет иметь неизменное
действующее значение во время короткого замыкания, т. е. |
|
||
I " = Т |
—Г |
к- |
|
1 — 1 оо — 1 |
|
||
Сила тока к. з. для такого случая |
|
|
|
1к = 1« — |
=— |
= — > |
(1.29) |
где 1Н — номинальный ток в A; |
UH — среднее номинальное напря |
||
жение в В; цк и и*к — напряжение короткого замыкания трансформа тора соответственно в вольтах и в долях от номинального; zT — со противление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, в Ом.
Для уменьшения токов к. з. применяют такие схемы сети и ре жимы ее работы, при которых суммарное сопротивление сети от гене-
рирующих источников до рассматриваемой точки возможного к. з. было - бы достаточно большим, например раздельная работа источ ников энергии (трансформаторов, генераторов) на разъединенные друг от друга в нормальных условиях секции шин.
В сетях напряжением выше 1000 В иногда включают специальные индуктивные катушки-реакторы, искусственно повышающие сопро тивление цепи к. з. Их устанавливают на отходящих линиях станций или трансформаторных подстанций.
Реакторы кроме снижения тока при коротком замыкании на линии за реактором обеспечивают в ряде случаев остаточное напряжение на шинах, достаточное для работы потребителей, питаемых осталь ными линиями. При коротком замыкании на линии без реактора напряжение на шинах, равное потере напряжения в линии, может быть очень малым. Если на линии установлен реактор, остаточное напряжение на шинах, равное сумме потерь напряжения в линии и реакторе, имеет значительную величину.
Потери мощности в обмотках реактора невелики и составляют 0,2—0,3% от пропускаемой им мощности.
Токоограничивающие установки со стороны высшего напряжения трансформаторов при коротких замыканиях в сети низшего напря жения до 1000 В малоэффективны, так как сила тока к. з. здесь в основном определяется сопротивлением питающего трансформа тора.
Для уменьшения силы тока к. з. в сети напряжением до 1000 В снижают единичную мощность трансформаторов, питающих эти сети, так как с уменьшением последней возрастает сопротивление транс форматора. Единичную мощность трансформаторов со вторичным напряжением 0,4 кВ принимают не более 1600 кВА.
Возможно снижение токов к. з. за счет применения токоограничителей, в качестве которых могут быть использованы быстродей ствующие предохранители типа ПНБ-5 с кварцевым песком. Они отключают цепь за несколько миллисекунд, так что ток короткого замыкания не успевает достичь своего наибольшего значения, которое имело бы место при отсутствии предохранителей.
Термические и электродинамические действия тока к. з.
При протекании тока к. з. через проводники последние интен сивно нагреваются. Начальная амплитуда тока короткого замыка ния, имеющая очень большое значение, вызывает значительные механические усилия в проводниках и крепящих их конструкциях.
Правильно выбранные провода и аппараты должны обладать достаточной устойчивостью против термического и электродинами ческого действия тока к. з.
Ввиду небольшой продолжительности нагрева током к. з. для токоведущих частей допускают при этом максимальные температуры, намного превышающие длительную температуру, устанавливаемую для работы при нагрузке рабочим током. В частности, для медных
3* |
35 |
шин наибольшая допустимая температура 300° С, для алюминиевых шин и голых проводов при тяжений менее 9,81 Н/мм2 200° С; для остальных шин, не имеющих непосредственного соединения с аппа ратами, 400° С, для кабелей до 10 кВ с бумажной пропитанной изоля цией 200° С.
При определении температуры нагрева током к. з. в силу кратко временности протекания тока принимают, что все выделенное им тепло идет на повышение температуры проводника.
Нагрев проводника за время t протекания тока к. з. ік пропорци
онален } i«dt. Нахождение этого интеграла затруднено, так как
изменение тока к. з. по времени не может быть выражено простой функцией. Практически ток неустановившегося режима заменяют током с постоянным действующим значением — установившимся током к. з. / „ о . Но при этом берут не действительное время протека ния тока к. з. t, а приведенное время tn. Предполагается, что в тече ние приведенного времени установившийся ток к. з. должен выде лить такое же количество тепла, какое выделяет фактически изменя ющийся ток к. з. за действительное время t, т. е.
t |
(1.30) |
^dt = Pmtn. |
о
Приведенное время находят как сумму
*п — ^п. п ~~Мл. ai |
(1-31) |
где tn п и t„ а — соответственно слагающие приведенного времени, соответствующие периодической и апериодической слагающим тока к. з.
Величина tn п может быть найдена по кривым рис. 1.16. На оси
абсцисс отложены значения 8" — -— , и для разных значений
і со
действительного времени t построены кривые, по которым для дан ного 6" на оси ординат находят слагающую приведенного вре мени tn п.
Величина tn а определяется из выражения |
(1.32) |
|
гп .а = |
0,05В"2. |
|
Сечение проводника q (мм2) |
из условий допустимого |
нагрева |
при протекании тока к. з. (А) равно
4» и Л»0 находят по кривым рис. 1.17, Л»0 определяют для темпе ратуры ф0 , соответствующей рабочей температуре проводника, А$ — для температуры ф, допустимой при нагреве током к. з.
Наибольшее механическое усилие, возникающее между шинами (проводами), определяется ударным током к. з.
Сила F (Н/см) взаимодействия между двумя параллельными проводниками бесконечно большой длины, имеющими малое сечение по сравнению с расстоянием между ними, отнесенная к единице длины, выражается
F = 0 ^ i 2 _ t |
( 1 3 4 ) |
где j j и i 2 — силы токов, протекающих соответственно в одном и дру гом проводнике, в кА; а — расстояние между осями проводников в см.
Рис. 1.16. Кривые для опреде- |
Рис. 1.17. Кривые |
для определения тем- |
леиия tilm п . |
пературы нагрева токоведущих частей то |
|
|
ком |
к. з. |
Если поперечные размеры проводников значительны по отноше нию к расстоянию между ними, то в выражение (1.34) должен быть внесен поправочный коэффициент.
В трехфазной системе при расположении проводов в одной пло
скости наибольшая электродинамическая сила |
действует на сред |
||
ний провод и на единицу длины |
|
|
|
О 2 |
Г і ( 8 |
) 1 2 |
|
^max = ' |
/ |
0,866 (Н/СМ). |
(1.35) |
Здесь і — ударный ток трехфазного короткого замыкания в кА. Коэффициент 0,866 учитывает сдвиг во времени между максималь ными значениями тока разных фаз.
Контрольные вопросы к главе 1
1.От каких источников электроэнергии питаются потребители нефтяных промыслов?
2.Назовите категории электроприемников по степени необходи мой бесперебойности электроснабжения.
3. Какие основные коэффициенты, характеризующие график на грузки, используются для определения расчетных нагрузок?
4. Чем отличаются магистральные схемы электрических сетей от радиальных и каковы преимущества и недостатки обоих видов сетей?
5.Каковы принципы расчетов: экономического, по условиям нагрева и по потере напряжения при выборе сечений проводов элек трических линий?
6.Перечислите основные конструктивные элементы электриче ских линий.
7.Для какой цели необходимо знать значения тока к. з., какие виды коротких замыканий различают в трехфазных системах?
8.Какие значения тока к. з. обычно необходимо знать для вы бора аппаратуры?
9.Какие меры принимаются для ограничения силы тока к. з.?
10.В чем заключается особенность расчетов проводников по условиям нагрева под действием тока к. з.?
Глава 2
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ УСТАНОВОК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
На рис. 2.1 показан возможный вариант принципиальной схемы электрических соединений главных цепей понизительной потреби тельской трансформаторной подстанции (ТП), по которым энергия передается из сети переменного тока высшего напряжения Ux в сеть низшего напряжения V\. Трехфазный переменный ток напряже ния U1 от питающих линий передачи поступает на сборные шины через вводы высокого напряжения 1. Для отключения линий пере дачи от сборных шин на вводах установлены выключатели высокого напряжения ВВН и разъединители Р. От сборных шин напряже ния иг отходят линии к трансформаторам 2.
Со стороны напряжения С/2 каждый трансформатор соединен со сборными шинами низшего напряжения через разъединитель Р. От этих шин отходят линии 3 к потребителям, снабженные разъеди нителями Р и автоматическими выключателями А В при напряже нии U2, не превышающем 1000 В. Если U2 > 1000 В, то в линиях 3 устанавливаются, как и на вводах 1, выключающие аппараты ВВН и Р. На рис. 2.1 показаны также основные цепи источника перемен ного напряжения до 1000 В, питающего потребителей собственных нужд подстанции (электроосвещение, защита и сигнализация, вен тиляция и др.). В качестве такого источника при Z72 > 1000 В ис пользуется специальный трансформатор собственных нужд 4, кото рый подключается первичной обмоткой к шинам напряжения 17г или U2. Трансформатор собственных нужд может резервироваться вводом низкого напряжения 5 от другой подстанции либо вторым таким же трансформатором.
В ряде случаев для питания потребителей собственных нужд, работающих на постоянном токе, предусматриваются выпрямитель ные устройства, преобразующие переменный ток в постоянный, либо аккумуляторная батарея 6 с зарядным выпрямителем 7.
Комплекс электрического оборудования понизительной подстан ции может быть разделен на следующие элементы:
распределительное устройство высшего напряжения для приема на сборные шины энергии от питающих линий и распределения ее