Ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях промышленных предприятий

В системах электроснабжения промышленных предприятий могут возникать короткие замыкания (КЗ), приводящие к резкому увеличению токов. Поэтому все основное электрооборудование системы электроснабжения должно быть выбрано с учетом действия таких токов.

Различают следующие виды коротких замыканий:

трехфазное симметричное короткое замыкание ;

двухфазное — две фазы соединяются между собой без соединения с землей;

однофазное — одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю;

двойное замыкание на землю — две фазе соединяются между собой и землей.

Основными причинами коротких замыканий являются нарушения изоляции отдельных частей электроустановок, неправильные действия персонала, перекрытия изоляции из-за перенапряжений в системе. Замыкания нарушают электроснабжение потребителей, в том числе и неповрежденных, подключенных к поврежденным участкам сети, вследствие понижения на них напряжения и нарушения работы энергосистемы. Поэтому короткие замыкания должны ликвидироваться устройствами защиты в возможно короткие сроки.

На рис. 1 показана кривая изменения тока при коротком замыкании. С момента его возникновения в системе электроснабжения протекает переходный процесс, характеризующийся изменением двух составляющих тока короткого замыкания (ТКЗ): периодической и апериодической

Рис. 1. Кривая изменения тока при коротком замыкании

Крупные промышленные предприятия подключаются, как правило, к мощным электроэнергетическим системам. При этом токи короткого замыкания могут достигать весьма значительных величин, вызывая затруднения в выборе электрооборудования по условиям устойчивости при коротком замыкании. Большие сложности возникают также при построении систем электроснабжения с большим количеством мощных электродвигателей, питающих точку короткого замыкания.

раздельная работа трансформаторов и питающих линий;

включение в сеть дополнительных сопротивлений — реакторов;

применение трансформаторов с расщепленной обмоткой.

Использование реакторов особенно целесообразно при подключении сравнительно маломощных электроприемников к шинам электростанций и к подстанциям большой мощности. При подключении приемников с ударной нагрузкой — мощных печей, вентильного электропривода — увеличение реактивности сети путем установки реакторов зачастую невозможно, так как оно приводит к увеличению колебаний и отклонению напряжения.

Рис. 2. Схема подстанции 110 кВ, питающей резкопеременные нагрузки: 1 — мощные выключатели, 2 — сетевые выключатели средней мощности, 3 — линии к электроприемникам с резкопеременной ударной нагрузкой

На современных промышленных предприятиях с разветвленной двигательной нагрузкой (обогатительные фабрики и др.) для ограничения токов короткого замыкания применяют разработанную систему электроснабжения с управляемым аварийным режимом.

На рис. 3 показана схема электроснабжения обогатительной фабрики. Как видно из рисунка, при коротком замыкании в точке К через выключатель поврежденного присоединения (В) протекает сумма аварийных токов — от сети и подпитки от неповрежденных двигателей.

Для ограничения тока короткого замыкания, протекающего через выключатель поврежденного присоединения, на период аварии включают тиристорные токоограничители шунтового типа VS1, VS2, ограничивая составляющую тока короткого замыкания от сети. После отключения выключателем В тока подпитки VS1, VS2 отключаются. Степень токоограничения регулируется токоограничивающим резистором R.

Рис. 3. Схема электроснабжения с групповым статическим токоограничивающим устройством

Для ряда ответственных механизмов, не допускающих самозапуска при номинальной нагрузке и перерывов в электроснабжении, применяется схема частичной параллельной работы трансформаторов, показанная на рис. 4.

Схема представляет собой двухсекционное распределительное устройство со сдвоенными реакторами L1 и L2. В нормальном режиме выключатели Q3, Q4 отключены, выключатель Q5 включен. По ветвям а сдвоенных реакторов протекают нагрузочные токи, по ветвям б — уравнительный ток, который между источниками ограничен сопротивлениями ветвей сдвоенных реакторов. Схема позволяет, в частности, в сетях с двигательной нагрузкой поддерживать остаточные напряжения, обеспечивающие устойчивость двигателей.

Рис. 4. Схема с частичной параллельной работой источников

В таких сетях обеспечивается высокое качество электрической энергии, рациональное использование трансформаторной мощности. На рис. 4, а показана схема, в которой ограничение аварийных токов при параллельной работе трансформаторов обеспечивается за счет дополнительных реакторов, введенных в сети 0,4 кВ.

В ряде случаев естественное удаление трансформаторов позволяет организовать схему рис. 5, а без использования реакторов.

На рис. 5, б показана сложнозамкнутая сеть 0,4 кВ.

Рис. 5. Схемы с параллельной работой цеховых трансформаторов 6/0,4 кВ: а — с секционными реакторами, б — с использованием высоковольтных тиристорных выключателей

Как видно из рис. 5, б, силовые трансформаторы подключены к питающей сети через тиристорные выключатели, которые в аварийном режиме обеспечивают опережающее отключение части трансформаторов. При этом ток короткого замыкания ограничивается за счет естественных сопротивлений сложнозамкнутой сети, получающей в этом случае питание от неотключенных трансформаторов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Ограничение токов короткого замыкания

1. ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1.1. Общие сведения
В мощных электроустановках и питаемых ими электросетях токи короткого замыкания могут достигать столь больших величин, что электрооборудование электрических станций и подстанций, а также сечения кабелей электросети приходится выбирать не по условиям нормального режима, а исходя из устойчивости работы их при коротких замыканиях. Применение электрооборудования и кабелей, рассчитанных на большие токи короткого замыкания, приводит к значительному увеличению затрат на сооружение электроустановок и их сетей. В некоторых случаях токи короткого замыкания могут быть настолько велики, что вообще оказывается невозможным или весьма затруднительным выбор электрооборудования и кабелей, устойчивых при коротких замыканиях.
Поэтому в мощных электроустановках применяют искусственные меры ограничения токов короткого замыкания, чем достигается возможность применения более дешевого электрооборудования: более легких типов электроаппаратов, шин и кабелей меньших сечений.
Существуют несколько способов ограничения токов короткого замыкания. Выбор того или иного способа ограничения определяется местными условиями установки и должен быть подкреплен технико-экономическим расчетом.
В общем случае ограничение тока короткого замыкания достигается увеличением сопротивления цепи короткого замыкания либо путем осуществления раздельной работы питающих агрегатов и линий электросети, либо путем включения последовательно в цепь специальных сопротивлений.
Для искусственного увеличения сопротивления цепи короткого замыкания (КЗ) включают последовательно в три фазы индуктивные сопротивления, называемые реакторами.

Рассмотрим два случая КЗ на схеме рис. 1.1. От генератора 1 питаются сборные шины 2. От этих шин отходят линии 3 к приёмникам.

Рис. 1.1. Схема, поясняющая принцип действия реактора:

При трёхфазном КЗ за выключателем 4 ток КЗ IKi определяется в основном индуктивным сопротивлением генератора
Iki = Uhom / V3Xr, (1.1)
где Uhom

Источник

Способы ограничения токов короткого замыкания

В мощных электроустановках и питаемых ими электросетях токи короткого замыкания могут достигать больших величин, что приводит к завышению сечения проводников и утяжелению электрооборудования. Применение электрооборудования и проводников, рассчитанных на большие токи короткого замыкания, приводит к значительному завышению затрат. Поэтому в мощных электроустановках применяют искусственные меры ограничения токов короткого замыкания, чем достигается возможность применения более дешевого электрооборудования: более легких типов электроаппаратов, токоведущих частей меньших сечений.

Основные способы ограничения токов короткого замыкания:

— раздельная работа трансформаторов и питающих линий;

— применение трансформаторов с расщепленными обмотками;

Выбор того или иного способа ограничения токов короткого замыкания определяется местными условиями конкретной электроустановки и технико-экономическим сопоставлением вариантов.

Раздельная работа трансформаторов и питающих линий.

Раздельная работа трансформаторов и питающих линий, при S_c= , x_c=0, позволяет снизить ток КЗ в 2 раза:

Необходимо отметить, что мощность трансформаторов и пропускная способность каждой линии, с учетом возможной перегрузки, должна быть достаточно для питания полной нагрузки электроустановки. С целью обеспечения бесперебойного питания потребителей на секционном выключателе предусматривается установка автоматического ввода резерва (АВР).

Применение трансформаторов с расщепленными обмотками.

Применение трансформаторов с расщепленными обмотками и раздельной работе обмоток низшего напряжения. Сопротивление обмотки низшего напряжения (х_н) в 2 раза больше индуктивности сопротивления двухобмоточного трансформатора без расщепления обмоток. Поэтому, при S_c= , x_c=0 и расщеплении обмоток ток КЗ на стороне низшего напряжения можно снизить в 2 раза.

Во всех электроустановках при рассмотрении вопроса ограничения токов КЗ и неудовлетворительных результатах рассмотренных выше способов возникает необходимость включение дополнительных сопротивлений (реакторов).

— номинальным током

_— номинальным напряжением

_— индуктивным сопротивлением

Активное сопротивление реактора незначительно, поэтому при расчетах токов КЗ его не учитывают.

Все реакторы выбираются по номинальному напряжению, по номинальному току и индуктивному сопротивлению.

Номинальное напряжение выбираем в соответствии с номинальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения.

Номинальный ток реактора (ветви сдвоенного реактора) недолжен быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен:

(8.9)

Для шинных (секционных) реакторов номинальный ток должен соответствовать мощности, передаваемой от секции к секции при нарушении нормального режима.

(8.10)

где I_ном.г – номинальный ток генератора.

Индуктивное сопротивление реактора определяют, исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намечаемых к установке или установленных в данной точке сети. Как правило, первоначально известно начальное значение периодической составляющей тока КЗ I_по, которое с помощью реактора необходимо уменьшить до требуемого уровня.

Рассмотрим порядок определения сопротивления индивидуального реактора. Требуется ограничить ток КЗ так, чтобы можно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения I_{ном.отк} (действующее значение периодической составляющей тока отключения)

По значению I_{ном.отк} определяется значение периодической составляющей тока КЗ, при котором обеспечивается коммутационная способность выключателя. Для упрощения обычно принимают I_{по.треб} =I_{ном.отк}

Результирующее сопротивление [Ом] в цепи КЗ до установки реактора можно определить по выражению:

(8.11)

Требуемое сопротивление цепи КЗ для обеспечения I_{по.треб}

(8.12)

Разность полученных значений сопротивлений даст требуемое сопротивление реактора

(8.13)

Далее по каталожным и справочным материалом выбирают тип реактора с ближайшим большим индуктивным сопротивлением.

Фактическое значение тока при КЗ за реактором определяют следующим образом:

вычисляется значение результирующего сопротивления цепи КЗ с учетом реактора:

, (8.14)

а затем, определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ:

(8.15)

Аналогично выбираемое сопротивление групповых и сдоенных реакторов.

Выбранный реактор следует проверить на электродинамическую стойкость и термическую стойкость при протекании через него тока КЗ.

Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении следующего условия:

(8.16)

где – ударный ток при трех фазном КЗ за реактором;

– ток электродинамической стойкости реактора, т.е максимальный ток (амплитудное значение), при котором не наблюдается остаточная деформация обмоток:

Термическая стойкость реактора характеризуется заводом изготовителем величиной t_Т временем термической стойкости

Поэтому условие термической стойкости реактора имеет вид:

(8.17)

где – расчетный тепловой импульс тока при КЗ за реактором.

При соблюдении указанного условия нагрев обмотки реактора при КЗ не будет превышать допустимого значения.

Необходимо также определить остаточное напряжение на шинах:

(8.18)

Значение по условиям работы потребителей должно быть не менее 65 %.

Потеря напряжения при протекании максимального тока в нормальном режиме работы определяется по формуле:

, (8.19)

где – коэффициент связи (из каталога для реактора).

9ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ,

Источник

Ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях промышленных предприятий

Разновидности коротких замыканий и вероятности их возникновения

Коротким замыканием называется нарушение нормальной работы электроустановки, вызванное замыканием фаз между
собой, или замыканием фазы на землю.

Токи к.з. в современных мощных электросистемах могут достигать огромных значений (10-100 тыс. ампер). Поэтому
оборудование электроустановок должно обладать достаточной электродинамической (механической) и термической
стойкостью к действию токов к.з.

Причинами возникновения короткого замыкания могут быть:

Несмотря на все меры, принимаемые при проектировании и эксплуатации, вероятность короткого замыкания не
исключена, поэтому правильный выбор электрооборудования, основанный на знании характера протекания короткого
замыкания и ожидаемого тока, является самой действенной мерой предотвращения опасных последствий к.з.

Короткие замыкания бывают:

Процесс протекания короткого замыкания слагается из двух режимов:

Действующее значение периодической составляющей к.з. может быть определено по формулам Тоя:

Е — действующее значение ЭДС генератора;

Z₁, Z₂, Z₃ — сопротивление прямой, обратной и нулевой последовательности.

Знать токи короткого замыкания необходимо:

Как правило, в точке к.з. возникает электродуга, которая образует переходное сопротивление. Для упрощения
расчётов, будем рассматривать только металлическое к.з., т.е. без учётов переходного сопротивления.

При появлении к.з., сопротивление в сети падает. Однако, скачком ток увеличиться не может, т.к. сеть обладает
индуктивностью. Из курса ТОЭ известно, что ток можно представить, как сумму апериодической (i_а) и
периодической
i_р) составляющих.

В результате этого, результирующий ток в некоторые моменты времени может превосходить амплитуду установившегося
тока. Быстрота перехода в установившийся режим определяется постоянной установления:

τ = L / r, где L — индуктивность

Через время t ≈ 3τ (0,1-0,2 сек) в цепи будет протекать только периодический или установившийся ток
короткого замыкания.

В конце первого полупериода ток достигает максимального значения, называемого ударным током (i_у).

Для удобства расчёта ударного тока, вводят ударный коэффициент 1 ≤ k_у ≤ 2

По ударному току проверяют электроаппараты, шины, изоляторы — на электродинамическую стойкость. По действующему
значению установившегося тока проверяют аппаратуру на термическую стойкость.

Ограничение мощности короткого замыкания осуществляется с помощью бетонных реакторов (РБ, РБН). Они имеют
мизерное активное сопротивление и достаточно большое индуктивное. РБ устанавливаются на поверхности, в спец
камерах подстанций, в начале и конце линии.

На новых угольных шахтах допускаемая мощность короткого замыкания не должна превышать S ≤ 100 МВА (старые
шахты —
до 50).

Защита от токов короткого замыкания производится плавкими предохранителями и максимально-токовой защитой.

Источник

Ток короткого замыкания, от чего зависит величина тока КЗ

В данной статье речь пойдет о коротком замыкании в электрических сетях. Мы рассмотрим типичные примеры коротких замыканий, способы расчетов токов короткого замыкания, обратим внимание на связь индуктивного сопротивления и номинальной мощности трансформаторов при расчете токов короткого замыкания, а также приведем конкретные несложные формулы для этих вычислений.

При проектировании электроустановок необходимо знать значения симметричных токов короткого замыкания для различных точек трехфазной цепи. Величины этих критических симметричных токов позволяют проводить расчеты параметров кабелей, распределительных устройств, устройств селективной защиты и т. п.

Далее рассмотрим ток трехфазного короткого замыкания при нулевом сопротивлении, который подается через типичный распределительный понижающий трансформатор. В обычных условиях данный тип повреждений (короткое замыкание болтового соединения) оказывается наиболее опасным, при этом расчет очень прост. Простые расчеты позволяют, придерживаясь определенных правил, получить достаточно точные результаты, приемлемые для проектирования электроустановок.

Ток короткого замыкания во вторичной обмотке одного понижающего распределительного трансформатора. В первом приближении сопротивление высоковольтной цепи принимается очень малым, и им можно пренебречь, поэтому:

Здесь P – номинальная мощность в вольт-амперах, U2 – напряжение между фазами вторичной обмотки на холостом ходу, Iн — номинальный ток в амперах, Iкз — ток короткого замыкания в амперах, Uкз — напряжение при коротком замыкании в процентах.

В таблице ниже приведены типичные значения напряжений короткого замыкания для трехфазных трансформаторов на напряжение высоковольтной обмотки в 20 кВ.

Если для примера рассмотреть случай, когда несколько трансформаторов питают параллельно шину, то величину тока короткого замыкания в начале линии, присоединенной к шине, можно принять равной сумме токов короткого замыкания, которые предварительно вычисляются по отдельности для каждого из трансформаторов.

Когда все трансформаторы получают питание от одной и той же сети высокого напряжения, значения токов короткого замыкания при суммировании дадут несколько большее значение, чем окажется в реальности. Сопротивлением шин и выключателей принебрегают.

Пусть трансформатор обладает номинальной мощностью 400 кВА, напряжение вторичной обмотки 420 В, тогда если принять Uкз = 4%, то:

На рисунке ниже приведено пояснение для данного примера.

Точности полученного значения будет достаточно для расчета электроустановки.

Ток короткого трехфазного замыкания в произвольной точке установки на стороне низкого напряжения:

Здесь: U2 — напряжение на холостом ходу между фазами на вторичных обмотках трансформатора. Zт — полное сопротивление цепи, расположенной выше точки повреждения. Далее рассмотрим, как найти Zт.

Емкостное сопротивление здесь роли не играет. Z, R и X выражаются в омах, и при расчетах представляются как стороны прямоугольного треугольника, что показано на рисунке ниже. По правилу прямоугольного треугольника вычисляется полное сопротивление.

Сеть разделяют на отдельные участки для нахождения X и R для каждого из них, чтобы вычисление было удобным. Для последовательной цепи значения сопротивлений просто складываются, и получаются в итоге Xт и Rт. Полное сопротивление Zт определяется из теоремы Пифагора для прямоугольного треугольника по формуле:

При параллельном соединении участков расчет ведется как для параллельно соединенных резисторов, если объединенные параллельные участки обладают реактивным или активным сопротивлениями, получится эквивалентное общее сопротивление:

Xт не учитывает влияние индуктивностей, и если расположенные рядом индуктивности влияют друг на друга, то реальное индуктивное сопротивление окажется выше. Необходимо отметить, что вычисление Xз связано только к отдельной независимой цепью, то есть так же без влияния взаимной индуктивности. Если же параллельные цепи расположены близко к друг другу, то сопротивление Хз окажется заметно выше.

Рассмотрим теперь сеть, присоединенную к входу понижающего трансформатора. Трехфазный ток короткого замыкания Iкз или мощность короткого замыкания Pкз определяет поставщик электроэнергии, однако можно исходя из этих данных найти полное эквивалентное сопротивление. Полное эквивалентное сопротивление, одновременно приводящее к эквиваленту для низковольтной стороны:

Pкз — мощность трехфазного короткого замыкания, U2 – напряжение на холостом ходу низковольтной цепи.

Полное Zтр — сопротивление трансформатора на стороне низкого напряжения:

Pн — номинальная мощность трансформатора в киловольт-ампреах.

Активное сопротивление обмоток находится исходя из мощности потерь.

Когда ведут приблизительные расчеты, то пренебрегают Rтр, и принимают Zтр = Xтр.

Если требуется принять в расчет выключатель низковольтной цепи, то берется полное сопротивление выключателя, расположенного выше точки короткого замыкания. Индуктивное сопротивление принимают равным 0,00015 Ом на выключатель, а активной составляющей пренебрегают.

Что касается сборных шин, то их активное сопротивление ничтожно мало, реактивная же составляющая распределяется примерно по 0,00015 Ом на метр их длины, причем при увеличении расстояния между шинами вдвое, их реактивное сопротивление возрастает лишь на 10%. Параметры кабелей указывают их производители.

Что касается трехфазного двигателя, то в момент короткого замыкания он переходит в режим генератора, и ток короткого замыкания в обмотках оценивается как Iкз = 3,5*Iн. Для однофазных двигателей увеличением тока в момент короткого замыкания можно пренебречь.

Дуга, сопровождающая обычно короткое замыкание, обладает сопротивлением, которое отнюдь не постоянно, но среднее его значение крайне низко, однако и падение напряжения на дуге невелико, поэтому практически ток снижается примерно на 20%, что облегчает режим срабатывания автоматического выключателя, не нарушая его работу, не влияя особо на ток отключения.

Ток короткого замыкания на приемном конце линии связан с током короткого замыкания на подающем ее конце, но учитывается еще сечение и материал передающих проводов, а также их длина. Имея представление об удельном сопротивлении, каждый сможет произвести этот несложный расчет. Надеемся, что наша статья была для вас полезной.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник