Короткие замыкания в электроустановках.Виды, причины и последствия коротких замыканий

Лекции 15,16 Короткие замыкания в электроустановках Виды, причины и последствия коротких замыканий Коротким замыканием (КЗ) называется нарушение нормальной работы электрической установки, вызванное замыканием фаз между собой, а также замыканием фаз на землю в сетях с глухозаземленными нейтралями. Причинами КЗ обычно являются нарушения изоляции, вызванные ее механическими повреждениями, старением, набросами посторонних тел на провода линий электропередачи, прямыми ударами молнии, перенапряжениями, неудовлетворительным уходом за оборудованием. Часто причиной повреждений в электроустановках, сопровождающихся короткими замыканиями являются неправильные действия обслуживающего персонала. При КЗ токи в поврежденных фазах увеличиваются в несколько раз по сравнению с их нормальным значением, а напряжения снижаются, особенно вблизи места повреждения. Протекание больших токов КЗ вызывает повышенный нагрев проводников, а это ведет к увеличению потерь электроэнергии, ускоряет старение и разрушение изоляции, может привести к потере механической прочности токоведущих частей и электрических аппаратов. Снижение уровня напряжения при КЗ в сети ведет к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности и даже к полному останову. Резкое снижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов электростанций и частей электрической системы, возникновению системных аварий. Важным фактором является относительная частота возникновения различных видов K3. По усредненным данным она составляет, %: трехфазные — 5; двухфазные — 10; однофазные — 65; двухфазные K3 на землю — 20. Иногда один вид замыканий переходит в другой (например, в кабельных линиях 6 — 10 кВ замыкание одной фазы на землю часто переходит в междуфазные K3). Как правило, в месте K3 возникает электрическая дуга, которая образует вместе с сопротивлениями элементов пути тока K3 переходное сопротивление. Иногда возникают металлические K3 без переходного сопротивления. Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при K3 необходимо быстро отключать поврежденный участок, что достигается применением устройств релейной защиты с минимальными выдержками времени и быстродействующих отключающих аппаратов (выключателей). Немаловажную роль играют устройства АРВ и быстродействующей форсировки возбуждения (УБФ) синхронных генераторов, которые увеличивают ток возбуждения синхронных генераторов при коротких замыканиях, благодаря чему меньше понижается напряжение в различных звеньях сети, а после отключения K3 напряжение быстрее восстанавливается до нормального. Питание короткозамкнутой цепи может осуществляться от двух видов источников: 1. Источник бесконечной мощности – источник, у которого напряжение при любых режимах, в том числе при коротком замыкании, неизменно (энергосистема). Этот источник имеет мощность, намного превышающую мощность короткозамкнутой цепи и находящийся на большом расстоянии от точки КЗ 2. Источник конечной мощности – источник, у которого напряжение при КЗ уменьшается (генератор или группа генераторов) Диаграмма токов КЗ в цепи от источника бесконечной мощности Рисунок 1 – Диаграмма токов короткого замыкания, питающейся от источника бесконечной мощности В нормальном режиме под действием напряжения Uн в цепи протекает номинальный ток, отстающий от напряжения на угол . При возникновении КЗ резко уменьшается сопротивление цепи за время равное нулю, вследствие чего резко возрастает ток. Этот ток протекает в цепи до отключения и так как он поддерживается переменным напряжением источника, изменяется по периодическому закону и поэтому называется периодической составляющей тока КЗ (iп). Короткозамкнутая цепь обладает индуктивностью и поэтому в ней наводится ЭДС самоиндукции, вызывающая появление тока встречного направления, который называется апериодической составляющей тока КЗ (iа). Апериодическая составляющая изменяется по экспоненциальному закону и со временем затухает до нуля , переходя в тепло на активном сопротивлении. Затухание апериодического тока определяется постоянной времени затухания и зависит от соотношения активной и индуктивной составляющей сопротивления короткозамкнутой цепи. Пока не затухнет апкриодическая составляющая тока КЗ, в цепи протекает полный ток короткого замыкания, равный сумме периодической и апериодической составляющей тока КЗ. Наибольшее значение этого полного тока называется ударным током короткого замыкуния iу. Исследование осциллограм процессов короткого замыкания покаазывает, что ударный ток в цепи КЗ появляется через 0,01 с. Пока на затухнет апериодическая составляющая тока КЗ, в цепи идет переходный процесс, после этого до отключения цепи наступает установившийся режим короткого замыкания. В расчете токов необходимо определить следующие составляющие тока КЗ: 1) IП,О – периодическая составляющая в момент КЗ, для проверки оборудования и токоведущих частей на термическую устойчивость; 2) iy – ударный ток КЗ, для проверки оборудования и ТВЧ на электродинамическую устойчивость; 3) IП,τ и ia,τ –периодическая и апериодическая составляющие а момент разведения контактов выключателя для проверки выключателей на отключающую способность. Расчет токов короткого замыкания Расчеты токов K3 необходимы: - для сопоставления, оценки и выбора главных схем электрических станций, сетей и подстанций; - выбора и проверки электрических аппаратов и проводников; - проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики; - определения влияния токов нулевой последовательности линий электропередачи на линии связи; - проектирования заземляющих устройств; - анализа аварий в электроустановках и электрических системах; 7- оценки допустимости и разработки методики проведения различных испытаний в электрических системах; - анализа устойчивости работы энергосистем. При расчетах токов K3 допускается не учитывать: - сдвиг по фазе ЭДС и изменение частоты вращения роторов синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей, если продолжительность КЗ не превышает 0 5 с; - ток намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов; насыщение магнитных систем электрических машин; - поперечную емкость воздушных линий электропередачи напряжением 110 — 220 кВ, если их длина не превышает 200 км, и напряжением 330 — 500 кВ, если их длина не превышает 150 км; - при расчете периодической составляющей тока КЗ — активные сопротивления элементов электроэнергетической системы, в частности воздушных и кабельных линий электропередачи, если результирующее эквивалентное активное сопротивление относительно точки K3 не превышает 30% результирующего эквивалентного индуктивного сопротивления. Однако активное сопротивление необходимо учитывать при определении постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ Тa. Указанные допущения приводят к некоторому увеличению токов K3 (погрешность расчетов не превышает 5 — 10 %). Расчет токов трехфазного K3 выполняется в следующем порядке. 1. Составляется расчетная схема рассматриваемой электроустановки, намечаются расчетные точки КЗ. 2. На основании расчетной схемы составляется эквивалентная схема замещения 3. Определяются величины сопротивлений всех элементов схемы замещения в относительных или именованных единицах и указываются на схеме замещения; обозначаются расчетные точки K3. 4. Путем постепенного преобразования относительно расчетной точки K3 приводят схему замещения к наиболее простому виду, чтобы каждый источник питания или группа источников, характеризующаяся определенными значениями эквивалентной ЭДС Е’’экв и ударного коэффициента kуд, были связаны с точкой K3 одним результирующим сопротивлением. 5. Определяют по закону Ома начальное действующее значение периодической составляющей тока K3 Iп.о., а затем ударный ток iуд, периодическую и апериодическую составляющие тока K3 для заданного момента времени t (Iп.t, ia.t). 1.1 Расчетная схема Расчетная схема составляется из пяти элементов, по которым протекает ток КЗ, сопротивлением этих элементов пренебречь нельзя. − генератор; − трансформатор; − ЛЭП; − реактор; − энергосистема; По сути расчетная схема представляет структурную схему объекта. На расчетной схеме должны быть указаны напряжения РУ, тип оборудования, длина ЛЭП, данные энергосистемы и показаны точки короткого замыкания. 1.2 Схема замещения По расчетной схеме составляется схема замещения, все элементы, кроме трансформаторов, показываются в виде одного сопротивления, а схема замещения трансформатора зависит от его конструкции. Схема замещения трансформатора в зависимости от его конструкции (см. марку трансформатора) дается в (1) с.100, 101. Рисунок 2 – Пример расчетной схемы и схемы замещения На схеме замещения каждое сопротивление нумеруется в виде дроби, в числителе указывается порядковый номер сопротивления, в знаменателе – числовое значение этого сопротивления. 1.3 Расчет сопротивлений Расчет сопротивлений можно вести двумя способами: − В относительных единицах; − В именованных единицах. При приблизительном расчете токов КЗ, который проводится проверки коммутационного оборудования расчет токов КЗ целесообразнее вести в относительных единицах. 1.3.1 Расчет сопротивлений в относительных единицах При этом расчете произвольно задают базисную мощность, для облегчения рассчета лучше принимать Sб = 1000 МВА. При этом расчете все сопротивления должны показываться с символом *. Для упрощения опустим этот символ. Формулы для расчета сопротивлений Энергосистема: Сопротивление энергосистемы определяется по одной из нижеприведенных формул в зависимости от того какими данными задана энергосистема в задании. ХН,С* и SН,С – соответственно относительное сопротивление энергосистемы и ее мощность (МВА) SП,О – мощность короткого замыкания энергосистемы (МВА). Данные для расчета сопротивления энергосистемы заданы в задании. Линия электропередач: где Худ - удельное сопротивление линии на 1 км длины, Ом/км; определяется (1) c.98 Примечание: все ссылки далее даны на учебник Рожковой Л.Д l – длина ЛЭП, км; Uср – среднее напряжение в месте установки данного элемента, кВ. Среднее напряжение принимается ближайшим большим или равным напряжению линии, указанному на расчетной схеме. Ряд средних напряжений: 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 24,37; 115; 230; 340; 515; 770 кВ. Генератор: где Хd” – продольное сверхпереходное реактивное сопротивление генератора; Sн.г. – номинальная мощность генератора, МВА. Данные генератора для расчета принимаются по паспортным данным. Реактор: В расчетной схеме учитывается сопротивление только секционного реактора, который выбирается по условиям: 1) UН.Р. ≥UГРУ; 2) IН.Р. ≥ 0,5 IН.Г. Трансформатор: Прежде чем рассчитывать сопротивление по приведенной формуле, необходимо рассчитать ХТ%. Формула для расчета ХТ% дается в тех же таблицах, что и схема замещения трансформатора. UКЗ%, которое определяет внутреннее сопротивление трансформатора принимается по каталожным данным трансформатора. При расчете трехобмоточных трансформаторов на ГРЭС и на подстанции обмотка среднего напряжения должна обращаться в 0, а на ТЭЦ в 0 обращается обмотка НН. 1.3.2 Расчет сопротивлений в именованных единицах Этот расчет производится по тем же формулам, только вместо Sб в формулу подставляется Uср. За Uср принимается напряжения точки короткого замыкания, взятое по ряду средних напряжений. 1.4 Способы преобразования схем замещения Прежде чем преобразовать схему относительно точки КЗ, необходимо определить, сколько генерирующих ветвей будет подпитывать данную точку. В одну генерирующую ветвь можно объединить источники одинаковой мощности, подпитывающие точку КЗ через одинаковые сопротивления. В одну генерирующую ветвь можно объединить источники разной мощности, если они подпитывают точку КЗ на генераторном напряжении (или на выводах блочного генератора) через два трансформатора и более. При преобразовании применяют следующие методы: 1.Метод последовательного и параллельного соединения проводников. 2.Преобразования «звезда» в «треугольник» и наоборот. 3.Метод перегиба (симметрии): если схема симметрична относительно какой-то оси, то её можно перегнуть по этой оси, сложив параллельно сопротивления, которые накладываются друг на друга. Например, необходимо объединить три генератора в одну генерирующую ветвь, как показано на рисунке 1. Для этого складываем параллельно X8 = X2 ║ X1; X9 = X5 ║ X7; X10 = X3 ║ X4; Необходимо помнить, что каждое новое сопротивления, получающееся в результате преобразований, должно иметь свой порядковый номер!!!!! В результате применения метода перегиба получим схему на рисунке 2. Рисунок 1 – Схема для применения метода перегиба (симметрии) Рисунок 2 – Схема после применения метода перегиба 4.Метод коэффициентов участия. Если возникает необходимость перенести два или более источников в точку КЗ через одно сопротивление, то применяют метод коэффициента участия. Рисунок 3 – Схема до применения метода коэффициентов участия Переносим генерирующие ветви С2 и G5-G8 в точку КЗ, для этого: 1) Определяется эквивалентное сопротивление, складывая параллельно те сопротивления, которые надо перенести в точку КЗ. Хэкв = X4 ║ X5; 2) Определяется результирующее сопротивление, складывается последовательно эквивалентное сопротивление и то сопротивление, через которое надо «перепрыгнуть»: Хрез = Хэкв + Хз; 3) Определяются коэффициенты участия, для этого эквивалентное сопротивление делится на каждое переносимое сопротивление: 4) Производится проверка правильности сделанных ранее преобразований схемы. Сумма коэффициентов участия должна быть равна 1 или близко к ней. 5) Определяются переносимые сопротивления в точке КЗ с учетом коэффициента участия. Для этого Хрез делят на каждый коэффициент участия. В итоге преобразования должны получиться лучевая схема, в которой количество сопротивлений равно количеству намеченных генерирующей ветвей. Лучевая схема Рисунок 4 – Лучевая схема после преобразования 1.5 Расчет токов короткого замыкания 1) Периодическая составляющая в момент КЗ IПО: где - сверхпреходняя ЭДС, если источник бесконечной мощности - = 1, для генераторов до 100 МВт - =1,08, свыше 100 МВт =1,13; Хрез − сопротивление в результате преобразования генерирующей ветви по лучевой схеме. – напряжение точки КЗ, взятое по ряду средних напряжений. При расчете одной точки всегда берется одним и тем же. 2) Ударный ток: - ударный коэффициент, определяется по (1) с.110,111 ( табл. 3.6-3.7); 3) Апериодическая составляющая тока КЗ в момент разведения контактов выключателя Та – постоянная времени затухания, в табл 3.6-3.7; τ – время разведения контактов выключателя; в учебном проектировании можно принять 0,1с. 4) Периодическая составляющая тока КЗ в момент разведения контактов выключателя - для источника бесконечной мощности: - для источника конечной мощности необходимо определить коэффициент , для этого: 1. определяется номинальный ток источника, приведенный к точке КЗ: 2. Определяется отношение: Если это отношение меньше 2, то это означает, что этот источник является источником бесконечной мощности и для него Если это соотношение равно или больше двух, то то это означает, что этот источник конечной мощности, и для него по типовым кривым на рис 3.8 (1) в зависимости от системы возбуждения генераторов для времени τ = 0,1, по кривой, соответствующей найденному отношению определяют коэффициент и находим В точке КЗ для каждой генерирующей ветви определяются составляющие тока КЗ, затем определяются суммарные значения каждой составляющей в точке короткого замыкания. Особенности расчета токов короткого замыкания в системе собственных нужд 6 кВ электростанций При КЗ в системе собственных нужд электростанций существенное влияние на характер процесса и значение тока КЗ оказывают двигатели, включенные вблизи места повреждения. Наиболее существенно это проявляется в сетях собственных нужд (с.н.) 6 кВ крупных ТЭС и АЭС. Для привода механизмов с.н. применяют в основном синхронные двигатели. При близком КЗ напряжение на выводах двигателей снижается и они переходят в режим генератора, подпитывая точку КЗ. Расчет токов при K3 на сборных шинах собственных нужд электростанций производится в следующей последовательности. 1.На основании исходных данных составляется расчетная схема электроустановки. Рисунок 5 – Расчетная схема для расчета токов КЗ в системе собственных нужд 2.Составляется схема замещения для определения токов K3 от внешних источников (энергосистемы, включая электростанцию) и определяется результирующее сопротивление их до точки КЗ, при этом все источники на электростанции объединяются в одну генерирующую ветвь и после преобразования должна получиться следующая лучевая схема: Рисунок 6 – Лучевая схема 3.Рассчитываются составляющие тока КЗ Iп0С=IпtС, iat, iудС со стороны системы по рассмотренным ранее формулам. 1. Для ветви электродвигателей определяется суммарная номинальная мощность всех электродвигателей , подключенных к системе сборных шин с.н. 6 кВ, где рассматривается K3. Рассчитывается начальное значение периодической составляющей тока двигателей или если рассматривается КЗ за ТСН с расщепленной обмоткой НН. 2.Определяется периодическая составляющая тока КЗ от двигателей в момент 3.Рассчитывается апериодическая составляющая тока КЗ от двигателей в момент : 4.Находится ударный ток КЗ от двигателей: Куд,дв=1,65.