Способы ограничения токов КЗ

По уровню токов и мощностей КЗ осуществляют выбор сечения шин, токопроводов, проводов и кабелей, отключающую и коммутационную способность аппаратов, электродинамическую и термическую стойкость токоведущих частей и конструкций электрооборудования. Выбор электрооборудования по факторам аварийного режима не только означает предъявление более жестких требований к его техническим характеристикам, но и свидетельствует о соответствующем росте его стоимостных показателей.

При проектировании ЭЭС решается техноэкономическая задача ограничения уровней токов и мощностей КЗ до значений, допустимых параметрами электрооборудования, которые экономически целесообразно применять. В процессе развития ЭЭС при включении новых источников электрической энергии возникает задача ограничения уровней токов и мощностей КЗ, если они превышают параметры установленного электрооборудования. При ее решении используют различные меры, направленные на увеличение сопротивления цепи КЗ, локализацию в аварийном режиме источников ее питания и отключение поврежденной электрической сети за время t < 1/(4f) (для частоты тока f = 50 Гц оно составляет t < 5 мс).

К таким методам относятся: выбор структуры и схемы электрических соединений элементов ЭЭС; автоматическое деление электрической сети; выбор режима ее эксплуатации; выбор схем коммутации; применение оборудования с повышенным электрическим сопротивлением; использование быстродействующих коммутационных аппаратов; изменение режима нейтрали элементов сети.

Структура и схемы электрических соединений элементов ЭЭС выбираются на стадии ее проектирования и реконструкции. В основу принимаемых решений при этом должны быть положены следующие принципы:

1. Максимальное приближение источников питания к электроприемникам. В длительных режимах используется централизованное электроснабжение от ЭЭС через один или несколько приемных пунктов. Для СЭС промышленных предприятий характерным является наличие нескольких источников питания цепи КЗ: собственные источники электрической энергии в виде генераторов ТЭС, подстанции связи с районной энергетической системой, синхронные компенсаторы, а также синхронные и асинхронные двигатели. Долевое участие каждого источника в питании места КЗ зависит от их мощности и электрической удаленности. Приближение основного источника питания означает уменьшение количества промежуточных пунктов трансформации в СЭС; увеличение количества элементов сети, рассчитываемых на более высокие напряжения, а следовательно, на меньшие рабочие токи и токи КЗ. Все источники питания предприятия с целью резервирования связываются между собой токопроводами, КЛ и ВЛ на питающем или вторичном напряжениях. При этом наряду с резервированием большого количества элементов связи на вторичном напряжении предпочтительнее, так как они позволяют получить меньшие уровни токов КЗ.

2. Секционирование всех ступеней распределения электрической энергии в СЭС. Это требование тесно связано с выбором количества и мощности трансформаторов главных понижающих подстанций (ГПП) и трансформаторных пунктов (ТП), количества и пропускной способности питающих линий. Такое построение СЭС позволяет увеличить электрическое сопротивление сети протеканию тока КЗ, предотвратить развитие аварии и локализовать место КЗ.

3. Построение и выбор конфигурации электрической сети (радиальной, магистральной, радиально-магистральной) должны обосновываться (наряду с такими основными факторами, как надежность, потери мощности и энергии, расход цветного металла и др.) также степенью использования сечений проводников, выбранных по току КЗ.

4. Использование ступенчатого токоограничения в схеме электроснабжения, при котором токоограничивающие устройства устанавливаются на нескольких последовательных ступенях распределения электрической энергии.

Стационарное или автоматическое деление сетей выполняется обычно в системах внешнего электроснабжения в связи с увеличением числа и мощности источников электрической энергии как в энергетической системе, так и на собственных ТЭЦ. Необходимость деления сети получается в тех случаях, когда уровень токов КЗ в узлах нагрузки превышает допустимый уровень по параметрам электрооборудования, находящегося в эксплуатации. Заметим, что деление сети существенно влияет на эксплуатационные режимы, устойчивость и надежность работы электрической системы, а также на потерю мощности и энергии в сетях.

Стационарное деление исходной схемы сети (рис. 14.1 а) выполняют в нормальном режиме таким образом, чтобы максимальный уровень тока КЗ в конкретном узле нагрузки не превышал допустимый по параметрам установленного электрооборудования (рис.14.1 б, в).

Автоматическое деление сети осуществляют в аварийных режимах последовательной локализацией места КЗ (рис. 14.1 г). При КЗ на присоединении А производится отключение части источников питания места повреждения (выключателем QS2, QS3), а затем выключателем QS1 отключается присоединение.

Последовательное отключение источников питания цепи тока КЗ позволяет применять коммутационные аппараты с меньшей отключающей способностью по сравнению с аппаратами, соответствующими действительному уровню тока КЗ.

Выбор режима эксплуатации сети тесно связан со схемными решениями. В СЭС рекомендуется раздельная работа силовых трансформаторов ГПП, а также ТП.

Совместно с раздельной работой источников электрической энергии разукрупнение подстанции и секционирование всех ступеней распределения энергии дают возможность получить в нормальном режиме наибольшее сопротивление цепи тока КЗ. В нормальном режиме все секции РУ работают независимо, а необходимая степень бесперебойности электроснабжения обеспечивается включением секционных выключателей с использованием АВР.

Рис. 14.1. Деление исходной схемы сети (а) на стационарное (б, в)
и автоматическое (г)

Схемы питания СЭС при проектировании внешнего электроснабжения выбираются на основе фактической мощности КЗ, поступающей от ЭЭС, требуемой степени бесперебойности электроснабжения, состава и территориального размещения электроприемников. При этом необходимо также оценивать токи КЗ, генерируемые синхронными и асинхронными двигателями, а также возможности дальнейшего развития СЭС.

Схемы электрических соединений должны отвечать требованиям надежности, простоты и экономичности.

Определяющим для уровней токов КЗ в СЭС является выбор схемы электрических соединений ГПП как узла связи между ЭЭС и распределительной сетью СЭС.

Чем больше мощность понижающего трансформатора связи ЭЭС, тем больше токи КЗ на шинах ГПП. Для их уменьшения следует разукрупнять по мощности подстанции СЭС или применять схемы электрических соединений, ограничивающие уровень токов КЗ на шинах вторичного напряжения. На рис. 14.2 показаны варианты схем электрических соединений, которые рекомендуется использовать в связи с повышением единичной установленной мощности трансформаторов.

Рис. 14.2. Варианты схем электрических соединений ГПП
с ограничением токов КЗ на шинах вторичного
напряжения при единичной мощности трансформаторов:
а – 25-40 МВ·А; б – 32-63 МВ·А; в – 63-80 МВ·А; г – 63-100 МВ·А;
д – 25-80 МВ·А; е – 40-80 МВ·А; ж – 63-80 МВ·А; з – 100 МВ·А

При выборе схем электрических соединений необходимо обращать внимание на построение сетей, подключаемых к шинам вторичного напряжения ГПП. Через распределительную сеть питается место КЗ от асинхронных и синхронных двигателей. Секционирование на всех ступенях распределения электрической энергии уменьшает значение тока КЗ, генерируемого местными источниками. При этом следует учитывать изменение схемы электрических соединений в эксплуатационных режимах, при которых допускается работа с включенными секционными аппаратами для наиболее тяжелого режима.

В схемах электроснабжения предприятий перспективно применение соединений: линия питающего напряжения – трансформатор ГПП –токопровод распределительного напряжения, линия распределительного напряжения – трансформатор подстанции – магистральный шинопровод низшего напряжения и др.

Применение электрооборудования с повышенным электрическим сопротивлением предусматривает установку как общесетевых, так и специальных элементов. При проектировании СЭС можно целенаправленно выбирать элементы сети с большим реактивным и активным сопротивлениями, изменяя количество и мощность трансформаторов, применяя трансформаторы с повышенным напряжением КЗ, ВЛ и токопроводы с увеличенным расстоянием между фазами, протяженные токопроводы и т. п. К специальному электрооборудованию относятся трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленными обмотками низшего напряжения, одноцепные и сдвоенные реакторы.

Токоограничивающее действие коммутационных аппаратов проявляется при быстродействии, соизмеримом с периодом изменения тока. При этом они выполняют функции ограничения воздействия по амплитуде и длительности отключения тока КЗ. Электродинамическое действие тока КЗ уменьшается при использовании аппаратов, время срабатывания которых менее 5 мс (рис. 14.3). В качестве таких аппаратов могут применяться безынерционные предохранители, тиристорные выключатели с принудительной коммутацией, ограничители ударного тока взрывного действия, а также некоторые типы автоматов на напряжение до 1 кВ.

Рис. 14.3. Ограничение коммутационным аппаратом Q электродинамического воздействия тока КЗ со значения i_y1 до значения i_y2

При продолжительности КЗ более 5 мс проявляется тепловое действие тока, которое может быть уменьшено ускорением отключения поврежденной цепи.

Весьма существенным фактором изменения значений токов КЗ, которые протекают в контурах проводники – земля, является изменение режима нейтрали электрической сети. Заземление нейтралей элементов через цепи с дополнительными сопротивлениями приводит к изменению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности. Эту же цель достигают заменой автотрансформаторов в узловых точках сети трансформаторами такой же мощности с соединением фазных обмоток по схеме «звезда – звезда». Заземление нейтрали облегчает решение других важных задач проектирования (уровней изоляции, требований безопасности, уровней перенапряжений, надежности), но повышает значение тока КЗ на землю. Поэтому выбор и изменение режима нейтрали сети или ее элементов должны решаться комплексно путем технико-экономического обоснования.

Таким образом, ограничение мощностей токов КЗ в ЭЭС производится правильным проектированием схем их подстанций и электрических сетей.