Стартовая >> Оборудование >> Подстанции >> Ограничение токов короткого замыкания

Ограничение токов короткого замыкания

1. ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1.1.   Общие сведения
В мощных электроустановках и питаемых ими электросетях токи короткого замыкания могут достигать столь больших величин, что электрооборудование электрических станций и подстанций, а также сечения кабелей электросети приходится выбирать не по условиям нормального режима, а исходя из устойчивости работы их при коротких замыканиях. Применение электрооборудования и кабелей, рассчитанных на большие токи короткого замыкания, приводит к значительному увеличению затрат на сооружение электроустановок и их сетей. В некоторых случаях токи короткого замыкания могут быть настолько велики, что вообще оказывается невозможным или весьма затруднительным выбор электрооборудования и кабелей, устойчивых при коротких замыканиях.
Поэтому в мощных электроустановках применяют искусственные меры ограничения токов короткого замыкания, чем достигается возможность применения более дешевого электрооборудования: более легких типов электроаппаратов, шин и кабелей меньших сечений.
Существуют несколько способов ограничения токов короткого замыкания. Выбор того или иного способа ограничения определяется местными условиями установки и должен быть подкреплен технико-экономическим расчетом.
В общем случае ограничение тока короткого замыкания достигается увеличением сопротивления цепи короткого замыкания либо путем осуществления раздельной работы питающих агрегатов и линий электросети, либо путем включения последовательно в цепь специальных сопротивлений.
Для искусственного увеличения сопротивления цепи короткого замыкания (КЗ) включают последовательно в три фазы индуктивные сопротивления, называемые реакторами.
принцип действия реактора

Рассмотрим два случая КЗ на схеме рис. 1.1. От генератора 1 питаются сборные шины 2. От этих шин отходят линии 3 к приёмникам.

Рис. 1.1. Схема, поясняющая принцип действия реактора:

  1. за выключателем 4 отсутствует реактор;
  2. за выключателем 5 установлен реактор 6.

При трёхфазном КЗ за выключателем 4 ток КЗ IKi определяется в основном индуктивным сопротивлением генератора
Iki = Uhom / V3Xr,                                                             (1.1)
где Uhom ~ номинальное напряжение установки, кВ; Хг -сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора, Ом.
Выключатель 4 должен быть выбран по току КЗ Iki.
При КЗ напряжение на сборных шинах будет равно нулю и на всех отходящих линиях пропадет напряжение.
При  КЗ  на  линии  с  реактором  ток  определяется  суммарным ~       сопротивлением генератора и реактора
1к.р. = иНом/^3(Хг + Хр),                                                   (1.2)
где ХР - индуктивное сопротивление реактора, Ом.
Обычно один источник обслуживает несколько десятков приёмников. Поэтому номинальный ток линии во много раз меньше номинального тока генератора. Длительный ток реактора выбирается равным току линии. Таким образом   Ihom.p. <<с Ihom. г. При этом можно написать, что Ik.p. = Uhom / V ХР « 1Кь
Таким образом, при сделанных допущениях ток КЗ определяется только параметрами реактора.
Реактор является весьма надежным аппаратом, его повреждения практически исключены. Поэтому выбор аппаратов линии производится по току 1к2 « Iki-, что значительно облегчает и удешевляет распределительное устройство.1.2.   Конструкции бетонных реакторов
Реактором является катушка с малым активным сопротивлением. Витки катушки изолированы друг от друга, а вся катушка в целом изолирована от заземленных частей. Промышленностью выпускаются бетонные и масляные реакторы.
Бетонные реакторы. Катушка укрепляется на каркасе из изолирующего материала, рис. 1.2. Концы обмоток снабжены зажимами для последовательного включения реактора в сеть. В трёхфазных установках применяют реакторы, состоящие из трех катушек.
Многожильный провод 1 соответствующего сечения с помощью шаблона наматывается в виде катушки. После этого в специальные формы заливается бетон. Застывая, бетон образует вертикальные стойки-колонны 2, которые скрепляют между собой отдельные витки.
Бетонные реакторы

Торцы колонн имеют шпильки, с помощью которых укрепляются изоляторы 3 и 4.
Для получения необходимой прочности электрической изоляции после затвердения бетона реактор подвергают интенсивной сушке в вакууме. Затем реактор дважды пропитывается влагостойким изоляционным лаком.
Между отдельными витками в ряду и между рядами выдерживается значительный зазор, что улучшает охлаждение отдельных витков реактора и повышает электрическую прочность изоляции.
При больших номинальных токах (более 400 А) применяется несколько параллельных ветвей. Равномерное распределение тока по ветвям обеспечивается транспозицией витков.
В качестве обмоточного материала используется многожильный медный или алюминиевый кабель большого сечения. Кабель покрывается
несколькими слоями кабельной бумаги. Поверх бумаги делается хлопчатобумажная оплётка.
Помещения, в которых устанавливают реакторы, должны хорошо вентилироваться, и наивысшая температура в них не должна превышать +35°С. Колебания температуры в помещении не должны быть настолько резкими, чтобы наблюдалось покрытие реакторов инеем, росой и т.п.
Катушки бетонных реакторов изолируют от земли при помощи нескольких опорных изоляторов 3. Трёхфазный комплект реактора состоит из катушек, устанавливаемых в горизонтальной плоскости рядом (хорошее охлаждение витков) или в вертикальной плоскости одна над другой, при этом ухудшаются условия охлаждения витков катушек, особенно верхней.
Реакторы охлаждаются, как правило, за счет естественной вентиляции. Ввиду выделения большой мощности в реакторе распределительное устройство должно предусматривать специальные каналы для охлаждения воздуха, особенно при больших номинальных токах.
Реакторы, предназначенные для вертикальной установки в комплектах, имеют маркировку В (верхний), С (средний), Н (нижний). В последнем случае катушки реактора изолируют друг от друга также при помощи опорных изоляторов 4.
При вертикальной установке направление обмотки катушки средней фазы берут обратным по сравнению с направлением обмоток катушек верхней и нижней фаз. Делается это для того, чтобы при протекании по двум соседним катушкам двухфазного ударного тока короткого замыкания катушки притягивались под действием возрастающих электродинамических усилий, а не отталкивались, как это было бы при одинаковом направлении обмоток всех катушек (легче выполнить надежное крепление катушек).
При установке сухих реакторов в распределительных устройствах необходимо соблюдать указываемые   заводом монтажные расстояния до
стальных конструкций и железобетонных частей здания. При невыполнении этих требований возможен опасные нагрев стальных конструкций и стальной арматуры железобетона токами, наведенными в них магнитным потоком реактора; кроме того, близость стальных конструкций вызывает дополнительные потери электроэнергии.
Бетонные реакторы хорошо себя зарекомендовали при работе в закрытых распределительных устройствах при напряжении до 35 кВ, например, реактор для внутренней установки РБУ 10-630-0,56УЗ - Р -реактор, Б - бетонный, У - ступенчатая установка фаз, на номинальное напряжение 10 кВ, длительно допустимый ток при естественном охлаждении 630 А, номинальное индуктивное сопротивление 0,56 Ом, У - для работы в районах с умеренным климатом, 3 - для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.
Основные недостатки бетонных реакторов - большой вес и значительные габариты. Например, высота трехфазного комплекта реактора горизонтальной установки на напряжение 10 кВ составляет 1040 мм, а вертикальной - 3600 мм. Этот же комплект весит 3 х 723 кГ.
1.3.   Конструкции масляных реакторов
При напряжениях более 35 кВ и при установке реакторов на открытой части подстанций применяются масляные реакторы. Схема такого реактора приведена на рис. 1.3.
Масляный реактор

Рис. 1.3. Масляный реактор

Масляные реакторы могут иметь однофазное и трехфазное исполнение. В первом случае одна катушка, а во втором - три катушки помещаются в стальном баке, залитом трансформаторным маслом. Обмотки выполняют из медных проводников, изолированных кабельной бумагой и уложенных на
каркас из изоляционного материала. Концы катушек выводятся наружу через проходные фарфоровые изоляторы на крышке реактора.


Обмотка реактора 2 наматывается на специальный каркас из изоляционного материала типа гетинакса. Эта обмотка погружается в стальной бак с трансформаторным маслом. Применение масла позволяет уменьшить расстояние между обмоткой и заземленными частями и улучшить охлаждение обмотки за счет конвекции масла. Все это дает возможность уменьшить массу и габаритные размеры. Выводы реактора присоединяются к зажимам проходных изоляторов 4.
Однако такая компоновка реактора наталкивается на большую трудность. Переменный магнитный поток реактора Фо замыкается по баку, что приводит к его нагреву до недопустимых температур. Для того, чтобы избежать нагрева бака 1, внутри него устанавливается короткозамкнутая обмотка-экран 3 из меди, которая является как бы вторичной обмоткой реактора. В этом экране наводятся токи, создающие магнитный поток, который в стенках бака направлен против магнитного потока катушки реактора. В результате через стенки бака замыкается сравнительно небольшой результирующий магнитный поток.
Возможен ещё один вариант уменьшения потерь на нагрев стенок бака. В этом случае на внутренней поверхности стального бака укрепляют стальные пакеты: создается как бы искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, которое значительно меньше сопротивления стенок бака. Для уменьшения потерь на гистерезис шунт выполняют из электротехнической стали, а для уменьшения потерь на вихревые токи его набирают из тонких, изолированных друг от друга стальных пластин.
Отечественные заводы выпускают масляные реакторы с электромагнитными экранами для наружной установки, например, РТМТ-35-200-6: Р - реактор, Т - трехфазный, М - охлаждение естественной циркуляцией воздуха и масла, Т - токоограничивающий, на номинальное напряжение 35 кВ, номинальный ток 200 А, индуктивное сопротивление 6%, масса 11000 кг. ТОРМ-220-325-12: Т- токоограничивающий, О -однофазный, Р - реактор, М - с естественным масляным охлаждением, на номинальное напряжение 220 кВ, номинальный ток 325 А, индуктивное сопротивление 12%, масса 44500 кг.
Масляные реакторы значительно дороже сухих реакторов, но зато по сравнению с последними они обладают рядом существенных преимуществ. Они надежно защищены от попадания в обмотку пыли, влаги и всякого рода
посторонних предметов, и, кроме того, их можно устанавливать на любом расстоянии от стальных и железобетонных конструкций в открытых установках.
1.4.   Конструкции сдвоенных реакторов
Для уменьшения потерь напряжения и сокращения объема зданий распределительного устройства применяются сдвоенные реакторы. Сдвоенный реактор представляет собой два согласно включенных реактора с сильной магнитной связью. Реакторы расположены один над другим. Схема включения сдвоенных реакторов приведена на рис. 1.4.
Схема включения сдвоенного реактора
Рис. 1.4. Схема включения сдвоенного реактора
При обычных реакторах, рис. 1.1.2), каждая отходящая линия имеет свой реактор, рассчитанный на номинальный ток линии. Каждая трехфазная группа реакторов размещается в специальной ячейке распредустройства.
В сдвоенных реакторах, рис. 1.4.а), реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. Совмещение в одном реакторе двух уменьшает габариты аппарата, упрощает и удешевляет распредустройство.
В номинальном режиме магнитные поля реакторов направлены встречно и оказывают размагничивающее действие. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Соответственно уменьшается падение напряжения на реакторе. Падение напряжения на ветви реактора AUB при номинальном токе

где ХР в. - индуктивное сопротивление ветви реактора; Хм = со М -сопротивление взаимной индукции ветвей реактора (М - коэффициент взаимной индуктивности); К = М / LPB. - коэффициент связи ветвей реактора; Ьр.в. - индуктивность одной ветви.
Коэффициент связи является одним из основных параметров сдвоенного реактора и зависит от расстояния между ветвями. Чем ближе ветви друг к другу, тем больше К. Обычно в реакторах К колеблется в пределах 0,4-0,6. С увеличением К возрастают электродинамические силы, стремящиеся оторвать одну ветвь от другой. В номинальном режиме сопротивление ветви реактора уменьшается на 40-60 %, что повышает качество электроэнергии (уменьшаются потери напряжения).
Исследования показали, что бетонные сдвоенные реакторы без применения специальных мер подвержены разрушению при одновременном КЗ в обеих ветвях. Увеличение электродинамической стойкости достигается в сборной конструкции. На рис. 1.5.а) показана в разрезе левая половина такого реактора. Стяжка реактора осуществляется с помощью металлических стержней 1 и стержней 2 из изоляционного материала. Катушка реактора уложена на изоляционных прокладках 3.
Конструкция сдвоенного реактора
Рис. 1.5. Конструкция сдвоенного реактора


Векторы, помеченные Рн, обозначают силу взаимодействия витка с нижней частью реактора. Векторы, помеченные Рв - силы, действующие на виток со стороны верхней части реактора. Векторы без пометки являются результирующей силой.
Наибольшая отталкивающая сила действует на витки рядов 4 и 5, расположенные близко друг к другу. Для получения необходимой электродинамической стойкости близлежащие ряды ветвей реактора бандажируются стеклянной лентой, как это показано на рис. 1.5.в).
Промышленностью выпускаются, например, реакторы РБС 10-2x630-0,25УЗ: Р -реактор, Б - бетонный, С - сдвоенный, вертикальной установки (отсутствует буква У или Г), на номинальное напряжение 10 кВ, длительно допустимый ток при естественном охлаждении 2x630 А, номинальное индуктивное сопротивление 0,25 Ом, У - для работы в районах с умеренным климатом, 3 - для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

 
« Обязанности и виды работ, выполняемых электромонтером   Ограничители перенапряжений (ОПН) »
электрические сети