25.3. Ограничение токов однофазного короткого замыкания в сетях 110-1150 кВ

В эффективно-заземленных сетях 110 кВ и выше ток однофазного ко­роткого замыкания может превышать ток трехфазного КЗ. Поскольку ток однофазного КЗ и ток трехфазного КЗ определяются соответственно по выра­жениям

при

где

Для однофазногоКЗ

при

При КЗ на шинах 110-1150 кВ электрических станций и подстанций, как правило, а Относи-

тельная частота возникновения КЗ на землю на электростанциях и в сетях 110—1150 кВ существенно выше, чем трехфазных КЗ. По данным ЦДУ ЕЭС СССР [25.5] в сети 500 кВ КЗ на землю составляют 96 %, а трехфазные КЗ — 2,3%. По экспертным оценкам на элек­тростанциях и в сетях 110—750 кВ КЗ на землю составляют соответственно 91-98 %. С учетом частоты возникнове­ния КЗ возрастание уровней токов КЗ на землю до значения токов трехфазного КЗ и их дальнейший рост означает резкое утяжеление условий работы выключате­лей.

В 1985 г. максимальные уровни токов трехфазного и однофазного КЗ в сетях 110 кВ составили соответственно 35 и 41 кА, а в сетях 220 кВ - 35 и 37 кА.

Для ограничения тока однофазного КЗ в сетях напряжением 110—1150 кВ необходимо увеличивать сопротивление нулевой последовательности относитель­но точки КЗ. При этом возникает возможность увеличивать только сопро­тивление нулевой последовательности, включая дополнительные сопротивления в ветви, по которым протекают только токи нулевой последовательности. К ним относятся ветви заземления нейтралей трансформаторов и автотрансформато­ров, а также их третичные обмотки, соединенные в треугольник, при отсут­ствии подключенных к ним потреби­телей и генераторов.

В СССР приняты следующие методы и средства ограничения тока однофаз­ного КЗ:

разземление части нейтралей тран­сформаторов;

заземление нейтралей через реак­торы;

заземление нейтралей через резис­торы ;

применение реакторов нулевой по­следовательности.

Основными факторами, определяю­щими допустимость применения указан­ных методов и средств ограничения то­ков КЗ, являются:

допустимые уровни повышений на­пряжений промышленной частоты на не­поврежденных фазах;

допустимые уровни напряжений на нейтралях трансформаторов и автотран­сформаторов ;

обеспечение селективности и чувстви­тельности релейной защиты;

допустимые параметры восстанавли­вающегося напряжения при отключении токов КЗ;

технико-экономические показатели использования средств ограничения то­ков КЗ.

Наиболее важными являются первые два фактора, остальные ограничения могут быть обеспечены дополнитель­ными мероприятиями при использовании средств ограничения токов КЗ. Допусти­мые уровни повышений напряжений промышленной частоты на неповрежден­ных фазах определяются свойствами грозозащитных разрядников, защищаю­щих изоляцию трансформаторов и дру­гих объектов, подключенных к шинам, от грозовых перенапряжений. В сетях 110—1150 кВ используются так называ­емые 80 %-ные разрядники с напряже­нием гашения дуги тока промышленной частоты, возникающей в разряднике при его срабатывании, равным 80% номи­нального напряжения сети. Очевидно, что перенапряжения, возникающие при однофазных КЗ, на неповрежденных фа­зах не должны превышать напряжения гашения разрядников, иначе последние будут разрушены. Таким образом, ха­рактеристикой, определяющей допусти­мость использования средств ограниче­ния токов однофазного КЗ, является коэффициент заземления сети

где— напряжение неповрежденной

фазы относительно земли. При однофазном КЗ

Для эффективно-заземленных еетей При этом

При частичном разземлении нейтра­лей или включении в нейтраль реакто­ров и резисторов напряжение при КЗ на нейтрали не должно превышать пре­дельно допустимого по условиям испы­таний изоляции нейтрали напряжением промышленной частоты. Если нейтраль при этом защищается разрядником от грозовых перенапряжений, то перенапря-. жение на нейтрали не должно превы­шать напряжения гашения разрядника. Эти условия определяют возможность частичного разземления нейтралей, а также наибольшее значение сопротивле­ния включаемого в нейтраль реактора или резистора.

Ограничение токов однофазных КЗ путем частичного разземления нейтралей трансформаторов. Разземление нейтра­лей у части трансформаторов — наиболее эффективный и дешевый способ ограни­чения токов однофазных КЗ. При этом Х₀ может быть доведено до предель­ных значений по условиям допустимых перенапряжений. При разземлении нейт­раль защищается разрядником. Раззем­ление нейтралей автотрансформаторов не допускается. Основным недостатком этого способа является возможность вы­деления отдельных частей сети и блоков (при действии защиты и автоматики), в которых К₃ будет больше 0,8. При этом сохранение КЗ в этих частях или его повторное возникновение приведет к массовому разрушению разрядников и обесточиванию шин станций и под­станций. Поэтому, как правило, не раз-земляют нейтрали блочных трансформа­торов, нейтрали трансформаторов тупи­ковых подстанций, нейтрали трансфор­маторов однотрансформаторных под­станций, т. е. при разземлении нейтралей строго учитывают -возможность образо­вания неэффективно заземленных частей сети. Не разземляют также нейтрали

трансформаторов 330 кВ и выше, так как существующие разрядники не обеспе­чивают защиту изоляции разземленной нейтрали таких трансформаторов. Ука­занное существенно снижает возмож­ности частичного разземления нейтрали. По существу областью применения явля­ются сетевые многотрансформаторные подстанции напряжением 110, 154 и 220 кВ.

Ограничение токов однофазных КЗ путем включения в нейтрали резисторов и реакторов. Ограничение токов одно­фазных КЗ с помощью резисторов или реакторов, включаемых в нейтраль, ме­нее эффективно, чем частичное разземле-ние нейтралей, и требует дополнитель­ных затрат. Эффективность этого спосо­ба может быть оценена по следующим выражениям:

и

где - приращение

индуктивного сопротивления нулевой последовательности; — приращение

активного сопротивления нулевой по­следовательности при установке в нейт­раль трансформатора соответственно реакторов и резисторов.

Как правило, токи однофазных КЗ превышают токи трехфазного КЗ на 15 — 20%, таким образом, требуемая сте­пень ограничения тока КЗ на землю не­велика. Более глубокое, чем до уровня тока трехфазного КЗ, ограничение тока однофазного КЗ не облегчает выбор коммутационной аппаратуры и может быть оправдано только обеспечением динамической стойкости третичных об­моток автотрансформаторов и повыше­нием надежности работы коммутацион­ной аппаратуры. Ограничение тока одно­фазного КЗ до уровня тока трехфазного КЗ, как правило, не требует установки реакторов и резисторов с большим сопротивлением, что исключает возмож­ность перехода выделенных автомати-. кой частей сети в режим неэффективного

заземления. В этом случае допускается включение токоограничивающих реакто­ров и резисторов также в нейтрали автотрансформаторов со средним напря­жением не более 220 кВ и блочных трансформаторов с высшим напряжени­ем не более 220 кВ. При выборе резисторов и реакторов обязательно проверяются во всех режимах КЗ на землю уровни перенапряжений на не­поврежденных фазах и нейтрали. Со­поставление эффективности токоограни-чения, обеспечиваемой реактором и ре­зистором, легко сделать из приведенных выражений. Для достижения равного токоограничения необходимо включать резисторы с большим сопротивлением, чем реакторы. Таким образом, при од­ном и том же токе КЗ напряжение на нейтрали, заземленной через резистор, будет выше, чем на нейтрали, заземлен­ной через реактор. Из этого следует, что реактор позволяет обеспечить более глубокое ограничение тока однофазного КЗ и имеет при этом меньшую номи­нальную мощность, чем резистор.

Недостатком использования реакто­ров является необходимость защиты нейтрали разрядником или резистором, имеющим сопротивление 2 — 3 кОм и включенным через искровой промежу­ток. При использовании токоограничи­вающих резисторов специальной защиты нейтрали от грозовых перенапряжений не требуется. В СССР имеется доста­точный опыт применения реакторов и резисторов для ограничения токов КЗ на землю, и выбор средства ограничения тока КЗ производится на основе тех­нико-экономического сопоставления.

Ограничение токов КЗ на землю с помощью реакторов нулевой последова­тельности. В СССР разработаны и на­ходятся в опытной эксплуатации трех­фазные токоограничивающие реакторы нулевой последовательности (ТТРНП). Конструктивно реактор состоит из трех-стержневого магнитопровода, на среднем стержне которого установлены обмотки фаз, намотанные согласно. Обмотки имеют одинаковые числа витков. При этих условиях магнитный поток в маг-нитопроводах будет вызываться только

токами нулевой последовательности, а потоки от токов прямой и обратной последовательностей в магнитопроводе будут компенсироваться. Соответственно индуктивное сопротивление реактора токам прямой последовательности будет определяться потоком рассеивания об­моток, а токам нулевой последова­тельности — потоком намагничивания. Сопротивление реактора токам нулевой последовательности будет больше, чем токам прямой или обратной последова­тельности, в 10—100 раз. Реактор включается в фазные провода силовых трансформаторов, секционных выключа­телей и т. д. Использование ТТРНП позволяет обеспечить глубокое ограни­чение токов КЗ на землю при заземлен­ных нейтралях трансформаторов, что су­щественно при номинальных напряже­ниях 330 кВ и выше, для которых раз-землять нейтрали трансформаторов не­допустимо. Перспективной областью применения ТТРНП являются сети на­пряжением 330 кВ и выше.