Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет токов симметричных коротких замыканий в электрических системах. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
Д. В. АРМЕЕВ, А. П. ДОЛГОВ, В. М. ЗЫРЯНОВ
РАСЧЕТ ТОКОВ СИММЕТРИЧНЫХ
КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2023
УДК 621.317.1:621.3.064.1(075.8)
А833
Рецензенты:
канд. техн. наук А. С. Трофимов
канд. техн. наук А. К. Ландман
Работа подготовлена кафедрой автоматизированных
электроэнергетических систем для студентов,
обучающихся по направлению 13.03.02
«Электроэнергетика и электротехника»
Армеев Д. В.
А833 Расчет токов симметричных коротких замыканий в электри-
ческих системах: учебное пособие / Д. В. Армеев, А. П. Долгов,
В. М. Зырянов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. – 91 с.
ISBN 978-5-7782-4956-1
Пособие содержит теоретический материал, необходимый для решения задач по расчёту трёхфазных коротких замыканий в электрических системах. Приведены примеры решения типовых задач. Даётся
набор задач, достаточный для освоения базового уровня подготовки по
курсу «Переходные электромагнитные процессы в электрических системах».
УДК 621.317.1:621.3.064.1(075.8)
ISBN 978-5-7782-4956-1 © Армеев Д. В., Долгов А. П.,
Зырянов В. М., 2023
© Новосибирский государственный
технический университет, 2023
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЭС – электрическая система
РЗ и А – релейная защита и автоматика
СМ – синхронная машина
КЗ – короткое замыкание
()3
К – трехфазное симметричное короткое замыкание
()2
– двухфазное короткое замыкание
К
()1,1
К – двухфазное короткое замыкание на землю
()1
К – однофазное короткое замыкание
ЭДС – электродвижущая сила
K – коэффициент трансформации трансформатора
т
U
– средненоминальное напряжение
ср
U – напряжение основной ступени
осн
о.е. – относительная единица
, , , UISZ – базисные напряжение, ток, мощность, сопротивле-
бб б б
ние
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем пособии представлены теоретические материалы и задачи по курсу «Переходные процессы в электроэнергетических системах» (раздел Электромагнитные переходные процессы в электрических
системах), подготовленные к печати сотрудниками кафедры АЭЭС
НГТУ НЭТИ.
Учебное пособие обобщает ранее изданные кафедрой материалы
по отдельным разделам курса «Переходные процессы в электроэнергетических системах» (1997, 2009, 2011, 2014 гг.)
менения, а также использования аналогичных материалов других вузов.
Структура пособия включает две главы по тематике курса.
По мнению авторов, итогом освоения материала станет понимание
физической природы изучаемых явлений и умение решать практические
задачи с последующей инженерной оценкой правдоподобия полученных числовых ответов и решений. При этом
все происходит, крайне необходимо уметь отслеживать причинно-следственную связь изучаемых явлений и получаемых результатов. Образно
говоря – не только «как», но и «почему».
Авторы пособия благодарят рецензентов за их труд и, несомненно,
полезные замечания, а также выражают благодарность студентам
Ю.Р. Михальченко и А.М. Моисеевой
ническом редактировании рукописи.
Авторы обращаются ко всем пользователям пособия в надежде на
их конструктивные замечания и рекомендации.
за помощь в оформлении и тех-
с учетом опыта их при-
наряду с пониманием, как
Авторы
ГЛАВА 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ,
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ
При любом переходном процессе в той или иной мере происходит
изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса моментов на валу вращающихся машин, что ведет к изменению их относительной скорости вращения. Эти два процесса взаимосвязаны друг с другом и представляют единое целое. Однако благодаря
существенной механической инерции
стадия переходных процессов (первые доли секунд) характеризуется
преимущественно электромагнитными изменениями. Последующее
развитие процесса (секунды) связано с электромагнитными и механическими изменениями и носит название электромеханических переходных
процессов.
По этой причине условно принято разделять процессы, происходящие в электрических системах, на электромагнитные и электромеханические и изучать их последовательно
Переходные процессы возникают при переходе электрической системы (ЭС) от одного режима к другому.
Под режимом системы понимают совокупность процессов, характеризующих работу электрической системы и ее состояние в любой
момент.
Параметры режима – это напряжения, токи, мощности, частота
и т. д. Параметры режима связаны между собой параметрами системы.
Параметры системы (
енты трансформации, постоянные времени и т. п.).
это сопротивления, проводимости, коэффици-
вращающихся машин начальная
.
5
Принято различать несколько видов режимов электрических систем.
1. Нормальный установившийся режим – состояние системы, когда
параметры режима изменяются в небольших пределах, позволяющих
электрооборудованию длительно работать, выполняя свои заданные
функции и оставаться в исправном состоянии. Строго говоря, в системе
даже в установившемся режиме всегда непрерывно идет переходной
процесс, однако небольшие пределы изменения параметров
позволяют
считать их неизменными, а процесс установившимся.
2. Нормальные переходные режимы возникают при нормальной
эксплуатации системы (преднамеренных включениях и отключениях
каких-либо элементов системы, изменении нагрузки, несинхронном
включении синхронных машин (СМ) и т. п.). Изменения параметров режима при этом более значительны, но остаются в допустимых пределах,
чтобы считать процесс нормальным.
3. Аварийные режимы возникают в ЭС при таких возмущениях (авариях), как:
короткие замыкания;
•
•
внезапные отключения элементов ЭС;
повторные включения и отключения этих элементов;
•
несинхронные включения синхронных машин, форсировка или
•
гашение поля ротора;
неверная и неселективная работа релейной защиты и автоматики
•
(РЗ и А);
несимметрия в системе (например, отключение одной из трех фаз)
•
и т. п.
4. Послеаварийные установившиеся режимы наступают после
устранения возмущений, вызвавших аварию (например, после отключения поврежденного элемента ЭС). При этом параметры послеаварийного режима могут быть как близкими к параметрам нормального (исходного доаварийного) режима, так и значительно отличными от
них.
Аварийный процесс развивается в два этапа: начальная стадия (аварийный переходной процесс от доаварийного режима к аварийному)
и стадия установившегося аварийного режима, который переходным
процессом не является. Однако несмотря на это, в теории переходных
процессов рассматриваются обе стадии как представляющие непосредственную опасность для нормального функционирования ЭС.
Наиболее частая причина
, вызывающая в электрических системах
опасные аварийные переходные процессы, – короткое замыкание.
6
Под расчетом электромагнитного переходного процесса обычно понимают вычисление токов и напряжений в рассматриваемой схеме
и при заданных условиях. На основе расчета обычно решают следующие задачи:
сопоставление и выбор схем ЭС;
•
выявление условий работы потребителей при аварийных режи-
•
мах;
•
выбор силового оборудования, коммутационных аппаратов и про-
водников;
проектирование и настройка РЗ и А;
•
анализ аварий и т. д.
•
1.2. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных
процессов становятся короткие замыкания (КЗ).
Коротким замыканием называется не предусмотренное нормальными условиями эксплуатации замыкание между фазами или
между фазами и землей
. В системах с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю называется простым замыканием на землю.
Оно не вызывает больших токов и не называется коротким замыканием.
В местах замыкания часто образуется электрическая дуга, сопротивление которой имеет нелинейный характер. Учет влияния дуги на ток
КЗ представляет собой сложную задачу и
рассматривается отдельно.
Кроме сопротивления дуги в месте КЗ возникает переходное сопротивление, вызываемое загрязнением, наличием остатков изоляции и т. п.
В случае, когда переходное сопротивление и сопротивление дуги
малы, ими пренебрегают. Такое замыкание называют «металлическим».
Расчет максимально возможных токов проводится именно для «ме-
таллических» коротких замыканий.
ВИДЫ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
В электрических системах, работающих с заземленной нейтралью,
различают четыре вида КЗ (рис. 1.1).
Трехфазное
•
()3
К симметричное КЗ (средняя вероятность возникновения трехфазного короткого замыкания в электрической сети для
разных классов напряжений составляет 5 %).
7
• Двухфазное
• Однофазное
•
Двухфазное
(2)
К КЗ (вероятность 10 %).
(1)
К (вероятность 65 %).
(1. 1)
К КЗ на землю (вероятность 20.%).
Условные обозначения видов КЗ
Рис. 1.1. Обозначение видов короткого замыкания
Вероятность междуфазных замыканий уменьшается с повышением
напряжения сети. Это связано с увеличением междуфазного расстояния
(в среднем 0,7 м в сети 6–10 кВ, около 14 м в сети 500 кВ).
Тем не менее иногда в процессе развития аварии первоначальный
вид короткого замыкания переходит в другой, более сложный (например, однофазное КЗ – в двухфазное на землю).
Несимметричные КЗ, а также несимметричные нагрузки образуют
в системе поперечную несимметрию. Нарушение симметрии какоголибо промежуточного элемента трехфазной сети (например, отключение одной фазы линии электропередачи) вызывает продольную несимметрию. Повреждения, сопровождающиеся многократной несимметрией (например, обрыв фазы с ее коротким замыканием), называются
сложными.
В настоящем пособии рассмотрено трехфазное замыкание в
сети.
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Из всего многообразия причин возникновения КЗ можно выделить
несколько основных:
нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старе-
•
нием, загрязнением поверхности изоляторов, механическими повреждениями;
8
• механические повреждения элементов электрической сети (обрыв
провода линии электропередачи и т. п.);
перекрытие токоведущих частей животными и птицами;
•
ошибки персонала подстанций при проведении переключений;
•
преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей.
•
Преднамеренное КЗ как средство управления предусматривалось на
некоторых подстанциях невысоких классов напряжений с целью экономии выключателей. Специально созданное КЗ отключалось РЗ и выключателем на питающей подстанции и, как следствие, снимало напряжение
и прекращало электропередачу. Сейчас такая технология не применяется.
Уменьшение количества КЗ в электрических
системах связано
со строгим соблюдением Правил технической эксплуатации электроустановок и повышением качества продукции электротехнической промышленности.
ПОСЛЕДСТВИЯ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Можно выделить несколько возможных последствий КЗ.
1. Системная авария, вызванная нарушением устойчивости си-
стемы. Это наиболее опасное последствие, способное привести к значительному технико-экономическому ущербу.
2. Термическое повреждение электрооборудования, связанное с его
недопустимым нагревом токами КЗ.
3. Механическое повреждение электрооборудования, вызываемое
воздействием больших электромагнитных сил между токоведущими
частями.
4. Ухудшение условий работы
потребителей. При понижении
напряжения, например до 60…70 % от номинального, в течение 1 с
и более возможна остановка двигателей промышленных предприятий,
что, в свою очередь, может вызвать нарушение технологического процесса, приводящее к экономическому ущербу.
5. Наведение ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и оборудования, при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигна
-
лизации.
Наибольшая опасность при коротком замыкании угрожает элементам системы, прилегающим к месту его возникновения. В зависимости
от места и продолжительности КЗ его последствия могут иметь местный
характер (удаленное от источников питания КЗ) или отражаться
на функционировании всей системы.
9
ЦЕЛИ РАСЧЕТОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Результаты расчетов КЗ используются для различных целей, основные среди которых:
•
проектирование и настройка устройств релейной защиты и авто-
матики;
проектирование станций, подстанций; оценка и выбор схемы
•
электрических соединений сетей, в том числе выбор коммутационных
аппаратов, оборудования, проводников и их проверка по условиям электродинамической и термической стойкости и т. п.;
определение режимов работы ЭС (например, выбор числа зазем-
•
ленных нейтралей и их размещение в ЭС);
определение условий работы потребителей в аварийных режимах;
•
•
анализ аварий;
анализ электромагнитной совместимости.
•
ПОРЯДОК РАСЧЕТОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Расчет любого КЗ выполняют по одному несложному алгоритму:
1) составление схем замещения;
2) вычисление параметров элементов схемы замещения;
3) собственно расчет ПП (токов и напряжений для заданных условий).
Первоначально составляют
схему (или схемы) замещения (рис. 1.2).
Топология схемы замещения отличается от принципиальной тем, что на
ней в однолинейном изображении показываются только те элементы, по
которым возможно протекание аварийных токов или их составляющих.
Рис. 1.2. Составление схемы замещения
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]