&_БАКАЛАВТАМ_(Эл.маг.)_[2014] / УП_ЛК_(Эл. маг.-УКОРОЧЕННЫЙ- Гл. 1-10)_[2008]

Поскольку в схемах прямой и обратной последовательностей емкостные сопротивления ВЛ ( xС 1 , xС 2 ) зашунтированы малыми сопро-

тивлениями трансформатора ( xТ1 xТ2 0 ), то это позволяет принять x1 x2 0 . Считая реактор в нейтрали трансформатора отсутствующим (показан пунктиром), имеем: x0 xС0 .

При принятых условиях в соответствии с соотношениями (7.16) и (7.17) ток при металлическом замыкании на землю будет определяться выражением:

где xС0 – результирующее емкостное сопротивление нулевой после-

довательности воздушных и кабельных линий, электрически связанных с точкой замыкания; U ф – среднее фазное напряжение ступени КЗ.

Как следует из (9.1), ток простого замыкания равен утроенной величине емкостного тока одной фазы в нормальных условиях. По этой причине распределительные сети 6 – 35 кВ называются сетями с малыми токами замыкания.

В практических расчетах возможна грубая оценка величины тока замыкания на землю по выражению:

где U ср. ном – среднее номинальное напряжение ступени КЗ, кВ;

N – коэффициент, принимаемый для воздушных линий равным 350, для кабельных – 10; L – суммарная длина воздушных или кабельных линий, электрически связанных с точкой замыкания на землю, км.

Отметим, что величина тока замыкания практически не зависит от места замыкания и определяется суммарным сопротивлением (длиной) линий, электрически связанных с точкой замыкания.

Для симметричных составляющих напряжений в соответствии с принятыми допущениями имеем:

На рис. 9.3 приведены векторные диаграммы напряжений и токов в месте простого замыкания на землю фазы А. Они построены c учетом ранее принятых допущений, при которых:

напряжений нормального режима. Геометрическая сумма этих векторов с вектором нулевой последовательности дают фазные напряжения Как следует из диаграммы, в режиме КЗ фазные напряжения неповрежденных фаз В и С увеличиваются в 3 раз, принимая значения межфазного напряжения. При этом треугольник линейных напряжений остается без изменений, как и в нормальном режиме, и перемещается в соответствии с перемещением центра тяжести, положение которого определяется напряжением нулевой последовательности. Благодаря неизменности треугольника линейных напряжений и возможен длительный эксплуатационный режим при простом замыкании.

Рис. 9.3. Векторные диаграммы напряжений и токов в месте простого замыкания на землю

Емкостные токи здоровых фаз опережают их напряжения на 900 (рис. 9.3) и по модулю определяются так

I B I C 3U фωС0 .

Ток земли представляет их геометрическую сумму и соответствует выражению (9.1).

152

9.3. КОМПЕНСАЦИЯ ЕМКОСТНОГО ТОКА ПРОСТОГО ЗАМЫКАНИЯ

При небольшой протяженности воздушных и кабельных линий ток замыкания фазы на землю в сетях 3 – 20 кВ составляет несколько ампер. Дуга при этих условиях оказывается неустойчивой и гаснет самостоятельно. Увеличение напряжения и протяженности сети приводят к росту тока замыкания на землю до десятков и сотен ампер. Дуга при таких токах может гореть длительно и переходить на соседние фазы, превращая однофазное замыкание в двух – или трехфазное. Надежная ликвидация дуги достигается за счет компенсации емкостного тока замыкания на землю посредством заземления нейтрали трансформатора через индуктивную катушку (показана пунктиром на схеме рис. 9.2). Величина индуктивности такой катушки выбирается так, чтобы в схеме нулевой последовательности возник резонанс токов. При этом x0 = ,

что приводит к полному исчезновению тока замыкания на землю. Пренебрегая индуктивными сопротивлениями трансформатора и линии, находим, что резонанс наступает при xР xC0Σ 3. Благодаря реакто-

рам ток однофазного замыкания снижается в десятки раз, что вполне достаточно для погасания дуги в месте замыкания.

В нормальном режиме сети из-за несимметрии фаз ВЛ всегда имеется небольшое смещение нейтрали, т. е. потенциал нейтрали отличен от нуля. Это смещение составляет 3 – 4 % фазного напряжения, что не представляет опасности. При включении дугогасящего реактора в нейтраль ее потенциал может существенно увеличиться. Для пояснения этого фактора обратимся к однолинейной схеме замещения сети, принципиальная схема которой представлена на рис. 9.4, а.

Рис. 9.4 К определению потенциала нейтрали: а – трехлинейная и

б – эквивалентная схема замещения

153

Таблица 9.1.

Допустимые токи и приближенная протяженность линий, соответствующая им

Пример 9.1. Определить ток при простом металлическом замыкании на землю в сети 37 кВ, имеющей воздушные линии (ВЛ) общей протяженностью 200 км.

ВЛ: провод марки АС-95; расположение проводов по вершинам треугольника с расстояниями (м) d AB = 4.06, d AC = 3.5, d BC = 3.09;

высота подвеса проводов hA hC 8, hB 11. При заданных параметрах линии находим:

радиус провода r = 6.75 10-3 м;

– среднее геометрическое расстояние между проводами

Dср 34.06 3.5 3.09 3. 53 м;

– средний геометрический радиус системы трех проводов

Rcp 36. 75 10 3 3. 532 0. 44 м;

– среднее расстояние проводов А, В и С до их зеркальных отражений относительно земли

– и соответственно всей сети

xC0Σ 636 103 3180 Ом. 200

Искомый ток замыкания на землю по выражению (9.1) составляет:

155

и по приближенному выражению

В данном случае для полной компенсации тока замыкания на землю необходимо в нейтраль обмотки 37 кВ трансформатора включить катушку с индуктивным сопротивлением

xL 3180 1060 Ом. 3

9.4. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В УСТАНОВКАХ ДО 1000 В

Достоверность расчетов токов короткого замыкания в электроустановках напряжением до 1000 В зависит главным образом от того, насколько правильно оценены и полно учтены все сопротивления короткозамкнутой цепи. Ниже отражены наиболее характерные особенности, подлежащие учету при расчете режима КЗ.

1. На величину тока КЗ существенно влияют активные и реактивные сопротивления таких элементов цепи как:

шин, кабелей и проводов длиной 10 м и более;

токовых катушек расцепителей автоматических выключателей;

первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока. Эти данные приведены в справочнике [8].

2.Переходные сопротивления подвижных контактов коммутационных аппаратов (автоматических выключателей, рубильников, разъединителей) так же оказывают ощутимое влияние на ток КЗ. Учет суммарного сопротивления подвижных контактов осуществляется приближенно посредством введения в схему дополнительного активного со-

противления. Его значение изменяется в пределах 0,015 0,03 Ом и зависит от удаленности КЗ от шин питающей подстанции. Рекомендуются следующие значения переходного сопротивления:

для распределительных устройств (РУ) подстанций – 0,015 Ом;

для первичных цеховых распределительных пунктов

(РП) –0,02 Ом;

для вторичных цеховых РП – 0,025 Ом;

156

для КЗ непосредственно у электроприемников, получающих питание от вторичных РП – 0,03 Ом.

3.В силу значительной удаленности сетей до 1000 В от системных источников питания напряжение на высшей стороне питающих трансформаторов 6/0.4; 10/0.4 кВ можно принимать неизменным, считая сопротивление внешней сети ( xс ) равным нулю.

4.Асинхронные электродвигатели, подключенные к узлу сети, в котором произошло КЗ, или незначительно электрически удалены от не-

го, в схемах замещения учитываются активно – индуктивным сопротивлением и ЭДС, равной Е 0.9U ном . При отсутствии каталожных дан-

ных сопротивления двигателей (мОм) определяются по эмпирическим выражениям:

пускового тока.

Подпитка точки КЗ электродвигателями учитывается при условии, что их суммарная мощность составляет более 20 % номинальной мощности питающего трансформатора.

5. В большинстве случаев в месте короткого замыкания возникает электрическая дуга, снижающая ток КЗ. Дуга учитывается активным сопротивлением; носит вероятностный характер и существенно усложняет расчет [14]. В тех случаях, когда требуется повышенная надежность установки, расчет режима короткого замыкания осуществляется без учета сопротивления дуги. Аналогично поступают, когда завышенная величина токов короткого замыкания не меняет по существу технического решения.

6. Питание электроустановок до 1000 В осуществляется по радиальной схеме от трансформатора, у которого нейтраль обмотки низкого напряжения заземлена по условиям техники безопасности. Ток трехфазного короткого замыкания в рассматриваемых установках всегда больше тока однофазного КЗ. По току трехфазного короткого замыкания осуществляется выбор и проверка электротехнической аппаратуры; по току однофазного короткого замыкания – настройка защиты от замыканий на землю.

Начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ рассчитывается по выражениям:

157

при трехфазном КЗ

для двухфазного КЗ

I K2 0. 87I K3 .

Здесь Uср.ном – среднее номинальное напряжение ступени сети, в которой произошло короткое замыкание, кВ;

r1 , x1 , r0 , x0 – суммарные сопротивления прямой и ну-

левой последовательностей (мОм) относительно точки КЗ.

Ударный ток от источника питания определяется по выражению iy 2I пK y .

При коротком замыкании на низкой стороне распределительного устройства комплектной трансформаторной подстанции принимают:

K y = 1.3 и K y = 1 для всех остальных случаев, в том числе и от двигателей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключаются особенности переходных процессов в сетях

сизолированной нейтралью?

2.Почему однофазное КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью может приниматься как «рабочий режим»?

3.Чем обусловлен тепловой спад тока короткого замыкания и при каких условиях необходим его учет?

4.Когда необходима компенсация тока однофазного короткого замыкания на землю и как она осуществляется?

5.При какой величине мощности двигательной нагрузки необходим её учет в электроустановках до 1000 В?

6.В силу чего при K (1) в сетях с изолированной нейтралью можно пренебречь активно – индуктивным сопротивлением элементов схемы замещения?

158

Гл а в а 1 0

ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

10.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Токи короткого замыкания оказывают негативное влияние на электротехническую аппаратуру. Оно проявляется в виде:

электродинамического воздействия, которое пропорционально ударному току КЗ;

термического воздействия, которое оценивается по тепловому

импульсу Вк I п2tоткл , где tоткл – определяется временем действия средств релейной защиты ( tр з ) и собственным временем отключения коммутационной аппаратуры ( tк а ).

Снижение опасного воздействия КЗ сводится как к снижению уровня тока короткого замыкания, так и продолжительности его существования.

Анализ динамики статистических данных энергосистем по уровню токов КЗ [3] позволяет сделать следующие выводы:

1. Максимальные значения токов КЗ в сетях напряжением U 35 кВ постоянно растут. Это вызвано развитием сети – вводом в

эксплуатацию новых линий электропередачи и трансформаторов, что уменьшает суммарное сопротивление короткозамкнутой цепи: источник

–точка КЗ.

2.В сетях напряжением 110 кВ ток однофазного КЗ практически равен току трехфазного. В сетях 220 кВ и выше токи однофазного КЗ превосходят токи трехфазного. Это обусловлено малыми значениями суммарного сопротивления нулевой последовательности, которое существенно зависит от числа и мест расположения заземленных нейтралей. Росту токов однофазного КЗ способствует ввод блоков турбогенераторов большой мощности (300 – 800 МВт), которые требуют, как правило, заземления нейтралей блочных трансформаторов. Тот же эффект дает широкое использование силовых автотрансформаторов, работающих с заземленными нейтралями. Частота однофазных КЗ существенно превышает трехфазные, что в указанных условиях усложняет работу выключателей и сокращает их ресурс.

Всвязи с ростом уровней токов КЗ в последние годы стали весьма актуальными вопросы воздействия токов короткого замыкания не толь-

159

ко на жесткие шины, кабели и электрические аппараты, но и на генераторы, силовые трансформаторы, а также гибкие проводники электроустановок. Согласно правил устройств электроустановок гибкие шины распределительных устройств, а также провода воздушных ЛЭП должны проверяться на возможность схлестывания или опасного сближения в результате их раскачивания под воздействием электродинамических

сил при I п3 20 кА, iy 50 кА.

Ограничению токов КЗ в энергосистемах всегда уделяется большое внимание. Для этого применяются как схемные решения так и специальные устройства. Наиболее широко используются:

оптимизация структуры и параметров сети;

стационарное и автоматическое деление сети;

токоограничивающие устройства;

оптимизация режима заземления нейтралей в электрических сетях.

В зависимости от местных условий, требуемой степени ограничения токов, а также технико-экономических показателей используются различные средства, дающие наибольший эффект.

10.2. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ СЕТИ

(СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ)

Схемные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, при этом выбираются оптимальные схемы выдачи мощности электростанций и параметры элементов сетей энергосистем. Динамика схемных решений исторически связана с укрупнением единичной мощности электростанций. Ввод в эксплуатацию генераторов мощностью 300 1200 МВт и укрупнение единичных мощностей электростанций до 3600 6400 МВт привели к вынужденному переходу от схемы, показанной на рис. 10.1, а к схеме на рис. 10.1, б, а затем к схеме на рис. 10.1, в.

При схеме (см. рис. 10.1, а), характерной для ТЭЦ с генераторами 30–100 МВт, возникают трудности с ограничениями токов короткого замыкания в сетях низшего и среднего напряжений.

Для схемы с блочными генераторами мощностью 100–300 МВт (см. рис.10.1, б) наибольший рост токов КЗ наблюдается в сети среднего напряжения, меньший – в сети высшего напряжения; в сети же низшего напряжения уровень токов короткого замыкания стабилизируется.

В схеме на рис. 10.1, в с блочными генераторами 500–1200 МВт наибольший рост токов КЗ наблюдается в сетях высшего напряжения.

160