Проектирование электрической части подстанции

Удаленной точкой КЗ условно  называют такое место в электрической  сети, при коротком замыкании в  котором ток в генераторах  изменяется настолько незначительно, что можно пренебречь изменением ЭДС и напряжений генераторов и считать напряжение на их зажимах неизменным и равным номинальному. Поэтому при коротком замыкании в удаленной точке периодическая составляющая тока не изменяется и с первого же момента времени ток КЗ принимает свое установившееся значение.

В цепях отходящих  линий от шин НН подстанции номинальные  токи, в большинстве случаев, не превышают 630 А и в шкафах КРУ (Н) устанавливаются  выключатели с номинальным током  отключения не более 20 кА или 31,5 кА. Поэтому  необходимо рассчитать значения токов КЗ на стороне НН (6 – 10 кВ) подстанции в обоих вариантах и решить вопрос об их ограничении.

При ограничении токов  КЗ исходят из двух условий:

• по условию отключающей  способности выключателей, установленных  в цепях отходящих линий 6 – 10 кВ,

• по условию обеспечения термической стойкости кабелей отходящих линий 6 – 10 кВ.

По второму условию  необходимо выбрать сечения кабеля в цепи отходящей линии меньшей  мощности и проверить его на термическую  стойкость. При расчете минимального сечения кабеля по условию термической стойкости требуется определение времени прохождения (отключения) тока КЗ.

Указывается, что время  прохождения тока КЗ ( ) определяется установкой защиты, имеющей наибольшую выдержку времени. Для кабельных линий 6 – 10 кВ время отключения будет определяться выдержкой времени максимальной токовой защиты, при этом время отключения тока КЗ составит 1,2-2,2 с. Если при расчетных значениях токов КЗ в обоих вариантах обеспечивается отключающая способность выключателей и термическая стойкость кабелей, то в ограничении токов КЗ нет необходимости. При невыполнении этих условий следует выяснить, какое из них является определяющим, и выбрать средства ограничения токов КЗ.

 

5. Расчет токов короткого замыкания

 

Расчеты токов КЗ производятся для выбора или проверки параметров электрооборудования, а также для выбора или проверки установок релейной защиты и автоматики.

Расчет тока КЗ с учетом действительных характеристик и  действительного режима работы всех элементов энергосистемы, состоящей  из многих электрических станций и подстанций, весьма сложен. Вместе с тем для решения большинства задач, встречающихся на практике, можно ввести допущения, упрощающие расчеты и не вносящие существенных погрешностей. К таким допущениям относятся следующие:

• принимается, что фазы ЭДС всех генераторов не изменяются (отсутствие качания генераторов) в течение всего процесса КЗ;
• не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;
• пренебрегают намагничивающими токами силовых трансформаторов;
• не учитывают, кроме специальных случаев, емкостные проводимости элементов короткозамкнутой цепи на землю;
• считают, что трехфазная система является симметричной;
• влияние нагрузки на ток КЗ учитывают приближенно;
• при вычислении тока КЗ обычно пренебрегают активным сопротивлением цепи, если отношение х/г более трех. Однако активное сопротивление необходимо учитывать при определении постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ Т_а.

Указанные допущения  наряду с упрощением расчетов приводят к некоторому преувеличению токов  КЗ (погрешность практических методов  расчета не превышает 10%, что принято  считать допустимым).

На схеме замещения  намечаются точки КЗ, в которых  определяют значения токов КЗ для выбора и проверки электрических аппаратов и токоведущих частей. Необходимое количество точек КЗ и их место расположения определяется согласно расчетным условиям. Необходимо определить начальное значение периодической составляющей тока КЗ, ударный ток, значения апериодической и периодической составляющих тока КЗ. Расчетные точки КЗ в цепях подстанции находятся на значительной электрической удаленности от источника (системы).

При выборе электрических  аппаратов в распределительных устройствах (РУ) 110 кВ и выше необходимо рассчитывать ток однофазного КЗ . Если , то необходимо принять меры по его ограничению, чтобы выполнялось условие

 

 

6. Выбор электрических аппаратов

 

При проектировании подстанции необходимо выбрать:

• выключатели в РУ ВН, (СН), НН;

• разъединители;

Выключатели в зависимости  от применяемых в них дугогасительной  и изолирующей сред подразделяются на масляные, воздушные, элегазовые, вакуумные  и выключатели с магнитным  гашением дуги. В сетях 6…20 кВ применяются  малообъемные масляные выключатели, выключатели с магнитным гашением дуги, вакуумные и элегазовые. В качестве генераторных выключателей мощных блоков и синхронных компенсаторов применяются так же воздушные выключатели. На напряжении 35…220 кВ применяются малообъемные масляные выключатели при предельных токах отключения 25…40 кА, а так же элегазовые и вакуумные выключатели. В сетях 110 и 220 кВ находят применение также воздушные выключатели с током отключения от 50 до 63 кА. В сетях 330 кВ и выше применяются воздушные и элегазовые выключатели. При выборе выключателей, как и прочего оборудования, следует стремиться к однотипности, что упрощает эксплуатацию.

Выключатели выбирают

 

По номинальному напряжению Uуст ≤ Uном

по номинальному току Iнорм ≤ Iном; Imax ≤ Iном,

по отключающей способности.

 

По ГОСТ 687-78Е отключающая  способность выключателя характеризуется  следующими параметрами:

а) номинальным током  отключения Iотк.ном в виде действующего значения периодической составляющей отключаемого тока;

б) допустимым относительным содержанием апериодической составляющей в токе отключения βн, %;

в) нормированными параметрами  переходного восстанавливающего напряжения (ПВН).

Номинальный ток отключения Iотк.ном и βн отнесены к моменту прекращения соприкосновения дугогасительных контактов выключателя τ. Время τ от начала короткого замыкания до прекращения соприкосновения дугогасительных контактов определяют по выражению:

 

τ=tз.min+tс.в

 

где tз.min = 0,01 c – минимальное время действия релейной защиты; tс.в – собственное время отключения выключателя.

Допустимое относительное  содержание апериодической составляющей

(нормированная асимметрия  номинального тока отключения) в  отключаемом

токе:

 

где iа.ном – номинальное допускаемое  значение апериодической составляющей в отключаемом токе в момент размыкания дугогасительных контактов, для времени τ. βн задано ГОСТом в виде кривой βн = f(τ), приведенной на рис. 3.1, или определяется по каталогам.

 

Рис.3.1. Нормированное содержание апериодической составляющей.

 

Если τ > 0,09с, то принимают βн = 0.

В первую очередь производится проверка на симметричный ток отключения по условию

 

Iп.τ ≤ Iотк.ном

 

где Iп.τ – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания для времени τ, определяется расчетом.

Затем проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока короткого замыкания iа.τ в момент расхождения контактов τ по условию

 

 

Если условие Iп.τ ≤ Iотк.ном – соблюдается, а iа.τ > iа.ном, то допускается проверку по отключающей способности производить по полному току короткого замыкания:

 

 

Отключающая способность  выключателя определяется током  отключения Iотк.ном, который записывается в число его паспортных показателей. В качестве Iотк.ном указывается  наибольшая величина действующего значения периодической составляющей тока, которую успешно отключает дугогаситетельное устройство первогасящей фазы трехфазного выключателя при условии, что восстанавливающееся на межконтактном промежутке напряжение соответствует нормированному его значению. Нормированные значения переходного восстанавливавшегося напряжения (НПВН) в настоящее время определены ГОСТ 657-78 и приводятся, в виде координат точек, огибающих НПВН и допустимых значений скоростей восстановления напряжения в зависимости от номинальных напряжений выключателей и соотношения между фактическим и номинальным токами отключения. Для правильного выбора выключателя, следовательно, нужно знать и сопоставлять с паспортным значением не только расчетный ток короткого замыкания в месте его установки, но и соответствующее этому току восстанавливающееся напряжение. Процесс восстановления напряжения в сетях в случае отсутствия шунтирующих дугогасительные промежутки выключателя сопротивлений обычно имеет колебательный характер, при их наличии, как правило, экспоненциальный. Для определения параметров восстанавливающегося напряжения необходимо построить схему замещения электроэнергетической системы, в которой выбираемый выключатель должен быть поставлен в наиболее тяжелые расчетные условия.

Проверка включающей способности производится по условию

 

iу ≤iвкл; Iп.o≤ Iвкл

 

где iу − ударный ток короткого замыкания в цепи выключателя; Iп.o − начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания в цепи выключателя; Iвкл − номинальный ток включения (действующее значение периодической составляющей); iвкл − наибольший пик тока включения (по каталогу). Заводами изготовителями соблюдается условие

 

iвкл = 2 kу Iвкл

 

где kу =1,8 − ударный коэффициент, нормированный для выключателей.

Проверка по двум условиям необходима потому, что для конкретной системы kу может быть более 1,8.

Электродинамическая стойкость  выключателя задана номинальным  током электродинамической стойкости  в виде двух значений: действующего значения предельного сквозного  тока короткого замыкания Iпр.скв и амплитудного значения предельного сквозного тока короткого замыкания iпр.скв, определяемых по каталогам или справочникам.

Указанные токи связаны  между собой соотношением:

 

iпр.скв = 2 kу Iпр.скв = 2,55Iпр.скв

 

где kу =1,8 – ударный  коэффициент, нормированный для выключателей.

Проверка на электродинамическую  стойкость выполняется по условиям

 

Iп.0 ≤ Iпр.скв=Iдин

iу ≤ iпр.скв= iдин

 

где Iп.0 – начальное  значение периодической составляющей тока короткогозамыкания в цепи выключателя; iу – ударный ток короткого замыкания в той же цепи; Iдин, iдин– нормативные токи, электродинамическая составляющая.

Необходимость проверки по двум условиям объясняется тем, что  для конкретной системы расчетное  значение kу может быть более 1,8, указанного ГОСТом для выключателей.

На термическую стойкость  выключатель проверяется по тепловому  импульсу тока короткого замыкания:

 

 

где Вк – тепловой импульс  по расчету; Iтер – предельный ток  термической стойкости по каталогу; tтер – длительность протекания тока термической стойкости по каталогу.

Приводы к высоковольтным выключателям выбирают по каталогу в  соответствии с типом выключателя. При этом необходимо учитывать, что  приводы на оперативном постоянном токе требуют установки аккумуляторной батареи или устройств, заменяющих ее.

Выключатель — это  коммутационный аппарат, предназначенный  для включения и отключения тока

Короткозамыкатель - это  коммутационный аппарат, предназначенный  дт создания искусственного КЗ в электрической  цепи.

Ограничители ударного тока (ОУТ) — это сверхбыстродействующие коммутационные аппараты взрывного действия на большие номинальные токи для установок 6 — 30 кВ.

Разъединитель — это  контактный коммутационный аппарат, предназначенный  для отключения и включения электрической  цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.

Разъединители, отделители, выключатели нагрузки выбираются:

 

по номинальному напряжению Uуст ≤ Uном

по номинальному длительному  току Iрабmax ≤ Iном

по конструкции, роду установки;

по электродинамической  стойкости

iу ≤ iпр.скв

Iп.0 ≤ Iпр.скв

 

Где Iпр.скв – предельный сквозной ток короткого замыкания (амплитуда и действующее значение), определяемые по каталогу;

по термической стойкости

 

Вк ≤ Iтер tтер

 

где Вк – тепловой импульс  по расчету; Iтер – предельный ток  термической стойкости; tтер − длительность протекания предельного тока термической стойкости, определяются по каталогу. Короткозамыкатель выбирается по тем же условиям, но выбор по номинальному току не требуется. При выборе выключателей нагрузки следует добавить условие выбора по току отключения:

 

Iраб.max ≤ Iотк

 

где Iотк − номинальный ток отключения выключателя нагрузки.

Отключающая способность  выключателя нагрузки рассчитана на отключение токов рабочего режима.

7. Выбор токоведущих частей

 

Токоведущие части в  распределительных устройствах 35 кВ и выше электростанций и подстанций обычно выполняются гибкими сталеалюминевыми проводами АС или АСО. Гибкие провода  применяются также для соединения блочных трансформаторов с ОРУ. При напряжении 500 кВ могут быть применены полые алюминиевые провода марки ПА. При номинальных напряжениях 750 и 1150 кВ следует применять только провода марки ПА. При этом число проводов в фазе получается минимальным, уменьшается расход алюминия и число гирлянд изоляторов, упрощается монтаж. В некоторых конструкциях открытых распределительных устройств часть или вся ошиновка и сборные шины могут выполняться жесткими из алюминиевых труб. Соединение генераторов и трансформаторов с закрытым или комплектным распредустройством 6…10 кВ осуществляется гибким подвесным токопроводом, шинным мостом или закрытым комплектным токопроводом. Гибкие токопроводы для соединения генераторов и трансформаторов с РУ 6…10 кВ выполняются пучком проводов, закрепленных по окружности в кольцах-обоймах. Два провода из пучка – сталеалюминевые. Они несут в основном механическую нагрузку от собственного веса, гололеда и ветра.