СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 2 КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА ......................................................................................... 3 1. ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ....... 4 1.1 Устройства ограничения токов при коротких замыканиях .................. 6 1.2 Технологии ограничения токов короткого замыкания ......................... 9 2. РАСЧЕТ ТОКОВ ТРЕХФАЗНОГО КЗ ....................................................... 15 ВЫВОДЫ ........................................................................................................... 19 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................. 20 2 ВВЕДЕНИЕ Тема ограничения токов короткого замыкания в электрической сети является важной составляющей проблемой обеспечения надежности работы электрической сети. Использование традиционных методов ограничения токов короткого замыкания сопровождается потерями мощности энергии в нормальных режимах систем электроснабжения, и в некоторых случаях не обеспечивает требуемый уровень напряжения в аварийном режиме, в узлах питающей среды потребителей с непрерывной технологией, в свою очередь позволяет разработать ряд методов и устройств ограничения токов короткого замыкания. Актуальность данной темы на современном этапе развития электрических систем проблема ограничения токов короткого замыкания до сих пор является открытой. Рост тока короткого замыкания в электрических сетях всех классов напряжения делает актуальной разработку новых и эффективных методов предназначенных для его снижения. Новизна данной работы заключается в решении научно-технической задачи имеющей существенное значение для устранения проблем ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях, основная задача заключается в разработке научно-обоснованых рекомендаций связанных с комплексной оценкой эффективности ограничений уровней токов короткого замыкания, делением электрических сетей в условиях различной структуры и параметров реальной электрической сети. Постановка задачи данной работы заключается в рассмотрении основных вопросов и проблем технологии ограничения токов короткого замыкания, а так же построения электрической цепи для максимального ограничения токов электрической сети. 3 КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА КЗ – Короткое замыкание; ЭДС – Электродвижущая сила; КПД – коэффициент полезного действия; ОПН – ограничитель перенапряжения 4 1. ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ В электрических сетях короткое замыкание это соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание возникает при нарушении изоляции токоведущих элементов или в следствии механического соприкосновения токопроводящих элементов работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания. При более детальном анализе мощных сетей мы можем видеть, что точки короткого замыкания могут достигать очень больших величин, вследствие чего часто приходиться выбирать электрооборудование не по условиям нормального режима, а исходя из устойчивости их работы при коротком замыкании. При этих условиях не редко прибегают к искусственным мерам ограничения токов короткого замыкания, этим частично решается проблема и появляется возможность применения более дешевого электрооборудования, более легких типов электроаппаратов, шин и кабелей меньших сечений. В общем случае ограничение тока короткого замыкания достигается увеличением сопротивления цепи короткого замыкания либо путем осуществления раздельной работы питающих агрегатов и линий электросети, либо путем включения последовательно в цепь специальных сопротивлений. В следствии КЗ электропитание потребителей может не стабильно работать, причиной этого может быть не только выход из строя оборудования, но и глубокое снижение напряжения в линии, питающей потребителей энергии. Для более детального анализа рассмотрим изменение напряжения в линии при коротком замыкании, будем считать что схема содержит трехфазный генератор Г, нагрузку потребителя П и соединительные провода между которыми произошло трехфазное КЗ, что показано на рисунке 1.1 5 Рисунок 1.1 – Схема установки при трехфазном КЗ На данном рисунке мы видим, что в нормальном режиме работы напряжение у потребителя незначительно отличается от напряжения генератора и величину падения напряжения в линии на 5-7%[1]. Предположим, что потребитель имеет индуктивную и активную смешанную нагрузку. Следовательно, вектор тока в каждой фазе потребителя при нормальном режиме вектора напряжения этой же фазы на угол φΗ (при cos φΗ = 0,8, угол φΗ ≈ 36°). Векторная диаграмма для нормального режима нагрузки показана на рис.1.2 Рисунок 1.2 – Векторные диаграммы в нормальном режиме работы В данном разделе раскрывается актуальность данной темы и необходимость ее исследования в данное время. По тому, как очень широко развивается электрические сети, станции и подстанции для питания энергией промышленных объектов, заводов и т.д. 6 1.1 Устройства ограничения токов при коротких замыканиях Тенденция повышения высоких токов в электросети, сопровождается ростом недопустимо высоких токов короткого замыкания. Надежную защиту от таких бросков тока обеспечивает ограничитель тока Is-limiter. Данное устройство обеспечивает быстродействие создания достаточного заряда для разрыва главной цепи, по которой протекает ток в нормальном режиме. При возникновении КЗ ток переключается на параллельно подключенный предохранитель с большой отключающей способностью, который ограничивает ток в фазе нарастания[1]. Такое устройство рентабельно использовать на предприятиях где использование типовых выключателей не позволяет решить проблему сверхвысоких токов КЗ, схема работы данного устройства представлена на рисунке 1.1.1 Рисунок 1.1.1 – Схема работы устройства Is-limiter Далее рассмотрим ограничители типа Is-limiters которые служат для связи с двумя системами или частями систем при параллельном подключении через выключатель[9]. Ограничитель Is-limiters устанавливается в точке соединения с расчетом удвоенного значение тока КЗ, при непредвиденном нарастании максимального тока КЗ ограничивает ток в фазе нарастания. Установка данного устройства позволяет разделить электрические системы до того как значение КЗ станет критическим для компонентов 7 системы. Работа данного устройства заключается в разделении системы электропитания поврежденной части системы, при таком устройстве легко решить проблему КЗ, отключив соответствующий выключатель. В таком случае значение КЗ не превышает допустимых значений системы на любом участке в пределах распределительного устройства за одиночным трансформатором. Далее после срабатывания данного механизма напряжение в системе падает на доли миллисекунды, то есть защита от провалов напряжения даже устройств чувствительных к скачкам напряжения, что в свою очередь проиллюстрировано на рисунке 1.1.2 Рисунок 1.1.2 – Схема работы устройства Is-limiters При рассмотрении устройств ограничивающих КЗ в электросетях не стоит забывать о питании, которое необходимо для обеспечения собственных нужд объектов промышленной сферы и сферы услуг, которые работают параллельно с сетями общего доступа. Дополнительная подпитка точки КЗ электроэнергией, происходит от источника собственных нужд станции, которая может значительно повысить питание на шинах электростанции. Прежде было рассмотрено более приемлемое решение данной проблемы, Is-limiters является более эффективным с точки зрения срабатывания и более безопасного использования электросети, чем Is-limiter. С точки зрения практичности и надежности Is-limiter может не отвечать требованиям 8 электросети, данная проблема решается установкой трех дополнительных трансформаторов тока в главной цепи генератора, обмотки которого соединены в звезду. При использовании критерия направленности действия Is-limiter будет срабатывать только при коротких замыканиях в коммунальной сети электроснабжения, пример которого приведен на рисунке 1.1.3 Рисунок 1.1.3 – Ограничитель тока Is-limiter в цепи генератора Хотелось бы еще отметить ограничения высокого напряжения Is-limiter в цепи генератора. При установке множества генераторов токи КЗ в системе высокого напряжения в электросети будут велики, Is-limiter позволит защитить устройства электросети от КЗ которое подпитываемых данными генераторов, что проиллюстрировано на рисунке 1.1.4 Рисунок 1.1.4 – Параллельное подключение Is-limiter и реакторов 9 1.2 Технологии ограничения токов короткого замыкания Ограничение токов КЗ в случае заземления в сетях с напряжением 100700 кВ необходимо увеличить сопротивление нулевой последовательности относительно КЗ. При данных условиях видим, что увеличение сопротивления ветвей, увеличивает циркуляцию токов нулевой последовательности. Обмотки нижнего напряжения автотрансформаторов, соединенные в треугольник, и заземления нейтралей. Изменение значений заземления трансформаторов приводит к изменению режима заземления, и сети к изменению условий работы изоляции трансформаторов, при возникновении КЗ, коммутационных и атмосферных перенапряжениях[2]. При возникновении КЗ на землю электрической сети, если не все трансформаторы имеют заземление, то напряжение в фазах относительно земли будет выше. Далее рассмотрим коэффициент заземления Кз = 𝑈ф−з /𝑈ном (1.1) Где 𝑈ф−з – напряжение фазы по отношению к земле При Кз < 0,8 сеть считают эффективно заземленной. Глухозаземленная сеть является эффективным заземлением трансформаторов. При таких условиях токи КЗ будут низкими, а значение коэффициента Кз наименьшим. Если значение Кз больше 0,8 с такими значениями заземление считается неэффективным. Изоляция от земли очень неэффективна для электрической цепи, когда все трансформаторы разземлены. В этом случае значение коэффициента К3 получается наибольшим, равным единице[2]. КЗ на землю возникает из-за коммутационных перенапряжений и грозовых разрядов, для борьбы с которыми устанавливаются ограничители перенапряжения, которые устанавливаются в неповрежденных фазах, и пробиваются, вследствие перенапряжения высоким током. 10 Ограничить ток КЗ на землю, можно путем разземления части трансформаторов, или включения в трансформаторы устройств ограничения токов КЗ, таких как реакторы и резисторы, данное решение является наиболее эффективным способом как с экономической, так и с технической точек зрения. Сопротивление устройства ограничения тока включаемого в трансформатор, лимитируется допустимыми перенапряжениями на неповрежденных фазах трансформаторов, значения которых могут быть немного меньше напряжения гашения (𝑈гаш ) разрядника или ограничителя перенапряжения, но может быть не продолжительными из-за работы релейной защиты[2]. Для корректной работы выключателей необходимо, чтобы токи однофазного и двухфазного КЗ на землю в любой точке сети с напряжением 100 кВ и выше не превышали тока трехфазного короткого замыкания в той же точке, (1) (3) 𝐼к /𝐼к ≤ 1; (1.2) (1,1) 𝐼к (3) 𝐼к ≤1 (1.3) Это требование выполняется, если: 𝑋0 ∑ 𝑋1 ∑ ≥1 (1.4) Более простого ограничения токов КЗ на землю можно достичь разземлением нейтралей части трансформаторов в электрической сети, если изоляция нейтрали не приводит при отключении КЗ к выделению неэффективно заземленных или даже незаземленных участков сети с неустраненным КЗ на землю[8]. Ограничения токов КЗ можно достичь также путем включения в силовые трансформаторы реакторов или резисторов. Эффективность данных способов неодинакова. При подаче одного и того же сопротивления, больше 11 эффективность ограничения токов КЗ, чем у резисторов. Негативная сторона установки реакторов это утяжеление условий работы изоляции при перенапряжениях, особенно атмосферных. Установка резисторов менее эффективна с точки зрения токоограничения, но позволяет обеспечить быстрое затухание, а периодической составляющей тока короткого замыкания. Так же необходимо понимать что выбранные для заземления реакторы или резисторы могут вводиться в сеть либо постоянно либо при коротком замыкании[2]. Далее рассмотрим, типовую схему заземления трансформаторов напряжением 100—220 кВ проиллюстрировано на рисунке 1.2.1 Рисунок 1.2.1 –Схема заземления трансформаторов На данном рисунке показано расположение разземленного трансформатора с применением заземлителя или короткозамыкателя, и при разземлении нейтрали защита изоляции от перенапряжений осуществляется вентильным разрядником или ограничителем перенапряжения[6]. Эксплуатация показала недостаточную надежность этого способа, далее рассмотрим более совершенную схему, что проиллюстрировано на рисунке 1.2.2 12 Рисунок 1.2.2 –Схема заземления трансформаторов При появлении стремительного роста тока в цепи разрядника в таком случае срабатывает быстродействующий короткозамыкатель QK, заземляя трансформатор. В дальнейшем, проиллюстрируем нейтраль трансформаторов которая нормально изолирована при воздействии КЗ быстрым включением ограничителей перенапряжения изображено на рисунке 1.2.3 и 1.2.4 Рисунок 1.2.3 – Изоляция нейтралей трансформатора при КЗ Рисунок 1.2.4 – Изоляция нейтралей трансформатора при КЗ 13 Разрядник или ограничитель перенапряжения служит для защиты трансформатора от перенапряжения. Были представлены несколько видов изменения сопротивления нулевой последовательности трансформаторов[7]. При замене автотрансформаторов связи на трансформаторы равной мощности, может стать эффективным средством ограничения токов КЗ, работающие, как правило, с разземлениой нейтралью трансформатора на стороне среднего напряжения, что показано на рисунке 1.2.5 Рисунок 1.2.5 – Разземленная нейтраль трансформатора В данном решении осуществляется деление схемы нулевой последовательности при включенной цепи трансформатора. Для заземления необходимо совершить размыкание обмотки низкого напряжения автотрансформаторов и соединена в треугольник, что показано на рисунке 1.2.6 Рисунок 1.2.6 – Размыкание обмотки низкого напряжения 14 Эффективность такого способа определяется ограничением мощности нагрузки обмотки, и от суммарных сопротивлений нулевой последовательности примыкающих к автотрансформатору сетей. Для ограничения токов короткого замыкания на землю используются следующие средства: 1. Разземление нейтралей части трансформаторов (в сетях 110 кВ); 2. Включение в нейтраль трансформаторов и автотрансформаторов реакторов; 3. Включение в нейтраль трансформаторов резисторов. 15 2. РАСЧЕТ ТОКОВ ТРЕХФАЗНОГО КЗ Электрическая система является совокупностью устройств, связанных между собою одновременно, распределения и потребления электрической энергии происходит единовременно. Все режимы работы системы, персонал несет особую ответственность, по управлению системой для бесперебойного энергоснабжения потребителей в нормальных (установившихся) а также стабильных режимах работы электрических систем[9]. Далее произведем расчет токов в трехфазного КЗ. Для этого принимаем средние значения напряжений ступеней трансформации: U1cp=10.5 кВ; U2cp=10.5 кВ. U3cp=230 кВ; U4cp=115 кВ; U5ср=6,3 кВ; U6ср=115кВ, изображено на рисунку схема замещения исходной цепи 2.1[4]. Е’’г1 Хг1 1 К Хт1 3 Хл1 Xн1 Е’’г2 Хг2 2 Хат1(н) Хат1(в) 4 Хт2 6 Хс Е’’c Хг3 Е’’г3 Е’’н1 Хт3 5 Хат1(с) Хл4 Хл3 Рисунок 2.1 – Схема замещения исходной цепи Следующим шагом рассчитываем сопротивления элементов схемы замещения. Г1: S НГ1 PНГ 1 63 74,118 МВА; cos НГ1 0,85 2 X Г1 X d 2 U HГ 10,52 230 2 1 КТ 1СР 0,136 97,067 S HГ 1 74,118 10.5 Ом; 16 Г2: S НГ 2 PНГ 2 110 129,412 cos НГ 2 0,85 МВА; 2 X Г2 Г3: 2 U HГ 10,5 2 230 2 2 X d К АТ 0 , 189 77,258 Ом; 1СР S HГ 2 129,412 10,5 S НГ 3 PНГ 3 32 40 cos НГ 3 0,8 МВА; 2 X Г3 Т1: Т2: X d X Т1 U К % U 32СР 11 230 2 72,738 100 S HТ 1 100 80 Ом; X Т2 U К % U 32СР 10 230 2 83,968 100 S HТ 2 100 63 Ом; 2 Т3: X Т3 U К % U 42СР 11 1152 230 2 К АТ1СР 72,738 100 S HТ 3 100 80 121 Ом; 2 U КВ U 3СР) АТ1: Xат1(в)= 100 S AT1 11.5 230 2 30.418 100 200 Ом; Xат1(С)=0 (UKC=0%) 2 U КH U 3СР 20.5 2302 54.223 100 S 100 200 AT1 Xат1(H)= Ом; Л1: ХЛ1=X0L1= 0.4 120 48 Ом; 2 Л3: X л3 X 0 L3 К ' 2 AT 1СР 230 0,4 100 160 115 Ом; 2 Л4: Н1: 2 2 U HГ 6,32 115 230 2 2 3 КТ 3СР К АТ 1СР 0,143 189,118 S HГ 3 40 6,3 115 Ом; X л4 X 0 L4 К ' SН1 2 AT 1СР 230 0,4 70 112 115 Ом; PН1 40 53,333 cos Н 1 0,75 МВА; 17 ХН1= X ' 'H U 32СР 2302 0.35 347.159 SH1 53.333 Ом; U 62СР 1102 KT2 2СР 800 C: XC= S KЗ 230 66.125 115 Ом; Далее сверхпереходные ЭДС приведем к основной ступени напряжения: E " Г 1 E НГ 1 KT 1СР 11.251 230 246.45 10,5 кВ; E " Г 2 E НГ 2 K АТ 1СР 11.546 230 252.912 11 кВ; E " Г 3 E НГ 3 KT 3СР K ' АТ 1СР 6.841 E " С U 6СР K T 2СР 115 115 230 249.751 6,3 115 кВ; 230 230 115 кВ; E " Н 1 U Н 1 Е ' ' 3СР 0,85 230 195,5 кВ; Преобразуем схему замещения: Х1=ХГ1+ХТ1=97,067+72,738=169,805 Ом; X2=XC+XT2+XЛ1=66,125+83,968+48=198,093 Ом; X3=XГ3+ХТ3+ХЛ4+ХЛ3+ХАТ1(С)=189,118+72,738+112+160+0=533,856 Ом; X4=XГ2+ХАТ1(Н)=77,258+54,223=131,481 Ом; Х3 Х4 533,856 131,481 105,498 ХЭКВ= Х 3 Х 4 533,856 131,481 Ом; ХСУМ=ХЭКВ+ХАТ1(В)=105,498+30,418=135,916 Ом; Х ЭКВ 105,498 Х ЭКВ 105,498 0,198 0,802 Х 533 , 856 Х 131 , 481 3 4 С1= С2= Х СУМ 135,916 686,444 С 0 , 198 1 Х5= Ом; Х СУМ 135,916 169,471 С 0 , 802 2 Х6= Ом; После определим токи, короткого замыкания от каждой ветви[10]: 18 I Г" 1 E Г" 1 3 X1 246.45 0.838 3 169.805 I Г" 2 E Г" 2 3 X6 252.912 0.862 3 169.471 кА; E Г" 3 3 X5 249.751 0.210 3 686,444 кА. I " Г3 I С" EС" 3 X2 I Н" E Н" 1 3 X Н1 кА; 230 0.670 3 198,093 кА. 195,5 0.325 3 347,159 кА. Суммарный ток короткого замыкания, приведенный к основной ступени напряжения[5]: I КЗ I Г" 2 I Г" 3 I ' ' Г1 I ' ' С I ' ' Н 1 0,838 0,862 0,210 0,670 0,325 2,905 кА. Рассчитаем ударные токи от каждой ветви: i' 'УГ 1 КУГ 1 2 I Г" 1 1,95 2 0,838 2,317 кА; i' 'УГ 2 КУГ 2 2 I Г" 2 1,965 2 0,862 2,395 кА; i' 'УГ 3 КУГ 3 2 I Г" 3 1,95 2 0,210 0,579 кА; i' 'УС КУС 2 I С" 1,75 2 0,670 1,659 кА; i' 'УН 2 I Н" 2 0,325 0,460 кА; Итоговый ударный ток приведенный к основной ступени напряжения: i' 'УД i' 'УГ 2 i' 'УГ 3 i' 'УГ 1 i' 'УС i' 'УН 2,317 2,395 0,579 1,659 0,460 7,410 19 ВЫВОДЫ В данной работе рассмотрены основные проблемы возникновения токов короткого замыкания в электрической сети, при рассмотрении данной темы мы выявили, что для обеспечения безаварийной работы электрических сетей, можно использовать ограничители токов короткого замыкания, также необходимо точно рассчитать их количество в сети. Так же данной работе предоставлены расчеты токов трехфазного КЗ в замкнутой цепи. Подводя итоги данного проекта, хотелось бы отметить, что работа выполнена в полном объеме, высветлены основные проблемы ограничения токов КЗ. 20 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Dreimann, E.; Grafe, V.; Hartung, K.-H.: “Protective device for limiting short-circuit currentsetz 1 15 (1994) 9, 492-494 («Устройство защиты для ограничения токов КЗ») 2. Is-limiter, ABB AG Calor Emag Mittelspannungsprodukte, 2000 («Устройство защиты для ограничения токов КЗ») 3. Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения. Практическое пособие. М/УК. Авт. Л. И. Евминов, Н. В. Токочакова, Гомель, 2002г. 4. Переходные процессы. Авт. Я.С.Кублановский, Изд. Энергия, 1974 г. 5. Электромагнитные переходные процессы. Авт: Ульянов С.А. Издательство: Энергия, 1970 г. 6. БалаковЮ.Н., МисрихановМ. Ш., ШунтовА.В. Проектирование схем электроустановок. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 288 с. 7. НеклепаевБ.Н., КрючковИ.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с. 8. .ВасильевА.А. идр. Электрическая часть станций и подстанций / Подред. А.А. Васильева, 1990. – 576 с. 9. Электротехнический справочник: В 4 т. / Подобщ. ред. В.Г. Герасимова. – Т.2: Электротехнические изделия устройства. – М.: Изд-воМЭИ, 2002. – 518 с. 10. Руководящиеуказанияпорасчетутоковкороткогозамыканияивыборуэ лектрооборудова-ния: РД 153-34.0-20.527-98 / Науч. ред. Б.Н. Неклепаев. – М.: Изд-во НЦЭНАС, 2004. – 150 с. 21 ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЯ А Рисунок - 1 Принципиальная схема сложной электрической сети
