Ограничение токов короткого замыкания

Министерство образования и науки Республики Казахстан Некоммерческое АО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» Институт Электроэнергетики и электротехники Кафедра Электроэнергетических систем ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика 8 Лекция. Ограничение токов короткого замыкания Алматы 2021 1 Дисциплина «Переходные процессы в электроэнергетике» является одной из профилирующих для электроэнергетических специальностей. Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузок, источников питания, отдельных цепей и пр.), так и в аварийных условиях (обрыв нагруженной цепи или отдельной ее фазы, короткое замыкание, выпадение машины из синхронизма и т.д.). Изучение переходных процессов необходимо прежде всего для ясного представления причин возникновения и физической сущности этих процессов, а также для разработки практических критериев и методов их количественной оценки, с тем чтобы можно было предвидеть и заранее предотвратить опасные последствия таких процессов. Важно понимать переходные процессы, но еще важнее уметь сознательно управлять ими. При любом переходном процессе происходит в той или иной мере изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса между моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом. В результате этого нарушения соответственно изменяются скорости вращения машин, т.е. некоторые машины испытывают торможение, в то время как другие – ускорение. Такое положение существует до тех пор, пока регулирующие устройства не восстановят нормальное состояние, если это вообще осуществимо при изменившихся условиях. Из этого следует, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе. Последние взаимно связаны и, по существу, представляют единое целое. 2 8 Лекция. Ограничение токов короткого замыкания Содержание лекции: средства ограничения токов короткого замыкания. Цель лекции: изучение средств ограничения токов короткого замыкания на стадии проектирования и в условиях эксплуатации. 8.1 Средства ограничения токов КЗ Рост уровней токов КЗ вызывает снижение эксплуатационной надежности всех элементов электрической системы. В первую очередь страдают жесткие шины, кабели, электрические аппараты. В меньшей степени повышение уровней токов КЗ затрагивает генераторы и трансформаторы, хотя и для них необходимо предусматривать отрицательные последствия этого повышения. Ограничению токов КЗ в энергосистемах всегда уделяется достаточно большое внимание. Для этого применяются как схемные решения, так и специальные устройства. Наиболее широко используются: - оптимизация структуры и параметров сети; - стационарное или автоматическое деление сети; - применение токоограничивающих устройств; - оптимизация режима заземления нейтралей в электрических сетях. В зависимости от местных условий, требуемой степени ограничения токов при различных видах КЗ, а также технико-экономических показателей в сетях энергосистемы используются различные средства ограничения или их комбинации, дающие наибольший технико-экономический эффект. 8.2 Оптимизация структуры и параметров сети (схемные решения) Схемные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, при этом выбираются оптимальные схемы выдачи мощности электростанций и параметры элементов сетей энергосистем. Оптимизация структуры сети являются эффективным средством ограничения токов КЗ. С этой целью применяется периферийное (продольное) разделение сетей, при котором части территории сетей (районы) одного напряжения 3 связываются между собой только через сеть повышенного напряжения (см. рисунок 8.1, а). Местное, или поперечное, разделение сетей (см. рисунок 8.1, б) осуществляется наложением сетей одного и того же напряжения на площади какого-либо района и связью этих сетей через сеть повышенного напряжения. Рисунок 8.1 8.3 Стационарное или автоматическое деление сети Деление сети применяют в процессе эксплуатации, когда требуется ограничить уровни токов КЗ при ее развитии. Различают деление сети стационарное (СДС) и автоматическое (АДС). Стационарное деление сети осуществляется в нормальном режиме с помощью секционных, шиносоединительных и линейных выключателей. Оно производится тогда, когда уровень тока КЗ в узле сети превышает допустимые значения для параметров установленного оборудования. На рисунке 8.2 показан пример деления сети на электростанции с двумя распределительными устройствами двух повышенного напряжения. Деление производится в результате разрыва трансформаторной связи между распредустройствами двух повышенных напряжений. СДС оказывает существенное влияние на режимы, устойчивость и надежность работы электрической системы, также на потери мощности в сетях. 4 Рисунок 8.2 АДС производится в аварийном режиме для обеспечения работы коммутационных аппаратов. Оно осуществляется на секционных или шиносоединительных выключателях, иногда – на выключателях мощных присоединений. При АДС образуется система каскадного отключения токов КЗ. Однако АДС имеет некоторые недостатки: - возможность появления в послеаварийном режиме значительных небалансов мощностей источников и нагрузки в разделившихся частях сети; - увеличение времени восстановления нормального режима. Несмотря на это, устройства АДС широко применяются в энергосистемах, так как дешевы, просты и надежны. 8.4 Токоограничивающие устройства Токоограничивающие устройства, выполняя свою основную задачу – ограничение токов КЗ, не должны существенно влиять на нормальный режим работы сети, должны иметь стабильные характеристики при изменении схемы и параметров режима. Токоограничивающие реакторы могут иметь различные конструктивные исполнения и параметры. Реакторы с линейной характеристикой, включаемые последовательно в соответствующую линию, ограничивают ток КЗ и поддерживают относительно высокий уровень остаточного напряжения в узле подключения. Но в них в нормальном режиме теряются активная и реактивная мощности, а 5 также возникают потери и падение напряжения. Возможные схемы включения линейных и секционных реакторов приведены на рисунке 8.3. Рисунок 8.3 Реакторы с нелинейной характеристикой. К этой группе относятся управляемые и насыщающиеся реакторы. Управляемый реактор – это регулируемый реактор со сталью, изменение сопротивления которого осуществляется подмагничиванием магнитопровода полем постоянного тока. При КЗ сопротивление реактора увеличивается и происходит ограничение тока КЗ. Насыщающий реактор – это неуправляемый реактор в нелинейной характеристикой (со сталью), которая определяется насыщением магнитопровода полем обмотки переменного тока. Эквивалентное сопротивление реактора растет с увеличением тока. Это свойство реактора используется для ограничения тока КЗ. Токоограничивающие коммутационные аппараты уменьшают ударный ток КЗ, т.е являются аппаратами безынерционного действия. К ним относятся токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия. Токоограничивающие предохранители изготавливают на напряжение 6 – 35 кВ. Они отличаются простотой конструкции и небольшой стоимостью, но имеют ряд недостатков: одноразовое действие, что автоматического повторного включения; - нестабильность токовременных характеристик; 6 затрудняет применение неуправляемость со стороны внешних устройств (релейной защиты) и т.д., в связи с чем предохранители устанавливаются в цепях менее ответственных потребителей. Ограничители ударного тока взрывного действия – сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты одноразового действия. Конструктивно – это герметизированный цилиндр, внутри которого располагается токонесущий проводник с вмонтированным в него пиропатроном. Сигнал на взрыв пиропатрона подается от внешнего управляющего устройства, получающего информацию о КЗ от измерительного органа, фиксирующего величину ток КЗ и ее производную. Ограничение тока достигается за время порядка 0,5 мс, полное время отключения цепи составляет 5 мс, т.е. ¼ периода промышленной частоты. Резонансные токоограничивающие устройства. Принцип их действия основан на использовании эффекта резонанса напряжений при работе в нормальном режиме и расстройке резонанса в аварийном режиме. Кроме того, известны другие токоограничивающие устройства: - токоограничивающие вентильного типов; устройства трансформаторного - вставки постоянного тока; - сверхпроводниковые токоограничивающие устройства. 7 и реакторно-