Применение технических средств ограничения токов КЗ

Реализация различных способов ограничения токов КЗ предусматривает применение специальных технических средств, которые непосредственно, благодаря своему конструктивному исполнению, ограничивают значение или продолжительность воздействия тока КЗ либо используются в схемах соединения элементов, выполняющих в совокупности эту функцию. К таким средствам относятся:

– аппараты и устройства, реализующие автоматическое деление сети;

– силовые трансформаторы и автотрансформаторы с особым исполнением конструкции и соединения фазных обмоток;

– токоограничивающие элементы и устройства;

– токоограничивающие коммутационные аппараты;

– устройства изменения режима работы нейтрали силовых трансформаторов.

Автоматическое деление сети может использоваться во внешнем электроснабжении предприятий в сетях напряжением 35 кВ и выше. Такая операция реализуется с применением устройств противоаварийной автоматики и коммутационных аппаратов, устанавливаемых на мощных присоединениях, между секциями РУ и на вводах.

Средства противоаварийной автоматики включают в себя релейную защиту, реагирующую на появление КЗ, устройства автоматического выполнения последовательного отключения коммутационных аппаратов (рис. 14.1 г), устройства автоматической частотной разгрузки, АПВ и АВР. Эта система последовательного отключения токов КЗ должна обладать высокими надежностью и быстродействием как при отключении КЗ, так и при восстановлении исходного режима. Ее коммутационные аппараты должны выдерживать полный сквозной ток КЗ и включение без повреждения на КЗ в данном присоединении.

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы могут создаваться с учетом необходимости ограничения токов КЗ. Для ограничения уровня мощности КЗ на шинах вторичного напряжения может быть использована конструктивная особенность трансформатора. Известно, что напряжение КЗ определяется номинальным напряжением и проходной мощностью трансформатора, которые обусловливают геометрические размеры его обмоток. При концентрированном размещении обмоток у двухобмоточных трансформаторов обмотка низшего напряжения располагается внутри, а высшего напряжения – снаружи; у трехобмоточных трансформаторов обмотка среднего напряжения помещается между обмотками низшего и высшего напряжения.

Снижение уровня мощности КЗ на выводах понижающих трансформаторов (рис. 14.4) определяется выражениями:

– для двухобмоточных трансформаторов

; (14.4)

– для трехобмоточных трансформаторов

(14.5)

Из (14.4) и (14.5) следует, что снижение мощности КЗ зависит от напряжения КЗ между соответствующими обмотками трансформатора, их единичной мощности и мощности КЗ, поступающей от ЭЭС. Понижающие двух- и трехобмоточные трансформаторы по напряжению КЗ имеют некоторый диапазон варьирования. Например, для двухобмоточных трансформаторов на напряжения 35/6-10 кВ и мощности 1-80 МВ·А он лежит в пределах 6,5-14,4 %, на напряжения 110/6-10 кВ и мощности
2,5-400 МВ·А – в пределах 10,5-13,5 %, на напряжения 220/6-10 кВ и мощности 31,5-125 МВ·А – в пределах 10,6-14 %. Поэтому для ограничения токов КЗ на шинах вторичного напряжения, согласно (14.4) и (14.5), следует выбирать трансформаторы с повышенным для соответствующих обмоток напряжением КЗ, разукрупнять по мощности понижающие подстанции на связях с мощной ЭЭС, использовать раздельную работу трансформаторов.

Трансформаторы и автотрансформаторы могут выполняться с расщепленными обмотками низшего напряжения. Части расщепленной обмотки размещаются симметрично относительно обмотки высшего напряжения, имеют самостоятельные выводы и допускают произвольное распределение нагрузки между обмотками. Ограничение токов КЗ конструктивно достигается большим значением напряжения КЗ между частями расщепленной обмотки.

Для ограничения несимметричных токов КЗ существенную роль играет схема соединения фазных обмоток трансформаторов и автотрансформаторов. Так как в схему замещения нулевой последовательности включаются только те ветви, по которым циркулируют токи нулевой последовательности, то она не содержит участков электрической сети, находящихся за обмотками, соединенными в треугольник.

а б

Рис. 14.4. К ограничению уровня мощности КЗ выбором параметров двухобмоточных (а) и трехобмоточных (б) трансформаторов

Токоограничивающие реакторы представляют собой дополнительные реактивные сопротивления, включаемые в различных точках электрической сети напряжением 6-220 кВ. Их назначение – снижение тока КЗ за реактором и сохранение требуемого уровня остаточного напряжения в узловых точках сети перед реактором. В зависимости от места включения различают реактирование присоединений (рис. 14.5 а), вводов (рис. 14.2 и 14.5 б), секции (14.5 в) и их сочетания (рис. 14.5 г). По схеме включения различают одноцепные и сдвоенные (расщепленные). Отличие сдвоенного реактора от одноцепного заключается в наличии среднего вывода обмотки, в связи с чем возможны различные схемы его включения и использования.

Для уменьшения затрат следует стремиться к применению групповых реакторов вместо индивидуальных в цепях присоединений, вводов и схем коммутации ГПП. Вместе с тем, в схемах, содержащих групповые реакторы на большие номинальные токи и с большим реактивным сопротивлением, возможны колебания напряжения, вызываемые изменением их нагрузки. Этот недостаток устраняется установкой сдвоенных реакторов с обеспечением равномерной загрузки их ветвей.

Первоначальным действием при выборе реактора является определение его индуктивного сопротивления. Исходя из необходимого уровня мощности КЗ за реактором S_k2= S_{к.необх.}, требуемое сопротивление в процентах или в омах рассчитывают, соответственно, по формулам:

; (14.6)

, (14.7)

где x_сб – сопротивление связи данного узла цепи с источником электрической энергии, приведенное к базисным условиям;

I, U_c – рабочий ток и напряжение сети, соответствующее длительному режиму работы реактора.

Рис. 14.5. Схемы реактирования присоединений (а),
вводов (б), секций (в, г) и их сочетаний

По току, напряжению сети, индуктивному сопротивлению выбирают реактор с ближайшим большим стандартным значением x_p, который проверяют (при необходимости) по значению остаточного напряжения

. (14.8)

Секционные реакторы ограничивают ток КЗ на сборных шинах и присоединениях. По сравнению с линейными реакторами они оказывают меньшее токоограничивающее действие, так как рассчитываются на большие номинальные токи, протекающие между секциями при нарушении нормального режима работы.

Секционные реакторы выбирают по номинальному напряжению, наибольшему из рабочих токов секций и индуктивному сопротивлению. Сопротивлением реактора в начале задаются и путем проверочных расчетов изменяют его до значения, допустимого параметрами устанавливаемого электрооборудования.

Сдвоенные реакторы конструктивно подобны обычным реакторам, но от средней точки обмотки имеется дополнительный вывод. В случае применения сдвоенных реакторов источник может быть присоединен к средней точке, а потребители – к крайним, или наоборот.

Преимуществом сдвоенного реактора является то, что в зависимости от схемы включения и направления токов в обмотках индуктивное сопротивление его может увеличиваться и уменьшаться. Это свойство сдвоенного реактора обычно используется для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме и ограничения токов при КЗ.

Ветви реактора выполняют на одинаковый номинальный ток I_ном., а средний вывод – на удвоенный номинальный ток ветви 2I_ном.. За номинальное сопротивление сдвоенного реактора принимают относительное сопротивление ветви обмотки при отсутствии тока в другой ветви:

, или (14.9)

,

где L – индуктивность ветви реактора (индуктивности ветвей в реакторе обычно равны между собой).

Выбор сдвоенного реактора аналогичен выбору одноцепного реактора. Значение тока каждой ветви сдвоенного реактора должно быть не менее 0,675 номинального тока обмотки трансформатора либо суммарного тока нагрузки. При этом предполагается равномерное распределение нагрузки между ветвями реактора.

Наличие сопротивления у токоограничивающих реакторов приводит к дополнительным потерям напряжения, мощности и энергии.

Токоограничивающие коммутационные аппараты совмещают функции ограничения наибольших значений токов КЗ и защиты от воздействия сверхтоков нет путем их отключения. К ним относятся быстродействующие токоограничивающие предохранители, ограничители ударного тока и специальные автоматические выключатели на напряжение до 1 кВ.

Токоограничивающие предохранители обеспечивают защиту электроустановки при условии, если

.

Токоограничивающие предохранители применяются в сетях напряжением до 35 кВ. Они характеризуются следующими показателями: номинальным напряжением, током патрона и током плавкой вставки, который не должен превышать номинального тока патрона предохранителя, а также наибольшим и наименьшим токами отключения, зависимостями времени плавления вставки t_пл, времени отключения t_откл и тока ограничения I_у.скв от периодической составляющей I_п.к ожидаемого тока КЗ.

Токоограничивающее действие предохранителей определяется номинальным током плавкой вставки I_ном.пл, а также значениями периодической составляющей и ударного тока КЗ при отсутствии в сети предохранителя. Если степень токоограничения оценивать по коэффициенту ограничения

, (14.10)

то значение последнего уменьшается с увеличением номинального тока плавкой вставки и становится наименьшим при номинальном токе патрона предохранителя.

Как средство токоограничения предохранители сравнительно дешевы и просты, но имеют ряд недостатков: одноразовое использование плавких вставок, нестабильность токовременных характеристик, плохая совместимость действия с устройствами релейной защиты и системой автоматики, а также недостаточная эксплуатационная надежность.

Ограничители ударного тока, как и предохранители являются коммутационными аппаратами одноразового действия. В них используется принцип отключения цепи взрывом токоведущего проводника пиропатроном. Сигнал на срабатывание ограничителя поступает от внешних устройств релейной защиты, контролирующих ток КЗ и его первую производную. Ток КЗ ограничивается за время около 0,5 мс при полном отключении сети за 5 мс.

Недостатком ограничителей ударного тока являются высокая стоимость и сложность управления.

Автоматические выключатели, применяемые в сетях напряжением до 1 кВ, срабатывают при токах КЗ за время 0,2 – 0,6 с. Это время достаточно для обеспечения защиты электрооборудования от теплового воздействия токов КЗ, благодаря чему электрические сети, защищаемые такими выключателями, на термическую стойкость не проверяются.

Известны конструкции специальных автоматических выключателей (токоограничивающие выключатели, выключатели с ограничителями) для снижения амплитуды тока КЗ в течение времени отключения. В них ограничение сверхтоков достигается введением в электрическую цепь больших сопротивлений. Для этой цели используется сопротивление электрической дуги, образующейся между размыкающимися контактами выключателя или в специальных элементах (ограничителях). Быстрое нарастание сопротивления электрической дуги реализуется отбросом контактом выключателя под действием электродинамических сил, вызываемых протекающим током КЗ, или в результате срабатывания быстродействующих электромагнитных элементов. В ограничителях сопротивления дуги уровень тока КЗ снижается до такого значения, при котором электрическую цепь может разомкнуть выключатель, работающий совместно с ограничителем.

Устройства, включаемые в цепь заземления нейтрали силовых элементов, могут иметь различное целевое назначение, так как режим нейтрали сети влияет на решение многих вопросов электроснабжения: обеспечение условий работы релейной защиты; выбор класса рабочей изоляции проводников; снижение уровня атмосферных и коммутационных перенапряжений и др. К ним относятся также вопросы ограничения токов наиболее распространенных однофазных КЗ на землю. По данным исследований ток однофазных КЗ может превышать ток трехфазного КЗ на 25 %; поэтому их необходимо рассчитывать с целью принятия мер для ограничения тока однофазного КЗ.

Режим работы нейтралей сетей в СЭС зависит от уровня напряжения, значения емкостных токов КЗ на землю, требований безопасности и рабочей среды предприятий. С глухозаземленной нейтралью работают сети напряжением до 1 кВ. В условиях рабочей среды, где определяющим фактором является требование электро- и взрывобезопасности, сети напряжением до 1 кВ выполняют с изолированной нейтралью. С изолированной или заземленной через дугогасящие реакторы нейтралью работают сети напряжением 6 – 35 кВ. С эффективно заземленной нейтралью эксплуатируются сети напряжением 110 кВ и выше с большими токами КЗ на землю, когда коэффициент замыкания на землю

, (14.11)

где U_ф.з – разность потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке КЗ на землю другой или двух других фаз;

U_ф.ном – разность потенциалов между фазой и землей в этой точке до КЗ.

Неравенство (14.11) выполняется при соотношении параметров сети

или , (14.12)

где Z_орез, x_орез – результирующее полное и реактивное сопротивление прямой последовательности;

Z_1рез, x_1рез – то же нулевой последовательности.

Для ограничения токов КЗ на землю разземляют нейтраль части силовых трансформаторов (рис. 14.6 а), включают в цель нейтрали элементов сети реакторы с линейной характеристикой (рис. 14.6 б), насыщающиеся реакторы (рис. 14.6 в), дугогасящие реакторы и резисторы
(рис. 14.6 г), нелинейные сопротивления (рис. 14.6 д); гальванически разделяют сеть установкой трансформаторов или заменой автотрансформаторов трансформаторами, что расширяет возможности изменения режима нейтрали ее участков.

Эти устройства могут включаться постоянно в нейтраль, вводиться в цепь ее рабочего заземления при КЗ на землю (рис. 14.6 е) с помощью коммутационных аппаратов или изменять результирующее сопротивление при появлении КЗ на землю путем срабатывания пороговых элементов (насыщающихся реакторов); индуктивно-емкостных контуров, настроенных в резонанс напряжений.

Рис. 14.6. Схемы, поясняющие выполнение рабочего заземления нейтрали

Наибольшие токи КЗ на землю наблюдаются в сети с глухозаземленной нейтралью. При заземлении нейтрали элементов сети через резистор или нелинейное активное сопротивление периодическая составляющая тока однофазного КЗ снижается на 20 – 30 % , при этом резко уменьшается время воздействия его апериодической составляющей. Одновременно облегчаются условия работы релейной защиты, и предотвращается появление перемежающихся дуговых КЗ на землю, хотя напряжения на нейтрали и неповрежденных фазах при КЗ увеличиваются.

При атмосферных и коммутационных перенапряжениях заземление нейтрали через резистор равносильно ее глухому заземлению. Заземление нейтрали через реакторы или резонансные токоограничивающие устройства преследует цель ввести при КЗ в цепь заземления нейтрали индуктивное сопротивление. Оно ограничивает ток КЗ в большей степени, чем при заземлении через устройства с активным сопротивлением того же значения, снижает напряжение на нейтрали, но менее эффективно при атмосферных перенапряжениях.

В сетях напряжением 110 кВ для ограничения тока КЗ эффективнее использовать резисторы, чем реакторы. Степень снижения тока при этом ограничивается допустимым повышением напряжения на неповрежденных фазах (до 1,4 U_ф.ном). В сетях напряжением 220 кВ (в зависимости от параметров сети) эффективным может быть применение как резисторов, так и реакторов. Заземление нейтрали трансформаторов через резистор или реактор позволяет снизить установившийся ток КЗ до 50 – 80 % значения тока КЗ при глухозаземленной нейтрали без превышения допустимых уровней напряжений на нейтрали и неповрежденных фазах.

В сетях с изолированной или заземленной через дугогасящие реакторы нейтралью ток замыкания на землю наименьший. Он обусловливается активной проводимостью на землю и степенью компенсации емкостного тока дугогасящим реактором электрически связанной части сети. Поэтому в данном случае наиболее просто ограничить токи неполнофазных замыканий сети на землю путем разземления нейтрали ее силовых элементов.

Степень снижения тока КЗ с помощью рассмотренных средств ограничивается допустимым повышением напряжения на нейтрали и неповрежденных фазах в процессе КЗ, а также классом применяемой изоляции. Так как трансформаторы на напряжение 110 кВ и выше имеют низкий класс изоляции нейтрали, то степень токоограничения уменьшается с повышением номинального напряжения сети. Разземление нейтралей трансформаторов на напряжение 330 кВ и выше не допускается.

Выбор схемы и устройств цепи рабочего заземления нейтралей силовых элементов для снижения токов неполнофазных КЗ на землю зависит от режима нейтрали всей сети, ее параметров и ограничений по уровням перенапряжений, которые определяются шкалой номинальных напряжений. При этом весомыми являются следующие факторы: удобство эксплуатации, требования надежности и бесперебойности электроснабжения, стремление найти экономически выгодную границу между снижением токов КЗ на землю и допустимым повышением уровня различных видов перенапряжений.