25.4. Ограничение тока короткого замыкания и распределительных устройствах 6—10 кВ электростанций с помощью токоограничивающих реакторов

На первых электростанциях типа ТЭЦ устанавливали турбоагрегаты мощ­ностью 30 и 60 МВт. Вырабатываемая энергия выдавалась в кабельные сети при первичном генераторном напряже­нии 6—10 кВ. При мощности станций 120 — 240 МВт, связанных с системой через трансформаторы, ток КЗ на сбор­ных шинах станции достигает 100 кА и выше. Возникла необходимость в его ограничении, чтобы уменьшить отклю­чающую способность выключателей в РУ станции и на распределительных подстанциях, а также обеспечить терми­ческую стойкость кабелей распредели­тельной сети. Эта задача решалась с по­мощью токоограничивающих реакто­ров — секционных и линейных.

Применение токоограничивающих реакторов связано с дополнительными капиталовложениями, потерями напря­жения и энергии. Поэтому экономи-

ческая целесообразность применения ре­акторов должна быть проверена соот­ветствующим расчетом в каждом част­ном случае. В рассматриваемых усло­виях — РУ 6- 10 кВ станций - целесооб­разность применения секционных и ли­нейных реакторов не вызывает сомнений, так как затраты, связанные с их уста­новкой, и стоимость дополнительных потерь энергии с избытком окупаются снижением затрат на сооружение РУ станции, а также распределительной сети и подстанций.

Выбор секционных реакторов. Пара­метры секционных реакторов должны быть выбраны исходя из следующих условий: 1) номинальный ток реакторов должен соответствовать наибольшей мощности, передаваемой от секции к секции при нарушении нормального ре­жима станции; 2) сопротивление реакто­ров должно быть достаточным для ограничения тока КЗ до значения, со­ответствующего номинальным парамет­рам выключателей, намеченных к уста­новке в РУ. Опыт проектирования по­казывает, что в кольцевых схемах с тремя-четырьмя секциями, замкнутыми в кольцо, достаточно иметь реакторы с номинальным током в пределах от 1/2 до 2/3 номинального тока генератора и с относительным сопротивлением от 0,08 до 0,12. Дальнейшее увеличение относительного сопротивления не дает заметного уменьшения тока КЗ и по­этому нецелесообразно.

Токоограничивающее действие линей­ных реакторов. Токоограничивающее действие линейных реакторов можно уяснить с помощью схемы замещения, приведенной на рис. 25.11,а. Здесь Не­эквивалентное сопротивление системы до сборных шин станции; Х_р — сопро­тивление реактора. При коротком за­мыкании на сборных шинах (точка К1) ток При коротком замыка-

нии за реактором (точка К2) ток Отношение токов I_K2/I_K1 характеризует Токоограничиваю­щее действие реактора:

Эта зависимость показана на рис. 25.11,б. Из рисунка видно, что по мере увеличения отношения отношение

уменьшается сначала быстро, потом более медленно.

Напряжение U_кш на сборных шинах станции при КЗ за реактором может быть определено из следующего выра­жения:

Соответствующая кривая (см. рис. 25.11,6) аналогична кривой тока, но повернута выпуклостью вверх. Напряже­ние U_кш принято называть остаточным напряжением.

При отношенииток 1_К2 со-

ставляета остаточное напряже-

ние составляет т. е. близко

к нормальному. Линейный реактор под­держивает напряжение на сборных ши­нах станции при КЗ в сети, что спо­собствует устойчивой работе приемни­ков энергии, присоединенных к соседним линиям.

Схемы распределительных сетей и схемы включения линейных реакторов. В отечественных энергосистемах приме­нение имеют почти исключительно ра­зомкнутые сети, что способствует огра­ничению тока КЗ и упрощает релейную защиту сети. В районе города или на территории промышленного предприя­тия предусматривают ряд распредели­тельных подстанций с максимальной нагрузкой каждой до 10 МВт, а иногда

и больше, в зависимости от плотности нагрузки и номинального напряжения сети. Сборные шины распределительных подстанций секционируют через выклю­чатели, нормально разомкнутые (рис. 25.12). Предусматривают устройства автоматического включения секционных выключателей (АВР), которые приходят в действие в случае отключения одной из линий, связывающих подстанцию с шинами станции. В рассматриваемой схеме нагрузка каждой линии при нор­мальной работе сети не превышает 0,5Р, где Р — максимальная нагрузка распределительной подстанции. В случае вынужденного отключения одной линии нагрузка второй увеличивается до значе­ния Р. Соответственно этим мощно­стям должны быть выбраны сечения кабелей и номинальные токи реакторов. Линии, предназначенные для питания одной подстанции, присоединяют к раз­ным секциям сборных шин станции.

В линиях с большой пропускной способностью (около 1000 А) целесооб­разно иметь особые (индивидуальные) реакторы для каждой линии (рис. 25.13,а)

или сдвоенные реакторы для каждых двух, линий (рис. 25.13,б). Для линий с меньшей пропускной способностью целесообразно иметь групповые реак­торы — одинарные или сдвоенные (рис. 25.13,в и г). Количество линий, которые

могут быть присоединены к одному реактору или одной ветви сдвоенного реактора, зависит от пропускной спо­собности линий. Достоинство схемы с индивидуальными реакторами заключа­ется в том, что замыкание на линии не влечет за собой значительного пони­жения напряжения на соседних линиях. В схеме с групповыми реакторами замы­кание на линии приводит к снижению напряжения на всех линиях, присоединен­ных к той же сборке.

В схемах, приведенных на рис. 25.13, линейные выключатели установлены после реакторов, считая от сборных шин. Отключающая способность выключате­лей может быть выбрана с учетом токоограничивающего действия реакто­ров, т. е. относительно небольшой. В случае повреждения в реакторе отклю­чению подлежит секция РУ с соответ­ствующими генераторами и нагрузками. Опыт эксплуатации показывает, что та­кие повреждения встречаются исключи­тельно редко. Поэтому в отечественных системах указанные схемы включения реакторов и выключателей приняты в качестве типовых.

Выбор линейных реакторов. Выбор линейных реакторов связан с проекти­рованием распределительной сети. В ка­честве исходных данных необходимо иметь схему сети, нагрузки распредели­тельных подстанций, длины линий и сечения кабелей. Необходимо также за­даться временем срабатывания линейных защит на станции и на подстанциях с целью проверки кабелей на термиче­скую стойкость. При наличии этих дан­ных можно распределить основные линии между секциями РУ станции и предва­рительно наметить типы реакторов и их номинальные токи.

Сопротивление реактора обычно определяют, исходя из следующих усло­вий:

а) при замыкании в точке КЗ (рис. 25.12) ток КЗ (действующее зна­чение периодической составляющей) не должен превосходить номинального то­ка отключения выключателей, намечен­ных к установке на подстанциях (зату­хание тока КЗ в рассматриваемых усло-

виях практически отсутствует), т, е.

б) ток I_кз (рис. 25.12) должен быть также меньше тока термической стой­ кости кабелей к электродвигателям и трансформаторам, присоединенным к сборным шинам подстанций:

где— время отключения присоедине­ний; s — сечение кабелей к электродви­гателям и трансформаторам.

Из двух значений 1_КЗ, определяемых выражениями (25.3) и (25.4), следует выбрать меньшее;

в) при замыкании в точке К2 (рис. 25.12) ток 1_К2 не должен превосходить номинального тока отключения линей­ ных выключателей в РУ станции, а также тока термической стойкости кабе­ лей основных линий к подстанциям.

Заметим, что I_K2 > iks и время сра­батывания линейных защит на станции больше времени срабатывания защит на подстанциях. Однако сечение кабелей основных линий от станции значительно больше сечения кабелей, присоединенных к подстанциям. Поэтому сопротивление реакторов обычно определяется усло­виями а) и б).

Результирующее полное сопротивле­ние цепи до точки КЗ, отвечающее условиям а) и б), может быть опреде­лено из следующего выражения:

где — индуктивное сопротивлениеосновной кабельной линии от сборных шин станции до распределительной подстанции (определяют приближенно из расчета 0,08 Ом/км кабеля);активное сопротивление основной ка­бельной линии.

Задавшись допустимым значением токаможно определить результи-

рующее сопротивление а также

необходимое сопротивление, Ом, реакто­ра

В предварительных расчетах можно пренебречь активным сопротивлением кабельной линии. Тогда выражение (25.5) получает более простой вид:

Найденное значение Х"_р следует округлить до ближайшего большего со­противления в соответствии с принятой заводами шкалой.

Теперь можно определить потерю напряжения, %, в реакторе в нормаль­ном и утяжеленном режимах:

для одинарных реакторов

для сдвоенных реакторов

где- потеря напряжения в реакторепри рабочем токе и фазовом углеотнесенная к среднему эксплуатационно­му напряжению 1,05U_ном; коэффициент связи сдвоенного реактора, указываемый заводом-изготовителем (он равен примерно 0,4 — 0,6).

Из последних выражений следует, что сопротивление ветвей сдвоенных ре­акторов может быть выбрано в 1,7 — 2,5 раза большим сопротивления оди­нарных реакторов. При этом потеря напряжения в нормальном режиме не превзойдет допустимого значения при условии, что обе ветви нагружены оди­наково.

Глава двадцать шестая

СИСТЕМЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

И ПОДСТАНЦИЙ

26.1. Источники энергоснабжения

Процесс производства электроэнер­гии на электрических станциях пол­ностью механизирован. Экономичная работа современных мощных котлоагре-гатов и паротурбинных агрегатов ТЭС возможна только при участии множества вспомогательных рабочих машин (мель­ниц, дробилок, кранов, транспортеров, насосов, вентиляторов и др.), необходи­мых для приготовления и транспорта топлива, подачи воздуха в камеры горе­ния и удаления из них продуктов сгора­ния и золы, подачи воды в котлы, под­держания вакуума в конденсаторах тур­бин, водоснабжения станции, перекачки горячей воды для теплоснабжения, вен­тиляции помещений и многого другого.

Еще более ответственны функции вспомогательных рабочих машин на АЭС, например главных циркуляцион­ных насосов или газодувок, обеспечиваю­щих циркуляцию теплоносителя через активную зону реактора, насосов техни­ческого водоснабжения, а также системы технологического контроля реактора, его управления и защиты.

Производственный процесс на гид­ростанциях значительно проще; число вспомогательных рабочих машин мень­ше. Однако и здесь необходимы насосы

для технического водоснабжения, мас­ляные насосы системы регулирования и смазки гидроагрегатов, компрессоры маслонапорных установок и др.

Большинство рабочих машин при­водится в движение электродвигателями трехфазного переменного тока. Лишь для привода некоторых ответственных рабочих машин небольшой мощности применяют электродвигатели постоян­ного тока. Для электроснабжения этих двигателей предусматривают преобра­зователи переменного тока в постоян­ный.

Для привода питательных насосов котлов большой производительности, а также дутьевых вентиляторов, рабо­тающих при избыточном давлении, ис­пользуют паровые турбины.

Некоторое количество электроэнер­гии расходуется во вспомогательных це­хах, мастерских, для освещения станции, управления и контроля. Таким образом, электрические станции не только выра­батывают, но также потребляют элект­рическую и тепловую энергию, необхо­димую для обеспечения нормальной работы основных агрегатов.

Для электроснабжения электродви­гателей рабочих машин электростан­ции, а также других приемников энергии предусматривают ряд понижаю-

щих трансформаторов, присоединяемых к генераторам и главным РУ станции. Поскольку мощность электродвигате­лей лежит в пределах от жскодьъта. киловатт до нескольких тысяч киловатт, целесообразно иметь распределитель­ные сети и соответствующие РУ двух ступеней напряжения: 6 кВ для электро­двигателей мощностью 200 кВт и выше и 380/220 В для электродвигателей мень­шей мощности и освещения. На мощных ТЭС и АЭС предполагается в будущем повысить номинальные напряжения се­тей до 10 кВ для электродвигателей мощностью 800 кВт и выше и до 660 В для электродвигателей 630 кВт и ниже. Повышение номинальных напряжений снизит токи КЗ и улучшит условия само­запуска электродвигателей.

Таким образом, основными источни­ками электроэнергии для собственных нужд станций являются генераторы и электрическая система в целом. Вместе с тем, как показывает опыт эксплуата­ции, необходимы также не зависимые от энергосистемы источники энергии огра­ниченной мощности. Вспомогательное оборудование, необходимое для эконо­мичной и надежной работы станции: рабочие машины с приводными электро­двигателями (паровыми турбинами), приемники электроэнергии всех видов, электрические сети, РУ, понижающие трансформаторы, независимые источни­ки электроэнергии, а также соответст­вующая система управления — состав­ляют систему собственных нужд (СН) электростанции.

Мощность и энергия, потребляемая системой СН, зависят от типа электро­станции, вида топлива, типа и мощности турбин, типа ядерного реактора и дру­гих условий. Ниже приведены обобщен­ные данные по максимальным нагрузкам системы СН отечественных электро­станций разных типов в процентах уста­новленной мощности:

Нормальная работа электростанции и безопасность ее обслуживания возмож­ны только при условии надежной работы системы СН. Поэтому надежность яв­ляется основным требованием, которому должна удовлетворять система СН, осо­бенно атомных и тепловых электростан­ций. Согласно ПУЭ потребители системы СН электростанций отнесены к 1-й ка­тегории и их электроснабжение должно быть обеспечено от двух независимых источников питания. Перерыв электро­снабжения допускается лишь на время действия устройств автоматического ввода резерва (АВР). Особо выделяется группа электроприемников, перерыв пи­тания которых связан с опасностью для жизни персонала или с повреждением основного силового оборудования. Для электроснабжения этой группы особо ответственных потребителей требуется не менее трех независимых источников питания — рабочего и двух резервных.

Система СН должна быть также эко­номичной. Это означает, что 'требуемая надежность должна обеспечиваться при минимально возможных капиталовло­жениях и расходе электроэнергии. Рас­ход электроэнергии в системе СН входит в состав основных технико-экономиче­ских показателей электростанции.

В настоящее время общепризнано, что электроснабжение системы СН электростанций разных типов (тепловых, атомных и гидростанций) может быть обеспечено наиболее просто, экономично и надежно от генераторов станции и энергосистемы. Надежность электро­снабжения обеспечивается при выполне­нии следующих условий:

1) при применении быстродействую­ щей релейной защиты, позволяющей уменьшить опасность снижения напря­ жения в системе СН при КЗ во внешней сети и вызванного этим торможения электродвигателей, следовательно,

уменьшения производительности ра­бочих машин;

2. при автоматическом регулирова­ нии возбуждения генераторов, обеспе­ чивающего быстрое восстановление нор­ мального напряжения генераторов после отключения КЗ;

3. при использовании для привода рабочих машин асинхронных электро­ двигателей с короткозамкнутыми ро­ торами, легко разворачивающихся после кратковременного снижения частоты вращения;

4) при рациональном построении схемы электроснабжения системы СН, в основу которой положено секциониро­ вание с присоединением группы электро­ приемников, относящихся к каждому агрегату (блоку, котлу), к отдельной секции РУ'с отдельным рабочим транс­ форматором. Благодаря этому КЗ в сети СН вызывают понижение напряжения только у соответствующей группы электроприемников.

Для особо ответственных потреби­телей СН, требующих повышенной на­дежности электроснабжения, предусмат­ривают независимые источники энергии ограниченной мощности, обеспечиваю­щие питание этой группы электроприем­ников при полном исчезновении напря­жения на станции. Такими независимыми источниками энергии могут быть: а) ав­тономные агрегаты с автоматическим пуском, состоящие из первичного двига­теля в виде дизеля или газовой турбины и синхронного генератора; б) вспомо­гательные генераторы, установленные на валу главных агрегатов; в) аккумуля­торные батареи со статическими преоб­разователями.

Автономные агрегаты требуют для пуска и набора нагрузки несколько ми­нут. Поэтому они получили применение на ТЭС и АЭС для приемников энергии, допускающих такой перерыв в подаче энергии.

Для вспомогательного генератора, как и для главного генератора, первич­ным двигателем является турбина. При нарушении работы главного агрегата резервное питание системы СН может быть обеспечено от вспомогательного генератора в течение времени выбега главного агрегата. Вспомогательные ге-

нераторы заметно усложняют конструк­цию главного агрегата и увеличивают ширину машинного зала, поэтому в на­стоящее время их применяют только на некоторых АЭС для электроснабжения двигателей главных циркуляционных насосов в режиме аварийного расхо­лаживания реактора.

Аккумуляторные батареи применяют на всех электростанциях. Для заряда батареи предусматривают статический (тиристорный) преобразователь, присо­единенный к сети 380 В переменного тока. В нормальном режиме приемники энергии постоянного тока питаются от сети переменного тока через преобразо­ватель, который также подзаряжает батарею. При исчезновении напряжения в сети переменного тока приемники по­стоянного тока обеспечиваются энер­гией от аккумуляторной батареи без перерыва питания, даже кратковремен­ного.