Максимальная токовая защита 4 страница

- механическая прочность конструкции должна быть достаточной в заданных условиях эксплуатации,

- потери напряжения в нормальном и аварийном режимах не должны превышать допустимый уровень,

- принятые проектные решения по схемам, конструкциям и оборудованию должны удовлетворять критерию минимума приведенных затрат.

Все электрические аппараты могут работать длительное время при максимальном линейном (межфазном) напряжении U_НР, которое на 10 – 15% больше номинального U_Н. Напряжение U_НР аппарата, изолятора, кабеля не должно быть меньше рабочего эксплуатационного напряжения установки U_{Р УСТ} при возможных превышениях. Электрооборудование может иметь нормальную и облегченную изоляцию, первая предназначается для установок, подверженных грозовым перенапряжениям, и при обычных мерах защиты от них. Электрооборудование установок, связанных только с кабельными сетями, может иметь облегченную изоляцию.

Расчетные рабочие токи цепи, в которую включен аппарат или проводник, в нормальном (I_{Р Н}) и форсированном режиме (I_{Р ФОРС}) не должны превышать номинального тока аппарата:

I_Н ³ I_{Р ФОРС} ³ I_{Р Н}.

При расчете I_{Р ФОРС} и I_{Р Н} следует учитывать неравномерное распределение токов между линиями, трансформаторами и секциями.

В установках высокого напряжения (>1000 В) по режиму короткого замыкания следует проверять: электрические аппараты, проводники, опорные и несущие конструкции для них, подходы линий электропередачи к подстанции и ответвительные опоры (при ударном токе 50 кА и выше), а также расстояния между распорками расщепленных проводов.

По режиму короткого замыкания в установках при напряжении выше 1000 В не следует проверять:

- аппараты и проводники, защищенные плавкими предохранителями, на термическую устойчивость (при номинальном токе вставки не более 60 А и на динамическую),

- проводники в цепях к цеховым трансформаторам до 1000 кВ × А,

- трансформаторы тока в цепях трансформаторов и реактивированных линий до 20 кВ,

- провода отходящих воздушных линий,

- аппараты и шины трансформаторов напряжения.

Провода воздушных линий электропередачи должны проверяться также по условию отсутствия короны и допустимому уровню радиопомех.

 

10.1 Условия выбора и проверки выключателей, разъединителей и отделителей можно сформулировать следующим образом:

 

Таблица 10.1 - Условия выбора выключателей, разъединителей, отделителей

Расчетная величина	Каталожные данные выключателя	Условие выбора
Uуст, кВ	Uн, кВ	Uуст £ Uном
Iр,А	Iн, А	Iр £ Iн
Iкз, кА	Iном откл, кА	Iкз£ Iном откл
iуд , кА	Iдин, кА	iуд £ iном откл
Вк = Iкз2∙ tприв, кА2× С	I2ту, tту, кА2× С	Вк £ I2ту tту

10.2 В схемах РУ 6 – 10 кВ подстанций находят применение линейные, секционные и сдвоенные реакторы, которые предназначены для ограничения тока и поддержания напряжения на шинах РУ при коротких замыканиях на присоединениях.

 

Таблица 10.2 - Условия выбора реакторов

Расчетная величина	Каталожные данные реактора	Условие выбора
Uуст, кВ	UН, кВ	Uуст £ UН
Iр, А	IН, А	Iр £ IН
xрасч%	xр%	xрасч% £ xр%
iуд, кА	Iпр с, кА	Iу д£ iпр с
Вк = Iкз2∙ tприв, кА2× С	IТУ2, tТУ , кА2× С	Вк £ IТУ2 tTУ

Индуктивное сопротивление линейного реактора выбирают по условию ограничения тока короткого замыкания в распределительной сети величиной, допускаемой отключающей способностью линейных выключателей:

,

где I_Н, U_Н – номинальные токи и напряжения реактора, А, кВ,

U_уст – среднее эксплуатационное значение напряжения установки, кВ,

I _р – расчетное сверхпереходное значение тока короткого замыкания на шинах РУ 6 – 10 кВ, кА.

Выбрав реактор с ближайшим бόльшим значением x_р, рассчитывают ток короткого замыкания за реактором и проверяют его на термическую и динамическую устойчивость.

Сопротивление линейных реакторов обычно принимают равным 3 – 5%, так как при нормальном режиме в реакторе имеют место потери напряжения

Δu_р% = x_р% (I_раб / I_Н ) sinφ,

а допустимая величина потерь составляет 1,5 – 2%.

Остаточное напряжение на шинах РУ при коротком замыкании за реактором

u_ост% = x_р% (I_кз / I_Н).

По условиям обеспечения самозапуска электродвигателей 6 – 10 кВ, питаемых от этих шин, оно должно быть не ниже 65 – 70%.

Сдвоенные реакторы обычно выбирают, когда сопротивление линейных реакторов оказывается больше, чем 5%.

Индуктивное сопротивление секционного реактора выбирают из условия ограничения тока короткого замыкания на шинах до величины, не превышающей отключающей способности секционного выключателя, что составляет примерно 8 – 12%.

10.3 Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Трансформаторы тока для питания измерительных приборов и устройств защиты выбираются по роду установки, номинальному напряжению, по номинальному первичному току, вторичной нагрузке, классу точности и проверяются на термическую и динамическую устойчивость.

Трансформаторы напряжения, которые устанавливаются на всех секциях сборных шин для питания измерительных приборов, устройств защиты и контроля изоляции, выбираются по роду установки, номинальному напряжению, классу точности и нагрузке.

 

Таблица 10.3 - Условия выбора трансформаторов тока

Расчетная величина	Каталожные данные	Условие выбора
UТТ, кВ	UН, кВ	UТТ £ UН
IТТ1, кА	Iр, кА	IТТ1 ≥ Iр
kдин расч	kдин
kТУ расч	kТУ	­
S2, ВА	SН2,ВА	SН2 > S2

 

где S₂ –нагрузка всех измерительных приборов и реле, ВА,

r_пр – сопротивление проводов, Ом,

r_к - сопротивление контактных соединений, Ом,

r_к = 0,05 Ом – при двух-трех приборах,

r_к = 0,1 Ом – при количестве приборов больше трех.

10.4 Условия выбора трансформаторов напряжения:

- по номинальному напряжению: U_НОМ ≥ U_Р, кВ,

- по мощности вторичной обмотки: S_{НОМ 2} ≥ S_Р2, ВА.

 

10.5 Защита изоляции

Для защиты изоляции трансформаторов и оборудования РУ3 – 10 кВ применяются вентильные разрядники серии РВП, а для РУ 15 – 200 кВ – серии РВС. Для защиты изоляции оборудования 110 – 220 кВ с пониженным испытательным напряжением и для РУ 330 и 500 кВ используются разрядники серии РВМГ. Разрядники серии РВМК применяют для защиты изоляции 330 и 500 кВ, когда не-обходима защита от грозовых и внутренних (коммутационных) перенапряжений.Условия выбора разрядников следующие:

 

Таблица 10.4 – Условия выбора разрядников

Расчетная величина	Каталожные данные	Условие выбора
Uсети, кВ	UН, кВ	Uсети ≤ UН
uдоп р,кВ	uпроб,кВ	uдоп р ≥ uпроб
uдоп р, кВ	uост нб, кВ	uдоп р ≤ uост нб
iсопр р, кА	iоткл, кА	iсопр р ≤ iоткл

 

где u_{доп р} – амплитуда минимального допустимого напряжения для изоляции РУ, В,
u_проб – пробивное напряжение для разрядника данного типа, кВ,
u_{ост нб} – наибольшее допустимое напряжение на разряднике в момент гашения дуги, кВ,
i_{сопр р} – расчетное значение импульсного тока однополюсного короткого замыкания
сопровождающего пробой разрядника, кА,
i_откл – коммутационная способность разрядника, предельная величина сопровождающего тока (80 – 100 А для РВС, 250 А для РВМГ), кА.

Трубчатые разрядники предназначаются для защиты изоляции линий электропередачи и служат вспомогательным элементом в схеме подстанции и подходов к ней. Подключение трубчатых разрядников производится через внешний искровой промежуток. Трубчатые разрядники в сетях 3 – 150 кВ выбираются по напряжению и условию отключения тока однополюсного короткого замыкания с учетом сопротивления заземления разрядника.

Защита оборудования ОРУ от прямых ударов молнии осуществляется стержневыми, а воздушных линий электропередачи – тросовыми молниеотводами.

В последнее время широкое распространение получили ограничители перенапряжений – ОПН. Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) серии ОПН/ТЕL предназначены для использования в качестве основных средств защиты электрооборудования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты 48-62 Гц от коммутационных и грозовых перенапряжений. При их разработке были использованы последние технологические достижения и опыт эксплуатации ОПН в отечественной и зарубежной практике. Ограничители рекомендуется применять вместо вентильных разрядников соответствующих классов напряжения при проектировании, эксплуатации, технологическом перевооружении и реконструкции электроустановок.

 

10.6 Выбор кабелей высокого напряжения

Высоковольтные кабели выбираются по условиям нормального режима:

- по напряжению: U_Н ≥ U_Р, кВ,

- по нагреву рабочим током: I_Д ≥ I_Р, А.

Затем проверяются по экономической плотности тока и на термическую устойчивость при коротком замыкании:

− по экономической плотности тока:

F_ЭК = I_Р / J_ЭК, мм²,

где F_ЭК – экономически целесообразное сечение кабеля, мм²,
I _Р – расчетный ток в час максимума энергосистемы, А,
J _ЭК – нормированноезначение экономической плотности тока, А/мм²,
для заданных условий работы, выбираемое по таблице 10.5:

 

Таблица 10.5 - Экономическая плотность тока

Проводники	Экономическая плотность тока, А/мм2, при числе часов использования максимума нагрузки в год
Более 1000 до 3000	Более 3000 до 5000	Более 5000
Неизолированные провода и шины:
Медные:	2,5	2,1	1,8
Алюминиевые:	1,3	1,1	1,0
Кабели с бумажной и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с жилами:
Медными:	3,0	2,5	2,0
Алюминиевыми:	1,6	1,4	1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с жилами:
Медными:	3,5	3,1	2,7
Алюминиевыми:	1,9	1,7	1,6

 

Проверке по экономической плотности тока не подлежат:

сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1 кВ при числе часов использования максимума нагрузки предприятий до 4000-5000,

ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1 кВ, а также осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных зданий,

сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых устройств всех напряжений,

проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т.п.,

сети временных сооружений, а также устройства со сроком службы 3-5 лет.

− по термической устойчивости к токам короткого замыкания:

Ток КЗ вызывает дополнительный нагрев токоведущих частей и аппаратов, значительно превышающий нормальный. Превышение t° может привести к выжиганию изоляции, разрушению и даже расплавлению контактов, несмотря на кратковременность процесса КЗ. Повышение температуры сверх допустимой снижает прочность изоляции. Так как время действия тока КЗ до срабатывания защиты невелико (доли секунды-секунды), то, согласно ПУЭ, допускается кратковременное увеличение температуры токоведущих частей:

Таблица 10.6 - Значения Т_доп , ° С

Проводники	Тдл , ° С (норм)	Тдоп , ° С (при КЗ)
Шины: медные алюминиевые
Кабели, провода до 1 кВ
Кабели более 1 кВ

 

Минимальное термически стойкое сечение определяется по формуле:

, мм²,

где I_КЗ⁽³⁾ – установившийся трехфазный ток КЗ, А,

t_пр – приведенное время действия тока КЗ, с,

С – коэффициент, зависящий от материала проводника и соответствующий
количеству выделенного тепла в проводнике до и после короткого замыкания выбирается:

 

Таблица 10.7 – Значения коэффициента С

Для кабелей 6 – 10 кВ
С медными жилами:
С алюминиевыми жилами:
Для шин:
Медных:
Алюминиевых:
Стальных:

 

Приведенное время действия тока КЗ имеет три составляющих:

t _пр = t _з + t_в + Т_А , с,

где t_з – время срабатывания защиты, с,

t_в – время отключения выключателя, с,

Т_А – постоянная затухания апериодической составляющей, с.

Должно быть выполнено условие термической стойкости: F_min ≥ F_P.

Окончательно выбирается наибольшее из получившихся сечений и проверяется по потере напряжения:

, %,

где ΔU – потери напряжения в кабеле, %.

 

10.7 Выбор шин и неизолированных проводов

Шинопроводы проверяют:

- на динамическую стойкость, согласно условию:

δ_{ш. доп.} ≥ δ_ш,

где d_{ш. доп}. – допустимое механическое напряжение в шинопроводе, кГ /см² ,

d_ш – фактическое механическое напряжение в шинопроводе, кГ /см ² .

- на термическую стойкость, согласно условию:

,

где S_ш – фактическое сечение шинопровода, мм ² ,

S_ш.тс – термическое стойкое сечение шинопровода, мм² .

Максимальное усилие на шину определяется по формуле:

где F_м⁽³⁾ – максимальное усилие, кГ,

l

Шина а)

Опора

б)

l – длина пролета между соседними опорами, см, а – расстояние между осями шин, см, i_yд – ударный ток КЗ, трехфазный, кА.

Рисунок 10.1 Установка шин на опорах: а - на ребро; б - плашмя.

При отсутствии данных на l принимается равным кратному числу от 1,5 м, т.е. 1,5-3-4,5-6 м.

При расчете шин на механическое усилие надо рассчитывать её как равномерно нагруженную балку. Наибольший изгибающий момент определяется: при 1 и 2 пролетах:

кГ× см.

при 3 и более пролетах: .

Напряжение материала шины при изгибе:

 

где W – момент сопротивления сечения, см³,

(плашмя)

 

 

.

Шины будут работать надежно, если полученное расчетное напряжение в материале будет меньше допустимого:

d_расч £ d_доп.,

d_доп. = 140 кГ/см² - для меди,

d_доп. = 700 кГ/см² - для алюминия,

d_доп. = 160 кГ/см² - для полосовой стали.

Если при расчете оказалось, что d_расч > d_доп. , надо либо увеличить расстояние между шинами (а), либо уменьшить пролет между опорами-изоляторами, либо увеличить сечение шин.

При выборе и проверке изоляторов по допустимой механической нагрузке надо соблюдать условие:

F_{max расч} £ F_доп £ 0,6 F_разр. ,

где F_{max расч.} – максимальная расчетная нагрузка на изолятор при трехфазном ударном токе КЗ, кГ

F _разр – разрушающее усилие для данного типа изоляторов по каталогу, кГ

0,6 – коэффициент запаса прочности.

Для изоляторов: Опорных F_{max расч} = F⁽³⁾_max

Проходных F_{max расч} = 0,5 F⁽³⁾_maх

11 Релейная защита трансформаторов и электродвигателей

11.1 Релейная защита трансформаторов

Наиболее частым ненормальным режимом работы трансформаторов является появление в них токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Эти токи возникают в трансформаторе вследствие внешних коротких замыканий, перегрузок. Перегрузки возникают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличения нагрузки в результате отключения параллельно работающего трансформатора, автоматического подключения нагрузки при действии АВР и т.п.

При внешнем коротком замыкании, вызванном повреждением на шинах трансформатора или не отключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору проходят токи короткого замыкания I_к > I_нт, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. Поскольку внешнее короткое замыкание сопровождается понижением напряжения в сети, защита должна действовать с минимальной выдержкой времени, необходимой для селективности. Защита от внешних коротких замыканий осуществляется при помощи токовой защиты.

Ток срабатывания максимальной токовой защиты выбирается исходя из условия, что защита от короткого замыкания не должна действовать при перегрузках, не требующих быстрого отключения трансформатора.

 

Максимальная токовая защита

Ток срабатывания реле при внешних коротких замыканиях:

I_ср.р = , А,

где I_нг – максимальный ток нагрузки, А,

I_нг = , А,

где S_мах – максимальная мощность, полученная в расчете нагрузок для потребителей НН с учетом освещения и потерь в трансформаторах, кВА,

U_ном – номинальное напряжение высокой стороны трансформатора, кВ,

К_н – коэффициент надежности, равный 1,2,

К_возвр. – коэффициент возврата, Квозвр. = 0,85 для реле РТ-40,

Квозвр. = 0,7 для реле РТВ,

Квозвр. = 0,8 для реле РТ-80,

К_сх – коэффициент схемы, при соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и реле в полную и неполную звезду Ксх = 1, при соединении в треугольник, на разность токов двух фаз Ксх = ,

К_т.т. – коэффициент трансформации трансформаторов тока, установленных со стороны ВН силового трансформатора,

К_сз – коэффициент, учитывающий токи самозапуска электродвигателей, он равен 2¸3.

Ток срабатывания реле при броске намагничивающего тока:

I _ср.р. = А,

где I _нт – номинальный ток трансформатора, А,

I _нт = ,

где S _нт – номинальная мощность трансформатора, кВА,

U _ном – номинальное напряжение обмотки высокого напряжения, кВ.

По большему из значений выбирается реле и его уставка и проверяется коэффициент чувствительности защиты:

К_ч = ³ 1,5,

где I _{к.з .} – трехфазный ток короткого замыкания на низкой стороне трансформатора приведенный к высокому напряжению, А.

I _{кз прив} = , А,

где I_КЗ – ток короткого замыкания на НН трансформатора в точке короткого замыкания, А,

К _т.с. – коэффициент трансформации силового трансформатора.

 

 

 

Рисунок 11.1 – Точки короткого замыкания

Если коэффициент чувствительности окажется меньше 1,5, следует изменить схему соединения вторичных обмоток трансформаторов и реле.

Для выполнения защиты рекомендуется реле типа РТ-40.

11.1.2 Токовая отсечка

Токовая отсечка является самой простой и быстродействующей защитой от повреждений в трансформаторе, действующей без выдержки времени. Отсечка является защитой от междуфазных и однофазных коротких замыканий.

Ток срабатывания отсечки отстраивается от максимального тока короткого замыкания при повреждении за трансформатором и вычисляется по формуле:

I _ср.р. = , А,

где k_н = 1,4 ¸1,5 – коэффициент надежности.

По току I_ср.р. выбирается тип и уставка реле и проверяется коэффициент чувствительности, который должен быть больше или равен 2.

k_ч = ,

где I _К2 – ток короткого замыкания на ВН трансформатора для точки К2, А.

Для выполнения защиты рекомендуется реле типа РТ-40 или РТ-80.

11.1.3 Перегрузка