Раздел второй РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1000 в
Глава VIII
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
§ 22. Виды РУ и основные требования, предъявляемые к ним
Распределительные устройства по конструктивному исполнению делятся на три вида:
закрытые, все электрооборудование которых размещено в специальных зданиях;
открытые, основное электрооборудование которых размещено на открытом воздухе на огороженных территориях;
комплектные, состоящие из полностью или частично закрытых металлических шкафов со встроенными в них аппаратами, приборами и вспомогательными устройствами. Изготовление шкафов и монтаж в них электрооборудования производится на заводах.
Шкафы комплектных распределительных устройств (именуемые камерами) изготовляют как для внутренней установки (КРУ), так и для наружной (КРУН).
Каждый вид РУ имеет свои достоинства и недостатки. Так, закрытые РУ (ЗРУ) удобны тем, что все электрооборудование надежно защищено от метеорологических воздействий, от загрязнения пылью, золой, сажей и др. Однако сооружение ЗРУ обходится дорого, кроме того, доступ к оборудованию, его осмотр и ремонт затруднены. Открытые РУ (ОРУ) дешевле, их сооружение проходит быстрее, монтаж, обслуживание и ремонт электрооборудования удобнее. Вместе с тем обслуживать действующие ОРУ при неблагоприятных метеорологических условиях затруднительно. Открытое РУ требует значительной площади, аппаратура его подвержена резким изменениям температуры воздуха, влиянию осадков, не защищена от пыли и грязи.
Закрытые РУ, как правило, сооружают при напряжениях до 35 кВ, так как эти напряжения характерны для внутригородских и внутрипромышленных электросетей, т. е. там, где в атмосфере содержатся вредно действующие на электрооборудование вещества и где не всегда могут быть созданы необходимые условия для сооружения и эксплуатации ОРУ. Однако при наличии необходимых условий РУ на 6—10—35 кВ сооружают открытыми.
Открытые РУ обычно строят при напряжениях 35 кВ и выше, так как эти напряжения характерны для электросетей дальнего распределения электроэнергии. Такие ОРУ, как правило, значительно удалены от городов и промышленных центров.
Однако, если РУ или подстанции сооружают в районе, где в атмосфере содержатся вещества, вредно воздействующие на электрооборудование, например вблизи химических или цементных заводов, на морском побережье, в районах с очень низкими температурами, их строят закрытыми и при напряжениях до 110 кВ.
Основным требованием, предъявляемым к РУ, является надежность работы, выражающаяся в бесперебойном электроснабжении как в нормальных, так и в аварийных условиях.
Надежность работы достигается правильным выбором схемы электрических соединений установки, типа и конструкции распределительного устройства, электрической аппаратуры, токоведущих частей и изоляторов, а также надлежащим выполнением электромонтажных работ.
При нормальном режиме работы распределительного устройства, подстанции и их отдельных цепей и аппаратов наибольшие значения протекающих токов и величина приложенного напряжения лежат в допустимых для данной установки пределах. Следовательно, сверхтоки (токи выше нормального), а также перенапряжения (существенные отклонения напряжения от номинального значения) создают ненормальный и даже аварийный режим работы установки. Сверхтоки появляются в результате перегрузок, вызываемых ненормальным режимом работы потребителей или короткими замыканиями (КЗ) на отходящих линиях и в самом РУ.
Токи перегрузок обычно не представляют серьезной опасности и легко могут быть снижены путем ограничения отпуска электроэнергии соответствующим потребителям.
Гораздо более опасны для электрооборудования и шин РУ токи коротких замыканий, так как они возникают внезапно и мгновенно достигают огромных значений.
Перенапряжения приводят к порче изоляции электроустановки; поврежденная изоляция может стать причиной коротких замыканий. Различают перенапряжения атмосферные (внешние) и коммутационные (внутренние).
Атмосферные перенапряжения возникают при поражении открытых электроустановок молнией или при индуктивном влиянии близких грозовых разрядов.
Коммутационные перенапряжения возникают при оперативных переключениях, например при отключении нагруженных линий электропередачи (110—500 кВ) и мощных трансформаторов, работающих на холостом ходу. К коммутационным относят также перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.
Наибольшую опасность представляют атмосферные перенапряжения, так как они могут достигать больших значений. Коммутационные перенапряжения обычно не превышают 3—4-кратного значения фазных напряжений установки, т. е. не превосходят испытательных напряжений изоляции электрооборудования.
§ 23. Ток короткого замыкания
В установках переменного тока коротким замыканием называют всякое непредусмотренное соединение разных фаз; в установках с заземленной нейтралью коротким замыканием является также соединение одной или нескольких фаз с землей, а в четырехпроводных системах — соединение одной или нескольких фаз с нулевым проводом.
Основной причиной коротких замыканий является повреждение изоляции токоведущих частей, возникающее вследствие ее естественного старения и износа, перенапряжений (пробои и перекрытия), случайных механических воздействий (например, повреждение подземных кабелей при раскопках). Короткие замыкания возникают также при схлестывании проводов воздушных линий электропередачи или набросах на них и т. п.
Короткие замыкания происходят и в результате плохого качества монтажа или ремонта электрооборудования, нарушения или невыполнения обслуживающим персоналом эксплуатационных инструкций, правил технической эксплуатации и техники безопасности.
Токи коротких замыканий в мощных энергосистемах достигают десятков и даже сотен тысяч ампер и представляют большую опасность для электрооборудования.
Ток короткого замыкания вызывает повышенный нагрев и механические (электродинамические) усилия во всех элементах электроустановок, через которые он протекает.
Так как ток короткого замыкания во много раз превышает нормальный ток токоведущих частей, то нагрев этих частей может достигнуть такой величины, при которой наступит разрушение их изоляции и даже расплавление металла токоведущих частей.
Как известно, протекание тока по двум параллельным проводникам вызывает их механическое взаимодействие, при этом в зависимости от направления тока проводники взаимно притягиваются или отталкиваются.
Такое взаимодействие называют электродинамическим действием тока, сила которого будет тем больше, чем больше ток и меньше расстояние между проводниками.
При коротких замыканиях в высоковольтных установках и сетях электродинамические действия возникающих при этом токов могут привести к механическим повреждениям электрооборудования. Чтобы электроустановка могла работать надежно, ее электрооборудование, токоведущие части и изоляторы должны обладать достаточной термической и электродинамической устойчивостью.
Рис. 43. Кривая изменения тока короткого замыкания
Термической устойчивостью называют способность аппаратов и токоведущих частей выдерживать в течение определенного времени без превышения допустимой для них температуры ток короткого замыкания.
Электродинамической устойчивостью называют способность аппаратов, токоведущих частей и изоляторов противостоять механическим усилиям, возникающим при протекании ударного тока короткого замыкания.
На рис. 43 приведена кривая изменения тока короткого замыкания. При возникновении короткого замыкания ток iK достигает наибольшего значения iу, называемого ударным током короткого замыкания (амплитуда), а затем уменьшается до установившегося тока короткого замыкания (действующее значение установившегося тока короткого замыкания).
Ток нормального режима iн обусловлен величиной нагрузки и приложенного напряжения. В первый момент короткого замыкания напряжение остается таким же, как и при нормальном режиме, благодаря чему возникает значительная величина тока iK (напряжение велико, а сопротивление цепи при коротком замыкании мало). В последующие моменты напряжение быстро снижается, соответственно чему уменьшается ток iK (переходный процесс).
Снижение напряжения при возникновении коротких замыканий объясняется тем, что ток короткого замыкания вызывает увеличение потерь напряжения во всех элементах цепи до места короткого замыкания (в линиях передачи, трансформаторах, генераторах).
Рис. 44. Схема цепи электроснабжения и диаграмма напряжений при коротких замыканиях:
а — график распределения напряжений при нормальном режиме; б — график распределения напряжений при коротком замыкании в точке
К1; в —график распределения напряжений при КЗ в точке
Кроме того, ток короткого замыкания, являясь индуктивным током, вызывает размагничивание в синхронных генераторах электростанций, вследствие чего уменьшается наводимая в них э. д. с. Аналогичное явление происходит и в трансформаторах на подстанциях.
Таким образом, одним из следствий коротких замыканий является снижение напряжения у потребителей, что приводит к полному или частичному расстройству электроснабжения.
На рис. 44 приведены схема участка электроснабжения и диаграмма напряжений при коротких замыканиях в различных точках цепи.
За точкой короткого замыкания напряжение будет равно нулю, а на участке до точки короткого замыкания происходит значительное понижение напряжения.
Величина снижения напряжения обусловлена величиной тока короткого замыкания, которая в свою очередь зависит от суммарного сопротивления цепи короткого замыкания до места повреждения. Чем меньше сопротивление, тем больше ток короткого замыкания и тем большее снижение напряжения он вызывает.
В случае короткого замыкания в точке К1 возникает ток короткого замыкания, протекающий от генератора электростанции по линиям Л-1 и Л-2. При этом напряжение на шинах трансформаторной подстанции ТП будет равно нулю, а напряжение на шинах распределительной подстанции РП и электростанции значительно понизится. Такое положение будет сохраняться до тех пор, пока не прекратится протекание тока короткого замыкания, что произойдет при отключении выключателя В-2.
При коротком замыкании в точке К1 напряжение на шинах электростанции понизится еще больше, так как сопротивление цепи будет меньше, чем в первом случае, а ток короткого замыкания — больше, что вызовет большее падение напряжения в обмотках генератора. Короткое замыкание в точке К2 будет отключено выключателем В-1 и питание потребителей от распределительной подстанции РП прекратится.
Рис. 45. Схема включения реакторов
Следовательно, чем ближе короткое замыкание к электростанции, тем большее число потребителей отключится.
Короткие замыкания в энергосистеме, сопровождающиеся резким понижением напряжения, могут привести к нарушению параллельной работы станций и их генераторов, в результате чего может произойти отключение отдельных генераторов и в целом электростанций от общей энергосистемы. Это в свою очередь может привести к перегрузке некоторых станций и потребует отключения потребителей.
Уменьшения вредного действия токов короткого замыкания достигают, ограничивая их величину путем быстрого отключения поврежденных участков, а также соответствующим образом выбирая аппаратуру и токоведущие части электроустановки.
Для ограничения величины токов короткого замыкания применяют реакторы, каждый из которых представляет собой катушку, обладающую большим индуктивным и малым активным сопротивлениями. Обычно реакторы устанавливают па мощных электростанциях и подстанциях, включая их последовательно в отходящие линии (рис. 45).
При коротком замыкании на линии за реактором в точке ток короткого замыкания будет гораздо меньше, чем при коротком замыкании в точке так как при той же мощности генераторов общее сопротивление цепи до точки будет больше за счет индуктивного сопротивления реактора. При этом напряжение за точкой К2 будет равно нулю, а на шинах станции оно составит величину тем большую, чем больше индуктивное сопротивление реактора. Сопротивление реактора выбирают с таким расчетом, чтобы остаточное напряжение на шинах станции при коротком замыкании за реактором составляло не менее 50—60% номинального.
Уменьшение величины токов короткого замыкания при помощи реакторов повышает надежность электроснабжения и позволяет устанавливать на электростанциях и подстанциях более простую и дешевую аппаратуру и применять шины, провода и кабели меньших сечений.
Быстрого отключения поврежденных участков достигают, устанавливая на линиях быстродействующие защиты и выключатели.
Аппаратура, шины, провода и кабели должны выдерживать без повреждений электрические и механические нагрузки, возникающие как при нормальном режиме работы, так и при коротких замыканиях. Поэтому их проверяют на надежность работы при протекании токов короткого замыкания, т. е. выбирают по термической и электродинамической устойчивости. Для этой цели рассчитывают величины токов короткого замыкания для данной электроустановки (распределительного устройства, подстанции, линии).
