2.2. Электрическая часть электростанций и подстанций

1. Автогазовые выключатели.

В автогазовых выключателях для гашения дуги используется газ, выделяющийся из твердого газогенерирующего материала дугогасительной камеры. В системах электроснабжения городов и промышленных предприятий достаточно широко распространены выключатели нагрузки ВН-16; ВН-17 на 6 - 10 кВ с простейшей дугогасительной камерой, имеющей вкладыши из органического стекла. Однако эти выключатели не могут включаться на ток КЗ, равный току динамической стойкости, и допускают сравнительно малое количество отключений номинального тока.

В настоящее время эти выключатели модернизированы в серию ВН-10. Они могут снабжаться предохранителями ПК-6 или ПК-10 для защиты от токов КЗ, автоматическим устройством для отключения при срабатывании предохранителя, приводом ПРА и заземляющими ножами.

Автогазовый выключатель УПС-35У1:

а - общий вид: 1 - сварная рама; 2 - опорный изолятор; 3 - металлическая труба; 4 - винипластовая генерирующая трубка; 5 - корпус с патрубком поперечного дутья; 6 - контактный нож; 7 - изолятор-толкатель;

б - патрон УПС-35У1 исполнения «патрон — плавкая вставка»: 1 — металлическая труба; 2 - втягивающая пружина; 3 - гибкий трос: 4 - газогенерирующая трубка; 5 - стержень; 6 - плавкая вставка; 7 - дутьевой патрубок: 8 - контактная система; 9 - гибкая токоведущая часть; 10 - стопорный винт; 11 -стреловидный оконцеватель.

Достоинства автогазовых выключателей: отсутствие масла; небольшая масса. Недостатки: быстрый износ твердого дугогасителя, относительно большой износ контактов или да разрушение (в выключателе УПС).

2. Силовые автотрансформаторы. Силовые трансформаторы.

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20—25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 MBА, на 330 кВ - 1250 МВА, на 500 кВ - 1000 МВА. Удельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ — 3 * 533 МВА, напряжением 750 кВ - 3 * 417 МВА, напряжением 1150 кВ - 3 * 667 MBA.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, НН.

Трансформаторы с расщепленными обмотками НН обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные энергоблоки позволяют упростить схему РУ 330—500 кВ. Широкое распространение трансформаторы с расщепленной обмоткой НН получили в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов КЗ.

К основным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ; ток XX; потери XX и КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Автотрансформатором (AT) называется трансформатор, в котором две или более обмотки гальванически связаны так, что они имеют общую часть. Обмотки автотрансформатора связаны электрически и магнитно, и передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного ноля, так и электрическим путем. В автотрансформаторе только часть всей энергии трансформируется, а другая часть передается непосредственно из системы одного напряжения в систему другого напряжения без трансформации.

Потери мощности п трансформатора)слагаются из потерь холостою хода потерь короткого замыкания. Для уменьшения потерь мощности в магнитопроводах применяют холоднокатаную сталь с малым содержанием углерода и присадками, улучшающими свойства стали. Магнитопровод собирают из листов толщиной 0,35 мм и меньше. Потери короткого замыкания состоят из джоулевых потерь в обмотках и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора, определяемых напряженностью магнитного поля рассеяния. Снижения потерь короткого замыкания достигают в основном уменьшением добавочных потерь различными методами конструктивного порядка, в частности применением многопроволочных проводов с изолированными жилами.

Напряжение короткого замыкания.

При передаче мощности через трансформатор имеет место падение напряжения, определяемое сопротивлением трансформатора — напряжением короткого замыкания и_к. Последнее зависит в основном от размеров обмоток (диаметра и ширины канала между обмотками, высоты обмотки), следовательно, от номинального напряжения и мощности трансформатора. При относительно небольшом значении и_к падение напряжения в трансформаторе невелико. Однако при КЗ за трансформатором ток получается большим. Это влечет за собой необходимость изготовления трансформаторов с большой динамической и термической стойкостью и приводит, следовательно, к увеличению их стоимости Увеличиваются также требования к динамической и термической стойкости коммутационных аппаратов на стороне вторичного напряжения. С учетом режима работы трансформатора приходится ориентироваться на оптимальное значение напряжения короткого замыкания. Чем выше номинальное напряжение и больше мощность трансформатора, тем выше напряжение короткого замыкания: трансформаторы мощностью до 6300 кВ • А с напряжениями 10—35 кВ имеют напряжение короткого замыкания в пределах 5,5 —7.5%, а более мощные трансформаторы ^с напряжением 110—500 кВ — в пределах 10—15%.

Изоляция обмоток трансформатора

определяется испытательными напряжениями (промышленной частоты и импульсных). установленными в соответствии с номинальным напряжением трансформатора, системой рабочего заземления электрической сети и характеристиками разрядников *. Обмотки трансформаторов. предназначенные для присоединения к эффективно-заземленным сетям с напряжением 110 кВ и выше, выполняют с изоляцией на полное испытательное напряжение только у линейного вывода Изоляцию обмоток у второго вывода, подлежащего заземлению, рассчитывают на меньшее испытательное напряжение Такие обмотки выполняют в виде двух концентров (рис. 22.1). При этом наружный концентр состоит из двух частей расположенных друг над другом по высоте стержня и намотанных в противоположных направлениях. Части обмотоки соединяют параллельно, а линейный вывод устраивают посередине. Таким образом удается существенно уменьшить изоляцию торцов обмотки.

Преимущества автотрансформатров перед трансформаторами той же проходной мощности заключаются в следующем:

для изготовления автотрансформатора требуется меньше меди, стали на изоляционных материалов, поэтому стоимость автотрансформатора меньше потери мощности в автотрансформаторе меньше, а его КПД выше;

габариты автотрансформатора меньше, что позволяет строить его с большей проходной мощностью и облегчает транспорт.

Перечисленные преимущества автотрансформаторов тем заметнее, чем меньше разность высшего и среднего напряжений.

Все сказанное выше относится к двухобмоточным автотрансформаторам. Однако силовые автотрансформаторы, как правило, снабжены третичными обмотками низшею напряжения (6 — 35 кВ), соединенными в треугольник. Основное назначение этих обмоток состоит в компенсации гармонических составляющих напряжения, кратных трем, в уменьшении сопротивления нулевой последовательности автотрансформатора. Обмотку низшего напряжения часто используют для электроснабжения местных потребителей или для присоединения генератора (синхронного компенсатора). На рис. 22.5 показано расположение обмоток у однофазного трехобмоточного автотрансформатора: последовательная обмотка П расположена снаружи, общая обмотка О — в середине, а обмотка низшего напряжения И — у стержня магнитопровода.

Обмотка низшего напряжения увеличивает размеры, массу и стоимость автотрансформатора (по сравнению с двухобмоточным автотрансформатором). Поэтому если эта обмотка служит только для компенсации гармонических составляющих напряжения, кратных трем, и уменьшения сопротивления нулевой последовательности, то мощность ее определяется хребованием термической и электродинамической стойкости при КЗ и составляет около 1/3 типовой мощности автотрансформатора. Если же обмотка низшего напряжения используется также для присоединения генератора (синхронного компенсатора), то ее мощность должна быть увеличена до типовой мощности. Затраты материала и стоимость автотрансформатора при этом увеличиваются.

Недостатки автотрансформаторов заключаются в относительно низком напряжении КЗ и связанных с этим больших токах КЗ и электродинамических силах в обмотках при КЗ. Для устранения этого недостатка приходится увеличивать сопротивление рассеяния путем уменьшения диаметра стержней и увеличения промежутков между обмотками несмотря на то, что увеличение полей рассеяния приводит к увеличению потерь мощности и местных нагревов.

Недостатком автотрансформаторов является также изменение напряжений проводов относительно земли в сети среднего напряжения при замыкании на землю в сети высшего напряжения, которое тем больше, чем больше отношение

U_B/U_c- В незаземленной системе эти напряжения достигают недопустимых значений (рис. 22.6,). Поэтому для соединения незаземленпых сетей(частей энергосистемы) автотрансформаторы непригодны. В эффективно-заземленных сетях эта опасность не возникает.

Перенапряжения, возникающие в сети высшего напряжения, вызывают на выводах среднего напряжения автотрансформаторов более значительные перенапряжения, чем у трансформаторов. Это учитывают при конструировании изоляции автотрансформаторов. Кроме того, со стороны высшего и среднего напряжений автотрансформаторы защищают разрядниками. Последние должны быть присоединены (без разъединителей) между автотрансформаторам и ближайшим разъединителем, с тем чтобы разрядники оставались включенными при отключении автотрансформатора с одной из сторон.

3. Технико-экономические показатели, определяемые из графиков нагрузки

График продолжительности нагрузок применяют в расчетах технико-экономических показателей установки, расчетах потерь электроэнергии, при оценке использования оборудования в течение года и т. п.

Площадь, ограниченная кривой графика активной нагрузки, численно равна энергии, отпущенной с шин подстанции потребителям за рассматриваемый период ( год) [ 4 ]:

W_п= ∑ P_i ×T_i МВт×ч,

где P_i – мощность i- ступени графика

T_i – продолжительность ступени.

Средняя нагрузка по графику за рассматриваемый период (год) равна:

P_ср= W _п / T МВт,

где: T – длительность рассматриваемого периода

W_п – электроэнергия за рассматриваемый период

Степень неравномерности графика работы электроустановки

оценивают коэффициентом заполнения.

k_зап = W_п / P_max · T= P_ср/ P_max

Коэффициент заполнения графика нагрузки показывает, во сколько раз отпущенное с шин количество электроэнергии за рассматриваемый период меньше того количества электроэнергии, которое было бы отпущено с шин подстанции за то же время, если бы нагрузка установки все время была бы максимальной. Очевидно, что чем равномернее график, тем ближе значение k_зап к единице.

Для характеристики графика нагрузки подстанции можно воспользоваться величиной продолжительность использования максимальной нагрузки

T_max = W_п / P_max = P_ср · T / P_maxс = k_зап × T ч.

Эта величина показывает, сколько часов за рассматриваемый период T (обычно год) установка должна была бы работать с неизменной максимальной нагрузкой, чтобы отпустить с шин подстанции действительное количество электроэнергии W_п за этот период времени.

4. Комплектные трансформаторные подстанций.

Подстанцией называют электроустановку, служащую для преобразования и распределения электроэнергии и состоящую из трансформаторов или других преобразователей энергии, распределительного устройства, устройства управления и вспомогательных сооружений. В зависимости от преобразования той или иной функции они называются трансформаторными (ТП) или преобразовательными (ПП).

Трансформаторную подстанцию называют комплектной – КТП (КПП) – при поставке трансформаторов (преобразователей), щита низкого напряжения и других элементов в собранном виде или в виде полностью подготовленном для сборки. Подстанции могут быть комплектными или сборными.

Комплектные трансформаторные подстанции (КТП) применяют для приема, распределения и преобразования электрической энергии трехфазного тока частотой 50 Гц. По числу трансформаторов КТП могут быть однотрансформаторными, двухтрансформаторными и трехтрансформатор-ными.

По роду установки КТП могут быть:

--внутренней установки с масляными, сухими или заполненными негорючей жидкостью трансформаторами;

--наружной установки (только с масляными трансформаторами);

--смешанной установки с расположением РУ высшего напряжения и трансформатора снаружи, а РУ низшего напряжения внутри помещения.

КТП можно разделить на четыре основные группы.

1.  КТП наружной установки мощностью 25…400 кВА, напряжением 6…35/0,4 кВ, применяемые для электроснабжения объектов сельскохозяйственного назначения. Это в основном мачтовые подстанции. КТП данной группы состоят из шкафа ввода ВН, трансформатора и шкафа НН, укомплектованного на отходящих линия автоматическими выключателями.

2.  КТП внутренней и наружной установки напряжением до 10 кВ включительно мощностью 160...2500 кВА, которые в основном используются для электроснабжения промышленных предприятий. КТП этой группы состоят из шкафов ввода на напряжение 10 кВ и РУ напряжением до 1 кВ. Для КТП применяют как масляные, так и заполненные негорючей жидкостью или сухие трансформаторы специального исполнения с боковыми выводами, для КТП наружной установки - только масляные.

3.  Сборные и комплектные трансформаторные подстанции напряжением 35... 110/6... 10 кВ. Со стороны высокого напряжения подстанции комплектуются открытыми распределительными устройствами напряжением 35...110 кВ, со стороны 6...10 кВ - шкафами КРУП наружной установки.

4.  КТП специального назначения, перевозимые на салазках, напряжением 6... 10 кВ, мощностью 160... 630 кВА, которые выпускаются для электроснабжения стройплощадок, рудников, шахт, карьеров.

Оборудование, используемое в КТП:

высоковольтный выключатель нагрузки

высоковольтные разрядники

предохранители

силовой трансформатор

автоматические выключатели

измерительные трансформаторы тока

амперметры

переключатель (рубильник)

5. Термическое действие токов КЗ, удалённое КЗ, вблизи генераторов и компенсаторов, вблизи группы двигателей.

Продолжительность КЗ составляет обычно доли секунды и, как исключение, может достигнуть нескольких секунд. В течение этого короткого промежутка времени выделение тепла настолько велико, что температура проводников и аппаратов выходит за пределы, установленные для нормального режима. Процесс нагревания прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка системы, после чего происходит относительно медленное остывание.

Даже кратковременное повышение температуры проводников (частей аппаратов) при КЗ может привести к размягчению и плавлению металла, выжиганию изоляции, разрушению контактов и другим повреждениям. Для надежной работы электрической системы необходимо исключить такие повреждения, что достигается выбором соответствующих размеров токоведущих частей и по возможности быстрым автоматическим отключением поврежденных цепей. Свойство (способность) аппарата и проводника противостоять кратковременному тепловому действию тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью. Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов, а также нагревостойкостью изоляции. Допустимые конечные Температуры для аппаратов и проводников (табл. 5.1) установлены на основании опыта. Они выше допустимых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяются не только температурой, но также продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала. Как видно из табл. 5.1, допустимые конечные температуры при КЗ лежат в пределах от 120 до 300 °С, в то время как допустимые температуры при нормальной работе, как правило, не превышают 60 — 80 °С Для неизолированных медных проводников установлена максимальная температура 300^СС, а для алюминиевых 200°С. Допустимая температура для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией до 10 кВ принята равной 200 °С независимо от материала жил. Она ограничивается нагревостойкостью изоляции.

Удаленное короткое замыкание- Короткое замыкание в электроустановке, при котором амплитуда периодической составляющей тока данного источника энергии в начальный и в произвольный моменты времени практически одинаковы

Определение теплового импульса тока КЗ  для оценки термической стойкости зависит от местоположения точки КЗ в рассматриваемой электроустановке. В соответствии с [4, 5] можно выделить три основных случая: удаленное КЗ, КЗ вблизи генераторов и КЗ вблизи группы электродвигателей. Тепловой импульс тока КЗ имеет две составляющие: периодическую  и апериодическую :

.                                   (1.13) При удаленном КЗ, если отношение действующего значения периодической составляющей тока любого генератора (синхронного компенсатора) в начальный момент КЗ к его номинальному току меньше двух, т. е. при , это обычно сборные шины напряжением 35 кВ и выше, все источники исходной схемы объединяются в один эквивалентный источник. В этом случае периодическая составляющая тока КЗ принимается незатухающей, т.е. , а апериодическая составляющая затухающей по экспоненте с постоянной времени системы , которая берется из таблицы 1.1. Таким образом, при удаленном КЗ, тепловой импульс тока КЗ согласно [2] определяется по формуле: ,            (1.14) где  - начальное значение периодической составляющей тока КЗ от эквивалентного источника. В том случае, если  тепловой импульс тока КЗ можно определять по формуле .                             (1.15)

При КЗ вблизи группы электродвигателей все электродвигатели заменяются эквивалентным электродвигателем, а все источники объединяются в эквивалентный источник, который является системой по отношению к эквивалентному электродвигателю. Для определения суммарного теплового импульса тока КЗ с учетом электродвигателей рекомендуется [2] пользоваться выражениями (1.16) - (1.19), в которых необходимо заменить  и  соответственно на  и  эквивалентного электродвигателя. Согласно [1, 6] группа электродвигателей заменяется эквивалентным электродвигателем со следующими параметрами: постоянная времени периодической составляющей тока ; постоянная времени апериодической составляющей тока коэффициент полезного действия , коэффициент мощности , кратность пускового тока . Начальный периодический ток эквивалентного электродвигателя определяется по выражению            (1.20) Относительный тепловой импульс тока КЗ  и относительный токовый импульс  от эквивалентного электродвигателя определяются по [2] или кривым, приведенным на рисунках 1.2 и 1.3.

6. Источники постоянного оперативного тока. Выбор аккумуляторных батарей и зарядных агрегатов.

Аккумуляторные батареи являются независимыми источниками энергии в системах собственных нужд станций и подстанций. Основное их назначение заключается в питании систем управления, автоматики, сигнализации, связи, а также электроснабжении особо ответственных рабочих машин и сети освещения при нарушении нормальной работы установки в течение времени, необходимого для восстановления нормальной работы.

На ТЭС обычно предусматривают аккумуляторную батарею на каждый блок или на два блока и еще одну батарею для главного щита управления. На АЭС число аккумуляторных батарей значительно больше. На гидростанциях в зависимости от установленной мощности ограничиваются одной или двумя батареями. На мощных подстанциях также предусматривают аккумуляторные батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из следующих основных мастей: положительных и отрицательных пластин, сепараторов, сосуда и электролита. Активными веществами, участвующими в электрохимических реакциях, являются перекись свинца РЬ0₂ на положительных пластинах, губчатый свинец РЬ на отрицательных пластинах и раствор серной кислоты в воде. Перекись свинца и губчатый свинец имеют кристаллическое строение и непрочны; они удерживаются на основе в виде каркаса из свинца или сплава свинца с сурьмой.

Источники питания постоянного оперативного тока

Независимым источником оперативного тока являются аккумуляторные батареи.

Преимущества источников питания постоянного оперативного тока:

- Обеспечивается питание всех цепей подключенных устройств в любой момент времени с необходимым уровнем напряжения и тока независимо от состояния основной сети.

- Простота и надежность схем релейной защиты.

Недостатки:

- Высокая стоимость (экономически оправдано использование источников постоянного оперативного тока на подстанциях 110 кВ и выше с несколькими ВЛ);

- Необходимость наличия отапливаемого и вентилируемого помещения;

- Необходимость использования подзарядного устройства;

- Сложность в эксплуатации.

Для повышения надежности сеть оперативного питания секционируется с тем, чтобы обесточивание одной или нескольких секций не приводило к отказам наиболее ответственных потребителей оперативного тока, к которым относятся устройства релейной защиты, автоматики и управления.

Аккумуляторная батарея работает на шинки постоянного тока, от которых отходят линии, питающие секции оперативного тока для каждой группы потребителей. ШУ – шинки для питания устройства релейной защиты, автоматики и управления (обычно отдельная шинка для каждой секции шин), ШС - шинки сигнализации и ШВ – шинки питания электромагнитов включения выключателей. Аккумуляторная батарея является также источником аварийного освещения подстанции.

Аккумуляторная батарея выполняется обычно из свинцово-кислотных аккумуляторов, обладающих достаточно высокими долговечностью, экономичностью и выдерживающих кратковременные перегрузки, например при питании электромагнитов включения мощных выключателей (ток электромагнита может достигать нескольких сотен ампер).

Помещение аккумуляторной батареи должно иметь обогрев и вентилцию для удаления паров серной кислоты. Для обеспечения долговечности батареи должен соблюдаться оптимальный режим ее подзаряда, заряда и разряда. С этой целью используются автоматические регулируемые выпрямительные установки (подза-рядные устройства).

Энергия аккумуляторной батареи Q определяется режимом ее работы и графиком нагрузки приемников постоянного тока. Нагрузка постоянного тока на электрических станциях может быть разделена на следующие категории: постоянная нагрузка /поот (сигнальные и контрольные лампы на щитах управления, часть аппаратов защиты и автоматики);

Примечав и е. Для электрических приводов выключателей с предельным током включения свыше 50 кА нижний предел напряжения допускается равным 85 % номинального. временная аварийная нагрузка, появляющаяся при нарушениях электроснабжения переменным трехфазным током (аварийное освещение, двигатели постоянного тока) и сохраняющаяся в течение всего времени аварии та8; временная аварийная нагрузка, определяемая приемниками, подключаемыми к шинам постоянного тока не на все время аварии (например, резервные масляные насосы турбин); кратковременная нагрузка Iвкл (приводы выключателей). Расчетная разрядная энергия батареи, работающей в режиме постоянного подзаряда, (9-1) Длительность работы батареи в аварийном режиме Iав рекомендуется принимать [55 ) равной: 1 ч — для электростанций и подстанций, работающих в системе; 0,5 ч — для гидроэлектростанций, работающих в системе; 2 ч — для изолированно работающих электростанций. Расчетный ток кратковременного разряда (9-2) где /Ш(Л — ток, потребляемый наиболее мощным приводом при включении выключателя (в некоторых случаях суммарный ток двух или даже трех приводов). Энергия аккумуляторной батареи выбирается с учетом допустимых отклонений напряжения от номинального (табл. 9-2). Число элементов в батарее, работающей в режиме постоянного подзаряда, находится по выражению

где Um — напряжение на шинах постоянного тока, В; Uпоцз — напряжение подзаряда, для аккумуляторов типа СК принимается равным 2,15 В. Типовой номер аккумулятора определяется с учетом понижения энергии батареи за период эксплуатации: (9-4) где 1,1 — коэффициент, учитывающий понижение энергии батареи; Qa>=i — энергия аккумулятора СК-1 (при одночасовом разряде равная 18,5 А-ч, при двухчасовом — 22 А-ч). Полученный по выражению (9-4) номер батареи округляется до ближайшего большего типового номера. Выбранная батарея проверяется по напряжению в аварийных условиях в длительном режиме по кривым на рис. 9-1 и в толчковом режиме по кривым на рис. 9-6. Задаваясь по табл. 9-2 значением Uш. доп, определяют по кривой на рис. 9-6 допустимую толчковую нагрузку /т. Д011, приведенную к первому номеру батареи, и вычисляют номер батареи N = /1ф разр//т. доп. Из двух значений N выбирают большее. Проверка батареи в толчковом режиме может быть проведена также по наибольшему расчетному току кратковременного разряда /кр. ра3р, который не должен превосходить максимального допускаемого кратковременного разрядного тока /кр. доп. Рис. 9-6, Зависимость напряжения на зажимах батареи от приведенной толчковой нагрузки Сплошная кривая — при температуре электролита 10 °С; штриховая — при температуре электролита 25 °С Так как максимальный длительно допускаемый разрядный ток аккумуляторов типа СК (в амперах) равен одночасовому току, Аил. разр — 18,5 N, а в условиях пятисекундного разряда допускается увеличить этот ток в два с половиной раза (до 250 %), то (9-5) При выборе щелочных аккумуляторов для электрических станций (подстанций), на которых длительность аварии принимается равной одному часу, длительный разрядный ток должен сравниваться с допускаемым двухчасовым разрядным током щелочного аккумулятора: (9-6) а при длительности аварии два часа — с трехчасовом разрядным током: (9-7) Для сохранения при толчковой нагрузке достаточного напряжения на шинах необходимо соблюдать условие (9-8)

7. Регулирование напряжения трансформаторов.

Для регулирования напряжения в системе с помощью трансформаторов (автотрансформаторов) на одной из об-моток (у трехобмоточных трансформаторов на двух обмотках) предусматривают кроме основного вывода дополнительные ответвления и соответствующие переключающие устройства для вменения коэффициента трансформации. Различают два вида переключающих устройств, а именно:

1) устройства для переключения числа витков при отключенном трансформаторе, т. е. без возбуждения,- ПБВ;

2) устройства для переключения числа витков под нагрузкой - РПН. Устройствами первого вила снабжают все трансформаторы; исключения из этого правила редки. Эти устройства позволяют обычно изменять коэффициент транформации в пределах 4-5%. Устройства второго вида рассчитаны на изменение коэффициента трансформации в значительно более широких пределах - до 20%. Стоимость их выше. Применение получили также регулируемые трансформаторы, включаемые последовательно с главными трансформаторами (автотрансформаторами), не снабженными устройствами РПН.

Ответвления для регулирования напряжения предусматривают, как правило, на обмотках высшего напряжения, имеющих меньший рабочий ток. На рис. 22.10 показаны распространенные схемы обмоток силовых трансформаторов с ответвлениями для устройств ПБВ и РПН. Схема на рис. 22.10, а относится к обмоткам напряжением до 110 кВ. Ответвления для устройств ПБВ предусмотрены посередине, вывод - на конце. Схема на рис. 22.10,6 относится к обмоткам напряжением 220 — 330 кВ, разделенным на две части с выводом посередине. Ответвления для устройства РПН расположены на 1/4 и 3/4 высоты обмотки. Схема на рис. 22.10, в относится к обмоткам трансформаторов 110 кВ; здесь регулируемая часть обмотки расположена со стороны нейтрали, что позволяет снизить изоляцию переключающего устройства РПН.

Чтобы обеспечить постоянное напряжение у зажимов обмотки низшего напряжения трансформатора (с магнитной связью обмоток) при изменении высшего напряжения, необходимо изменять число витков обмотки высшего напряжения гак, чтобы поддерживать неизменной ЭДС на один виток, т. е. индукцию в магнитодроводе. При увеличении высшего напряжения для сохранения индукции неизменной число витков следует увеличить.

В автотрансформаторах регулируемую часть обмотки одно время размещали со стороны нейтрали (рис. 22.11, а). В отличие от трансформатора здесь при увеличении высшего напряжения необходимо уменьшить число витков, чтобы поддержать неизменным напряжение на стороне среднего напряжения. Это ведет к увеличению ЭДС на один виток, т. с. к увеличению индукции. Однако увеличение индукции свыше определенного предела недопустимо вследствие резкого увеличения потерь мощности в стали и температуры магнитопровода. Чтобы избежать перенасыщения сердечника, приходится снижать расчетную индукцию, т. е. увеличивать расход материалов и стоимость автотрансформатора.

Существенным недостатком регулирования изменением числа витков общей обмотки является одновременное изменение напряжения третичной обмотки. Поэтому такое регулирование называют связанным. Действительно, при увеличении высшего напряжения и соответствующем уменьшении числа витков напряжение у зажимов трегичной обмотки увеличивается вследствие увеличения индукции в сердечнике. При уменьшении высшего напряжения и соответствующем увеличении числа витков напряжение у зажимов третичной обмоти уменьшится вследствие уменьшения индукции в сердечнике Недостатки связанного регулирования автотрансформаторов можно устранить, если ответами для регулирования перенести на последовательную обмотку или к линейному выводу среднего напряжения (рис22.11,6). При этом стоимосгь устройств для регулирования увеличивается, m как оно должно быть изолировано на более высокое напряжение.

Последовательные регулировочные трансформаторы. Эти трансформаторы (рис. 22.12) предназначены для регулирования напряжения при отсутствии устройства РПН у главных трансформаторов (автотрансформаторов) Они могут быть подключены к главному трансформатору (автотрансформатору)со стороны линейных выводов высший напряжения, линейных выводов среднее напряжения или со стороны нейтрал); Последовательный регулировочник трансформатор имеет две обмотки

последовательную 2, включаемую последовательно с соответствующей обмоткой главного трансформатора (автотрансформатора) 1, и обмотку возбуждения 3, получающую питание от обмотки низшего напряжения трансформтора через регулируемый автотрансформатор 4. Уровень изоляции переключающего устройства регулируемого автотрансформатора может быть значительно ниже, чем изоляции соответствующего устройства, встроенного в главный трансформатор. Напряжение последовательной обмотки может быть изменено в широких пределах, определяемых требуемым диапазоном регулирования, с изменением знака, т. е. может прибавляться к напряжению обмотки главного трансформатора или вычитаться из него.

Разновидностью последовательного регулировочного трансформатора является линейный трансформатор для поперечного регулирования (рис. 22.13), позволяющий сдвигать по фазе напряжение сети, не изменяя его значения. Достигается это прибавлением к фазному напряжению сети регулируемого напряжения, сдвинутого на угол 90^е. Для этого регулируемый трансформатор 4 присоединяют к линейному напряжению двух других фаз.

Переключающие устройства системы РПН. Эти устройства выполняют таким образом, чтобы переключение с одного ответвления обмотки на другое не сопровождалось разрывом цепи тока и закорачиванием витков обмотки. Элементами переключающего устройства являются: 1) избиратель ответвлений, контакты которого размыкают и замыкают ветви цепи без тока; 2) контакторы, размыкающие и замыкающие ветви цепи с рабочим током; 3) токоограничивающий реактор или резисторы; 4) приводной механизм.

Схема переключающего устройства системы РПН с токоограничивающим реактором приведена на рис. 22.14, а. В исходном положении контакты избирателя И₁ и И₂ присоединены к одному ответвлению обмотки, а контакторы К1 и К₂ замкнуты. Рабочий ток делится поровну между ветвями сдвоенного реактора LR. Так как токи направлены встречно, падение напряжения в реакторе невелико.

Процесс переключения с одной ступени на другую протекает в следующей последовательности. Размыкается контактор К₂ (под током); при этом весь рабочий ток проходит через контакты избирателя И₁, контактор К1 и ветвь реактора. Контакт избирателя И₂ переходит на второе ответвление, замыкается контактор К₂. Рабочий ток делится между ветвями реактора. Появляется также циркулирующий ток, вызванный напряжением между соседними ответвлениями. Этот ток ограничен большим продольным сопротивлением реактора. Затем размыкается контактор К, (под током), контакт избирателя R, переходит на соседнее ответвление, и снова замыкается контактор Процесс переключения закончен. Переключение на следующее ответвление происходит в той же последовательности.

В рассматриваемой схеме процесс переключения происходи! Относительно медленно, все элементы РПН рассчитаны на длительное прохождение тока. Избиратель и токоограничивающий реактор размещены в баке трансформатора. Контакторы размещены в особом отсеке, чтобы обеспечить доступ к контактной системе, требующей ухода. Реактор имеет заземленный стальной сердечник, а изоляция обмотки реактора соответствует рабочему напряжению. Чем выше последние, тем больше размеры реактора. Это ограничивает область применения рассматриваемой схемы. Она может быть использована, если регулируемая часть обмотки находится со стороны нейтрали.

Переключающие устройства системы РПН с резисторами более совершенны. Они относятся к быстродействующим устройствам. Размеры резисторов, рассчитанных на кратковременный ток, относительно невелики, и все устройство может бытьь выполнено весьма компактным. Принципиальная схема переключающего устройства приведена на рис. 22.14,6. В исходном положении контакторы К, и К₂ замкнуты, а контакторы К₃ и К4 разомкнуты. Рабочий ток проходит через контакты избирателя И₁ и контактор К1 Резистор R1 шунтирован. Процесс переключения на соседнее ответвление обмотки происходит в следующей последовательности. Контакт избирателя И₂ переходит па соседнее ответвление, размыкается контактор К₁ и рабочий ток проходит через резистор R1 и контактор К₂. Замыкается контактор К₃, и половина рабочего тока переходит в ветвь резистора R2. Появляется также небольшой циркулирующий ток. Затем размыкается контактор К2 (под током), и весь ток переходит в ветвь резистора R2. Замыкается контактор К₃, шунтируя резистор R2. Ток нагрузки проходит через контактор. Процесс переключения закончен. Левая часть схемы подготовлена к переключению на следующее ответвление.

В рассматриваемом устройстве с резисторами условия для гашения дуги, возникающей при размыкании ветвей с током, более благоприятны по сравнению обустройством с токоограничивающим реактором. Применяют контакторы в масле, а также с вакуумными камерами, обладающими значительными преимуществами. Механизм переключающего устройства снабжен мощными пружинами, обеспечивающими большую скорость переключения.

8. Электродинамическая устойчивость шин и аппаратов.

Электродинамическое действие тока короткого замыкания - механическое действие электродинамических сил. Обусловленных током короткого замыкания, на элементы электроустановки.

Ток электродинамической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании — нормированный ток. электродинамическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

7.3.1.1. Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость при КЗ заключается в расчете максимального механического напряжения в материале (о_П1ах) и максимальной нагрузки на изоляторы (/"шах) и в сравнении полученных значений указанных величин с допустимыми значениями.

Шинная конструкция обладает электродинамической стойкостью, если выполняются условия:

F_30n - допустимая механическая нагрузка на изоляторы.

7.3.2. Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость

7.3.2.1. При проверке на электродинамическую стойкость шинной конструкции, обладающей высокой жесткостью, шину в любом пролете между изоляторами, кроме крайних, следует рассматривать как стержень (балку) с защемленными концами (табл. 7.1). Наличие ответвлений допускается не учитывать, поскольку они снижают расчетные напряжения в материале шин и нагрузки в изоляторах.

7.3.2.2. Максимальное напряжение в материале шины и нагрузку на изолятор шинной конструкции высокой жесткости при трехфазном КЗ следует определять по формулам

(7.12)

где с_доп - допустимое механическое напряжение в материале шин:

(7.13)

н определяемая по формуле (7.10);

I - длина пролета шин. м;

W - момент сопротивления поперечного сечения шины, м³: формулы для его расчета приведены в табл. 7.4:

X и р - коэффициенты, зависящие от условия опнрання (закрепления) шин. а также числа пролетов конструкции с неразрезными шинами. Их значения даны в табл. 7.1.

При двухфазном КЗ

_F(2) j

(7-15)

(7.16)

где - максимальная сила, возникающая в многопролетной балке при двухфазном КЗ. Н.

и определяемая по формуле (7.11).

При расчете напряжений в области сварных соединений, находящихся на расстоянии Z от опорного сечения, в формулы (7.13) и (7.15) следует подставлять значения 1/Х, (Z). вычисленные

Под электродинамической стойкостью электрического оборудования (коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов тока и др.) понимают ею способность противостоять кратковременному (в течение нескольких периодов) электродинамическому (механическому) действию тока КЗ без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

За воды-изготовители характеризуют электродинамическую стойкость электрическою оборудования номинальным током электродинамической стойкости,установленным расчетом и типовыми испытаниями, а именно:

Действующим значением _{iдин.ном.} и мгновенным значением _{Iдин.ном.} При проверке оборудования на электродинамическую стойкость следует сопоставить номинальные значения токов с соответствующими расчетными значениями:

Необходимость в соблюдении двух условий объясняется тем, что отношение номинальных Токов _{iдин.ном} / _{Iдин.ном} установлено равным 2,55, в то время как отношение расчетных токов _iуд / _Iп0 может быть меньше и больше 2,55. В первом случае достаточна проверка но второму неравенству, во втором случае — по первому.

9. Средства ограничения токов КЗ. Реакторы. Выбор реакторов.

В настоящее время разработан комплекс мер, который позволяет регулировать уровни токов КЗ, ограничивать их при развитии электроустановок. Однако применение таких средств не является самоцелью и оправданно только после специального технико-экономического обоснования.

Наиболее распространенными и действенными способами ограничения токов КЗ являются: секционирование электрических сетей; установка токоограничивающих реакторов; широкое использование трансформаторов с расщепленными обмотками низшего напряжения.

Первый способ является эффективным средством, которое позволяет уменьшить уровни токов КЗ в реальных электрических сетях в 1,5 – 2 раза. Пример секционирования электроустановки с целью ограничения токов КЗ показан на рис. 1.1.

Когда выключатель QB включен, ток КЗ от генераторов G1 и G2 проходит непосредственно к месту повреждения и ограничен лишь сопротивлением генераторов и трансформаторов соответствующих энергоблоков.

Если выключатель QB отключен, в цепь КЗ дополнительно включается сопротивление линий. Ток КЗ от генераторов G1 и G2 при этом резко снижается по сравнению с предыдущим случаем.

Распределение токов КЗ:

а—секционный выключатель включен; б—секционный выключатель отключен

В месте секционирования образуется так называемая точка деления сети. В мощной энергосистеме с большими токами КЗ таких точек может быть несколько.

Секционирование электрической сети обычно влечет за собой увеличение потерь электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах в нормальном режиме работы, так как распределение потоков мощности при этом может быть неоптимальным. По этой причине решение о секционировании должно приниматься после специального технико-экономического обоснования.

В распределительных электрических сетях 10 кВ и ниже широко применяется раздельная работа секций шин, питающихся от различных трансформаторов подстанции (рис. 1.2). Основной причиной, определяющей такой режим работы, является требование снижения токов КЗ, хотя и в этом случае отказ от непосредственной параллельной работы трансформаторов имеет свои отрицательные последствия: разные уровни напряжения по секциям, неравномерная загрузка трансформаторов и т. п. При мощности понижающего трансформатора 25 МВА и выше применяют расщепление обмотки низшего напряжения на две, что позволяет увеличить сопротивление такого трансформатора в режиме КЗ примерно в 2 раза по сравнению с трансформатором без расщепления обмотки.

К специальным техническим средствам ограничения токов КЗ в первую очередь относятся токоограничивающие реакторы.