Источники питания постоянного оперативного тока

Независимым источником оперативного тока являются аккумуляторные батареи.

Преимущества источников питания постоянного оперативного тока:

- Обеспечивается питание всех цепей подключенных устройств в любой момент времени с необходимым уровнем напряжения и тока независимо от состояния основной сети.

- Простота и надежность схем релейной защиты.

Недостатки:

- Высокая стоимость (экономически оправдано использование источников постоянного оперативного тока на подстанциях 110 кВ и выше с несколькими ВЛ);

- Необходимость наличия отапливаемого и вентилируемого помещения;

- Необходимость использования подзарядного устройства;

- Сложность в эксплуатации.

Для повышения надежности сеть оперативного питания секционируется с тем, чтобы обесточивание одной или нескольких секций не приводило к отказам наиболее ответственных потребителей оперативного тока, к которым относятся устройства релейной защиты, автоматики и управления.

Аккумуляторная батарея работает на шинки постоянного тока, от которых отходят линии, питающие секции оперативного тока для каждой группы потребителей. ШУ – шинки для питания устройства релейной защиты, автоматики и управления (обычно отдельная шинка для каждой секции шин), ШС - шинки сигнализации и ШВ – шинки питания электромагнитов включения выключателей. Аккумуляторная батарея является также источником аварийного освещения подстанции.

Аккумуляторная батарея выполняется обычно из свинцово-кислотных аккумуляторов, обладающих достаточно высокими долговечностью, экономичностью и выдерживающих кратковременные перегрузки, например при питании электромагнитов включения мощных выключателей (ток электромагнита может достигать нескольких сотен ампер).

Помещение аккумуляторной батареи должно иметь обогрев и вентилцию для удаления паров серной кислоты. Для обеспечения долговечности батареи должен соблюдаться оптимальный режим ее подзаряда, заряда и разряда. С этой целью используются автоматические регулируемые выпрямительные установки (подза-рядные устройства).

Энергия аккумуляторной батареи Q определяется режимом ее работы и графиком нагрузки приемников постоянного тока.
Нагрузка постоянного тока на электрических станциях может быть разделена на следующие категории:
постоянная нагрузка /поот (сигнальные и контрольные лампы на щитах управления, часть аппаратов защиты и автоматики);

Примечав и е. Для электрических приводов выключателей с предельным током включения свыше 50 кА нижний предел напряжения допускается равным 85 % номинального.
временная аварийная нагрузка, появляющаяся при нарушениях электроснабжения переменным трехфазным током (аварийное освещение, двигатели постоянного тока) и сохраняющаяся в течение всего времени аварии та8;
временная аварийная нагрузка, определяемая приемниками, подключаемыми к шинам постоянного тока не на все время аварии (например, резервные масляные насосы турбин);
кратковременная нагрузка Iвкл (приводы выключателей).
Расчетная разрядная энергия батареи, работающей в режиме
постоянного подзаряда,
(9-1)
Длительность работы батареи в аварийном режиме Iав рекомендуется принимать [55) равной: 1 ч — для электростанций и подстанций, работающих в системе; 0,5 ч — для гидроэлектростанций, работающих в системе; 2 ч — для изолированно работающих электростанций.
Расчетный ток кратковременного разряда
(9-2)
где /Ш(Л — ток, потребляемый наиболее мощным приводом при включении выключателя (в некоторых случаях суммарный ток двух или даже трех приводов).
Энергия аккумуляторной батареи выбирается с учетом допустимых отклонений напряжения от номинального (табл. 9-2).
Число элементов в батарее, работающей в режиме постоянного подзаряда, находится по выражению

где Um — напряжение на шинах постоянного тока, В; Uпоцз — напряжение подзаряда, для аккумуляторов типа СК принимается равным 2,15 В.
Типовой номер аккумулятора определяется с учетом понижения энергии батареи за период эксплуатации:
(9-4)
где 1,1 — коэффициент, учитывающий понижение энергии батареи; Qa>=i — энергия аккумулятора СК-1 (при одночасовом разряде равная 18,5 А-ч, при двухчасовом — 22 А-ч).
Полученный по выражению (9-4) номер батареи округляется до ближайшего большего типового номера.
Выбранная батарея проверяется по напряжению в аварийных условиях в длительном режиме по кривым на рис. 9-1 и в толчковом режиме по кривым на рис. 9-6. Задаваясь по табл. 9-2 значением Uш. доп, определяют по кривой на рис. 9-6 допустимую толчковую нагрузку /т. Д011, приведенную к первому номеру батареи, и вычисляют номер батареи N = /1ф разр//т. доп. Из двух значений N выбирают большее.
Проверка батареи в толчковом режиме может быть проведена также по наибольшему расчетному току кратковременного разряда /кр. ра3р, который не должен превосходить максимального допускаемого кратковременного разрядного тока /кр. доп.

Рис. 9-6, Зависимость напряжения на зажимах батареи от приведенной толчковой нагрузки
Сплошная кривая — при температуре электролита 10 °С; штриховая — при температуре электролита 25 °С
Так как максимальный длительно допускаемый разрядный ток аккумуляторов типа СК (в амперах) равен одночасовому току, Аил. разр — 18,5 N, а в условиях пятисекундного разряда допускается увеличить этот ток в два с половиной раза (до 250 %), то
(9-5)
При выборе щелочных аккумуляторов для электрических станций (подстанций), на которых длительность аварии принимается равной одному часу, длительный разрядный ток должен сравниваться с допускаемым двухчасовым разрядным током щелочного аккумулятора:
(9-6)
а при длительности аварии два часа — с трехчасовом разрядным током:
(9-7)
Для сохранения при толчковой нагрузке достаточного напряжения на шинах необходимо соблюдать условие
(9-8)

1. Регулирование напряжения трансформаторов.

Для регулирования напряжения в системе с помощью трансформаторов (автотрансформаторов) на одной из об-моток (у трехобмоточных трансформаторов на двух обмотках) предусматривают кроме основного вывода дополнительные ответвления и соответствующие переключающие устройства для вменения коэффициента трансформации. Различают два вида переключающих устройств, а именно:

1) устройства для переключения числа витков при отключенном трансформаторе, т. е. без возбуждения,- ПБВ;

2) устройства для переключения числа витков под нагрузкой - РПН. Устройствами первого вила снабжают все трансформаторы; исключения из этого правила редки. Эти устройства позволяют обычно изменять коэффициент транформации в пределах 4-5%. Устройства второго вида рассчитаны на изменение коэффициента трансформации в значительно более широких пределах - до 20%. Стоимость их выше. Применение получили также регулируемые трансформаторы, включаемые последовательно с главными трансформаторами (автотрансформаторами), не снабженными устройствами РПН.

Ответвления для регулирования напряжения предусматривают, как правило, на обмотках высшего напряжения, имеющих меньший рабочий ток. На рис. 22.10 показаны распространенные схемы обмоток силовых трансформаторов с ответвлениями для устройств
ПБВ и РПН. Схема на рис. 22.10, а относится к обмоткам напряжением до 110 кВ. Ответвления для устройств ПБВ предусмотрены посередине, вывод - на конце. Схема на рис. 22.10,6 относится к обмоткам напряжением 220 — 330 кВ, разделенным на две части с выводом посередине. Ответвления для устройства РПН расположены на 1/4 и 3/4 высоты обмотки. Схема на рис. 22.10, в относится к обмоткам трансформаторов
110 кВ; здесь регулируемая часть обмотки расположена со стороны нейтрали, что позволяет снизить изоляцию переключающего устройства РПН.

Чтобы обеспечить постоянное напряжение у зажимов обмотки низшего напряжения трансформатора (с магнитной связью обмоток) при изменении высшего напряжения, необходимо изменять число витков обмотки высшего напряжения гак, чтобы поддерживать неизменной ЭДС на один виток, т. е. индукцию в магнитодроводе. При увеличении высшего напряжения для сохранения индукции неизменной число витков следует увеличить.

В автотрансформаторах регулируемую часть обмотки одно время размещали со стороны нейтрали (рис. 22.11, а). В отличие от трансформатора здесь при увеличении высшего напряжения необходимо уменьшить число витков, чтобы поддержать неизменным напряжение на стороне среднего напряжения. Это ведет к увеличению ЭДС на один виток, т. с. к увеличению индукции. Однако увеличение индукции свыше определенного предела недопустимо вследствие резкого увеличения потерь мощности в стали и температуры магнитопровода. Чтобы избежать перенасыщения сердечника, приходится снижать расчетную индукцию, т. е. увеличивать расход материалов и стоимость автотрансформатора.

Существенным недостатком регулирования изменением числа витков общей обмотки является одновременное изменение напряжения третичной обмотки. Поэтому такое регулирование называют связанным. Действительно, при увеличении высшего напряжения и соответствующем уменьшении числа витков
напряжение у зажимов трегичной обмотки увеличивается вследствие увеличения индукции в сердечнике. При уменьшении высшего напряжения и соответствующем увеличении числа витков напряжение у зажимов третичной обмоти уменьшится вследствие уменьшения индукции в сердечнике Недостатки связанного регулирования автотрансформаторов можно устранить, если ответами для регулирования перенести на последовательную обмотку или к линейному выводу среднего напряжения (рис22.11,6). При этом стоимосгь устройств для регулирования увеличивается, m
как оно должно быть изолировано на более высокое напряжение.

Последовательные регулировочные трансформаторы. Эти трансформаторы (рис. 22.12) предназначены для регулирования напряжения при отсутствии устройства РПН у главных трансформаторов (автотрансформаторов) Они могут быть подключены к главному трансформатору (автотрансформатору)со стороны линейных выводов высший напряжения, линейных выводов среднее напряжения или со стороны нейтрал); Последовательный регулировочник трансформатор имеет две обмотки

последовательную 2, включаемую последовательно с соответствующей обмоткой главного трансформатора (автотрансформатора) 1, и обмотку возбуждения 3, получающую питание от обмотки низшего напряжения трансформтора через регулируемый автотрансформатор 4. Уровень изоляции переключающего устройства регулируемого автотрансформатора может быть значительно ниже, чем изоляции соответствующего устройства, встроенного в главный
трансформатор. Напряжение последовательной обмотки может быть изменено в широких пределах, определяемых требуемым диапазоном регулирования, с изменением знака, т. е. может прибавляться к напряжению обмотки главного трансформатора или вычитаться из него.

Разновидностью последовательного регулировочного трансформатора является линейный трансформатор для поперечного регулирования (рис. 22.13), позволяющий сдвигать по фазе напряжение сети, не изменяя его значения. Достигается это прибавлением к фазному напряжению сети регулируемого
напряжения, сдвинутого на угол 90^е. Для этого регулируемый трансформатор 4 присоединяют к линейному напряжению двух других фаз.

Переключающие устройства системы РПН. Эти устройства выполняют таким образом, чтобы переключение с одного ответвления обмотки на другое не сопровождалось разрывом цепи тока и закорачиванием витков обмотки. Элементами переключающего устройства
являются: 1) избиратель ответвлений, контакты которого размыкают и замыкают ветви цепи без тока; 2) контакторы, размыкающие и замыкающие ветви цепи с рабочим током; 3) токоограничивающий реактор или резисторы; 4) приводной механизм.

Схема переключающего устройства системы РПН с токоограничивающим реактором приведена на рис. 22.14, а. В исходном положении контакты избирателя И₁ и И₂ присоединены к одному ответвлению обмотки, а контакторы К1 и К₂ замкнуты. Рабочий ток делится поровну между ветвями сдвоенного реактора LR. Так как токи направлены встречно, падение напряжения в реакторе невелико.

Процесс переключения с одной ступени на другую протекает в следующей последовательности. Размыкается контактор К₂ (под током); при этом весь рабочий ток проходит через контакты избирателя И₁, контактор К1 и ветвь реактора. Контакт избирателя И₂ переходит на второе ответвление, замыкается контактор К₂. Рабочий ток делится между ветвями реактора. Появляется также циркулирующий ток, вызванный напряжением между соседними ответвлениями. Этот ток ограничен большим продольным сопротивлением реактора. Затем размыкается контактор К, (под током), контакт избирателя R, переходит на соседнее ответвление, и снова замыкается контактор Процесс переключения закончен. Переключение на следующее ответвление происходит в той же последовательности.

В рассматриваемой схеме процесс переключения происходи! Относительно медленно, все элементы РПН рассчитаны на длительное прохождение тока. Избиратель и токоограничивающий реактор размещены в баке трансформатора. Контакторы размещены в особом отсеке, чтобы обеспечить доступ к контактной системе, требующей ухода. Реактор имеет заземленный стальной сердечник, а изоляция обмотки реактора соответствует рабочему напряжению. Чем выше последние, тем больше размеры реактора. Это ограничивает область применения рассматриваемой схемы. Она может быть использована, если регулируемая часть обмотки находится со стороны нейтрали.

Переключающие устройства системы РПН с резисторами более совершенны. Они относятся к быстродействующим устройствам. Размеры резисторов, рассчитанных на кратковременный ток, относительно невелики, и все устройство может бытьь выполнено
весьма компактным. Принципиальная схема переключающего устройства приведена на рис. 22.14,6. В исходном положении контакторы К, и К₂ замкнуты, а контакторы К₃ и К4 разомкнуты.
Рабочий ток проходит через контакты избирателя И₁ и контактор К1 Резистор R1 шунтирован. Процесс переключения на соседнее ответвление обмотки происходит в следующей последовательности. Контакт избирателя И₂ переходит па соседнее ответвление, размыкается контактор К₁ и рабочий ток проходит через резистор R1 и контактор К₂. Замыкается контактор К₃, и половина рабочего тока переходит в ветвь резистора R2. Появляется также небольшой циркулирующий ток. Затем размыкается контактор К2 (под током), и весь ток переходит в ветвь резистора R2. Замыкается контактор К₃, шунтируя резистор R2. Ток нагрузки проходит через контактор. Процесс переключения закончен. Левая часть схемы подготовлена к переключению на следующее ответвление.

В рассматриваемом устройстве с резисторами условия для гашения дуги, возникающей при размыкании ветвей с током, более благоприятны по сравнению обустройством с токоограничивающим реактором. Применяют контакторы в масле, а также с вакуумными камерами, обладающими значительными преимуществами. Механизм переключающего устройства снабжен мощными пружинами, обеспечивающими большую скорость переключения.

1. Электродинамическая устойчивость шин и аппаратов.

Электродинамическое действие тока короткого замыкания - механическое действие электродинамических сил. Обусловленных током короткого замыкания, на элементы электроустановки.

Ток электродинамической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании — нормированный ток. электродинамическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

7.3.1.1. Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость при КЗ
заключается в расчете максимального механического напряжения в материале (о_П1ах) и
максимальной нагрузки на изоляторы (/"шах) и в сравнении полученных значений указанных
величин с допустимыми значениями.

Шинная конструкция обладает электродинамической стойкостью, если выполняются
условия:

F_30n - допустимая механическая нагрузка на изоляторы.

7.3.2. Проверка шинных конструкций на электродинамическую стойкость

7.3.2.1. При проверке на электродинамическую стойкость шинной конструкции, обладающей
высокой жесткостью, шину в любом пролете между изоляторами, кроме крайних, следует
рассматривать как стержень (балку) с защемленными концами (табл. 7.1). Наличие ответвлений
допускается не учитывать, поскольку они снижают расчетные напряжения в материале шин и
нагрузки в изоляторах.

7.3.2.2. Максимальное напряжение в материале шины и нагрузку на изолятор шинной
конструкции высокой жесткости при трехфазном КЗ следует определять по формулам

(7.12)

где с_доп - допустимое механическое напряжение в материале шин:

(7.13)

н определяемая по формуле (7.10);

I - длина пролета шин. м;

W - момент сопротивления поперечного сечения шины, м³: формулы для его расчета
приведены в табл. 7.4:

X и р - коэффициенты, зависящие от условия опнрання (закрепления) шин. а также числа
пролетов конструкции с неразрезными шинами. Их значения даны в табл. 7.1.

При двухфазном КЗ

_F(2) j

(7-15)

(7.16)

где - максимальная сила, возникающая в многопролетной балке при двухфазном КЗ. Н.

и определяемая по формуле (7.11).

При расчете напряжений в области сварных соединений, находящихся на расстоянии Z от
опорного сечения, в формулы (7.13) и (7.15) следует подставлять значения 1/Х, (Z). вычисленные

Под электродинамической стойкостью электрического оборудования
(коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов тока и др.) понимают ею способность противостоять кратковременному (в течение нескольких периодов) электродинамическому (механическому) действию тока КЗ без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

За воды-изготовители характеризуют электродинамическую стойкость электрическою оборудования номинальным током электродинамической стойкости,установленным расчетом и типовыми испытаниями, а именно:

Действующим значением _{iдин.ном.} и мгновенным значением _{Iдин.ном.} При проверке оборудования на электродинамическую стойкость
следует сопоставить номинальные значения токов с соответствующими расчетными значениями:

Необходимость в соблюдении двух условий объясняется тем, что отношение номинальных Токов _{iдин.ном} / _{Iдин.ном} установлено равным 2,55, в то время как отношение расчетных токов _iуд / _Iп0
может быть меньше и больше 2,55. В первом случае достаточна проверка но второму неравенству, во втором случае — по первому.

1. Средства ограничения токов КЗ. Реакторы. Выбор реакторов.

В настоящее время разработан комплекс мер, который позволяет регулировать уровни токов КЗ, ограничивать их при развитии электроустановок. Однако применение таких средств не является самоцелью и оправданно только после специального технико-экономического обоснования.

Наиболее распространенными и действенными способами ограничения токов КЗ являются: секционирование электрических сетей; установка токоограничивающих реакторов; широкое использование трансформаторов с расщепленными обмотками низшего напряжения.

Первый способ является эффективным средством, которое позволяет уменьшить уровни токов КЗ в реальных электрических сетях в 1,5 – 2 раза. Пример секционирования электроустановки с целью ограничения токов КЗ показан на рис. 1.1.

Когда выключатель QB включен, ток КЗ от генераторов G1 и G2 проходит непосредственно к месту повреждения и ограничен лишь сопротивлением генераторов и трансформаторов соответствующих энергоблоков.

Если выключатель QB отключен, в цепь КЗ дополнительно включается сопротивление линий. Ток КЗ от генераторов G1 и G2 при этом резко снижается по сравнению с предыдущим случаем.

Распределение токов КЗ:

а—секционный выключатель включен; б—секционный выключатель отключен

В месте секционирования образуется так называемая точка деления сети. В мощной энергосистеме с большими токами КЗ таких точек может быть несколько.

Секционирование электрической сети обычно влечет за собой увеличение потерь электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах в нормальном режиме работы, так как распределение потоков мощности при этом может быть неоптимальным. По этой причине решение о секционировании должно приниматься после специального технико-экономического обоснования.

В распределительных электрических сетях 10 кВ и ниже широко применяется раздельная работа секций шин, питающихся от различных трансформаторов подстанции (рис. 1.2). Основной причиной, определяющей такой режим работы, является требование снижения токов КЗ, хотя и в этом случае отказ от непосредственной параллельной работы трансформаторов имеет свои отрицательные последствия: разные уровни напряжения по секциям, неравномерная загрузка трансформаторов и т. п. При мощности понижающего трансформатора 25 МВА и выше применяют расщепление обмотки низшего напряжения на две, что позволяет увеличить сопротивление такого трансформатора в режиме КЗ примерно в 2 раза по сравнению с трансформатором без расщепления обмотки.

К специальным техническим средствам ограничения токов КЗ в первую очередь относятся токоограничивающие реакторы.