Лекции Производство электроэнергии

При двухфазном коротком замыкании токи меньше, чем при трехфазном, поэтому выбор аппаратуры и её проверка проводится по трехфазному короткому замыканию.

IK(2) = 23 IK(3)

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Генератор	x =	x''		×	S
		d				б
	*	100%			SH
Энергосистема	x = xc ×		Sб
	*	*	SH

* Если мощность системы равна ∞, то сопротивление системы равно 0. Если мощность короткозамкнутого участка цепи в 10-100 раз меньше мощности системы, то говорят, что мощность системы равна ∞.

x =

UK %

×

Sб

100%

SH

Трансформатор

*

= DPкз

Sб

r

×

*

тр

SH

SH

≤1600 кВА

x = xP ×

Sб

2

Реактор

*

*

Uб

x =

xP

×

Iб ×UН

100%

IН ×Uб

*

x = x0 ×l ×

Sб

2

Линия

*

Uб

электропередач

r = r

× l ×

Sб

0

2

*

Uб

ДЕЙСТВИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Электродинамическое действие

При протекании токов короткого замыкания по элементам схемы происходит сложное воздействие на шинные конструкции и аппараты. Они (токи) вызывают сложные усилия в этих конструкциях. Эти усилия изменяются во времени по величине, направлению и имеют колебательный характер. Согласно ПУЭ3 усилия, действующие на жесткие шины и поддерживающие их конструкции рассчитывается по току трехфазного короткого замыкания с учетом сдвига фаз токов и без учетов колебаний в шинных конструкциях. Электродинамические воздействия в шинах создают изгибающий момент, который можно определить, если напряжение во всей шинной конструкции будет равно отношению:

σ = WM , где

W – сопротивление сечения, которое зависит от материала и расположения шины. Необходимо,

чтобы σ расч < σ доп .

В электрических аппаратах электродинамические усилия трудно поддаются расчету, поэтому заводы-изготовители в паспорте указывают величину предельно допустимого сквозного то-

3 Правила устройства электроустановок

21

ка короткого замыкания iпр.скв . Его величину следует сравнивать с ударом тока трехфазного короткого замыкания, т.е. условие проверки аппарата на электродинамическую стойкость: iУ £ iпр.скв .

Электротермическое действие

Токи короткого замыкания вызывают повышенный нагрев элементов схемы. Чрезмерный нагрев приводит к выжиганию изоляции, оплавлению и разрушению контактов или расплавлению отдельных участков схемы. При выборе токоведущих частей необходимо определить конечную температуру нагрева, однако на практике принято оценивать электротермическую стойкость определяя минимально допустимое сечение проводника по условию нагрева:

Fmin = BK , где

C

T

BK – тепловой импульс тока короткого замыкания;

CT – справочный коэффициент, зависит от материала проводника.

BK = IП2 0 × (tотк + tв ) tотк = tср + tв , где

tср – время срабатывания защиты;

tв – время с момента получения команды на отключение до полного расхождения контактов.

Проверка аппарата на термическую стойкость:

BK £ Iтер2 ×tтер

ВЫБОР КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

При проектировании выключатель выбирают по следующим параметрам:

1.по номинальному напряжению — U раб £U H ;

2.по номинальному току — I раб.max < IH ;

3.по отключающей способностью — IП 0 £ Iоткл.max ;

4.по электродинамической стойкости — iУ £ iпр.скв ;

5.по электротермической стойкости — BK £ Iтер2 ×tтер .

Выключатель нагрузки не рассчитан на работу в аварийном режиме, поэтому по короткому замыканию он не проверяется.

Выбор отделителя и разъединителя выполняется по следующим условиям: по номинальному напряжению, по номинальному току, по электродинамической стойкости и по электротермической стойкости.

Короткозамыкатели проверяют по всем параметрам кроме проверки по рабочему току. Предохранители выбирают по номинальному напряжению, по номинальному току и по от-

ключающей способности.

МЕТОДЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Увеличение мощности генераторов приводит к значительному росту токов короткого замыкания, поэтому приходится применять аппараты и проводники, рассчитанные на повышенные электродинамические и электротермические стойкости. Экономически целесообразно выполнять мероприятия по снижению токов короткого замыкания, что уменьшает затраты на электроустановку.

22

SPнагр

Мероприятия по снижению токов короткого замыкания:

1.повышение напряжения сети;

2.секционирование сетей (тем самым повышается сопротивление сети);

3.раздельная работа трансформаторов (подвид секционирования сети);

4.применение трансформаторов с расщепленной обмоткой низкого напряжения;

5.применение токоограничивающих реакторов.

ИЗОЛИРОВАННАЯ НЕЙТРАЛЬ

В сетях с изолированной нейтралью малые токи замыкания на землю, поэтому релейная защита не воспринимает их как аварийные и оставляет в работе поврежденный участок. При наличии непрерывного контроля изоляции персоналом или возможность найти и ликвидировать повреждение не отключая потребителей.

Изолированную нейтраль применяют при повышенных требованиях к электробезопасности. При возникновении замыкания напряжение на неповрежденных фазах возрастает до линейного, поэтому изоляция рассчитывается на величину линейного напряжения.

Сети 6–35 кВ выполняют с изолированной нейтралью. Они имеют малые токи замыкания на землю. Возможно сохранение в работе поврежденного участка до момента ликвидации повреждения, а также стоимость заземляющих устройств ниже чем сети с глухо заземленной нейтралью.

Если в сетях 6–35 кВ токи замыкания на землю превышают допустимые пределы, то компенсация емкостных токов осуществляется с помощью заземляющего реактора, присоединенного к сборным шинным. В этом случае сеть называют резонансно заземленной.

Сети 110 кВ и выше работают с глухо или эффективно заземленной нейтралью. У них снижается стоимость изоляции, но возрастает стоимость заземляющих устройств. Возникновение однофазного замыкания ведет к отключению поврежденного участка.

РАСЧЕТ СЕТЕЙ ПО ПОТЕРЯМ МОЩНОСТЕЙ

Мощность, которая требуется потребителю в любой момент времени определяется как:

Pt = SPнагр + DPлин + DPтр , где

Pt – мощность, потребляемая в произвольный момент времени;

– суммарная мощность всех потребителей;

DPлин – потери в линиях;

DPтр – потери в трансформаторах.

На стадии проектирования, когда неизвестны точные параметры схемы допустимо принимать DPлин = 3% от полной мощности, DPтр = 2% от полной мощности.

Потери мощности в линиях:
DP =	P2	+ Q2	× r	DQ =	P2	+ Q2	× x	л	, где
	U 2		л		U 2

P– потери активной мощности в линиях;

Q– потери реактивной мощности в линиях;

P – активная мощность, фактически передаваемая по сети; Q – реактивная мощность, фактически передаваемая по сети;

rл – активное сопротивление линии;

xл – индуктивное сопротивление линии.

23

Активное сопротивление линии обуславливает тепловые потери, индуктивное сопротивление создается магнитным полем, образованным вокруг проводника при прохождении по нему переменного тока.

Схема замещения линии 6–35 кВ.

Схема замещения линии 110 кВ и выше.

G – активная проводимость линий.

B – реактивная проводимость линий.

Активная проводимость линий обусловлена наличием коронного разряда, вызванного ионизацией воздуха вокруг проводника. Коронный разряд ведет к дополнительным потерям мощности, вызывает коррозию арматуры и проводников, корона возникает, когда напряжение в воздухе вблизи поверхности проводника превышает электрическую плотность изоляции.

Для борьбы с явлением короны применяется расщепление проводов, т.е. фазы комплектуются двумя, тремя и более проводниками. Расщепление проводов основывается на явлении скинэффекта, т.е. явлении вытеснения тока к поверхности проводника при возрастании частоты.

Второй способ борьбы с короной – увеличение сечения проводника. Для напряжения 110 кВ минимальное сечение проводника по условию короны составляет 70 мм2. Для напряжения 220 кВ минимальное сечение проводника по условию короны составляет 240 мм2. Если применять эти сечения, то активную проводимость этих линий можно считать равной нулю.

Емкостная проводимость воздушных линий обуславливается тем, что любой провод относительно поверхности Земли, разделенный с ней изолятором, может быть рассмотрен как конденсатор. Поэтому можно считать, что линия является источником реактивной мощности. Проводимость характеризуется удельной проводимостью (сименс1/Oм), величина обратная сопротивлению.

Реактивная мощность условно описывается зарядом тока:

IВ = U3 × Bn

Наличие емкостной проводимости позволяет считать, что емкостная мощность линии определяется выражением:

Q = U 2 × B

2

Потери мощности в трансформаторе

Схема замещения трансформатора.

Проводники трансформатора имеют свойство нагружаться:

	r =	DP ×U 2	r =	DP	S	б
		кз		кз ×
		SH2			SH
	тр		* тр	SH

Реактивное сопротивление трансформатора:

xтр = UK × U 2

100 SH

Активная проводимость G обусловлена потерями в стали на перемагничивание и на вихревые токи. Потери эти приблизительно равны активным потерям холостого хода.

24

Реактивная намагничивающая мощность DQo обусловлена реактивной проводимостью трансформатора B. Определяется по току холостого хода:

DQo = Iхх × SH

100

Потери в трансформаторе складываются из собственных потерь трансформатора плюс нагрузочные потери:

DP = P0

DQ = Q0

æ	S			ö2
ç				÷
+ DPкх ×ç	SH			÷
è				ø		, где
	æ	S		ö2
+ DQкх ×	ç				÷
	ç			÷
	è	SH ø

S – фактическая мощность;

SH – паспортная мощность.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Для выполнения полной работы требуется активная мощность P. Реактивная мощность расходуется на создание полей в асинхронных и синхронных двигателях; полезная работа за счет нее не выполняется. Принято реактивную мощность индуктивного характера считать потребляемой, а реактивную мощность емкостного характера считать генерируемой. Реактивная мощность дополнительно нагружает проводники, что ведет к еще большим потерям. Поэтому требуются дополнительные меры по снижению уровня потребляемой реактивной мощности.

Такими мерами являются искусственная и естественная компенсации. Естественная компенсация – упорядочение и автоматизация технологических процесса, выравнивание графика нагрузок заводом или цехом, равномерное распределение потребителей по фазам, выполнение пуска крупных двигателей с разницей во времени, уменьшение количества ступеней трансформации, замена трансформаторов и иного оборудования на новое, более совершенное по конструкции, замена малонагруженных трансформаторов на менее мощные, замена по возможности асинхронных двигателей на синхронные, ограничение по времени холостого хода трансформаторов и других машин, улучшение качества ремонта, отключение одного из трансформаторов в периоды наименьшей нагрузки.

СМЫСЛ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Увеличение пропускной способности сети, определение перекомпенсации – это избыточная реактивная мощность, выдаваемая в сеть. Перекомпенсация недопустима.

I&Xc

Cosφ` I&R

&

I&

U

I&XL

I&'

&

Cosφ``

I

I&

I&

25

Технические средства компенсации:

üконденсаторные батареи;

üсинхронные двигатели;

üсинхронные компенсаторы;

üисточники реактивной мощности.

Конденсаторные батареи изготавливаются на напряжение 220, 380 и 660В в однофазном

итрехфазном исполнении. Заполнение масляное или совтоловое. Диэлектрическая прочность совтола приблизительно в два раза выше, чем у масла, но минимальная температура выше на 30 ºС. С точки зрения эксплуатации широкое применение получили масляные конденсаторные батареи. Достоинства: низкие удельные потери, отсутствие вращающихся частей, удобство эксплуатации

имонтажа, невысокая стоимость, возможность установки вблизи крупных отдельных потребителей. Недостатки: взрыво- и пожароопасность, чувствительность к броскам тока и изменению напряжения, возможность только ступенчатой регулировки.

Синхронные двигатели в режиме перевозбуждения выдают в сеть реактивную мощность. Принципиальное отличие синхронных двигателей в том, что поле внутри синхронного двигателя создается посторонним источником, поэтому в номинальном режиме синхронный двигатель практически не потребляет реактивную мощность из сети, но обычно количество синхронных двигате-

лей мало по сравнению с асинхронными. Преимущества синхронных двигателей в сравнении с конденсаторными батареями: плавность регулирования выдаваемой реактивной мощности. Недостатки: высокая цена и большие удельные потери на эксплуатацию. Как правило с помощью конденсаторных батарей выполняется компенсация базовой части графика, а синхронными двигателями пика нагрузки.

Синхронные компенсаторы – это синхронные двигатели на холостом ходу. В сетях заводского электроснабжения получили малое распространение, т.к. они дорогие и сложны в эксплуатации. Применим в сетях 220кВ и выше для системного регулирования.

Источники реактивной мощности применимо в сетях с ударной и резкопеременной нагрузкой. Недостаток: Высокая стоимость и генерация высоких гармоник.

Места установки конденсаторных батарей: 1. на шинно-цеховой подстанции; 2. в силовой шкаф или РП; 3. индивидуальные компенсаторы.

Выбор средств компенсации выполняется в техническом расчете. Место подключения батарей выбирается расчетным путем.

РАСЧЕТ СЕТЕЙ ПО ПОТЕРЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Отклонением напряжения называется разница между фактической величиной напряжения и значением номинального напряжения в этой точке, отнесенная к номинальному напряжению и выраженная в процентах:

U = Ucp -UH ×100%

UH

Алгебраическая разница между напряжением вначале рассмотренного участка и в конце этого же участка называется потерей напряжения:

DU =U1 -U2

Геометрическая разница векторов между напряжением вначале рассмотренного участка и в конце этого же участка называется падением напряжения:

δU =U1 -U2 = I × z = I&×(r + jx)

26

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Для того, чтобы показатели качества энергии не выходили за пределы допустимых, следует применять средства регулирования напряжения. Под регулированием напряжения понимают комплекс мер по ограничению отклонения напряжения у потребителя. Например на шинах низкого напряжения равно:

Uвн −			(Pr + Qx )
			Uвн
Uн.н =
		X тр

На основании этого уравнения имеются способы регулирования напряжения:

1.изменение напряжения на стороне высокого напряжения (источника питания);

2.изменение коэффициента трансформации питающего трансформатора;

3.изменение величины реактивной мощности, передаваемой по сети;

4.использование регулирующего эффекта компенсирующих устройств;

5.изменение сопротивления элементов сети (продольная компенсация).

Регулирование напряжения на шинах источника питания применяется при однородной нагрузке и при незначительной длине линии (1-1,5 км). В этих случаях можно применять регулирующие способности генератора (± 5%). Существует два принципиально различных метода изменения напряжения на шинах источника питания: стабилизация напряжения и встречное регулирование. Стабилизация напряжения – это поддержание напряжения на строго определенном уровне. Встречное регулирование – увеличение напряжения на шинах источника питания в период наибольшей нагрузки и снижение его в период наименьшей нагрузки.

27