--PAGE_BREAK--
5 Расчет токов короткого замыкания
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) проверка на электродинамическую и термическую стойкость шин и агрегатов производится по току трёхфазного к.з. Так как на подстанциях токи трёхфазного к.з. больше токов однофазного к.з., то для проверки аппаратуры необходимо выполнять расчеты токов при трёхфазном к.з. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (25 кВ) отключающая способность высоковольтных выключателей проверяется по току трёхфазного к.з., а в сетях с глухозаземленной нейтралью (т.е. при напряжении 110 кВ и выше) – по токам трёхфазного и однофазного к.з.
Расчет токов короткого замыкания производится на основании электрической схемы участка системы внешнего электроснабжения и подстанции. Сопротивление элементов схемы внешнего электроснабжения (рис.4).
Рис. 4 Последовательное упрощение схемы системы внешнего электроснабжения для расчета токов к. з.
Относительное базисное сопротивление найдем по формуле:
, где (5.1)
— базисная мощность, принимаем равной 100 мВ·А;
Рассчитаем относительные базисные сопротивления:
о.е.;
о.е.;
о.е.;
, где (5.2)
— среднее напряжение ступени, кВ
— относительное базисное сопротивление линии;
=Х0·l
,
где Х0=0,4 Ом/км – сопротивление воздушной линии напряжением 6 – 220 кв;
о.е.;
о.е.;
Последовательное упрощение схемы внешнего электроснабжения. Преобразуем треугольник в звезду.
о.е.;
о.е.;
о.е.;
о.е.;
о.е.;
о.е.;
Трехобмоточные трансформаторы характеризуются тремя напряжениями к. з. для каждой пары обмоток. При расчете каждая обмотка трансформатора представляется как отдельный элемент цепи к. з. со своим сопротивлением.
(5.3),
где
Используя полученные по формуле (5.3) можно получить относительное базисное сопротивление каждой обмотки трансформатора:
Рис.5 а — расчетная схема; б — схема замещения трехобмоточного трансформатора
Подставив числовые значения, получим:
кВ;
кВ;
кВ;
Относительные сопротивления трехобмоточного трансформатора:
;
; (5.4)
;
Получим:
о. е.;
о. е.;
о.е.;
Для точки К1:
Определим установившийся ток трёхфазного к.з.:
, где (5.5)
— суммарное относительное базовое сопротивление, о.е.
Подставив числовые значения, получим:
кА;
Мощность трёхфазного симметричного к.з. в узле К1 определим по формуле:
,кВА где (5.6)
— среднее напряжение источника питания, кВ;
кВА;
Ударный ток к.з.
кА (5.7)
— ударный коэффициент для высоковольтных цепей тяговой подстанции равен 1,8;
кА;
Действующее значение ударного тока:
, кА (5.8)
кА
Однофазный ток к.з. на стороне 110 кВ:
, кА (5.9)
Для точки К2:
Определим установившийся ток трёхфазного к.з. по формуле (5.5):
кА;
о.е.;
Мощность трёхфазного симметричного к.з. в узле К2 определим по формуле
(5.6):
кВА;
Ударный ток к.з. (5.7)
кА;
Действующее значение ударного тока (5.8): кА
Для точки К3:
Определим установившийся ток трёхфазного к.з. по формуле (5.5):
кА;
о.е.;
Мощность трёхфазного симметричного к.з. в узле К3 определим по формуле
(5.6):
кВА;
Ударный ток к.з. (5.7)
кА;
Действующее значение ударного тока (5.8): кА;
Ток двухфазного к.з. найдем через соотношение между током трехфазного и двухфазного к.з.:
,кА
Подставим числовые значение:
кА;
Мощность к.з. в узле К3 определим по формуле
(5.6):
кВА;
Ударный ток к.з. (5.7)
кА;
Действующее значение ударного тока (5.8): кА.
Для точки К4:
Для ТСН:
о.е.;
где
% — потери короткого замыкания;
Подставив числовые значения, получим:
Ом;
Определим базисное активное сопротивление трансформатора по формуле:
о.е.
Получим:
о.е.;
Определим относительное сопротивление:
, о.е.
Подставив числовые значения, получим:
о.е.
о.е.
Определим установившийся ток трёхфазного к.з. по формуле (5.5):
кА;
Мощность трёхфазного симметричного к.з. в узле К4 определим по формуле
(5.6):
кВА;
Ударный ток к.з. в узле К4 (5.7):
кА;
Действующее значение ударного тока (5.8): кА;
Данные расчета токов короткого замыкания сведем в таблицу 5.1
Таблица 5.1 — Результаты расчета токов к.з.
№ точки к.з.
Трёхфазное к.з.
Двухфазное к.з.
Однофазное к.з.
,кА
кВА
кА
кА
,кА
кВА
кА
кА
,кА
кВА
кА
кА
К1
115кВ
2,83
564,3
7,23
4,3
1,56
К2
37 кВ
2,61
167,26
3,94
6,64
К3
26,3 кВ
2,56
116,6
6,52
3,87
2,22
К4
0,4 кВ
10,016
6,94
25,5
15,121
продолжение
--PAGE_BREAK--
6 Проверка оборудования тяговой подстанции
Выбранное по условиям длительного режима оборудование тяговой подстанции следует проверить на электродинамическую и термическую стойкость. Согласно ПУЭ на электродинамическую стойкость не проверяют аппараты и проводники, защищенные предохранителями с плавкими вставками на ток до 60 А, а также аппараты и шины цепей трансформаторов напряжения при условии их расположения в отдельной камере.
В общем случае, для проверки электродинамической стойкости оборудования необходимо находить механические напряжения в материале оборудования и сравнивать их с допустимыми значениями в соответствии с условием:
. (6.1)
Непосредственно такой подход реализуется только для проверки жёстких шин. Для остальной типовой электрической аппаратуры используется косвенный подход, при котором заводы-изготовители приводят гарантийный ток к. з., при котором обеспечивается электродинамическая стойкость, т.е. должно соблюдаться условие:
(6.2)
где — расчетное значение ударного тока к.з.;
— каталожное нормируемое значение динамического (предельного сквозного) тока к. з.
При проверке на термическую стойкость оборудования также используется косвенный подход, при котором определяется не температуру нагрева оборудования, а характеризующие ее показатели.
Для шин проверка на термическую стойкость заключается в определении наименьшего сечения , термически устойчивого при к. з.
, (6.3)
где — выбранное по сечение шин;
— минимально значение сечения, при котором протекание тока к. з. не вызывает нагрев проводника выше кратковременно допустимой температуры;
Для остальной аппаратуры проверка на термическую стойкость заключается в сравнении расчетного теплового импульса тока к.з. Вк с нормируемым значением Вн:
. (6.4)
Нормируемый тепловой импульс Вн задается либо непосредственно в каталогах, либо определяется через приводимые значения тока IT
и время tT
термической стойкости:
(6.5)
Расчетный тепловой импульс может быть определен по выражению:
(6.6)
где I
ПО
– начальное значение периодической составляющей тока к. з.;
Та– постоянная времени апериодической составляющей тока к. з., принимаем равной 0,05 с;
Время, в течение которого проходит ток к. з., равно:
t
откл
=
t
з+
t
в
, (6.7)
где t
з- время действия защиты рассматриваемой цепи;
t
в
– полное время отключения выключателя до погасания дуги.
Токоведущие части и изоляторы.
Сборные шины и ошиновка в РУ 27,5, 35, 110 кВ выполняются гибкими сталеалюминевыми проводниками с площадью сечения соответственно 400, 300,150 мм2. Эти провода на электродинамическую стойкость не проверяют в виду большого расстояния между фазами.
Шины 0,4 кВ выполняются жесткими алюминиевыми проводами А-60/6
,
866 А А;
На электродинамическую стойкость шины проверяем по условию (6.2):
Для этого определим =M
/
W
,
где М – наибольший изгибающий момент, кН;
(6.8)
где f— сила, действующая на единицу длины каждого из двух параллельных проводников, имеющих небольшое поперечное сечение по сравнению с расчетным между шин, Н/м.
(6.9)
где l– длина пролета, т.е. расстояние между соседними шинами, м
принимаем l=0,9 м.
-коэффициент формы, зависящий от формы сечения проводников и их взаимного расположения, принимаем равным 1;
=25,5кА — ударный ток (по таблице 4.1);
а=0,2см - расстояние между шинами;
Н/м;
Подставив полученные числовые значения запишем:
Н/м;
W— момент сокращения сечения шины, м3;
(6.10)
где h= ширина шины, м;
м3;
Таким образом, получим:
Н/м2
Шины механически устойчивы, т.к. для алюминиевых шин =650 кН/м2, условие (6.1) выполняется:
50,6650;
Рис.6 Эскиз расположения шин и формы их сечения
Проверку на термическую стойкость производим по формуле (6.3), в которой наименьшее сечение, при котором протекание тока к. з. не вызывает нагрев проводника выше кратковременно допустимой температуры, определяется по выражению:
где Вк – тепловой импульс к. з., который найдем по выражению (6.6), кА2·с;
С— константа, значение которой для алюминиевых шин равно 90 А·с1,2/мм2;
Для шин 110 кВ
Время тока к. з.:
t
откл110
=1,6·0,05=1,65 с;
Расчетный тепловой импульс:
кА2·с;
Наименьшее сечение:
мм2 ;
Для шин 35 кВ
Время тока к. з.:
t
откл35
=1,0·0,05=1,05 с;
Расчетный тепловой импульс:
кА2·с;
Наименьшее сечение:
мм2;
Для шин 27,5 кВ
Время тока к. з.:
t
откл27,5
=0,9·0,05=0,95 с;
Расчетный тепловой импульс:
кА2·с;
Наименьшее сечение:
мм2 ;
Для шин 0,4 кВ
Время тока к. з.:
t
откл0,4
=0,5·0,05=0,55 с;
Расчетный тепловой импульс:
кА2·с;
Наименьшее сечение:
мм2 ;
мм2;
;
Высоковольтные выключатели
Помимо проверки на электродинамическую и термическую стойкость в соответствии с выражениями (6.2) и (6.3) высоковольтные выключатели проверяются ещё на отключающую способность.
Отключающая способность выбранного выключателя проверяется для момента расхождения контактов τ на симметричный ток отключенияInτ
и возможность отключения апериодической составляющей iaτ
, а также по параметрам напряжения восстановления на контактах выключателя после погасания дуги.
Время τ от начала к. з. до расхождения контактов выключателя пределяяем по выражению:
, (6.11)
где наименьшее время действия релейной защиты, принимаем 0,01 с;
— собственное время отключения выключателя, время от момента подачи импульса на электромагнит отключения выключателя до момента расхождения контактов.
В курсовом проекте источником питания является система бесконечной мощности (), поэтому Inτ
равно действующему значению тока к. з., т.е. Inτ
= I
к.
Тогда условие проверки на симметричный ток отключения имеет вид:
, (6.12)
где — номинальный ток отключения выключателя.
Проверка на отключение апериодической составляющей тока к. з производится по условию:
, (6.13)
где — апериодическая составляющая тока к. з. в момент расхождения контактов выключателя:
, (6.14)
где Та = 0,05с; i
а.ном
— номинальное нормируемое значение апериодической составляющей тока к. з..
Значение i
а.ном находится по выражению:
, (6.15)
где — номинальное содержание апериодической составляющей, которое можем найти по выражению:
(6.16)
Для выключателя, имеющих τ ≥ 0,09 с, принимается =0. В этом случае проверку выключателя можно производить только на симметричный ток отключения. Проверку выключателя по параметрам восстанавливающегося напряжения обычно не производят, т.к. в подавляющем большинстве случаев реальные условия восстановления напряжения на контактах выключателя соответствует условиям испытания выключателя.
Проверка выключателя на включающую способность производится по условиям:
(6.17)
где действующее значение номинального тока включения;
— амплитудное значение номинального тока включения.
Выключатель ВМТ-1106-25/1250
На электродинамическую стойкость
кА≤=40 кА;
На термическую стойкость
кА; = 3 c; кА2·с;
А; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
На отключающую способность
с; с;
с;
Проверим на симметричный ток отключения по формуле (6.12)
кА; кА;
;
Проверим на выключение апериодической составляющей токаи к. з. по формуле (6.13):
кА;
кА;
;
Проверка на включающую способность:
(кА);
(кА).
Выключатель ВВС-35/1600-УХЛ2
На электродинамическую стойкость
кА≤=52кА;
На термическую стойкость
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
На отключающую способность
с; с;
с;
Проверим на симметричный ток отключения по формуле (6.12)
кА; кА;
;
Проверим на выключение апериодической составляющей токаи к. з. по формуле (6.13):
кА;
кА;
;
Проверка на включающую способность:
(кА);
(кА).
продолжение
--PAGE_BREAK--
Выключатель ВВС-27,5-20/1600/УХЛ1
На электродинамическую стойкость
кА≤=16 кА;
На термическую стойкость
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
На отключающую способность
с; с;
с;
Проверим на симметричный ток отключения по формуле (6.12)
кА; кА;
;
Проверим на выключение апериодической составляющей токаи к. з. по формуле (6.13):
кА;
кА;
;
Проверка на включающую способность:
(кА);
(кА).
Разъединители
Проверку разъединителей производим по условиям (6.2) и (6.4) и по напряжению и по току нагрузки .
Для 110 кВ:
Разъединитель РГПЗ-110/1250
Проверка по напряжению: 110кВ=110кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости пр к. з.:
По термической стойкости:
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
Для 35 кВ:
Разъединитель РГПЗ-1(2)-35/110/УХЛ1
Проверка по напряжению: 35кВ=35кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости пр к. з.:
На термическую стойкость
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
Для 27,5 кВ:
Разъединитель РГПЗ-1(2)-35/110/УХЛ1
Проверка по напряжению: 35кВ=35кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости пр к. з.:
На термическую стойкость :
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2·с ≤кА2·с;
Трансформаторы тока
Трансформатор тока 35 кВ:
ТОЛ-35/1000/5
Проверка по напряжению: 35кВ=35кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости при к. з.:
(кА);
Некоторые особенности в проверке трансформаторов тока состоят в том, что для них в каталогах приводятся не амплитудные(предельные сквозные) токи и токи термической стойкости , а коэффициенты электродинамической и термической стойкости. Эти коэффициенты определяются выражениями:
, (6.18)
где — номинальный первичный ток трансформатора тока.
Отсюда можно найти и , и затем воспользоваться условиями проверки (6.2) и (6.4).
Тогда для трансформатора выбранного типа находим:
А;
;
Тогда = кА;
кА;
На термическую стойкость :
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2 ·с ≤кА2·с;
Трансформатор тока 27,5 кВ:
ТОЛ-35/1000/5
Проверка по напряжению: 27,5кВ=27,5кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости при к. з.:
(кА);
На термическую стойкость:
кА; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2 ·с ≤кА2·с;
Трансформатор тока 110 кВ:
ТФЗМ-110-400/5
Проверка по напряжению: 110 кВ=110 кВ;
Проверка по току нагрузки: А;
По электродинамической стойкости при к. з.:
(кА);
На термическую стойкость:
; с; = 3 c; кА2·с;
кА; с;
кА2·с;
кА2 ·с ≤кА2·с;
Дополнительно трансформаторы тока проверяется на соответствии классу для номинальной нагрузки этой проверки нужно расчетной схеме (рис. 7).
Рис.7 Расчетная схема для выбора трансформатора тока
Проверку проводим для одной наиболее загруженной фазы по условию:
, (6.19)
где номинальная мощность обмотки;
потребляемая приборами мощность вторичной обмотки трансформатора тока;
, (6.20)
где суммарная мощность приборов, ВА;
— мощность, теряемая в контактах цепи приборов, подключенных к ТА, ВА;
ВА;
мощность, теряемая в соединительных проводах между ТА и приборами, ВА;
(6.30)
где γ – удельная проводимость материала соединительных приборов, м/Ом·мм2;
q
-принятое сечение соединительных проводов, мм2;
l
расч
– расчетная длина соединительных проводов, м.
Для всех ТА:
Т.к. у нас соединительные провода из алюминия, тоγ=32 м/Ом·мм2;
q=6 мм2; l
расч
= м.
А;
ВА;
, (6.31)
где потребляемая мощность амперметром, ВА;
ВА;
потребляемая мощность счетчиком активной энергии, ВА;
ВА;
потребляемая мощность счетчиком реактивной энергии, ВА;
ВА;
ВА;
ВА;
Условия выбора удовлетворяют, т.к. ВА>ВА.
Трансформаторы напряжения (
TV
)
Выбираются в зависимости от места установления, по напряжению, классу точности (в соответствии с подключаемыми к ним измерительными приборами и реле) и проверяются по суммарной вторичной нагрузке на соответствие классу точности.
Трансформатор напряжения 110 кВ: НКФ-110
Проверка по напряжению: 110 кВ=110 кВ;
Трансформатор напряжения 35 кВ: 3НОЛ-35
Проверка по напряжению: 35 кВ=35 кВ;
Трансформатор напряжения 27,5 кВ: 3НОЛ-35
Проверка по напряжению: 35 кВ>27,5 кВ;
Выбранный трансформатор напряжения согласно расчетной схеме (РИСУНОК) проверяем соответствие классу точности.
По условию: , (6.32)
где — номинальная мощность вторичной обмотки;
— мощность, потребляемая измерительными приборами.
(6.33)
где — суммарная активная мощность приборов, Вт;
(6.34)
где — активная мощность счетчика активной энергии, Вт;
— активная мощность счетчика реактивной энергии, Вт;
— активная мощность вольтметра, Вт;
— суммарная реактивная мощность приборов, Вар;
,
где — реактивная мощность счетчика активной энергии, Вар;
— реактивная мощность счетчика реактивной энергии, Вар;
— реактивная мощность вольтметра, Вар;
Таблица 6.1-
Прибор
Тип
Число катушек напряжения на одну фазу
Число приборов на одну фазу
Потребляемая мощность
cosγприб
sinγприб
Мощность
Одного прибора
Всех приборов
Рприб
Qприб
Счетчик активный
САЗУ
1
8
4
32
0,38
0,33
12,15
29,8
Счетчик реактивный
СРЗУ
1
8
4
32
0,38
0,93
15,2
29,8
Вольтметр с переключателем
ЭЗО
1
1
5
5
1
5
-
Итого: Вт;
Вар;
ВА;
Условия выбора для TV110 кВ:
(ВА);
для TV35 и 27,5 кВ:
(ВА);
Условия выполняются. продолжение
--PAGE_BREAK--