Глава 10

10.2. Способы ограничения токов короткого замыкания

Уровни токов и мощностей КЗ характеризуют ожидаемые условия работы электрооборудования СЭС в аварийных режимах. Они определяют выбор сечения шин, токопроводов, проводов и кабелей, отключающую и коммутационную способности 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 СЭС решается технико-экономическая задача ограничения уровней токов и мощностей КЗ до значений, допустимых параметрами электрооборудования, которое экономически целесообразно применять. В процессе эксплуатации СЭС, сопровождающейся их развитием с включением новых источников

Рис. 10.1. Продольное (а) и поперечное (б) разделения электрической сети

электрической энергии, возникает задача ограничения уровней токов и мощностей КЗ, если они превышают технические параметры установленного электрооборудования. При ее решении используют различные меры, связанные с ограничением токов КЗ и направленные на увеличение сопротивления цепи КЗ, локализацию в аварийном режиме источников ее питания и отключение поврежденной электрической сети за время (для частоты тока f = 50 Гц оно составляет t < 5 мс).

К таким методам относятся: выбор структуры и схемы электрических соединений элементов СЭС; стационарное и 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 и электромагнитное преобразование параметров режима системы.

Структура и схемы электрических соединений элементов СЭС выбираются на стадии ее проектирования и реконструкции. В основу принимаемых решений при этом должны быть положены следующие принципы [17]:

продольное разделение сетей одинакового уровня напряжения при размещении их на территориально различных участках объекта электроснабжения и связь их через сеть более высокого напряжения (рис. 10.1, а);

поперечное разделение сетей одинакового напряжения, если они территориально совмещены, но связаны через сеть более высокого напряжения (рис. 10.1, б);

раздельное питание узлов нагрузки от источников электрической энергии с обеспечением их параллельной работы через связи в электрической сети и с использованием блочных соединений «генератор - трансформатор - линия»;

разукрупнение приемных подстанций и поэтапное создание СЭС путем внедрения глубоких вводов высокого напряжения;

применение раздельной работы основных элементов СЭС (линий, трансформаторов) на всех ступенях распределения электрической энергии;

применение разомкнутых распределительных сетей и широкое внедрение в них токопроводов, шинных и кабельных магистральных линий, которые позволяют использовать токоограничивающее действие самой сети.

При построении схем электроснабжения необходимо руководствоваться рядом важных требований, предъявляемых к СЭС, сущность которых следующая:

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 трансформаций 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 или ВЛ на питающем или вторичном напряжениях. При этом наряду с резервированием большего 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 или элементы сети, обладающие токоограничивающим действием, устанавливаются на нескольких последовательных ступенях распределения электрической энергии. С этой точки зрения наиболее характерны схемы электроснабжения угольных шахт, в которых первой ступенью ограничения мощности КЗ является снижение ее на ГПП шахты, а второй - на вводах, питающих нагрузку подземных потребителей, где мощность КЗ ограничивается правилами безопасности пределом в 50 MBА с перспективой его повышения до 100 МВА.

Рис. 10.2. Деление исходной схемы сети (а) на стационарное (б, в) и автоматическое (г)

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 ТЭС. Необходимость делении сети появляется в тех случаях, когда уровень токов КЗ в узлах нагрузки превышает допустимый уровень по параметрам электрооборудовании, находящегося в эксплуатации. Заметим, что деление сети существенна влияет на эксплуатационные режимы, устойчивость и надежность работы электрической системы, а также на потери мощности и энергии в сетях.

Стационарное деление исходной схемы сети (рис. 10.2, а) выполняют в нормальном режиме таким образом, чтобы максимальный уровень тока КЗ в конкретном узле нагрузки не превышал допустимый по параметрам установленного электрооборудования (рис. 10.2, б, в).

Автоматическое деление сети осуществляют в аварийных режимах последовательной локализацией места КЗ (рис. 10.2, г). При КЗ на присоединении А производится отключение части источников питания места повреждения (выключателем QS2 или QS3), а затем выключателем QS1 отключается присоединение. Последовательное отключение источников питания цепи тока КЗ позволяет применять коммутационные аппараты с меньшей отключающей способностью но сравнению с аппаратами, соответствующими действительному уровню токов КЗ.

Выбор режима эксплуатации сети тесно связан со схемными решениями. В СЭС с длительным режимом рекомендуется раздельная работа силовых трансформаторов ГПП, а также ТП. Совместно с раздельной работой источников электрической энергии разукрупнение подстанций 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 оперативным обслуживающим персоналом или с использованием АВР. Кольцевые схемы электроснабжения эксплуатируют с разомкнутым секционным выключателем на одной из подстанций.

Изложенные рекомендации по выбору режима при наличии крупных электроприемников с резкопеременой ударной нагрузкой не всегда приемлемы. При ограниченной мощности источника электрической энергии крупные электроприемники соизмеримой с ним мощности обусловливают набросы и сбросы активной и реактивной нагрузок, которые вызывают колебания напряжения. Для обеспечения допустимого минимального уровня напряжения в питающей сети таких электроприемников эффективными средствами являются: повышение уровня токов КЗ (см. п. 10.4), применение повышенных напряжений, обособленное электроснабжение.

Схемы питания СЭС при проектировании внешнего электроснабжения выбираются на основе фактической мощности КЗ, поступающей от энергетической системы, 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.10.3 показаны варианты схем электрических соединений, которые рекомендуется использовать в связи с повышением единичной установленной мощности трансформаторов.

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

Рис. 10.3. Варианты схем электрических соединений ГПП с ограничением токов

КЗ па шинах вторичного напряжения при единичной установленной мощности

трансформаторов;

а - 25-40 МВА; б - 32-63 MBА; в – 63-80 МВА; г - 63-100 MBА; д - 25-80 MBA ; е - 40-80 MBА; ж - 63-80 MBА; з - 100 МВА

уменьшает значение тока КЗ, генерируемого местными источниками. При этом следует учитывать изменение схемы электрических соединений в эксплуатационных режимах, при которых допускается длительная работа с включенными секционными аппаратами для наиболее тяжелого режима.

В схемах электроснабжения предприятий перспективно применение соединений: линия питающего напряжения - трансформатор ГПП, линия питающего напряжения - трансформатор ГПП - токопровод распределительного напряжения, линия распределительного напряжения - трансформатор подстанции - магистральный шипопровод низкого 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 относительным напряжением КЗ, ВЛ и токопроводы с увеличенным расстоянием между фазами, протяженные шинопроводы и т. п. К специальному электрооборудованию относятся трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленными обмотками НН, одноцепные и сдвоенные реакторы, токоограничивающие устройства резонансного, трансформаторного и реакторио-вентилъного типов [17], назначение которых - увеличивать сопротивление току, превышающему ток рабочего режима.

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.10.4). 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. При продолжительности КЗ более 5мс проявляется тепловое действие

Рис. 10.4. Ограничение коммутационным аппаратом Q электродинамического воздействия тока КЗ со значения iу1 , до значения iу2

тока, которое также 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.

Электромагнитное преобразование параметров СЭС (параметров режима нагрузки) включает в себя передачу мощности потребителям с выполнением операций выпрямления, инвертирования и изменения частоты тока, а также преобразование трехфазной системы напряжений в однофазную, преобразование системы напряжения в систему тока и т. п. В СЭС такие преобразования параметров электрической энергии являются односторонними и выполняются в основном с целью питания специальных групп электроприемников (прокатных станов, сварочных машин, промышленного и городского транспорта), Элементы электрооборудования, реализующие эти операции, играют еще роль развязывающих элементов на ступенях распределения энергии и роль токоограничивающих устройств путем исключения питания места КЗ от подключенных за ними узлов нагрузки и местных источников (в аварийных режимах исключается обратная передача мощности в питающую сеть).

При преобразовании системы напряжения в систему тока в последней режим КЗ является неаварийным, а нормальным режимом ее работы (сети групповых сварочных постов; сети питания электродуговых печей; вторичные цепи релейной защиты, подключенные к трансформаторам тока). Такое преобразование используется для передачи и распределения энергии в системе рудничного транспорта бесконтактными электровозами.

Таким образом, ограничение мощностей и токов КЗ в СЭС производится правильным проектированием схем их подстанций и электрических сетей. Выбор способа ограничения мощностей и токов КЗ неоднозначен и практически представляет собой совокупность мер, комплексно решающих целый ряд вопросов выбора параметров электрооборудования и режимов его работы на основе технико-экономических расчетов.