Выключатели, устанавливаемые в электрических сетях, предназначены для оперативного и аварийного отключения и включения линий электропередачи, трансформаторов, генераторов, синхронных компенсаторов и сборных шин распределительных устройств.
Рис. 4.8. Схема включателя-отключателя
Предназначенные для электрических сетей выключатели не обеспечивают коммутации конденсаторных батарей, шунтирующих реакторов, электрических печей и другого специального оборудования. В каждом отдельном случае возможность применения выключателей для, этих целей должна согласовываться с заводом- изготовителем.
Для коммутации шунтирующих реакторов 750 и 1150 кВ выпускаются включатели-отключатели, состоящими выключателя и включателя, шунтированного искровым промежутком (рис. 4.8). Эти аппараты имеют повышенный коммутационный ресурс и обеспечивают безынерционное подключение реактора при возникновении коммутационных перенапряжений.
Основные типы и область применения.
Выключатели в зависимости от применяемых в них дугогасительной и изолирующей сред подразделяются на масляные, воздушные, элегазовые, вакуумные и выключатели с магнитным гашением дуги.
В сетях 6—20 кВ применяются в основном малообъемные масляные выключатели, выключатели с магнитным гашением дуги и вакуумные. В качестве генераторных выключателей мощных блоков и синхронных компенсаторов применяются воздушные и элегазовые выключатели.
В диапазоне напряжений 35-220 кВ при предельных токах отключения от 32 кА применяются масляные выключатели, в основном малообъемные. В сетях 110 и 220 кВ находят применение также воздушные выключатели. В сетях 330 кВ и выше в основном применяются воздушные выключатели. Все большее применение в мировой практике для всех классов напряжений находят элегазовые выключатели.
Основные технические характеристики выключателей, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. П4.8-П4.13.
Выбор выключателей.
Выключатели выбираются по номинальным напряжению и току, отключающей способности, термической и динамической стойкости к токам КЗ.
При выборе выключателя по номинальному току должно соблюдаться условие
где Iном - номинальный ток выключателя; Iн- расчетный ток нагрузки с учетом возможной перегрузки той цепи, в которой установлен выключатель, например при выборе выключателя в цепи трансформатора необходимо учитывать возможность перегрузки последнего на 40%.
Параметрами КЗ, по которым производится проверка отключающей способности выключателей, являются наибольший периодический ток КЗ Iк, отключаемый данным выключателем, относительное содержание апериодической составляющей и скорость восстанавливающегося напряжения (СВН) v, т. е. напряжения, которое появляется между контактами выключателя вслед за отключением КЗ.
Значение периодической составляющей Iк в момент расхождения контактов не должно превышать номинального тока отключения выключателя.
В качестве Iк принимается ток трехфазного КЗ, если он превышает ток однофазного КЗ. В противном случае принимается ток однофазного КЗ.
Скорость восстанавливающегося напряжения v. не должна превышать допустимого для данного типа выключателя значения:
При снижении отключаемого тока по сравнению с Iном.о допускается повышение скорости восстанавливающегося напряжения, определяемое по формуле
где V в.ном — номинальная СВН при Iном. o, Vb — СВН при Iк; Iк - ток КЗ в цепи, где производится выбор выключателя.
Проверка соответствия отключающей способности по СВН не требуется для масляных выключателей.
Относительное содержание апериодической составляющей тока КЗ в момент отключения не должно превышать гарантируемого заводом значения. Проверка относительного содержания апериодической составляющей тока КЗ требуется только на ПС с током КЗ выше 0,7 Iном. о.
В одном и том же РУ выключатели различных цепей могут работать в существенно различных условиях как по току КЗ, так и по скорости восстанавливающегося напряжения. Поэтому проверка коммутационной способности выключателя должна производиться конкретно для той цели, где он установлен.
Токи короткого замыкания. При проверке соответствия выключателя параметром КЗ рекомендуется следующие упрощения расчета. Если КЗ происходит в цепи генератора на генераторном напряжении, то расчет периодической составляющей тока КЗ должен производиться с учетом затухания, которое может достигать 15-20% к моменту отключения выключателя (t = 0,10-0,12 с). При КЗ на повышенном напряжении (одна трансформация) периодическая составляющая к тому же времени снижается на 10-15% начального значения. При большом числе источников тока в сети и удаленности значительной части их от места КЗ возможное затухание периодической составляющей не превышает 5%. Поэтому в сетях 110 кВ и выше затуханием периодической составляющей можно пренебречь.
Апериодическая составляющая тока КЗ зависит от многих факторов, в частности от фазы возникновения КЗ на разных полюсах.
В трехфазной схеме неодновременность КЗ на разных полюсах может приводить как к снижению апериодической составляющей до нуля, так и к ее повышению до 35% при неблагоприятных сочетаниях моментов возникновения КЗ. Так как вероятность неблагоприятных сочетаний мала, при проверке выключателей на отключающую способность апериодическую составляющую в момент КЗ следует принимать равной амплитуде начального значения периодической составляющей тока КЗ. При расчетах следует принимать затухание апериодической составляющей по экспоненте с постоянной времени
где X - индуктивное сопротивление схемы замещения, приведенное к точке КЗ, которое определяет периодическую составляющую тока КЗ; ω0 - синхронная круговая частота; R - активное сопротивление схемы замещения, приведенное в точке КЗ. При определении R активные сопротивления ВЛ следует принимать равными активными сопротивлениями провода как в схеме прямой, так и в схеме нулевой последовательности.
Скорость восстанавливающегося напряжения. Процессы восстановления напряжения при отключении КЗ в различных точках сети могут существенно различаться по характеру протекания и способу расчета. Наиболее характерными являются отключения; КЗ на линии (общий случай), неудаленное КЗ и КЗ в цепи трансформатора.
В одном и том же РУ выключатели цепей (и даже один и тот же выключатель при КЗ в разных местах) могут работать в любом из указанных характерных режимов.
Общий случай отключения. Воздушные выключатели должны проверяться по СВН в тех случаях, когда отключаемый ток превышает 0,4 I ном. о. Скорость восстанавливающегося напряжения может быть определена по упрощенной формуле:
где vB-расчетное значение СВН, кВ/мкс; Iк - периодическая составляющая отключаемого тока КЗ (однофазного или трехфазного), кА; n -число ВЛ, остающихся в работе после отключения КЗ (рис. 4.9): п = пл- 1, если пп≤3, п=пл-2, если пл ≥4, пл - общее число ВЛ, подключенных к сборным шинам (при числе ВЛ больше четырех учитывается, что одна из них может находиться в ремонте); k- коэффициент, зависящий от числа проводов в фазе: для ВЛ с одним проводом в фазе равен 0,2, с двумя - 0,17, с тремя - 0,14.
Если СВН, определенная по упрощенной формуле, превышает 0,4 кВ/мкс, то ее следует уточнить по следующей формуле, кВ/мкс:
где ω0 - синхронная круговая частота; Z - эквивалентное волновое сопротивление ВЛ, равное при одном проводе в фазе 450, при двух - 370 Ом;
Рис. 4.10. Зависимость коэффициента kс от параметров схемы замещения на рис. 4.9.
kc - коэффициент, учитывающий влияние емкости С и индуктивного сопротивления X и определяемый про графику на рис. 4.10:
Рис. 4.9. Исходная схема (а) и схемы замещения для расчетов КЗ (б) и скорости восстанавливающегося напряжения (в)
здесь nт - число подключенных трансформаторов и автотрансформаторов; С0 - емкость кабельных линий и коротких тупиковых ВЛ (около 1-3 км), не учитываемых в числе пл,
где Хг, Хт, Хат - индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов, принимаемые при расчетах токов КЗ.
Поскольку отключаемый ток 1К и скорость восстанавливающегося напряжения определяется двумя независимыми расчетами при различном представлении ВЛ в схемах замещения - соответственно индуктивным и волновым сопротивлениями, необходимо, чтобы обе схемы замещения строго соответствовали исходной схеме (рис. 4.9).
При расчетах принимаются следующие упрощения, не влияющие заметно на точность определения параметров восстанавливающегося напряжения: сеть более высокого напряжения за автотрансформатором может представляться системой бесконечной мощности (Хлвн = 0): сеть более низкого напряжения, как и при расчетах токов КЗ, может учитываться эквивалентной индуктивностью;
влиянием сосредоточенных индуктивностей во всех узлах сети, кроме того узла, для которого определяется восстанавливающееся напряжение, можно пренебречь;
если от ПС отходят короткие ВЛ
(L ≤ 3 км) с тупиковыми ПС на конце, то они могут представляться в схеме замещения сосредоточенной емкостью Ф/км.
Отключение неудаленного КЗ. При неудаленном КЗ на ВЛ возникает тяжелое для конкретного выключателя сочетание высокой СВН и большого Iк. Зона неудаленного КЗ ограничивается точкой, в которой ток составляет 60% /ном при однофазном КЗ.
В соответствии с ГОСТ выключатели напряжением 110 кВ и выше должны быть способны отключить КЗ в любой точке ВЛ при условии, что ток, протекающий через выключатель при КЗ на его линейном выводе (т. е. вблизи шин), и СВН не превышают номинальных значений для данного выключателя. Поэтому для выключателей, удовлетворяющих требованиям ГОСТ, проверки на неудаленные КЗ не требуются.
Отключение КЗ в цепи трансформаторов. Под отключением КЗ в цепи трансформатора подразумевается отключение тока, протекающего через трансформатор или автотрансформатор при КЗ как в цепи трансформатора, так и на сборных шинах РУ, к которым подключен трансформатор. Отключение КЗ между трансформатором и проверяемым выключателем не относится к рассматриваемому случаю, так как при этом ни Iк, ни СВН не зависят от параметров трансформаторов.
Номинальный ток отключения воздушных выключателей на стороне ВН и СН трансформаторов (автотрансформаторов) должен превышать не менее чем в 3 раза ток КЗ, протекающий через трансформатор. Это объясняется высокой СВН, возникающей в данном случае.
Проверка выключателей на термическую и динамическую стойкости к токам КЗ. Электродинамическая стойкость выключателя характеризуется предельным сквозным током, который приводится в каталогах в амплитудном iтax или действующем Iтax значении. Выключатель считается динамически стойким, если соблюдено условие
где iуд(3) и Iуд(a) - расчетные значения тока трехфазного КЗ, по которым выбирают аппараты данной цепи.
Термическая стойкость выключателей характеризуется данными завода по токам термической стойкости (It), т. е. током, который в течение заданного времени t (указанного в каталоге) нагревает токоведущие части выключателей не выше установленной для него максимально допустимой температуры. Проверка на термическую стойкость заключается в сопоставлении тепла, которое
может быть кратковременно выделено в аппаратуре, с теплом, которое выделяется в действительности при охлаждении Ik за время КЗ.
Выключатель считается термически стойким, если соблюдается условие
где Ik - установившийся ток КЗ; tk - время протекания тока КЗ.
