Лекция 8. Ограничение токов короткого замыкания

Содержание лекции: средства ограничения токов короткого замыкания.

Цели лекции: изучение средств ограничения токов короткого замыкания на стадии проектирования и в условиях эксплуатации.

8.1 Средства ограничения токов КЗ

Рост уровней токов КЗ вызывает снижение эксплуатационной надежности всех элементов электрической системы. В первую очередь страдают жесткие шины, кабели, электрические аппараты. В меньшей степени повышение уровней токов КЗ затрагивает генераторы и трансформаторы, хотя и для них необходимо предусматривать отрицательные последствия этого повышения.

Ограничению токов КЗ в энергосистемах всегда уделяется достаточно большое внимание. Для этого применяются как схемные решения, так и специальные устройства. Наиболее широко используются:

- оптимизация структуры и параметров сети;

- стационарное или автоматическое деление сети;

- применение токоограничивающих устройств;

- оптимизация режима заземления нейтралей в электрических сетях.

В зависимости от местных условий, требуемой степени ограничения токов при различных видах КЗ, а также технико-экономических показателей в сетях энергосистемы используются различные средства ограничения или их комбинации, дающие наибольший технико-экономический эффект.

8.1.1 Оптимизация структуры и параметров сети (схемные решения)

Схемные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, при этом выбираются оптимальные схемы выдачи мощности электростанций и параметры элементов сетей энергосистем.

Оптимизация структуры сети являются эффективным средством ограничения токов КЗ. С этой целью применяется периферийное (продольное) разделение сетей, при котором части территории сетей (районы) одного напряжения связываются между собой только через сеть повышенного напряжения (см. рисунок 8.1, а). Местное, или поперечное, разделение сетей (см. рисунок 8.1, б) осуществляется наложением сетей одного и того же напряжения на площади какого-либо района и связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

Рисунок 8.1

8.1.2 Стационарное или автоматическое деление сети

Деление сети применяют в процессе эксплуатации, когда требуется ограничить уровни токов КЗ при ее развитии. Различают деление сети стационарное (СДС) и автоматическое (АДС).

Стационарное деление сети осуществляется в нормальном режиме с помощью секционных, шиносоединительных и линейных выключателей. Оно производится тогда, когда уровень тока КЗ в узле сети превышает допустимые значения для параметров установленного оборудования. На рисунке 8.2 показан пример деления сети на электростанции с двумя распределительными устройствами двух повышенного напряжения. Деление производится в результате разрыва трансформаторной связи между распредустройствами двух повышенных напряжений. СДС оказывает существенное влияние на режимы, устойчивость и надежность работы электрической системы, также на потери мощности в сетях.

Рисунок 8.2

АДС производится в аварийном режиме для обеспечения работы коммутационных аппататов. Оно осуществляется на секционных или шиносоединительных выключателях, иногда – на выключателях мощных присоединений. При АДС образуется система каскадного отключения токов КЗ. Однако АДС имеет некоторые недостатки:

- возможность появления в послеаварийном режиме значительных небалансов мощностей источноков и нагрузки в разделившихся частях сети;

- увеличение времени восстановления нормального режима.

Несмотря на это, устройства АДС широко применяются в энергосистемах, так как дешевы, просты и надежны.

8.1.3 Токоограничивающие устройства

Токоограничивающие устройства, выполняя свою основную задачу – ограничение токов КЗ, не должны существенно влиять на нормальный режим работы сети, должны иметь стабильные характеристики при изменении схемы и параметров режима.

Токоограничивающие реакторы могут иметь различные конструктивные исполнения и параметры.

Реакторы с линейной характеристикой, включаемые последовательно в соответствующую линию, ограничивают ток КЗ и поддерживают относительно высокий уровень остаточного напряжения в узле подключения. Но в них в нормальном режиме теряются активная и реактивная мощности, а также возникают потери и падение напряжения. Возможные схемы включения линейных и секционных реакторов приведены на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3

Реакторы с нелинейной характеристикой.. К этой группе относятся управляемые и насыщающиеся реакторы.

Управляемый реактор – это регулируемый реактор со сталью, изменение сопротивления которого осуществляется подмагничиванием магнитопровода полем постоянного тока. При КЗ сопротивление реактора увеличивается и происходит ограничение тока КЗ.

Насыщающий реактор – это неуправляемый реактор в нелинейной характеристикой (со сталью), которая определяется насыщением магнитопровода полем обмотки переменного тока. Эквивалентное сопротивление реактора растет с увеличением тока. Это свойство реактора используется для ограничения тока КЗ.

Токоограничивающие коммутационные аппараты уменьшают ударный ток КЗ, т.е являются аппаратами безынерционного действия. К ним относятся токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия.

Токоограничивающие предохранители изготавливают на напряжение 6 – 35 кВ. Они отличаются простотой конструкции и небольшой стоимостью, но имеют ряд недостатков:

- одноразовое действие, что затрудняет применение автоматического повторного включения;

- нестабильность токовременных характеристик;

- неуправляемость со стороны внешних устройств (релейной защиты) и т.д., в связи с чем предохранители устанавливаются в цепях менее ответственных потребителей.

Ограничители ударного тока взрывного действия – сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты одноразового действия. Конструктивно – это герметизированный цилиндр, внутри которого располагается токонесущий проводник с вмонтированным в него пиропатроном. Сигнал на взрыв пиропатрона подается от внешнего управляющего устройства, получающего информацию о КЗ от измерительного органа, фиксирующего величину ток КЗ и ее производную. Ограничение тока достигается за время порядка 0,5 мс, полное время отключения цепи составляет 5 мс, т.е. ¼ периода промышленной частоты.

Резонансные токоограничивающие устройства. Принцип их действия основан на использовании эффекта резонанса напряжений при работе в нормальном режиме и расстройке резонанса в аварийном режиме.

Кроме того, известны другие токоограничивающие устройства:

- токоограничивающие устройства трансформаторного и реакторно- вентильного типов;

- вставки постоянного тока;

- сверхпроводниковые токоограничивающие устройства.