&_ИДО_СТУДЕНТАМ_(Эл. энерг. СиС)_2013г.) / PDF_Уч. пос._Мастерова / глава5(2009)

5. Переходные процессы в распределительных сетях и электроустановках до 1кВ

Электрические сети 6…35 кВ с изолированной нейтралью образуют распределительную сеть, по которой осуществляется электроснабжение большинства потребителей. Надежность распределительных сетей значительно ниже, чем у высоковольтных сетей, и на их долю приходится до 80 % перерывов электроснабжения.

Характерными особенностями распределительных сетей являются :

1.Значительная электрическая удаленность от источников питания. Сети 6…35 кВ удалены от системных генерирующих источников двумя-тремя ступенями трансформации. По этой причине переходные процессы в указанных сетях слабо влияют на режимы генераторов и системообразующих сетей. Поэтому при КЗ в распределительных сетях напряжение на высшей стороне питающего трансформатора можно считать постоянным.

2.Выполняются проводами низкого сечения с большим активным сопротивлением. Это приводит к необходимости учета активных сопротивлений при расчете режимов КЗ.

3.Значительная часть сети выполняется из сталеалюминиевых и стальных проводов.

4.Наличие эффекта теплового спада тока КЗ. При длительных режимах КЗ (t = 0,4…0,6 с), вследствие повышения температуры проводника, происходит увеличение его активного сопротивления, что может вызвать значительное снижение токов КЗ.

5.Распределительные сети 6…35 кВ имеют изолированную или компенсированную нейтраль (заземление нейтрали через большое индуктивное сопротивление). В этих условиях при однофазном замыкании на землю ток определяется емкостной проводимостью здоровых фаз относительно земли. Он значительно меньше тока однофазного КЗ в сети с глухозаземленной нейтралью. Поэтому сети с изолированной нейтралью могут длительно работать в режиме однофазного КЗ. Это позволяет обслуживающему персоналу создавать временные схемы электроснабжения потребителей без их отключения.

Электрические установки до 1000 В имеют еще большую удаленность, что позволяет с полным основанием считать напряжение на высшей стороне трансформа, питающего эту сеть, постоянным. Кроме того, здесь необходимо дополнительно учитывать специфические особенности (переходные сопротивления в местах контактных соединений элементов схемы, в месте КЗ и др.), которые рассматриваются ниже.

81

5.1. Замыкание фазы на землю в сети с изолированной нейтралью

При замыкании фазы на землю, называемом простым замыканием, ток определяется только емкостным сопротивление сети, т. к. емкостные сопротивления элементов сети значительно превышают их активные и индуктивные сопротивления.

I B I B

I З

Рис. 5.1. Распределение токов при простом замыкании на землю

Рис. 5.2. Векторные диаграммы напряжений и токов в месте простого замыкания на землю

82

При простом замыкании фазы А на землю в простейшей трехфазной сети, представленной на рис. 5.1, токи в фазах B и С определяются следующим образом ( рис. 5.2):

где xС0 – результирующее емкостное сопротивление нулевой последова-

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

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

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

N – коэффициент, принимаемый для ВЛ равным 350, для КЛ – 10;

l – суммарная длина воздушных и кабельных линий, электрически связанных с точкой замыкания на землю.

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

Ток простого замыкания на землю по величине существенно ниже, чем при других видах КЗ. Это означает, что термическое и динамическое воздействие этого тока на элементы электрической системы можно не учитывать. Однако, очень часто в точке простого замыкания возникает перемежающаяся

83

дуга, переходящая на соседние фазы и превращающая однофазное замыкание в двухили трехфазное.

Надежная ликвидация дуги достигается за счет компенсации емкостного тока замыкания на землю посредством заземления нейтрали трансформатора через индуктивную катушку.

5.2. Расчет токов КЗ в установках до 1000 В

Расчет токов короткого замыкания в установках до 1000 В характеризуется некоторыми особенностями, отличающими его от расчетов для сетей более высокого напряжения.

Обычно данный расчет токов КЗ выполняется в именованных единицах, сопротивления выражают в мОм, мощность – в кВА, ток – в кА, а напряжение – в кВ. Рекомендуется в качестве основной выбирать ступень пониженного напряжения.

Достоверность данного расчета зависит, главным образом, от того, насколько правильно оценены и полно учтены все сопротивления короткозамкнутой цепи. В результирующем сопротивлении КЗ весьма существенную роль играют активные сопротивления, которыми уже нельзя пренебречь.

Ниже отражены наиболее характерные особенности, подлежащие учету при расчете режима КЗ в низковольтной сети.

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

проводов, кабелей и шин длиной 10 м и более;

токовых катушек расцепителей автоматических выключателей;

первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока. Эти данные приведены в справочнике [9].

2.Переходные сопротивления контактных аппаратов (автоматических выключателей, разъединителей, рубильников и т. п.), так же существенно влияющие на ток КЗ, учитываются введением в схему активного сопротивления, величина которого находится в пределах 0,015…0,030 Ом и зависит от удаленности КЗ от шин питающей подстанции. Рекомендованные значения переходного активного сопротивления:

для РП подстанций – 0,015 Ом;

для первичных цеховых распределительных пунктов и для КЗ на зажимах аппаратов, питаемых радиальными линиями от щитов подстанций и главных магистралей – 0,02 Ом;

для вторичных цеховых распределительных пунктов – 0,025 Ом;

84

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

3.Определенное влияние на ток КЗ оказывают активные переходные сопротивления неподвижных контактных соединений кабелей и шинопроводов. При большом количестве неподвижных контактных соединений их необходимо учитывать активным переходным сопротивлением [9].

4.В большинстве случаев в месте короткого замыкания возникает электрическая дуга, снижающая ток КЗ.

Учет электрической дуги в месте КЗ рекомендуется производить введением в расчетную схему активного сопротивления дуги rд , которое определя-

ется на базе вероятностных характеристик влияния устойчивой (непогасающейся) дуги на ток КЗ.

Среднее значение активного сопротивления дуги в начальный момент КЗ допустимо определять по формуле

где Iп0 – начальное значение периодической составляющей тока в месте ме-

таллического КЗ, кА, определяемое в соответствии с п. 6.2;

r1Σ и x1Σ – соответственно суммарное индуктивное и суммарное активное

сопротивления цепи КЗ, мОм;

Kс – среднестатистическое значение поправочного коэффициента, учитывающего снижение тока в начальный момент дугового КЗ по сравнению с током металлического КЗ, который можно определить следующим образом:

где Zк – сопротивление цепи КЗ, зависящее от вида КЗ:

при трехфазном КЗ Zк(3) r1Σ2 x1Σ2 ;

при двухфазном КЗ Zк(2) 2 / 3 r1Σ2 x1Σ2 ;

при однофазном КЗ Zк(1) 1/ 3( 2r1Σ r0Σ )2 ( 2x1Σ x0Σ )2 .

Учет дуги существенно усложняет расчет. 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.

85

5. При расчете токов КЗ в электроустановках, получающих питание непосредственно от сети энергосистемы, допускается считать, что понижающие трансформаторы подключены к источнику неизменного по амплитуде напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление.

Значение этого сопротивления ( xс ) в мОм, приведенное к ступени низшего напряжения сети, следует рассчитывать по формуле:

где Uср.НН – среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмот-

ке низшего напряжения трансформатора, В;

Uср.ВН – среднее номинальное напряжение сети, к которой подключена

обмотка высшего напряжения трансформатора, В;

Iк ВН – действующее значение периодической составляющей тока при

трехфазном КЗ у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, кА; Sк – условная мощность короткого замыкания у выводов обмотки выс-

шего напряжения трансформатора, MB А.

При отсутствии указанных данных эквивалентное индуктивное сопротивление системы в миллиомах допускается рассчитывать по формуле

6. Электродвигатели, близкие к точке КЗ, в схеме замещения учитываются активно-индуктивным сопротивлением и сверхпереходной ЭДС.

Синхронные электродвигатели при расчетах КЗ учитываются фазным значением сверхпереходной ЭДС, которая определяется по формуле

При приближенных расчетах синхронные электродвигатели допустимо учитывать следующими сопротивлениями, выраженными в относительных номинальных единицах

Асинхронные двигатели учитываются сверхпереходной ЭДС, равной

При отсутствии каталожных данных сопротивления асинхронных двигателей (мОм) определяются по выражениям:

где Pном – номинальная мощность, кВт; I ном – номинальный ток, кА;

U ном – номинальное напряжение электродвигателя, кВ; I п – кратность пускового тока.

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

7. В большинстве случаев электроснабжение установок до 1000 В производится по радиальной схеме от трансформатора, нейтраль обмотки НН которого заземлена. Больше заземленных нейтралей в сети до 1 кВ нет. Поэтому в данных сетях ток трехфазного КЗ всегда больше тока однофазного КЗ, который является наименьшим по отношению к другим видам замыканий.

Расчет токов трехфазного короткого замыкания

При электроснабжении электроустановки от энергосистемы через пони-

жающий трансформатор начальное действующее значение периодической

составляющей тока трехфазного КЗ ( I ) в килоамперах без учета под-

П 0

питки от электродвигателей следует рассчитывать по формуле

где Uср.НН – среднее номинальное напряжение сети, в которой произошло ко-

роткое замыкание, В;

r1Σ и x1Σ – соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное

сопротивления прямой последовательности цепи КЗ, мОм.

Если электроснабжение электроустановки осуществляется от энергосистемы через понижающий трансформатор и вблизи места КЗ имеются синхронные и асинхронные электродвигатели, то начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ с учетом подпитки от электродви-

87

гателей или комплексной нагрузки следует определять как сумму токов от энергосистемы и от электродвигателей.

Расчет токов несимметричных КЗ следует выполнять с использованием метода симметричных составляющих. При этом предварительно следует составить схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.

В схему замещения прямой последовательности должны быть введены все элементы исходной расчетной схемы, причем при расчете начального значения периодической составляющей тока несимметричного КЗ синхронные и асинхронные электродвигатели должны быть учтены сверхпереходными ЭДС и сверхпереходными сопротивлениями.

Схема замещения обратной последовательности также должна включать все элементы исходной расчетной схемы. Сопротивления обратной последовательности следует принимать по данным каталогов, а асинхронных машин – равными сверхпереходным сопротивлениям.

Расчет токов однофазного короткого замыкания

Если электроснабжение электроустановки напряжением до 1 кВ осуществляется от энергосистемы через понижающий трансформатор, то начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от системы, кА, следует рассчитывать по формуле

где r1Σ и x1Σ – соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное

сопротивления прямой последовательности расчетной схемы относительно точки КЗ, мОм;

r0Σ и x0Σ – соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное

сопротивления нулевой последовательности расчетной схемы относительно точки КЗ, мОм.

Начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от синхронных и асинхронных электродвигателей в кА следует рассчитывать в соответствии с формулой

где E – сверхпереходная ЭДС (фазная) двигателя, В.

ф

88

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Перечислите характерные особенности распределительных сетей.

2.Что такое эффект теплового спада тока КЗ?

3.Какое замыкание называется простым?

4.Какие элементы цепи при расчете токов КЗ в электроустановках до 1000 В следует учитывать активным и индуктивным сопротивлениями?

5.В каких единицах ведется расчет токов КЗ в электроустановках до 1000 В?

6.При каком условии учитывается подпитка точки КЗ электродвигателями?

7.Как определяется начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ, если вблизи места КЗ имеются синхронные или асинхронные электродвигатели?

8.Как осуществляется расчет несимметричных КЗ в электроустановках до

1000 В?

89