Обеспечение защиты СЭЭС от токов КЗ

Защита от токов короткого замыкания (КЗ) осуществляется с помощью автоматических выключателей (АВ). Основной задачей защиты является отключение поврежденного участка и сохранение питания других потребителей. Это свойство защиты называется селективностью. Наибольшее распространение обеспечения селективности получил способ введения ступеней выдержек времени. При таком подходе настройка защиты смежных участков сети производится на разное время срабатывания. Для обеспечения бесперебойности питания генераторные автоматы должны иметь самую большую выдержку времени, далее в сторону убывания следуют выдержки секционных автоматических выключателей, автоматических выключателей перемычек и наименьшую выдержку имеют автоматические выключатели фидеров к вторичным распределительным щитам (ВРЩ). Обеспечивают такую защиту селективные автоматические выключатели, имеющие механизм выдержек времени. Отечественные автоматические выключатели имеют следующий набор выдержек: 1 с, 0,63 с, 0,38 с, 0,18 с, зарубежные фирмы (Schneider Electric) – 0,4 с, 0,3 с, 0,2 с, 0,1. Обычно, в цепях потребителей электроэнергии используют установочные АВ, не имеющие механизма выдержек времени. Собственное время срабатывания установочных АВ определяется их конструкцией. АВ, имеющие собственное время срабатывания менее 0,04 с, принято называть токоограничивающими. Обычно, АВ предназначены для использования определенного рода тока. АВ, допускающие использование в цепях постоянного и переменного токов, называют универсальными.

Современные СЭЭС имеют высокую степень автоматизации, поэтому АВ, задействованные в алгоритмах управления, должны иметь механизм дистанционного управления

В данном расчетном задании необходимо выбрать и проверить следующие АВ: генераторный (АВ_г); секционный (АВ_с); ЩО (АВ_що); ЯШ (АВ_яш); ПУ (АВ_пу).

Выбор АВ осуществляется по значению номинального тока максимального расцепителя I _н.р, который определяется из условия: где I _эо – номинальный ток защищаемого электрооборудования, с запасом, определяемым дискретностью шкалы значений Параметры отечественных выключателей представлены в табл.5.1, допускается использование других типов выключателей.

Таблица 5.1

Тип АВ	I н.р, А	I вкл.КЗ, кА	ТУ, кА2с	r АВ, мОм	х АВ, мОм
Селективные АВ
ВА71	4000, 6300			0,006	0,025
ВА71	2000, 3200			0,012	0,050
ВА71	1250, 1600			0,012	0,050
ВА71	625, 800			0,070	0,120
ВА71				0,120	0,220
А37	40…250			2…0,4	0,3…0,65
А37	160…400			0,420	0,270
А37	250…500			0,4…0,13	0,6…0,3
Без токоограничения
А37				0,08	0,15
А37				0,09	0,20
А37				0,30	0,11
А37				0,17	0,10
АК50	0,6…2			750…450	390…200
АК50	3…50			340…3,5	170…0,7

 

На рис. 5.1, в качестве примера, представлена структурная схема типовой СЭЭС с тремя генераторами, а в табл. 5.2 - статистические данные расчетных значений токов КЗ и уставок АВ для таких систем. Структурная схема СЭЭС расчетного задания проще, она ограничивается уровнем РЩ1 и АВ3 для трех потребителей.

 

К3

К2

К1

АВ1

РЩ2

АВ2

АВ3

РЩ1

АВс

ГРЩ

АВг2

АВг1

Г1

Г2

АВг3

Г3

 

Рис. 5.1.

Таблица 5.2

Выключатель	I уд, кА, при мощности СЭЭС, кВт	Применяемые уставки
			По току, о.е	По времени, с
АВ1	10…30	10…50	10…70	10…15	< 0,04
АВ2	20…45	25…90	30…120	3…7	0,04…0,15
АВ3	45…50	90…100	120…150	3…5	0,04…0,4
АВС	30…40	60…70	80…100	3…5	0,15…0,6
АВг1, АВг2, АВг3	30…40	60…70	80…100	2,5…3,5	0,4…1,0

 

После выбора АВ проверяют по предельной коммутационной способности (ПКС).

ПКС объединяет в себе понятие предельной отключающей и предельной включающей способности.

Предельная отключающая способность АВ определяется наибольшим действующим значением периодической составляющей тока трехфазного КЗ в момент расхождения дугогасительных контактов, который АВ способен отключить, оставаясь после этого в пригодном для работы состоянии.

Предельная включающая способность АВ определяется максимальным значением ударного тока КЗ на который может быть включен АВ без приваривания контактов и других повреждений (I _{вкл КЗ}).

Опыт выбора выключателей показывает, что определение предельной включающей способности часто является достаточным. Поэтому для проверки выключателя по ПКС проводится расчет ударного тока металлического трехфазного КЗ. Ударный ток КЗ – это амплитуда максимального тока, в момент времени 0,01 с.

Учитывая то, что селективные АВ находятся под действием тока КЗ заданное время, их дополнительно проверяют на термическую устойчивость (ТУ). Выполнение этой проверки требует расчета значения тока отключения (I _отк), зависящего от установленной выдержки времени срабатывания АВ.

В общем случае ударный ток КЗ (I _уд) содержит три составляющие:

- периодическую I _п;

- апериодическую I _а;

- ток подпитки от асинхронной нагрузки I _пАД (не учитывается при проверке генераторных автоматических выключателей).

В токе отключения I _отк отсутствует составляющая тока подпитки.

Расчет периодической составляющей тока КЗ.

;

где I _∞ - установившейся ток короткого замыкания, обеспечиваемый системой возбуждения генератора в диапазоне 2…4 I _н; r_а – активное сопротивление обмотки статора генератора; R _кз, Х _кз – активное и индуктивное сопротивления цепи короткого замыкания.

При составлении схемы замещения цепи КЗ необходимо учитывать, что в ее состав:

· входят сопротивления всех элементов системы, расположенных до проверяемого АВ: сопротивления источника, сопротивления участков кабельной сети, сопротивления АВ находящихся в цепи до проверяемого АВ (сопротивление трансформатора освещения в данном расчете не учитывается);

· не входит сопротивление АВ, ПКС которого проверяется.

Так на рис. 5.2 показана цепь КЗ для АВ_с.

Еq”

ra

xd”

r к

х к

r АВг

х АВг

Рис. 5.2

В эту цепь входят:

· параметры генератора: r_a активное и х_d^{” (‘)} (сверхпереходное или переходное) индуктивное сопротивления;

· сопротивления кабелей r _к, х _к (из табл. 2.3);

· сопротивления АВ_г: r _АВг, х _АВг.

Все параметры элементов, входящих в цепь КЗ, должны быть приведены к относительным единицам генератора: .

При отсутствии информации о значениях сопротивлений АВ допускается заменять их сопротивлениями 1 м кабеля цепи, в которой они установлены.

Постоянные времени обмоток:

· обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора

· обмотки возбуждения при замкнутой обмотке статора ;

· сверхпереходного тока при замкнутой статорной обмотке .

Значения постоянных времени и параметры генератора берутся из паспортных данных СГ (табл. П1), влияние на них цепи замещения КЗ в данном расчете не учитывается.

При расчете периодической составляющей ударного тока КЗ допускается использовать упрощенные выражения: или .

Обычно в СЭС предусматривается параллельная работа нескольких генераторов. В расчете токов КЗ этот вариант при одинаковых «n» источниках учитывается введением эквивалентного генератора, имеющего те же значения ЭДС и уменьшенные в «n» раз значения сопротивлений цепи КЗ до ГРЩ (рис. 5.3).

z кз.ис

Eq ”

Eq ”

Eq ”

Г     Р     Щ

z кз.ис

z кз.ис

Потребитель

z кз.п

Eq ”

Потребитель

z кз.п

Преобразуем к виду:

……………………………………….

Рис. 5.3

На рис. 5.3:

· в z _кз.ис входят все элементы цепи короткого замыкания до ГРЩ, которая представлена на рис. 5.2;

· z _кз.п – сопротивление кабеля от ГРЩ до потребителя, АВ которого проверяется.

Расчет апериодической составляющей тока КЗ:

; ω=2π f.

Помимо перечисленных составляющих на ударный ток КЗ влияет ток подпитки АД. В действующем стандарте влияние перехода асинхронной нагрузки в генераторный режим производится с помощью эквивалентного двигателя. При определении тока отключения селективных АВ (генераторных и секционных) ток подпитки не учитывается.

В работе ток подпитки определяется следующим образом:

· рассчитывается мощность эквивалентного АД: где Р _∑ - суммарная мощность работающих генераторов;

· определяется ток эквивалентного АД, выраженный в амперах I _АД;

· определяется значение тока эквивалентного двигателя в относительных единицах где I _г – значение номинального тока одного генератора;

· определяется значение тока подпитки для времени 0,01 с - .

Всего должно быть рассчитано:

· пять значений ударных токов КЗ для АВ_г, АВ_с, АВ_що, АВ_яш и АВ_пу (при проверке АВ_г ток подпиткине учитывается);

· два тока отключения , для АВ_г, АВ_с.

Способ проверки на термическую устойчивость АВ (ТУ_АВ) зависит от параметров, представленных в справочной литературе. Применяются следующие способы:

1. По действующему значению тока отключения (ТУ_р.1);

2. С помощью выражения: где I _уст – значение тока уставки срабатывания максимального расцепителя.

В работе наряду с указанными способами предлагается использовать выражение:

Условиями правильности выбора АВ является выполнение следующих неравенств:

1.

2.

3. ТУ_{р. i} ≤ ТУ_АВ, где i =1…3.

Результаты расчета оформляются в виде табл. 5.3.

 

 

Таблица 5.3

Параметры	АВг	АВс	АВщо	АВяш	АВпу
Параметры защищаемой цепи
I н, А
I уд*, о.е.
I уд= I уд*× I н.г, кА
I отк*, о.е.
I отк= I отк*× I н.г, кА
t отк, с
ТУр.1, кА2с
ТУр.2, кА2с
ТУр.3, кА2с
Параметры АВ
Тип
I н.р, А
I вкл.КЗ, кА
ТУАВ, кА2с
Уставка срабатывания по току, о.е.
Уставка срабатывания по времени, с
Дистанционное управление
Сравнение параметров защищаемых цепей и АВ
I н, А и I н.р, А
I уд, кА и I вкл.КЗ, кА
Для селективных АВ
ТУр.1, кА2с и ТУАВ, кА2с
ТУр.2, кА2с и ТУАВ, кА2с
ТУр.3, кА2с и ТУАВ, кА2с

 

АВТОМАТИЗАЦИЯ СЭЭС

В этой работе необходимо выбрать устройства, обеспечивающие автоматическое выполнение следующих функций: защиту ГА от перегрузки; включение резерва; распределение активных нагрузок; синхронизацию; защиту СГ от перехода в двигательный режим; защиту от обрыва фазы и снижения U питании с берега. Разработать однолинейную схему их подключения.

 

1. Приложение 1

Таблица П1

Тип	Р н (кВт)	I н (А)	U воз.н (В)	I воз.н (А)	Параметры генератора в о.е.
ra	xd	xq	xs	xd'	xd"	xq"	Td 0	Td’	Td”	ОКЗ
МСК (1500 об/мин)
82-4		54,2			0,049	2,23	1,11	0,108	0,258	0,178	0,316	1,28	0,15	0,003	0,56
83-4					0,033	2,08	1,03	0,081	0,210	0,143	0,171	1,57	0,16	0,003	0,61
91-4					0,035	2,15	0,96	0,089	0,240	0,185	0,245	1,46	0,17	0,008	0,60
92-4					0,030	2,16	0,98	0,078	0,200	0,175	0,217	1,64	0,06	0,014	0,57
102-4					0,030	1,99	1,05	0,074	0,190	0,124	0,136	1,60	0,14	0,008	0,59
103-4					0,026	1,92	0,98	0,055	0,230	0,176	0,176	1,96	0,23	0,007	0,66
113-4					0,019	1,60	0,83	0,052	0,200	0,122		2,48	0,31	0,006	0,78
500-					0,014	2,11	1,03	0,078	0,178	0,132	0,158	2,60	0,22	0,010	0,75
625-					0,015	2,18	1,10	0,098	0,228	0,167	0,198	3,60	0,38	0,013	0,65
750-					0,013	2,31	1,13	0,085	0,235	0,158	0,163	3,80	0,39	0,014	0,60
940-					0,013	2,11	1,05	0,091	0,231	0,15	0,180	4,00	0,43	0,014	0,63
1250-					0,011	2,05	1,00	0,093	0,213	0,127	0,168	3,50	0,35	0,015	0,62
1560-					0,009	2,04	0,96	0,069	0,194	0,110	0,142	4,10	0,39	0,019	0,67
1875-					0,008	1,98	0,95	0,059	0,175	0,145	0,125	4,20	0,37	0,015	0,71
МСС (500 об/мин)
82-4		54,2			0,05	2,30	1,15	0,106	0,25	0,18	0,20	1,28	0,14	0,003	0,59
83-4		91,0			0,033	2,30	0,90	0,860	0,23	0,16	0,17	1,69	0,18	0,003	0,56
91-4					0,029	2,00	0,83	0,080	0,24	0,17	0,20	1,34	0,12	0,012	0,55
92-4					0,025	2,00	0,83	0,065	0,26	0,17	0,19	1,64	0,22	0,018	0,53
102-4					0,031	2,00	0,95	0,070	0,17	0,14	0,19	1,68	0,14	0,018	0,53
103-4					0,018	1,70	0,90	0,050	0,16	0,13	0,18	1,92	0,15	0,019	0,94
115-8					0,013	1,53	0,78	0,084	0,23	0,17	0,20	1,60	0,24	0,026	0,86
ГМ
400-4					0,010	2,21	2,21	0,15	0,35	0,17	0,17	1,48	0,24	0,03	0,522
500-4					0,013	2,20	2,20	0,13	0,33	0,15	0,15	1,61	0,25	0,03	0,530
630-4					0,012	2,39	2,39	0,17	0,41	0,19	0,19	1,91	0,33	0,04	0,502

Продолжение таблицы П1

800-4					0,012	2,06	2,06	0,13	0,35	0,15	0,15	1,95	0,33	0,04	0,603
1000-4					0,010	2,15	2,15	0,17	0,37	0,19	0,19	2,26	0,39	0,05	0,525
1250-4					0,010	2,21	2,21	0,15	0,35	0,17	0,17	2,50	0,40	0,05	0,514
1600-4					0,009	2,30	2,30	0,14	0,35	0,19	0,19	2,61	0,42	0,05	0,506
ТМВ (3000 об/мин)
ТМВ-2-2					0,010	1,72	1,72	0,112	0,202	0,137	1,720	3,340	0,34	0,043
ТМВ-3-2					0,011	1,94	1,94	0,106	0,204	0,131	1,935	3,183	0,34	0,040

 

2. Приложение 2

Таблица П2

№ варианта	Параметры АРН	Параметры МРЧВ	P	Tj
к u	к i	кк	Т к	Ts	Ti	δ i	кр	Tr 2
	1,10	1,10		0,10	0,20	0,24	0,45		1,7×10-3		1,8
	1,10	1,20		0,15
	1,20	1,10		0,20	. . . . . .	. . . . . .
	1,20	1,20		0,05
	1,15	1,10		0,25
	1,10	1,15		0,10
	1,15	1,15		0,15
	1,15	1,20		0,20
	1,20	1,15		0,05
	1,00	1,00		0,25