Расчёт сверхтоков и выбор защитной аппаратуры

1.3 Расчёт сверхтоков и выбор защитной аппаратуры

Основной причиной нарушений нормального режима работы системы электроснабжения является возникновение коротких замыканий (КЗ) в сети или в элементах электрооборудования вследствие повреждения изоляции или неправильных действий обслуживающего персонала. Для снижения ущерба, обусловленного выходом из строя электрооборудования при протекании токов КЗ, а также для быстрого восстановления нормального режима работы системы электроснабжения необходимо правильно определять токи КЗ и по ним выбирать электрооборудование, защитную аппаратуру и средства ограничения сверхтоков.

При возникновении КЗ имеет место увеличение токов в фазах системы электроснабжения или электроустановок по сравнению с их значением в нормальном режиме работы. В свою очередь, это вызывает снижение напряжений в системе, которое особенно велико вблизи места КЗ.

В трехфазной сети различают следующие виды КЗ: трехфазные, двухфазные, однофазные и двойные замыкания на землю.

Трехфазные КЗ являются симметричными, так как в этом случае все фазы находятся в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку при каждом их них фазы находятся не в одинаковых условиях и значения токов и напряжений в той или иной мере искажаются.

Наиболее распространенным видом КЗ являются однофазные КЗ в сетях с глухо- и эффективно заземленной нейтралью. Значительно реже возникают двойные замыкания на землю, т. е. одновременное замыкание на землю разных фаз в различных точках сети, работающей с изолированной нейтралью.

Расчетным видом КЗ для выбора или проверки параметров электрооборудования обычно считают трехфазное КЗ. Однако для выбора или проверки уставок релейной защиты и автоматики требуется определение и несимметричных токов КЗ /3/.

При проверке электрических аппаратов и жестких проводников (вместе с относящимися к ним поддерживающими и опорными конструкциями) на электродинамическую стойкость расчетным видом является трехфазное КЗ.

При проверке гибких проводников на электродинамическую стойкость (тяжение, опасное сближение и схлестывание проводников) расчетным видом КЗ является двухфазное КЗ.

При проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость расчетным видом в общем случае является трехфазное КЗ.

При проверке электрических аппаратов на коммутационную способность расчетным видом КЗ может быть трехфазное или однофазное КЗ в зависимости от того, при каком виде ток имеет наибольшее значение.

Расчет токов КЗ с учетом действительных характеристик и действительных режимов работы всех элементов системы электроснабжения сложен. Поэтому для решения большинства практических задач вводят допущения, которые не дают существенных погрешностей:

- не учитывается сдвиг по фазе ЭДС различных источников питания, входящих в расчетную схему;

- трехфазная сеть принимается симметричной;

- не учитываются токи нагрузки;

- не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;

- не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;

- не учитываются токи намагничивания трансформаторов /3/.

В зависимости от назначения расчета токов КЗ выбирают расчетную схему сети, определяют вид КЗ, местоположение точек КЗ на схеме и сопротивления элементов схемы замещения. Выбор расчетных схем различных электроустановок производят путем анализа возможных схем этих электроустановок при различных режимах их работы, включая ремонтные и послеаварийные режимы, за исключением схем при переключениях.

Для расчета тока КЗ на основании схемы электроснабжения предприятия приведённой на рисунке 1.2 составляется эквивалентная схема замещения электроснабжения депо. На рисунке 1.4 приведены расчётная схема цепи КЗ (а), схема замещения цепи КЗ-1 (б) и эквивалентные схемы замещения цепи КЗ-12 (в) и КЗ-2 (г).

Рисунок 1.4 – Схемы для расчета сверхтока при КЗ

Для выбора параметров и характеристик оборудования и уставок токовых защит необходимо определить ток КЗ в различных точках сети.

Локомотивное депо получает основное питание по высоковольтной кабельной линии 6 кВ длиной 0,9 км и выполненной кабелем марки ААШВ 3×120 с сечением алюминиевых жил по 120 мм².

Расчет тока КЗ удобнее вести в именованных единицах, так как сопротивление большей части элементов цепи собственных нужд (шин, кабелей, переходных сопротивлений) задается в каталогах в Омах. Сопротивления всех элементов схемы замещения приводятся к среднему номинальному напряжению ступени КЗ U_СН, которое на 5% больше номинального /3/.

Индуктивное сопротивление системы определяется из предшествующих расчетов результирующих сопротивлений всех условно объединенных источников до шин подстанции, или же вычисляется по мощность КЗ на шинах подстанции. Складываются соответствующие составляющие, определяется результирующие сопротивления цепи КЗ

 .[1.19]

где r_å- активное, x_å- реактивное и z_å- полное сопротивления, Ом

Для упрощения расчёта активные сопротивления цепи учитываются, если они более чем на 10% влияют на конечный результат /3/. Следующим упрощением является то, что полные сопротивления цепи КЗ складываются арифметически, а не геометрически. При этом преимущественно активное сопротивление воздушных и кабельных линий арифметически складывается с преимущественно индуктивным сопротивлением трансформаторов.

Действующее значение периодической составляющей тока трёхфазного КЗ I_КЗопределится, кА

, [1.20]

гдеU_CH - среднее номинальное напряжение, кВ;

Z_∑ - суммарное сопротивление цепи КЗ, Ом.

Определяется ударный ток в цепи i_У возникающий через 10 мс после образования КЗ, А

. [1.21]

Для электроустановок высокого напряжения ударный коэффициент с достаточной для практики точностью можно принять равным К_У = 1,8, а для электроустановок низкого напряжения К_У = 1,2 /3/.

Для силового трансформатора полное сопротивление определится, Ом

,[1.22]

гдеU_К - напряжение опыта КЗ трансформатора, %;

S_T – номинальная мощность трансформатора, кВ·А.

Погонное индуктивное и активное сопротивления кабелей и воздушных линий возьмём в справочниках /3/. Суммарное полное сопротивление питающей линии составит, Ом

Z_WL = z₀ · l. [1.23]

Для определения сопротивления цепи КЗ на другой ступени напряжения необходимо пересчитать полученные величины по формуле

Z_НН = Z_ВН/К_ТР² [1.24]

где КТР – коэффициент трансформации. Ток двухфазного КЗ определится, А:

I_КЗ ⁽²⁾ = I_КЗ · 0,867. [1.25]

Каждое присоединение должно быть обеспечено коммутационной и защитной аппаратурой. Аппараты защиты следует устанавливать, как правило, в местах сети, где сечение проводника уменьшается (по направлению к месту потребления электроэнергии) или где это необходимо для обеспечения чувствительности и селективности защиты. Аппараты защиты должны устанавливаться непосредственно в местах присоединения защищаемых проводников к питающей линии /4/.

В силовой трансформатор к шинам питающей сети подключён посредством коммутационного аппарата. Для этой цели можно применить высоковольтный разъединитель, которым в сети до 20 кВ можно отключать ток намагничивания (холостого хода) трансформаторов мощностью до 630 кВ·А /4/.

Трансформаторы малой и средней мощности на стороне высокого напряжения (ВН) как правило, от сверхтоков защищаются высоковольтными предохранителями, которые выбираются по конструктивному выполнению, номинальному напряжению и току, предельному отключаемому току и мощности, роду установки и в некоторых случаях условию селективности.

Предохранители высоковольтные токоограничивающие ПКТ и ПКН предназначены для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий, трансформаторов напряжения в электроустановках до 35 кВ от токов перегрузок и коротких замыканий.

Коммутационные способности предохранителей соизмеримы с выключателями такого же класса напряжения.

При выключении токов большой кратности к номинальному предохранитель работает с токоограничивающими свойствами. Защитная характеристика предохранителя определяет зависимость времени отключения от величины сверхтока защищаемой цепи.

Время термической стойкости масляных трансформаторов зависит от напряжения опыта короткого замыкания е_К, %.

При протекании сверхтока это время t_ДОП., с, приближённо можно оценить по следующей формуле

 , [1.26]

гдекоэффициент кратности тока КЗ к номинальному току трансформатора.

При КЗ на шинах вторичной обмотки К = 100/е_К,.

Условием защиты трансформатора является

t_ПЛ < t_ДОП, [1.27]

гдеt_ПЛ – время сгорания плавкой вставки предохранителя, с.

Кривые время-токовых характеристик предохранителей приведены на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Время-токовые характеристики высоковольтных предохранителей ПК (на кривых обозначены номинальные токи плавких вставок)

Номинальный ток плавкой вставки предохранителя на стороне ВН трансформатора выбирается из следующих условий:

- для трансформаторов мощностью до 160 кВ·А, I_{Н ВСТ} = 2(3)×I_{Н ТР};

- для трансформаторов мощностью до 630 кВ·А, I_{Н ВСТ} = 1,5(2)×I_{Н ТР}.

При этом необходимо учесть кратковременные пусковые токи оборудования и ток намагничивания при включении трансформатора без нагрузки. Например, сопротивление цепи КЗ на шинах 6 кВ КТП (точка К-1) складывается из сопротивления питающей системы, которой является центральная распределительная подстанция (Х_С = 0,50 Ом), сопротивления воздушной и кабельной линий. Погонное сопротивление высоковольтной линии основного питания ТП Депо выполненной кабелем марки ААШВ 3×120 z_WK = 0.26 Ом/км /3/; по формуле [1.24] определим сопротивление кабельной линии

Z_WK = 0.26· 0.9 = 0.23 Ом.

Суммарное сопротивление цепи КЗ до точки К-1 определится

Z_КЗ-1 = 0,50 + 0,23 = 0,73 Ом.

Ток трёхфазного КЗ в точке К-1 по формуле [1.21] определится

= 5,00 кА = 5000 А.

В максимуме системы энергоснабжения оба трансформатора "ТП-Депо" включены параллельно и работают на сборные шины с напряжением 0,4 кВ.

Сопротивление одного трансформатора "ТП-Депо" типа ТМЗ-630/6/0.4 определится по формуле [1.22] (при U_К = 4,5%): на стороне напряжения 0,4 кВ

= 0,0114 Ом;

- на стороне напряжения 6,3 кВ

= 2,84 Ом.

Суммарное сопротивление цепи КЗ при напряжении 6,3 кВ до точки К-2 определится:

- в минимуме системы

Z_{КЗ.2 МАХ} = 0,73 + 2,84 = 3,57 Ом.

- в максимуме системы

Z_{КЗ.2 МАХ} = 0,73 + 2,84/2 = 2,15 Ом.

Ток трёхфазного КЗ по формуле 1.21 определится:

- в минимуме системы

 = 1,02 кА = 1020 А;

- в максимуме системы

 = 1,69 кА = 1690 А.

Ток двухфазного КЗ в минимуме системы определится

I_{КЗ-2 MIN} ⁽²⁾ = 1,020 · 0,867 = 0,884 кА.

При расчете сверхтока в низковольтной сети сопротивление высоковольтной питающей сети не учитывается. Следовательно, сопротивление цепи КЗ в максимуме и минимуме системы энергоснабжения для точки К-2 при напряжении 0,4 кВ определится сопротивлением трансформатора типа ТМ-630/6/0,4 току трёхфазного КЗ и составит

Z_{КЗ-2 МIN} = 0,0114 Ом;

Z_{КЗ-2 МАХ} = 0,0114/2 = 0,0057 Ом.

Ток трёхфазного КЗ в точке К-2 по формуле [1.21] определится:

- в минимуме системы, I_КЗ-2 = 20,30 кА = 20300 А;

- в максимуме системы, I_КЗ-2 = 40,56 кА = 40560 А.

По величине сверхтока в максимуме энергосистемы проводится выбор коммутационной аппаратуры на отключающую способность.

По величине сверхтока двухфазного КЗ в минимуме системы проверяем селективность срабатывания токовых защит.

Поскольку по паспортным данным номинальный ток ТМЗ-630/6 на стороне 6 кВ равен I_{Н ТР} = 60,5 А, его защиту выполним предохранителями типа ПК с плавкой вставкой на ток 100 А.

По кривым время-токовых характеристик предохранителей (рисунок 1.5) определяем, что плавкая вставка I_{Н ВСТ} = 100 А при токе двухфазного КЗ в минимуме системы равному 884 А сгорает за время t_ПЛ = 1,0 с.

Поскольку К = 884/60,5 = 14,60 по формуле [1.26] время термической стойкости ТМЗ-630/6 определится

t_ДОП = 900/14,7² = 4,2 с.

Поскольку, t_ПЛ = 1,0 < t_ДОП , следовательно, защита трансформатора высоковольтными предохранителями типа ПК с плавкой вставкой на 100 А обеспечивается.

По паспортным данным /3/ номинальный ток трансформатора ТМЗ-400/6 при напряжении 0,4 кВ составляет I_Н= 945 А.

Сопротивление трансформатора току однофазного КЗ зависит от схемы соединения обмоток и для трансформатора типа ТМ-630/6/0,4 со схемой Y/Y_H составит Z_{КЗ ОД} = 0,043 Ом, а со схемой D/Y_H составит Z_{КЗ ОД} = 0,014 Ом.

Ток однофазного КЗ составит:

- для трансформатора типа ТМ-630/6/0,4 со схемой Y/Y_H I_КЗ-ОД = 5,1 кА;

- со схемой D/Y_H I_КЗ-ОД = 15,7 кА.

Токовую защиту трансформатора на стороне вторичной обмотки можно выполнить:

- низковольтными автоматическими выключателями с номинальным током 1000 А /3/.

Предохранителями типа ПР-2 в исполнении - 2 (длинные предохранители) с номинальным током патрона и предохранителя на 1,0 кА имеют предельный отключаемый ток до 20 кА и не обладают достаточным запасом надёжности при трёхфазном КЗ.

Следовательно токовую защиту низковольтной отмотки трансформатора типа ТМ-630/6/0,4 необходимо выполнить автоматическим выключателем (автоматом) с номинальным током на 1000 А /3/. Как правило автоматы устанавливаемые на вводе силовых трансформаторов оснащаются электромагнитными расцепителями с током срабатывания 10 I_Н.

Необходимо выбрать трансформатор со схемой соединения обмоток D/Y_H поскольку ток однофазного КЗ в этом случае составляет I_КЗ-ОД = 15,7 кА и достаточен для защиты трансформатора в режиме однофазного и трёхфазного КЗ на шинах 380/220 В.