Лекции
.pdfсобственных нужд постоянного тока, камеру реактора отсоса, блок дизельгенератора.
В комплект ФБ для ТП переменного тока помимо упомянутых выше блоков общего применения входят блоки шкафов управления РУ-27,5 кВ, ячейка ввода 27,5 кВ, ячейка фидера КС 27,5 кВ, ячейка запасного выключателя 27,5 кВ, ячейка ДПР 27,5 кВ, ячейка трансформатора напряжения ТН 27,5 кВ, ячейка секционного разъединителя 27,5 кВ, ячейка компенсирующего устройства 27,5 кВ, блок конденсаторов компенсирующего устройства 27,5 кВ.
Конструктивное исполнение блоков тяговых подстанции.
Конструктивно блоки представляют собой сборку ячеек, шкафов и панелей КРУ, объединенных несущими рамами, общим токопроводом и вторичными цепями.
Разработано два варианта конструкции укрупненных функциональных блоков:
•собственно функциональные блоки, в которых все оборудование размещено на рамах (для удобства установки в капитальных или легковозводимых зданиях);
•модули, в которых функциональные блоки размещены в закрытых контейнерах, обеспечивающих установку на открытых площадках.
Конструкция контейнера представляет собой жесткий каркас, обши-
тый металлическими листами и утеплителем. Модуль укомплектован устройствами для освещения, подогрева и вентиляции, что обеспечивает необходимые условия для работы установленного оборудования.
Типовые модули выполняются двух типоразмеров:
1.4,8 L x 3,28 B x 3,9 H м;
2.6,0 L x 3,28 B x 3,9 H м.
Вобоих вариантах конструктивного исполнения в блоках обеспечен свободный доступ ко всем элементам оборудования, включая шинопроводы и изоляторы, для осмотра и проведения регламентных работ.
Блоки устанавливаются в зданиях на кабельный канал или ровный бетонный пол. Модули (контейнеры) могут устанавливаться на рельсошпальную решетку или бетонный фундамент.
Блоки (в заводской упаковке) и модули (без упаковки) могут транспортироваться железнодорожным и автомобильным транспортом.
Монтаж оборудования.
Технология строительства и монтажа подстанции в модульном варианте существенно проще традиционной технологии: основная задача при этом – выгрузка модулей с железнодорожных платформ и установка их на постоянных основаниях. Фундаментами для установки модулей являются бетонные блоки, положенные на насыпь или гравий, или отработавшие свой срок шпально-рельсовые пути на щебеночном основании. Модули, как правило, располагаются в две нити параллельно подъездному железно-
дорожному пути. На самостоятельном фундаменте устанавливаются камеры реакторов отсоса, понижающие и тяговые трансформаторы.
Модули между собой и с отдельно стоящим оборудованием соединяются шинопроводами с гибкими компенсаторами в необходимых местах. Прокладка кабелей вне модулей осуществляется в наземных лотках или в лотках, устанавливаемых под модулями. Все это позволяет обеспечить пусковую готовность за 15-20 дней.
Функциональные блоки механически легко стыкуются между собой: они поставляются с набором готовых шин и кабелей для быстрого электрического соединения (включая комплекты кабелей для подключения к оборудованию открытой части ТП). Шинные мосты РУ-27,5 кВ и РУ-10 кВ выполняются в закрытых коробах. Предусмотрена установка в необходимых местах шинных компенсаторов для исключения нагрузок на изоляторы.
Использование функциональных блоков обеспечивает:
•различные решения по компоновке оборудования в здании ТП;
•выполнение высоковольтной ошиновки в соответствии с главными схемами электрических соединений ТП;
•возможность быстрой замены основных узлов ТП при аварийном выходе из строя;
•минимум пусконаладочных работ, т.к. испытания оборудования в составе блоков и его наладка выполняются на заводе.
Внешний вид блочно-модульной подстанции приведен на рис. 1.13.
Рис. 1.13. Внешний вид блочно-модульной подстанции
Ле к ц и и № 3, № 4
Вданных лекциях рассматривается вторая, можно сказать важнейшая тема курса, связанная с короткими замыканиями и расчетом токов к.з.
Начнем рассмотрение данной темы с видов к.з., допущениями, принимаемыми при расчете токов к.з. и представление векторных диаграмм различных видов к.з.
Короткие замыкания и цель расчета токов к.з., виды к.з.
Как известно, в процессе работы электроустановок возможны три режима: нормальный (длительный), когда Iраб ≤ Iном ; ненормальный (перегрузка), когда Iраб несколько превышает Iном ; аварийный (к.з.), когда ток значительно превышает Iном .
Короткое замыкание представляет собой непреднамеренное соединение между собой различных фаз или полюсов (для постоянного тока). Так как при этом ток к.з. значительно превышает Iном , а электроустановки не рассчитываются на длительное протекание тока к.з., то электроустановка должна как можно быстрее отключена от источника питания (с помощью релейной защиты). В свою очередь, протекание значительно возросшего тока по сравнению с номинальным, вызывает существенное повышение электродинамического и термического воздействия на токоведущие части и аппаратуру.
Таким образом, для выбора уставок релейной защиты, а также оценки электродинамического и термического воздействия на аппаратуру, необходимо уметь рассчитывать токи к.з.
Какие же виды к.з. возможны в трехфазных электроустановок высокого напряжения? Виды к.з. связаны с режимом работы нейтрали, т.е. общей точкой обмоток генератора или трансформатора, соединенных в звезду.
Как известно, в нашей стране высоковольтные сети подразделяются на сети с изолированной (или резонансно-заземленной) нейтралью – СИН (сети 6, 10, 35 кВ) и сети с глухозаземленной (или эффективно-заземленной) нейтралью – СЗН (сети 110 кВ и выше).
В СИН замыкание одной фазы на землю приводит к небольшому возрастанию тока, но фазные напряжения на двух других фазах возрастают до линейных. Однако изоляция в СИН рассчитана на линейные напряжения, в связи с чем ПУЭ допускает работу системы электроснабжения в таком режиме в течении 2-х часов.
При замыкании между собой двух фаз в цепи будет протекать под действием линейного напряжен ия ток, определяемый только внешним со-
противлением zвнш . Так как внешнее сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки zвнш ≤ zнагр , то при этом возникает ток к.з.:
I (кз2) |
|
U |
|
= |
|
||
2Zвнш |
|||
|
|
При замыкании трех фаз между собой возникает ток к.з.:
I (кз3) = U
3Zвнш
Таким образом, в СИН возможны только междуфазные к.з. (двух и трехфазные), а замыкание одной фазы не является к.з. и его следует именовать как однофазное замыкание на землю (ОЗЗ).
В СЗН нейтраль заземляется через небольшое сопротивление заземляющего устройства Rз, величина которого не должна превышать 0,5 Ом. В результате, при замыкании одной фазы в СЗН под действием фазного напряжения будет протекать большой ток, т.к. сопротивление земли мало (принимается равным нулю), а Rз ≤ 0,5 Ом.
Замыкания двух и трех фаз между собой вызывают протекание больших токов к.з., выражения для которых аналогичны вышеприведенных для СИН. Таким образом, в СЗН возможны как однофазные, так и междуфазные к.з. (двухфазные и трехфазные).
Виды к.з. и их условные обозначения, регламентированные ГОСТ 26522-85 «Короткие замыкания в электроустановках», приведены в табл. 2.1.
Какой же вид к.з. следует принять за расчетный, исходя из того, чтобы он был наибольшим? Если сопоставить между собой токи однофазного, двухфазного и трехфазного к.з., то видно, что наибольшим является ток трехфазного к.з. Действительно, из сопоставления двухфазного и трехфазного к.з. по вышеприведенным соотношениям следует, что:
I (кз2) = √3/2 · I (кз3) = 0.87 · I (кз3)
Таким образом, за расчетный при определении тока к.з., принимается режим трехфазного к.з. При этом верхний индекс (3) обычно опускается, так как известно, что определяется именно ток трехфазного к.з.
Далее рассмотрим, какие допущения принимаются при расчете токов к.з. и векторные диаграммы токов к.з.
Допущения, принимаемые при расчете токов к.з. В основе расчета токов к.з. лежит закон Ома, т.е.:
Iк = U / √3 · zвнш
где zвнш - полное сопротивление цепи к.з.
С целью упрощения определения сопротивлений цепи к.з. принимаются допущения, связанные с неучетом поперечных проводимостей (активных и реактивных) линий электропередач и трансформаторов. Кроме того, из продольных сопротивлений (x и r) учитываются только индуктивные сопротивления, т.е. не учитываются r.
Табл. 2.1. Схемы и условные обозначения видов к.з.
Поясним, почему это возможно. Действительно, для трансформаторов активное сопротивление r значительно меньше индуктивного. Однако, для ЛЭП r ≈ 0,5 x, и в этом случае имеем:
----------- ------------------------ |
--------- |
z = √r2 + x2 = √(0,5 ·x)2 + x2 = √ 1,25 ·x ≈ 1,1·x
Отсюда следует, что доля активного сопротивления r в полном сопротивлении z составляет ≈ 10 %. В связи с этим, учет только индуктивного сопротивления при расчете токов к.з. как бы уменьшает сопротивление цепи к.з. на 10 % и соответственно на 10 % увеличивает ток к.з. Это идет как бы в запас при оценке воздействия токов к.з. на аппаратуру.
Далее рассмотрим векторные диаграммы различных видов к.з.
Векторные диаграммы различных видов к.з.
Как известно, характер нагрузки в электроустановках носит в подавляющем большинстве случаев активно-индуктивный характер, в связи с чем ток нагрузки отстает от напряжения на угол φн , который составляет 20 ÷ 35о .
При к.з. сопротивление нагрузки «выпадает» (шунтируется), и в цепи к.з. остается только внешнее сопротивление, характер которого, как это было установлено выше, носит чисто индуктивный характер. В связи с этим, ток к.з. будет отставать от соответствующего напряжения на 90о , т.е.
φк ≈ 90о .
С учетом этого фазового соотношения в табл. 2.2. представлены векторные диаграммы различных видов к.з.
трехфазное к.з. |
двухфазное к.з. |
двухфазное к.з. |
однофазное к.з. |
(в СИН и СЗН) |
на землю (в СЗН) |
(без земли) |
(в СЗН) |
IкА |
IкА |
IкА |
IкА |
IкС |
IкВ |
IкВ |
IкВ |
Табл. 2.2. Векторные диаграммы различных видов к.з.
Кратко охарактеризуем представленные векторные диаграммы. Трехфазное к.з. представляет собой три вектора, сдвинутых на угол
120о, т.е. оно является симметричным и уравновешенным (сумма токов равна нулю). Двухфазное к.з. на землю (в СЗН) представляет собой два вектора, сдвинутых на 120о, в связи с чем это к.з. несимметричное и неуравновешенное.
Двухфазное к.з. (без земли) представляет собой два вектора, равных по величине и противоположно направленных – т.е. угол между векторами 180о. В связи с этим этот вид к.з. является несимметричным, но уравновешенным.
Однофазное к.з. состоит из одного вектора, в связи с чем этот вид к.з. является несимметричным и неуравновешенным.
Прежде чем переходить к расчету токов к.з., рассмотрим аналитическое выражение для токов к.з. и характер протекания тока к.з.
Аналитическое выражение для тока к.з. Ударный ток к.з. Временные диаграммы процесса к.з.
Рассмотрим трехфазное к.з.для схемы, представленной на рис. 2.3. При этом этом будем исходить из того, что мощность источника питания бесконечна.
хr
S=И |
iА |
|
Zн |
||
~ |
||
|
||
|
iВ |
iС
Рис. 2.3. Схема для рассмотрения трехфазного к.з.
По второму закону Кирхгофа для фазы А имеем:
U |
|
= I |
|
R + L |
DI A |
+ M |
DI B |
+ M |
DIC |
|
A |
A |
DT |
DT |
DT |
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Так как: |
|
|
|
|
iA+iB+iC=0 |
то |
iA=−(iB+iC) |
||
Тогда: |
|
|
|
|
UA = IA |
R + (L − M) |
DIA |
; |
|
|
||||
|
|
|
DT |
|
UA = IA R + L DIA
DT
Получили обыкновенное дифференциальное уравнение (ОДУ), которому соответствует однофазная схема замещения, представленная на рис. 2.4.
х r
iк (t)
u
Рис. 2.4. Схема замещения для однофазного к.з.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа для данной схемы име-
ем:
U = I R + L DI ;
DT
Решаем это ОДУ классическим методом:
i=iвынужд+iсвобод; iвынужд=iа; iсвобод=iп;
i=iп+iа, где iп − периодическая составляющая; iа − апериодическая составляющая.
Iп = U ; Z
T
iа = к· е−τ u=UM·sin(ωt+ψ)
где ψ − начальная фаза напряжения; к – постоянная интегрирования, которая может быть найдена из
начальных условий;
u, i − мгновенные значения; U, I − действующие значения;
UM, IM − амплитудные значения.
Тогда имеем:
i = |
UM |
sin(ωt + ψ) |
|
t |
|
|
|
t |
|
+ к e τ = I |
|
sin(ωt + ψ − ϕ ) + к e τ |
|||||||
|
|
|
− |
|
|
M |
к |
− |
|
|
|
z eϕк |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть в частном случае iх0=0 (Iн=0) − система электроснабжения находится на холостом ходу, тогда имеем:
t
−
I = IM SIN(ωT + ψ − ϕк ) + IA0 E τ
Рассмотрим процесс к.з. при ψ=0, Iн=0. Строим для этих условий векторную и временную диаграммы процесса к.з. (рис. 2.5.):
уд |
i |
0,01 с |
Рис. 2.5. Векторная и временная диаграммы процесса к.з. |
iа0=−iп0 Т=1/f=1/50=0,02 с
iу − ударный ток, т.е.наибольшее значение полного тока к.з., возникающее через 0,01 с от начала к.з. при условии, что начальная фаза была равна 0º или 180º и отсутствовала нагрузка.
Определим величину ударного тока. В соответствии с рис. 2.5. можно записать:
|
|
|
|
|
|
0.01 |
||
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
i |
у |
= I |
МП |
+ I |
МП |
e τ |
||
|
|
|
|
|
|
|||
где τ − постоянная времени цепи.
L
τ = → Та R
Тогда имеем:
0.01
−
где (1 + E τ )
0.01
−
I у = IМП (1 + E τ ) ;
−ударный коэффициент Ку.
iу = IМП К у .
Для высоковольтных трехфазных цепей Та=0,05 с, следовательноКу=1,8.
В этом случае:
I у = 1,8 IМП = 1,8 
2 Iп
I у = 2,55 Iп
Время переходного процесса tперех=(3÷5)·τ
tперех=4·0,05=0,2 с
т.е. перходной процесс при к.з.длится примерно 10 периодов. Построим диаграмм и процесс к.з. для другой фазы, например,
В, учитывая, что ψА =0 (рис.2.6.):
Рис. 2.6. Диаграмма и процесс к.з. для фазы В
Рассмотрим ещё случай, когда ψ=90, Iн=0. Строим векторную и временную диаграммы для этого случая (рис.2.7.):