Общие положения. При выборе аппаратов и проводников для высоковольтных электроустановок цеха должны учитываться: прочность изоляции, необходимая для надежной работы в длительном режиме и при кратковременных перенапряжениях; допустимый нагрев токами в нормальных и форсированных режимах; стойкость в режиме короткого замыкания; технико-экономическая целесообразность; допустимые потери напряжения в нормальных и аварийных режимах; достаточная механическая прочность; соответствие окружающей среде и роду установки.
В табл. 8.1 приведены основные технические условия выбора высоковольтного и низковольтного электрооборудования. Учитываемые факторы обозначены знаком плюс, не учитываемые - знаком минус. Факторы, отмеченные знаком (+), учитываются косвенно или в частных случаях, так например, технико-экономические показатели шинных линий учитываются при разработке их конструкций.
Таблица 8.1
Факторы, учитываемые при выборе оборудования
| № п.п | Тип проводников, электрических аппаратов или устройств | Уровень изоляции | Нагрев продолжительным током | Технико–экономические показатели | Электродинамическая устойчивость | Электротермическая устойчивость | Нагрузка вторичных цепей | Коммутационная способность | Характеристика токоограничений | Потеря напряжения при максимальной длительной нагрузке | |
| Воздушные линии | (+) | + | + | (+) | (+) | - | - | - | + | ||
| Кабельные линии | + | + | + | (+) | (+) | - | - | - | + | ||
| Шинные линии | + | + | (+) | + | + | - | - | - | + | ||
| Выключатели | + | + | - | + | + | - | + | - | - | ||
| Разъединители | + | + | - | + | + | - | (+) | - | - | ||
| Короткозамыкатели | + | - | - | + | + | - | - | - | - | ||
| Отделители | + | + | - | + | + | - | (+) | - | - | ||
| Предохранители | + | + | - | - | - | - | + | + | - | ||
| Выключатели нагрузки | + | + | - | + | + | - | + | - | - | ||
| Разрядники | + | - | - | - | - | - | + | - | - | ||
| Трансформаторы тока | + | + | - | + | + | + | - | - | - | ||
| Трансформаторы напряжения | + | - | - | - | - | + | - | - | - | ||
| Опорные изоляторы | + | - | - | + | - | - | - | - | - | ||
| Проходные изоляторы | + | + | - | + | - | - | - | - | - | ||
| Реакторы | + | + | - | + | + | - | - | - | + | ||
| Автоматические выключатели | + | + | - | (+) | - | - | + | + | - | ||
| Контакторы | + | + | - | - | - | - | + | - | - | ||
| Магнитные пускатели | + | + | - | - | - | - | + | - | - | ||
| Рубильники | + | + | - | + | + | - | + | - | - | ||
Выбор оборудования. Рекомендуется применять новые материалы и комплектное электрооборудование, предназначенное для работы в соответствующих условиях. Не допускается при выборе электрооборудования заменять электрические аппараты одного типа на другие устройства. Если аппараты не подходят, то заменяются полностью комплектные устройства Основные требования по выбору электрооборудования приведены в табл. 8. 1. Выбор электрооборудования рекомендуется выполнять путем заполнения табл. 8.2 (вместо формул указываются соответствующие числовые величины) с введением дополнительного столбца, в котором указывается место установки аппаратов. Кроме этого, следует руководствоваться положениями, приведенными ниже.
На реактированных линиях в закрытых распределительных устройствах проводники и аппараты, расположенные до реактора и отделенные от питающих сборных шин (на ответвлениях от линий - от элементов основной цепи) разделяющимися полками и перекрытиями, выбираются по току КЗ за реактором, если последний расположен в том же здании и соединение выполнено шинами.
Таблица 8.2
Пример заполнения выбор фидерной ячейки для отходящей линии
| Выбираемая и проверяемая величина | Обозначение | Формула для проверки | Расчетные значения | Технические данные |
| Номинальное напряжение, кВ | U ном | U ном ≥ U ном.у | ||
| Номинальный длительный ток, А | I ном | I ном ≥ I расч.у | 78,4 | 1 000 |
| Номинальный ток отключения, кА | I ном.откл | I ном.откл ≥ I расч.откл | 5,283 | |
| Номинальная мощность отключения, МВА | S ном.откл | S ном.откл ≥ S расч.откл | 57,081 | |
| Допустимый ударный ток КЗ, кА | i ном.дин | i ном.дин≥ i у.расч | 14,94 | |
| Ток термической устойчивости, кА | I ном.т.у | 
| 5,231 | 31,5 |
Шинные ответвления от сборных шин до разделяющих полок и проходные изоляторы в последних должны быть выбраны исходя из возможности короткого замыкания до реактора.
Выбор трансформатора тока на 10 % погрешность. На первом этапе трансформаторы тока выбирают по следующим параметрам: напряжению; расчетному току; электродинамической и электротермической стойкости к действию токов КЗ; принимают схему подключения трансформаторов тока и реле (рис.8.1).
а – трансформаторов тока и реле в полную звезду; б – трансформаторов тока и реле в неполную звезду; в – трансформаторов тока в неполную звезду, а реле в полную звезду; г – трансформаторов тока в полный треугольник, а реле в полную звезду; д – трансформаторов тока в полный треугольник, а реле в неполную звезду; е – трансформаторов тока и реле на разность токов двух фаз
Рис. 8.1. Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и реле
Проверка трансформаторов тока(ТТ) на 10 - ю погрешность заключается в следующем:
1.Определяют максимальный расчетный ток, А, проходящий через первичную обмотку ТТ по формуле
I1к=Ка I1 мах,
где I1 мах‒ максимальный расчетный ток в защищаемой линии, при котором должна обеспечиваться 10%- я погрешность (максимальный ток КЗ при выбранном виде повреждения, А;
Ка‒ коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока КЗ и неточность расчетов для различных типов линии табл.8.3.
Таблица 8.3
Значения коэффициента Ка
| Тип защиты | Время действия защиты, с | Ка |
| Максимальная токовая и токовая отсечка | Любое | 1,2 – 1,3 |
| Все направленные защиты | 0,5 | 1,2 – 1,3 |
| Дифференциальные защиты с БНТ | 1,2 – 1,3 | |
| Дифференциальные защиты без БНТ | 1,8 – 2,0 |
2. Определяют кратность расчетного тока в первичной обмотке ТТ по формуле
m10= I1к/ (0,8 Iном),
где 0,8‒ коэффициент запаса, учитывающий возможное ухудшение характеристики намагничивания ТТ по сравнению с типовой характеристикой;
Iном‒ номинальный ток первичной обмотки трансформатора ТТ, А
3. Находят допустимую нагрузку Z 2н.доп ТТ по кривой 10 %-й погрешности (рис. П.8.1), соответствующей выбранному типу ТТ, классу сердечника, коэффициенту трансформации для полученного значения m 10. При отсутствии кривых можно ориентироваться по коэффициенту m 10 (табл. П.6.1).
4. Сравнивают полученное значение Z 2н.доп с фактической расчетной вторичной нагрузкой трансформатора тока Z 2. Если Z 2 < Z 2н.доп, то ТТ работает с погрешностью не более 10 %. Вторичная нагрузка ТТ рассчитывается в зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и реле (рис. 8.1) путем арифметического сложения сопротивлений элементов по формулам табл.8.4: где R п – сопротивления проводов или кабелей, Ом; r пер – переходное сопротивление контактов, r пер = 0,05 – 0,1 Ом; Z р – сопротивление реле, Ом, определяемое по формуле:
Z р = S / I 2,
где S - потребляемая мощность в реле, В.А (табл. П.6.2‒6.5); I – ток, при котором задана потребляемая мощность реле, (I = 5 А), А.
Таблица 8.4
Определение вторичной нагрузки и коэффициентов для схем трансформаторов тока
| Схема соеди- нения транс- форма- торов тока и вторич- ной нагрузки (рис.14) | Вид КЗ или повреждения | Формула для определения вторичной нагрузки трансформаторов тока Z2 | Коэф- фици- ент схемы Ксх | Коэффициенты Ксч-1 и Ксч-2 для определения чувствительности защит при 2 фазном КЗ | ||
| в цепи, где уста- нов- лена защита | за тран-сфор-мато-
ром
 /У и У/У
| за тран-сфор- мато- ром У/У_0 | ||||
| Ксч-1 | Ксч-2 | Ксч-2 | ||||
| Рис. 8.1, а | Трехфазное и двухфазное Однофазное | 
| 0,87 | 1,0 | 0,87 | |
| Рис. 8.1, б | Трехфазное Двухфазное АВ или ВС Двухфазное АС | 
| 0,87 | 0,5 | 0,87 | |
| Рис. 8.1, в | Трехфазное Двухфазное АВ или ВС Двухфазное АС | 
| 0,87 | 1,0 | 0,87 | |
| Рис. 8.1, г | Трехфазное и двухфазное Однофазное | 
| 1,73 1,73 | 1,73 | 1,5 | 1,73 |
| Рис. 8.1, д | Трехфазное Двухфазное АС Двухфазное АВ или ВС | 
| 1,73 1,73 1,73 | 0,87 | 1,5 | 0,87 |
| Рис. 8.1, е | Трехфазное Двухфазное АС Двухфазное АВ или ВС | 
| 1,73 | 0,87 | 0,87 |
Для трансформаторов тока наилучшим режимом работы является короткое замыкание во вторичных цепях, при котором погрешность минимальная.
РАСЧЕТ ЗАЩИТЫ ВЫШЕ 1000 В
Общие сведения. При проектировании релейной защиты должны учитываться: схема первичных соединений сетей и подстанций цеха и проектируемого узла нагрузки; необходимый уровень надежности электроснабжения электроприемников, их режимы работы, включая переходные; технические требования, предъявляемые к защите электрооборудования (преобразовательных агрегатов, электродвигателей, трансформаторов); технические требования энергосистемы; возможные виды повреждений и анормальных режимов работы электрооборудования и сетей; виды и уставки устройств релейной защиты и автоматики на смежных с проектируемым участках сети.
Релейная защита и автоматика цеховых сетей и электроприемников должна проектироваться в соответствии с разделом III ПУЭ.
Цеховые электрические сети напряжением 6 - 10 кВ, как правило, имеют одностороннее питание и выполняются с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасительный реактор. Для таких сетей, согласно ПУЭ, 3.2, предусматриваются устройства релейной защиты от междуфазных коротких замыканий и однофазных замыканий на землю.
Таким образом в распределительных устройствах и вводных ячейках цеховых трансформаторных подстанциях должны быть установлены следующие виды релейной защиты:
− максимально- токовая защита с выдержкой времени около 0,5 с;
− токовая отсечка:
− минимальная защита;
− от однофазных замыканий на землю с выдержкой времени.
Наиболее распространенным видом защиты является максимальная токовая защита (МТЗ). От междуфазных замыканий такую защиту рекомендуется выполнять в двухфазном исполнении. В зависимости от требований чувствительности защита может быть выполнена одно-, двух- или трех релейной. Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и реле приведены на рис. 8.1.
Расчет максимально- токовой защиты РУ питающих одиночные высоковольтные электроприемники производится в следующем порядке.
Максимальный ток нагрузки
Iнагр. од∑ = Iэп,
где Iэп - номинальный ток двигателя, трансформатора.
Максимальный рабочий ток
Iр.мах =Ксз 
Iнагр. од∑,
где Ксз = (2 - 3) – коэффициент самозапуска;
Iнагр, ОД∑ - максимальный ток нагрузки.
Ток срабатывания защиты
Iсз = 
Iр.мах ,
где Кн = 1,2 – коэффициент надежности;
Кв = 0,85 - коэффициент возврата.
Ток срабатывания реле:
Iср = 
Iсз,
где Ipmax –ток срабатывания защиты;
Ксх − коэффициент схемы, выбирается в в зависимости от схемы включения трансформаторов тока (табл.8.4);
Ктт – коэффициент трансформации.
Принимаем реле, у которого имеется возможность установить ток срабатывания с округлением в ближайшую (большую) сторону:
Iср ≈ Iу.
Определяем ток срабатывания защиты фактический
.
Определяем чувствительность защиты
,
где 
− минимальный ток КЗ в зоне действия МТЗ (для сетей с изолированной нейтралью - это действующее значение установившегося тока двухфазного КЗ в конце защищаемого участка 
). Кч должен быть больше 1,5.
Избирательность защиты обеспечивается выбором выдержки времени по условию
t2 = t1 + 
t, с
где t2 - выдержка времени защиты, расположенной ближе к источнику питания по сравнению с защитой, имеющей меньшую выдержку времени t1;
t - ступень избирательности, в расчетах принимается равной 0,6 - 1 с для защит с ограниченно зависимой от тока КЗ характеристикой времени срабатывания и 0,3 - 0,6 для защит с независимой характеристикой времени срабатывания.
Расчет максимальной токовой защиты линий, к которой присоединено несколько потребителей выполняют по формуле:
Ipасч.∑ = Iнагр.од∑.
Последующие расчеты выполняются как и для максимально-токовой защиты РУ питающих одиночные высоковольтные электроприемники.
Токовая отсечка отстраивается от пикового тока, который определяется по выражению:
Ipасч.∑ = Iп +∑ Iнагр.∑,
где Iп − пусковой ток наиболее мощного электродвигателя;
∑ Iнагр.∑ − суммарный ток прочих электроприемников, подключенных к сети.
Далее расчет производится как и для МТЗ.
Защита от однофазных замыканий на землю. Наиболее распространенный вид повреждений в электрических сетях – нарушение изоляции, сопровождающиеся однофазным замыканием на землю, которое переходит в двухфазное.
Правила устройств электроустановок и Правила техники безопасности на открытых горных работах предусматривают устройство защиты от однофазного замыкания на землю в электрических сетях разреза, действующее на отключение.
Защиты от однофазных замыканий на землю различаются по классам и группам.
Классы защит:
I - устройства, реагирующие на установившийся ток однофазного замыкания на землю;
II - устройства, реагирующие на параметры переходного процесса;
III -устройства, реагирующие на параметры переходного процесса и установившегося режима работы.
Группы защит:
А - устройства однофакторного действия, реагирующие на напряжение нулевой последовательности (3U0), ток нулевой последовательности (3I0), постоянный ток (Iпост), ток повышенной частоты (Iпов.f).
Б - устройства многофакторного действия (направленные защиты - 3I0 + 3U0).
По времени срабатывания устройства делятся на:
1) с выдержкой времени tсраб = 0,25...0,7 с;
2) без выдержки времени tсраб = 200...250 с;
3) быстродействующие tсраб = 20...100 мс;
4) специального назначения tсраб < 20 мс.
Требования, предъявляемые защитам от однофазных замыканий на землю:
1) чувствительность Iсраб = 0,1...0,5 А;
2) быстродействие tсраб < 0,2 с;
3) селективность работы.
Защита должна быть двухступенчатой:
1) первая ступень мгновенного срабатывания.
2) вторая ступень с выдержкой времени tсраб £ 0,5 с.
Пример. Расчет защиты от однофазных коротких замыканий. Выполнить расчет защиты от однофазных замыканий на землю для линии электропередач соединяющей.
Р е ш е н и е. Ток однофазного замыкания на землю определяют по формуле:
Iзз = Uл (35Lк_+Lл)/350 = 6(35∙1,4+ 4,5) /350 =0,917 = 0,917 А,
где Lк,Lв‒ длина всех кабельных и воздушных линий электропередач предприятия, км
Собственный ток замыкания на землю защищаемой линии:
Icoб = 
= 0,581 А.
Подставляем в выражение 
полученные величины токов 
, т.к. неравенство не выполняется, то принимаем к установке на фидерах подстанции направленную защиту ЗЗП-1 с уставкой по току срабатывания № 1. Ток срабатывания защиты с сигналом от трансформаторов тока нулевой последовательности типа ТЗЛ составляет: на уставке 1 
= 0,07 А ±30%; на уставке 2 = 0,5 А ±30%; на уставке 3 = 2,0 А ±30%. Для селективности действия защита на подстанции должна работать с выдержкой времени 0,5 с.
Для распределительного устройства защиту типа РТЗ-51М с действием без выдержки времени. Уставки тока срабатывания реле 0,01 ¸ 0,12 А. Ток срабатывания защиты на уставке 0,01 А
А,
где 
- коэффициент трансформации трансформатора тока нулевой последовательности типа ТНП-2.
При токе однофазного замыкания на землю Iзз = 0,917 А срабатывание защит от однофазных замыканий на землю в приключательных пунктах обеспечивается.
Защита от перенапряжения. Защита от атмосферных перенапряжений подстанций напряжением 35/6-10 кВ должна осуществляться по упрощенным схемам, приведенным в разделе 4 ПУЭ. При этом установка тросовых молниеотводов на подходе ВЛ 35 кВ к подстанции не требуется.
Защиту от атмосферных перенапряжений передвижных подстанций с низшими напряжением до 1000 В, присоединенных к ВЛ 6-10 кВ, выполняют вентильными разрядниками, устанавливаемыми с высокой стороны подстанции. Защита указанных подстанций подключенных к ВЛ 6-10 кВ через ППП или РП с вентильными разрядниками, не требуется. Установку вентильных разрядников с низкой стороны подстанции выполняют при длине отходящей ВЛ 0,23-0,4 кВ, превышающей 500 м. На подходе ВЛ 6-10 кВ к передвижным подстанциям с пониженной импульсной прочностью изоляции трансформаторов устанавливают комплект трубчатых разрядников.
Защита ВЛ напряжением 35 кВ, питающих электроустановки предприятия, от прямых ударов молнии не требуется. Защита стационарных ВЛ разрезов от атмосферных перенапряжений должна предусматриваться в местах с ослабленной изоляцией в зависимости от грозовой активности: 1) в районах со слабой и умеренной грозовой активностью (при числе грозовых часов в год до 60 ч.)-переходы ВЛ – кабели и пересечения с другой ВЛ либо с линиями связи и сигнализации; 2) в районах с сильной грозовой активностью (при числе грозовых часов в год более 60 ч.), кроме вышеперечисленных мест с ослабленной изоляцией – линейные разъединители, переходы с опор одного типа (деревянных) на опоры другого типа (металлические, железобетонные).
При пересечениях между собой передвижных ВЛ напряжением до 10 кВ и при вертикальном расстоянии между проводами ВЛ не менее 2 м установка трубчатых разрядников на деревянных опорах, ограничивающих пролеты пересечения, не требуется.
Защита от атмосферных перенапряжений электрических двигателей стационарных установок (насосов, вентиляторов и др.) мощностью до 3000 кВт, распределительные устройства которых присоединены к ВЛ 6-10 кВ непосредственно или через короткие (до 50 м) кабельные вставки, должна выполнятся в соответствии с требованиями раздела 4 ПУЭ. При этом в районах со слабой и умеренной грозовой активностью защиту можно выполнять без установки защитных емкостей.
Открытые распредустройства и передвижные комплектные трансформаторные подстанции напряжением 110/35/6 кВ с трансформаторами единичной мощностью 1600 кВА и более в районах с числом грозовых часов в году более 200 оборудуются защитой от прямых ударов молнией (стержневые молниеотводы).
Для защиты от перенапряжений ввода воздушной линии электропередач на подстанции предусмотрены вентильные разрядники РВС-110-1, для защиты силового трансформатора используется вентильный разрядник РВС-35-1, для защиты трансформатора напряжения применяется вентильный разрядник РВО-6-1.
Защита от атмосферных перенапряжений горных машин, не отключаемых во время грозы, выполняют:
защиты воздушных ЛЭП от перенапряжений на ВЛ-6 кВ через 200-400м и в местах отпаек устанавливают трубчатые разрядники РТФ-6/0,5-10.
В случае применения распределительных устройств с вакуумными выключателями для защиты от коммутационных перенапряжений в последних должны устанавливаться RC цепочки, а если подвод электроэнергии осуществляется не воздушными, а кабельными линиями, то на вводе такого ППП устанавливаются ограничители перенапряжения.
Пример. Выполнить расчет защиты от перенапряжений КТП – 4000/35/6, и воздушных линий 6 кВ.
Р е ш е н и е.
Принимаем для защиты ПКТП от прямых ударов молнии 2 молниеотвода с превышением над уровнем земли Н = 12 м (рис.9.1).
Высота защищаемого объекта - 4,2 м. Радиус круга на высоте защищаемого объекта:
Rк = Ha [1,6/(1+ 
)] P, м
где Р = 1 – коэффициент для высоты молниеотвода менее 30 м;
На – превышение молниеотвода (активная высота) над рассматриваемым уровнем:
Н = Н - Нх = 12 - 4,2 = 7,8 м
Радиус круга на высоте защищаемого объекта:
Rк = 7,8 
[1,6/(1+ 
)] 1 = 9,24 м.
Произведем выбор и проверку разрядников типа РВО-6 для оборудования постанции. У этого типа разрядников Uост= 7- 8 кВ, что удовлетворяет нашим требованиям:
Uост ≤ Uгор.эл.проч.,
где Uост – остающееся напряжение, кВ; Uгор.эл.проч. – гарантированный уровень электрической прочности изоляции оборудования, кВ:
Uгар.эл.проч = (1,1 - 1,2) Uиск ,
где Uисп – испытательное напряжение для каждого вида изоляции, кВ
Uисп = (1,5-1,7) Uном,
Uисп. = 1,6 ∙ 6 = 9,6 кВ
Uгар.эл.проч = 1,15 9,6 = 11,04 кВ.
Рис.9.1. К расчету молниеотвода
Выбор разрядников сделан правильно, так как условие выбора выполняется: 7 - 8 кВ ≤ 11,04 кВ
Произведем выбор и проверку разрядников типа РТФ-6/0,5-10. Значение предельно отключаемого тока у данного типа разрядников находится в промежутке от 0.5 до 10 кА, что удовлетворяет нашим требованиям, так как самое большое значение действующего тока трехфазного короткого замыкания на карьере Iкз(3) = 3,875 кА.
Данные применяемых реле приведены в табл. П.6.2‒ П.6.5 т табл.П.7.1.
Параметры оборудования для защиты от перенапряжений приведены в табл.П.7.2‒ П.7.3
