Справочник по проектированию подстанций - Ограничение токов короткого замыкания

Рост генерирующих мощностей и развитие сетей приводит к росту уровней токов КЗ в энергосистеме.
Для обеспечения надежной работы коммутационная способность, динамическая и термическая стойкость выключателей и других аппаратов высокого напряжения, а также КЛ и ВЛ должны соответствовать уровням токов КЗ.
В то же время чем выше уровень токов КЗ, тем выше стойкость оборудования. Поэтому при проектировании необходимо проводить оценку уровня токов КЗ энергосистемы с учетом перспективы и определять его технический и экономический пределы.
С технической точки зрения для сетей 35 кВ и выше пределом тока КЗ является 40-63 кА. На более высокие параметры коммутационная аппаратура пока не выпускается.
Если естественный уровень токов КЗ превышает допустимый, то необходимо либо провести модернизацию или замену выключателей, либо ограничить токи КЗ.
Первоочередным мероприятием для приведения отключающей способности выключателей в соответствие с токами КЗ, как правило, должна быть модернизация выключателей. Если эта возможность исчерпана, следует проверить эффективность мероприятий по ограничению токов КЗ или осуществить замену выключателей.
Требуемая степень ограничения токов КЗ определяется в первую очередь отключающей способностью установленных выключателей с учетом их количества и возможности модернизации. Ограничение уровня токов КЗ может определяться также необходимостью обеспечения электродинамической стойкости обмоток Т и АТ.
Для ограничения токов КЗ по значению и продолжительности рекомендуется: оптимизация структуры и параметров сети (схемные решения); стационарное и автоматическое деление сети; применение токоограничивающих устройств; оптимизация режима заземления нейтралей электрических сетей.
Среди средств ограничения токов КЗ используются: устройства автоматического деления сети;
токоограничивающие реакторы (неуправляемые, управляемые, с линейной или нелинейной характеристикой);
трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения;   
трансформаторы с повышенным напряжением КЗ;
безинерционные токоограничивающие устройства (ТОУ) различного типа (резонансные, реакторно-вентильные, со сверхпроводящими элементами и т. п.);
токоограничивающие коммутационные аппараты (например, выключатели с предвключенным резистором и т. п.); токоограничивающие резисторы; вставки постоянного тока;
вставки переменного тока промышленной частоты;
автотрансформаторы, нормально выполненные без третичной обмотки, соединенной в треугольник;
разземление нейтрали части трансформаторов;
заземление нейтралей части трансформаторов и автотрансформаторов через реакторы, резисторы или иные токоограничивающие устройства;
замена на связях распредустройств различного напряжения автотрансформаторов трансформаторами;
автоматическое размыкание в аварийных режимах третичных обмоток автотрансформаторов.
Основным рекомендуемым способом ограничения токов КЗ является секционирование сети в нормальном рабочем режиме с целью увеличения индуктивных сопротивлений между расчетной точкой КЗ и генерирующими источниками.  
Для узлов сети, имеющих развитые связи на нескольких номинальных напряжениях, при высоком уровне тока КЗ следует проверять возможность и целесообразность секционирования сетей низких напряжений, сохраняя сеть ВН замкнутой.
В тех случаях, когда термическая и динамическая стойкость выключателя при сквозных токах КЗ выше номинального тока отключения выключателя, следует применять опережающее деление сети (ОДС), рассматривая его как временное мероприятие до осуществления других реконструктивных работ постоянного характера.
В случаях, когда токи однофазных КЗ превышают токи трехфазных, следует проверять эффективность повышения сопротивления нулевой последовательности схемы, приводящее к снижению токов однофазных и двухфазных КЗ на землю. С этой целью возможно разземление нейтрали части трансформаторов, а также включение в нейтраль трансформаторов (АТ) специальных резисторов или реакторов.
В сетях напряжением 110 кВ и ниже рекомендуется проверять целесообразность установки токоограничивающих реакторов.
Секционированием называют изменение рабочей схемы электрических соединений ПС (сети) в нормальном режиме с целью увеличения результирующих индуктивных сопротивлений между расчетной точкой КЗ и генерирующими узлами энергосистемы. Секционирование может рассматриваться как постоянное или как временное мероприятие, осуществляемое в определенные периоды, характеризующиеся повышенными значениями токов КЗ.
Предусмотренные при проектировании ПС (сети) установка секционных выключателей, разводка ВЛ по секциям РУ, выбор схем релейной защиты и принципов ПА позволяют наиболее просто и эффективно произвести секционирование сети.
При автоматическом опережающем делении сети (АОДС) в период между возникновением и отключением КЗ автоматически отключается один или несколько заранее выбранных выключателей с целью уменьшения тока КЗ, а после отключения поврежденного присоединения указанные выключатели автоматически включаются. АОДС позволяет уменьшить ток КЗ, отключаемый выключателем поврежденной цепи, при сохранении преимуществ работы замкнутой сети в нормальном режиме.
В настоящее время в энергосистемах для ограничения токов КЗ используются только нерегулируемые реакторы с линейной характеристикой. В сетях 6-10 кВ применяются одинарные и сдвоенные бетонные реакторы, а в сетях 35-220 кВ - масляные реакторы. До настоящего времени токоограничивающие реакторы не нашли широкого применения в сетях напряжением 110 кВ и выше.
Токоограничивающее действие реактора характеризуется его сопротивлением:

Линейный реактор, включаемый последовательно в соответствующую цепь, ограничивает ток КЗ и поддерживает относительно высокий уровень остаточного напряжения в узлах предвключенной сети, но в нормальном режиме в реакторе имеют место потери активной и реактивной мощности, энергии, а также падение и потеря напряжения. В отношении потерь напряжения и реактивной мощности лучшими характеристиками обладают сдвоенные реакторы, имеющие выведенную центральную точку обмотки.
Трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения используются на ПС для существенного снижения токов КЗ в сети низшего напряжения.
Безынерционные токоограничивающие устройства (ТОУ) резонансного типа основаны на использовании эффекта резонанса напряжения при рабочих режимах соответствующей цепи и расстройки резонанса при аварийных режимах. Известно большое число отечественных и зарубежных вариантов и модификаций резонансных ТОУ, различающихся составом элементов и способом расстройки резонанса. Резонансные ТОУ даже без элементов, расстраивающих резонанс, ведут себя как “гибкая пробка”, ограничивая скорость нарастания тока КЗ в цепи, и это ограничение тем выше, чем выше добротность реактивных элементов.
ТОУ реактивно-вентильного типа используют комбинацию реакторов и управляемых вентилей; причем часть витков реактора нормально зашунтирована тиристорным выключателем. При возникновении КЗ в защищаемой цепи этот выключатель отключается, за счет чего создается токоограничивающий эффект.
ТОУ со сверхпроводниками используют свойство перевода сверхпроводника из сверхпроводящего в резисторное состояние при изменении напряженности магнитного поля на поверхности сверхпроводника или его температуры. Возможен практически мгновенный перевод в резистивное состояние. Установка сравнительно дорогостоящая, широкого промышленного применения не получила.
Токоограничивающие коммутационные аппараты ограничивают ток КЗ в течение первого полупериода его появления и далее быстро отключают его. Это - силовые токоограничивающие предохранители, ограничители ударного тока взрывного действия. Первые изготовляются на напряжения 3-35 кВ и на относительно небольшие номинальные токи, просты по конструкции, недороги. Недостатки: одноразовое действие, недостаточная эксплуатационная надежность, ограниченная зона использования по Iном и Uном случаях, когда токи однофазных КЗ превышают токи трехфазных, следует проверять эффективность повышения сопротивления нулевой последовательности схемы, приводящее к снижению токов однофазных и двухфазных. Устанавливаются обычно в цепи менее ответственных потребителей.
Для ограничения токов КЗ на землю могут быть использованы:
автотрансформаторы, нормально выполненные без третичной обмотки, соединенной в треугольник (находятся в стадии промышленной разработки);
разземление нейтрали трансформаторов (реализуется в действующих энергосистемах и на станциях);
заземление нейтралей части трансформаторов и автотрансформаторов через реакторы, резисторы или иные токоограничивающие устройства (имеется на отдельных энергетических объектах в виде разовых решений);
замена на связях РУ различного напряжения автотрансформаторов трансформаторами (имеются единичные случаи);
автоматическое размыкание в аварийных режимах третичных обмоток автотрансформаторов (стадия проектных проработок).