Ограничение токов короткого замыкания

Классификация подстанций

Функционально подстанции делятся на:

· Трансформаторные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения при помощи трансформаторов.

· Преобразовательные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования рода тока или его частоты.

Электрическое распределительное устройство, не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом. Преобразовательная подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты называется вставкой постоянного тока.

По значению в системе электроснабжения:

· Главные понизительные подстанции (ГПП);

· Подстанции глубокого ввода (ПГВ);

· Тяговые подстанции для нужд электрического транспорта, часто такие подстанции бывают трансформаторно-преобразовательными для питания тяговой сети постоянным током;

· Комплектные трансформаторные подстанции 10 (6)/0,4 кВ (КТП). Последние называются цеховыми подстанциями в промышленных сетях, городскими — в городских сетях.

В зависимости от места и способа присоединения подстанции к электрической сети нормативные документы не устанавливают классификации подстанций по месту и способу присоединения к электрической сети. Однако ряд источников даёт классификацию исходя из применяющихся типов конфигурации сети и возможных схем присоединения подстанций^[2].

· Тупиковые — питаемые по одной или двум радиальным линиям

· Ответвительные — присоединяемые к одной или двум проходящим линиям на ответвлениях

· Проходные — присоединяемые к сети путём захода одной линии с двухсторонним питанием

· Узловые — присоединяемые к сети не менее чем тремя питающими линиями

Ответвительные и проходные подстанции объединяют понятием промежуточные, которое определяет размещение подстанции между двумя центрами питания или узловыми подстанциями. Проходные и узловые подстанции, через шины которых осуществляются перетоки мощности между узлами сети, называют транзитными.

Также используется термин «опорная подстанция», который как правило обозначает подстанцию более высокого класса напряжения по отношению к рассматриваемой подстанции или сети.

В связи с тем, что ГОСТ 24291-90 определяет опорную подстанцию как «подстанцию, с которой дистанционно управляются другие подстанции электрической сети и контролируется их работа», для указанного выше значения целесообразнее использовать термин «центр питания».

По месту размещения подстанции делятся на:

· Открытые — оборудование которой расположено на открытом воздухе.

· Закрытые — подстанции, оборудование которых расположено в здании.

Электроподстанции могут располагаться на открытых площадках, в закрытых помещениях (ЗТП — закрытая трансформаторная подстанция), под землёй и на опорах (МТП — мачтовая трансформаторная подстанция), в специальных помещениях зданий-потребителей. Встроенные подстанции — типичная черта больших зданий и небоскрёбов.

Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.

Необходимость в повышении передаваемого напряжения возникает в целях многократной экономии металла, используемого в проводах ЛЭП, и уменьшения потерь на активном сопротивлении. Действительно, необходимая площадь сечения проводов определяется только силой проходящего тока и отсутствием возникновения коронного разряда. Также уменьшение силы проходящего тока влечёт за собой уменьшение потери энергии, которая находится в прямой квадратичной зависимости от значения силы тока. С другой стороны, чтобы избежать высоковольтного электрического пробоя, применяются специальные меры: используются специальные изоляторы, провода разносятся на достаточное расстояние и т. д. Основная же причина повышения напряжения состоит в том, что чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

3--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------. Степень надежностисхемы должна соответствовать характеру

потребителей, которые присоединены к электростанции или подстан-

ции. Чем выше требование в отношении бесперебойности электроснаб-

жения потребителей, тем надежнее должна быть схема. Все потребите-

ли с точки зрения надежности электроснабжения разделяются на три ка-

тегории [1].

При выборе схемы станции на генераторном напряжении 6 кВ или

10 кВ учитывается характер потребителей и схемы сетей электроснаб-

жения (питание по одиночным или параллельным линиям, наличие ре-

зервных вводов у потребителей и т.д.). Если к шинам 6 – 10 кВ присое-

динены линии, питающие потребителя I категории (химический комби-

нат, шахты, городской водопровод и т.д.), то степень надежности схемы

должна быть такова, чтобы при любой аварии на станции не прекраща-

лось питание потребителей. При наличии потребителя II категории тре-

бование надежности схемы несколько снижается, так как при аварии на

станции (отключение генератора, сборных шин, отказ работы выключа-теля) допускается прекращение питания потребителя на время опера-

тивных переключений.

Однако практически трудно выделить линии I, II или III катего-

рии. Обычно по одной линии 6 – 10 кВ питаются потребители как пер-

вой, так и второй категории, по другой – вторая и третья категории.

Можно лишь говорить о большей или меньшей ответственности линий.

При выборе электрической схемы станций или подстанций на сто-

роне 110 – 500 кВ также нельзя говорить о неответственных линиях, так

как каждая линия имеет высокую пропускную способность – по одной

линии можно передавать 60 – 500 МВт, то есть обеспечивать питание

целого предприятия или промышленного района. Линии 110 – 500 кВ

могут являться линиями связи между отдельными частями энергосисте-

мы или между различными энергосистемами. Отключение таких линий

приведет к снижению устойчивости параллельной работы или к нару-

шению её, что может развиться в крупную системную аварию.

Схемы станций на стороне 110 – 500 кВ должны обладать боль-

шой надежностью. В первую очередь это относится к крупным электро-

станциям с блоками 300, 500, 800 МВт. При коротком замыкании в ка-

кой-либо _______части электрической установки такой станции и одновремен-

ном отказе работы выключателя должно отключаться минимальное ко-

личество оборудования – как правило, не более одного блока и одной

или нескольких линий, если при этом сохраняется устойчивость энерго-

системы [12].

4. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

На электрических станциях и подстанциях применяют электриче-

ские аппараты и токоведущие части (проводники) различного типа. Раз-

личают аппараты и токоведущие части первичных и вторичных цепей.

Электрические аппараты первичных цепейразличного напря-

жения можно условно разделить на четыре группы:

1) коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагруз-

ки, разъединители, отделители, короткозамыкатели);

2) защитные аппараты (предохранители, ограничители ударного

тока, разрядники и ограничители перенапряжений);

3) токоограничивающие аппараты (токоограничивающие реакторы

и резисторы, дугогасящие реакторы и др.);

4) измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения,

емкостные делители напряжения и т.п.).

Токоведущие части первичных цепей:

– гибкие проводники и гибкие токопроводы;

– шинные линии, закрытые шинные токопроводы с воздушной или

газовой изоляцией;

– силовые кабели (с бумажной пропитанной изоляцией, газонапол-

ненные или маслонаполненные).

5. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

6. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

7. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Токи КЗ вызывают нагрев токоведущих частей, значительно пре-

вышающий нормальный. Чрезмерное повышение температуры может

привести к выжиганию изоляции, разрушению контактов и даже рас-

плавлению металла, несмотря на кратковременность процесса КЗ.

После отключения поврежденного участка прохождение тока КЗ

прекращается, токоведущие части охлаждаются. Наибольшие допусти-

мые температуры нагрева при КЗ определяются ПУЭ [1]. Так, медные

шины допускают нагрев до 300 С, алюминиевые – до 200 С, кабели с

бумажной изоляцией – до 200 С.

Из-за наличия апериодической и периодич. Составляющей, сопротивление проводника также меняется которые не остаются постоянными расчет затруднен.

На практике считают через интеграл джоуля

импмпульс квадратичного тока

() время прохождение тока КЗ + время затухания апп. Составл

Условие термической стойкости: Ток термической стойкости в квадрате больше Вк.

8. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

9. --------------------------------------------------------------------------

11. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

При формировании схемы РУ генераторного напряжения необхо-

димо учитывать следующее:

1. Схемы принимаются типовые [3, 7, 12, 21, 25].

2. Минимальное число генераторов, присоединенное к шинам

ГРУ равно двум.

3. Число секций обычно равно числу генераторов [7].

4. По условиям электродинамической стойкости электрооборудо-

вания на каждую секцию подключают генераторы суммарной

мощностью не свыше 60–63 МВт при генераторном напряже-

нии 6 кВ и не выше 100–110 МВт – при 10 кВ.

5. Нагрузка потребителей (число линий) с учетом собственных

нужд от генератора распределяется между секциями так, чтобы

переток мощности через секционные реакторы в нормальном

режиме был наименьшим (стремился к нулю) во избежание по-

терь электроэнергии.

6. Для надежности [12] рекомендуется между секциями ГРУ ус-

танавливать два секционных выключателя, по обе стороны

секционного реактора (рис. 2.1 – 2.4).

12,14. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Ограничивающие ток короткого замыкания:

· устанавливают токоограничивающие электрические реакторы;

· применяют распараллеливание электрических цепей, то есть отключение секционных и шиносоединительных выключателей;

· используют понижающие трансформаторы с расщеплённой обмоткой низкого напряжения;

· используют отключающее оборудование — быстродействующие коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания - плавкие предохранители и автоматические выключатели;

Ограничение токов короткого замыкания

Необходимость выбора аппаратов и токоведущих частей электро-

установок, динамически и термически стойких к токам КЗ, приводит к

завышению сечения шин, кабелей и утяжелению аппаратуры в том слу-

чае, когда токи КЗ велики. Последнее имеет место в мощных энергосис-

темах, на электростанциях с мощными генераторами и крупных под-

станциях. Уменьшение величины тока КЗ позволяет облегчить аппара-

туру распределительных устройств и уменьшить сечение шин и кабе-

лей, что снижает капитальные затраты на сооружение электроустанов-

ки.

На стадии проектировании электростанций применяются схемные

решения для ограничения токов КЗ, которые заключаются в переходе от

схем со сборными шинами (поперечными связями) к блочным (полу-

блочным) схемам. Ниже приведены – наиболее распространенные

способы ограничения токов КЗ, которые применяются при эксплуата-

ции электроустановок.

Первый способ ограничения токов КЗзаключается в раздель-

ной работе трансформаторов, питающих линий и генераторов, которая

обеспечивается за счет секционирования сборных шин (деления сети) в

электрических сетях [3, 16]. На стороне НН 6–10 кВ подстанций секци-

онный выключатель в нормальном режиме отключен, что повышает на-

дёжность электроснабжения потребителей и уменьшает значение токов

КЗ. Такое деление сети называется стационарным. Секционный выклю-

чатель включается от работы устройства АВР (автоматическое включе-

ние резерва) при отключении источника питания. НТП подстанций [18]

также рекомендуется раздельный режим работы сетей на напряжении

35 кВ, что обеспечивает значительное упрощение устройств релейной

защиты и автоматики этих сетей. В электроустановках 110 кВ и выше

секционные и шиносоединительные выключатели в нормальном режи-

ме работы включены. При КЗ на одной из секций или системе сборных

шин релейная защита отключает указанные выключатели, такое деление

сети называется автоматическим – АДС или АСМ (автоматическое

снижение мощности).

Раздельная работа генераторов приводит к значительному умень-

шению токов КЗ, но этот режим во многих случаях не оправдывается по

технико-экономическим соображениям (надежность, экономичность,

величина резервной мощности).

Второй способ ограничения токов КЗ– применение трансфор-

маторов с расщепленной обмоткой низкого напряжения, которые имеют сопротивление в 1,5÷1,75 раза больше, чем трансформаторы такой же

мощности, но без расщепления обмоток [3, 16]. Наибольшее примене-

ние этот способ нашел для ограничения токов КЗ в системе с.н. мощных

электростанций, где в качестве рабочих и резервных источников ис-

пользуются трансформаторы с расщеплённой обмоткой низкого напря-

жения. Также трансформаторы с расщеплённой обмоткой устанавлива-

ются на мощных подстанциях.

Третий способ ограничения токов КЗ– искусственное увеличе-

ние сопротивления короткозамкнутой цепи. Для этой цели широко при-

меняют токоограничивающие реакторы. Реактор – это катушка без

стального сердечника с изолированными друг от друга витками, укреп-

ленными в бетонном каркасе. Возможно применение масляных реакто-

ров [3]. Реактор обладает значительным индуктивным и малым актив-

ным сопротивлением. Применяют разнообразные схемы включения ре-

акторов на электрических станциях и подстанциях, подробное описание

которых дано в [16].

Величину сопротивления реактора (без учета сопротивления сис-

темы) выбирают из условия ограничения тока КЗ до некоторого допус-

тимого значения.

13. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

См пункт 12 +

Токоограничивающие реакторыпредставляют собой аппараты,

предназначенные для ограничения токов КЗ в электрической сети. При-

менение реакторов позволяет снизить требования к элетродинамической

и термической стойкости проводников и аппаратов; облегчить работу

ряда элементов электроустановок, в том числе генераторов электро-

станций, при переходных процессах, снизить стоимость электроустано-

вок и распределительных сетей.

Наиболее широко реакторы используются в сетях 6–10 кВ, где

применяются сухие бетонные реакторы различного исполнения для

внутренней и наружной установок [3, 4, 16]. Сухой реактор – это ка-

тушка без стального сердечника с изолированными друг от друга вит-

ками, укрепленными в бетонном каркасе.

По конструктивному исполнению различают одинарные и сдвоен-

ные реакторы, по месту включения – секционные и линейные, по харак-

теристикам – реакторы с линейной и нелинейной характеристиками, ре-

акторы управляемые и неуправляемые.

Сдвоенный реактор имеет дополнительный вывод в середине об-

мотки, причем между частями обмотки существует электромагнитная

связь. При отсутствии тока в одной из частей обмоток, другая часть об-

ладает некоторым индуктивным сопротивлением хL.

Результирующее сопротивление сдвоенного реакторасущест-

венно изменяется в зависимости от режима его работы, значения и на-

правления токов в ветвях.

Различают следующие режимы работы сдвоенного реактора:

– одноцепной (рис. 1.16, а);

– двухцепной или сквозной (рис. 1.16, б);

– продольный (рис. 1.16, в);

– комбинированный (рис. 1.16, г).

15. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

При отключении цепи тока выключателем высокого напряжения его контакты расходятся, однако цепь тока не разрывается, так как между контактами возникаетэлектрическая дуга, т. е. сильно ионизированный столб газа, ставшим проводящим под влиянием высокой температуры.

При малой отключающей мощности возникает лишь искра, при больших мощностях отключения возникает дуга, под действием которой контакты обгорают; требуются специальные устройства для ее гашения и размыкания цепи. Зависимость тока дуги от напряжения на ней носит название вольт-амперной характеристиками дуги. Для дуги постоянного тока эта характеристика имеет падающий характер, что объясняется весьма быстрым ростом проводимости дугового промежутка при увеличении тока.

При неизменном (поддерживаемом при определенном значении какими-либо внешними средствами) дуга постоянного тока устойчива. Всякие температурные отклонения в стволе дуги немедленно компенсируются изменениями потребляемой мощности, и температура дуги возвращается к первоначальному значению.

По другому ведет себя дуга постоянного тока при неизменном напряжении. При повышении температуры в стволе дуги увеличивается его проводимость, возрастает ток и соответственно мощность. Это приводит к дальнейшему повышению проводимости и температуры. Обратный процесс охлаждения дуги приводит в конечном счете к ее погасанию. Таким образом, дуга постоянного тока при неизменном напряжении неустойчива.

В дуге переменного тока, возникающей в выключателях переменного тока, ток изменяется периодически с частотой 50 Гц. Дуга поэтому не является стационарной, а находится в состоянии динамического равновесия. Максимальное значение напряжения на дуге, соответствующее моменту появления тока в дуге, называют « напряжением зажигания», а моменту перехода тока через нуль – «напряжением гашения».

Удовлетворительно организованный отвод теплоты дуги, как правило, означает успешное отключение короткого замыкания. Неудовлетворительный отвод теплоты дуги почти всегда ведет к неприятным последствиям – выбросу масла из масляных выключателях, повреждению дугогасителей воздушных выключателей и даже взрывам выключателей.

16---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------