Некомерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электрических станций, сетей и систем

 

 

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ПОДСТАНЦИИ

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы № 2

для студентов специальности 050718 – Электроэнергетика всех форм обучения

 

 

Алматы 2009 

 

 СОСТАВИТЕЛИ: Г.Х. Хожин, С.Е.Соколов, Р.М. Кузембаева. Электрические станции и подстанции. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы № 2 для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика – Алматы: АИЭС: 2009. 39 с.

          В представленной работе содержатся методические указания по расчету токов короткого замыкания и выбор оборудования. Дан конкретный пример расчета по определению токов короткого замыкания.

         Методические указания предназначены для выполнения расчетно-графической работы № 2 по дисциплине «Электрические станции и подстанции» студентам специальности 050718 – Электроэнергетика.

      

                                                    Введение 

         Данная расчетно-графическая работа № 2 является продолжением РГР № 1 по дисциплине «Электрические станций и подстанций».

         При выполнении расчетно-графической работы № 2 по дисциплине «Электрические станции и подстанции» студент осваивает методы расчетов тока короткого замыкания для выбора и проверки параметров электрооборудования, электрических аппаратов и токоведущих частей электроустановок. При этом основная цель расчета состоит в определении периодической составляющей тока короткого замыкания и ударного тока короткого замыкания для наиболее тяжелого режима работы электроустановок. Учет апериодической составляющей производят приближенно, допуская при этом, что она имеет максимальное значение в рассматриваемой фазе. Особое внимание, в этой РГР № 2, должно быть уделено вопросам:

         - расчетной схеме и схеме замещения;

         - определению сопротивления элементов схемы и приведению их к базисным условиям;

         - определению токов короткого замыкания с учетом итогов от источников электроэнергии;

         - выбора высоковольтных выключателей и разъединителей;

         - выполнению принципиальной схемы ТЭЦ с учетом выключателей и разъединителей.

 

         1 Цель и задачи РГР № 2

 

         Целью РГР № 2 является закрепление теоретических знаний и развитие у студентов самостоятельности в решении конкретных задач, приобретение практических навыков по расчету токов короткого замыкания в электроустановках.

         Задача РГР № 2:

         - По выбранной структурной схеме из РГР № 1 составить расчетную схему и схему замещения;

         - У руководителя РГР № 2 получить точку короткого замыкания в РУНН, либо в  РУСН, или в РУВН электростанций;

         - Определить сопротивления элементов схемы и приведение их к базисным условиям;

         - Преобразовывая схему замещения, определить результирующие   сопротивлений;

         - Определить начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания, затем апериодическую составляющую тока короткого замыкания, ударный ток и ток короткого замыкания для заданного момента времени;

         - Выбор коммутационных аппаратов (высоковольтных выключателей и разъединителей);

         - Составить упрощенную принципиальную схему электрических соединений ТЭЦ.

 

         2 Объем и содержание РГР № 2

 

         РГР № 2 состоит из расчетно-пояснительной записки с упрощенной принципиальной схемой электрических соединений электростанции.

 

         2.1 Исходные данные

 

         Исходные данные для выполнения РГР № 2 представлены в РГРпо дисциплине «Электроэнергетика»и РГР № 1 по дисциплине «Электрические станции и подстанции».

 

         2.2 Расчетно-пояснительная записка

 

         Расчетно-пояснительная записка в объеме 20-25 страниц выполняется четко и в сжатой форме на стандартных листах форматом А 4 (210х297) в соответствии со стандартом АИЭС. В записке должны быть приведены все расчеты и кратко изложены основные положения, принятые в работе решения.

 

         Содержание расчетно-пояснительной записки:

 

         2.2.1. Составление расчетной схемы;

         2.2.2. Составление схемы замещения;

         2.2.3. Получение у руководителя РГР № 2 точку короткого замыкания;

         2.2.4. Определение сопротивления элементов схемы и приведение их к базисным условиям;

         2.2.5. Преобразовывая схему замещения, определение результирующего сопротивления схемы;

         2.2.6. Определение периодической и  апериодической составляющей токов короткого замыкания. Затем определить ударный ток короткого замыкания и ток короткого замыкания для заданного момента времени;

         2.2.7. Выбор коммутационных аппаратов (высоковольтных выключателей и разъединителей);

         2.2.8. Составить упрощенную принципиальную схему электрических соединений электростанций.

 Расчет токов короткого замыкания и выбор оборудования

 

3.1 Общие положения. Определение расчетных зон

 

В расчетно-графической работе (РГР) для выбора и проверки электрооборудования достаточно определение тока трехфазного короткого замыкания, расчет которого выполняется в следующем порядке:

а) по главной схеме электрических соединений составляется расчетная схема и далее электрическая схема замещения;

б) путем преобразований схема замещения приводится к наиболее простому виду так, чтобы источник питания или группа источников, характеризующиеся определенным значением результирующей э.д.с, были связаны с точкой к. з. одним результирующим сопротивлением;

^{в) по величине результирующей  э. д. с. и результирующему сопротивлению определяется величина начального значения периодической составляющей тока короткого замыкания – I,  затем апериодическая составляющая тока к. з., ударный ток и периодическая составляющая тока в отдельных ветвях; при необходимости определяются составляющие тока к. з. для заданного момента времени - t.}

^{Расчетная схема установки должна отражать нормальный режим работы. На схеме намечают расчетные точки к.з., которые выбирают так, чтобы данные аппараты и проводники находились в наиболее тяжелых условиях работы, с точки зрения протекания тока к.з.}

^{Так, например, для выбора генераторного выключателя B1, в соответствии с рисунком 1, необходимо рассматривать две точки. При к. з. в точке 1 через выключатель протекает ток всех источников, кроме тока генератора; при к. з. в точке 2 через выключатель протекает ток лишь одного генератора.}

^{Выключатель выбирается по самому большому из рассматриваемых токов к. з. Через выключатель В2 при к. з. в точке 3 протекает ток от источников рассматриваемой станции; при к. з. в точке 4 - от источников системы.}

 

                        

                    ^{Рисунок 1 - Схема для расчета токов короткого замыкания}

 

^{Для выключателя ВЗ расчетной является точка 5. Этот выключатель в аварийном режиме находится в более тяжелых условиях, чем остальные выключатели данного напряжения.}

^{Для выключателя В4, установленного на реактированном ответвлении, расчетной точкой является точка  6 за реактором.}

^{Для сокращения объема вычислительной работы используют возможность группировки нескольких цепей электроустановок, которые в режиме к. з. находятся примерно в одинаковых условиях. Это обстоятельство позволяет разбить всю схему электроустановки на зоны, в которых устанавливаются общие расчетные условия [4,7].}

 

^{3.2 Сопротивления  элементов  схемы и приведение их}

      ^{к базисным условиям}

 

^{Для упрощения преобразований при расчете токов к.з. все величины приводятся к базисным условиям. В качестве базисных величин принимают базисные мощности и базисные напряжения, по которым определяются базисный ток и базисное сопротивление.}

^{Базисную мощность можно задавать любой величины, лучше кратную десяти =100 МВА или 1000 МВА. За базисное напряжение принимается среднее эксплуатационное напряжение той ступени, на которой предполагается короткое замыкание (0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 20; 37; 115; 154; 230; 340; 515 кВ).}

^{Поскольку базисный ток определяется согласно выражению}

 

                                     ^{,                                                            (1)}

^{то путем несложных преобразований можно получить выражения для сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи в относительных единицах при базисных условиях [4.7].}

^{Для синхронных генераторов и компенсаторов}

                                                                                          ⁽²⁾

^{где  - относительное сверхпереходное сопротивление по продольной   оси полюсов генератора или компенсатора, определяемое по справочным данным.}

^{Для двухобмоточных трансформаторов}

                                                                                     ⁽³⁾

^{где - напряжение короткого замыкания, определяемое по справочным  или паспортным данным.}

^{Для трехобмоточных трансформаторов или автотрансформаторов напряжения к. з, приведенные к номинальной мощности трансформатора или AT, даны для каждой пары обмоток UKB-H%, UKC-H%, UKB-C%.}

^{Схема замещения таких трансформаторов приведена на рисунке 2. Относительные сопротивления лучей схемы, приведенные к базисным условиям, можно определить по формулам}

                                             ⁽⁴⁾

 

                                              ⁽⁵⁾

 

                                              ⁽⁶⁾

 

                                           

 

^{Рисунок 2 - Схема замещения трехобмоточного трансформатора}

^{Двухобмоточные трансформаторы с двумя или тремя расщепленными с одной стороны обмотками вводятся в схему замещения реактивными сопротивлениями, указанными на рисунке 3, приведенными к базисным условиям.}

^{В схеме замещения}

                                         ^{,                                            (7)}

                                  ^{,                                (8)}

 

                                        ^{.                                                    (9)}

 

^{Токоограничивающий эффект трансформатора с расщепленными обмотками характеризует}

                                                                                              ⁽¹⁰⁾

 

^{По данным испытаний трехфазные трансформаторы имеют коэффициент расщепления КРАСч =3,5, поэтому при п = 2 схема замещения таких трансформаторов имеет вид, показанный на рисунке 28, а.   Для однофазных трансформаторов Красч =2, и при п = 3 схема замещения такого трансформатора будет иметь вид как на  рисунке  3 б.}

 

                                      

 

   ^{Рисунок 3 - Схема замещения трансформатора с расщепленными обмотками}

 

^{Для воздушных и кабельных линий предварительно определяются сопротивления в именованных единицах, так как они задаются геометрическими размерами и номинальным напряжением. Сопротивления линий можно найти в соответствующих справочниках [1].}

^{Можно воспользоваться следующими средними значениями индуктивного сопротивления 1 км линий (x0):}

^{- для воздушных линий   напряжением   6 - 330 к - 0,4 Ом/км;}

^{- для воздушных линий напряжением 500 - 750 к - 0,3 Oм/км;}

^{- для  кабельных линий  напряжением до 6  кВ -  0,08 Oм/км;}

 ^{-для  кабельных линий напряжением до  10 кВ- 0,1 Ом/км;}

 ^{-для кабельных линий  напряжением до 35 кВ - 0,12 Oм/км.}

^{Относительное  сопротивление линий, приведенное к базисным условиям}

                                              ^{,                                         (11)}

^{где - длина линий, км.}

^{При использовании токоограничивающих реакторов относительное базисное сопротивление реактора определяется как}

 

                                                                               ⁽¹²⁾

^или

                                                                                         ⁽¹³⁾

 

^{где   -  номинальная  (пропускная) мощность реактора;}

        ^{- относительное сопротивление реактора по каталогам.}

 

^{Относительное сопротивление расщепленного сдвоенного реактора  определяется в зависимости от места  короткого замыкания и расположения реактора в расчетной схеме в соответствии со схемой замещения на рисунке 29. Относительное сопротивление, приведенное к базисным условиям, определяется теми же соотношениями, что и для обычного реактора.}

 

                                                         

                     

    ^{Рисунок 4 - Схема замещения сдвоенного реактора}

^{При расчете токов к. з. на  электрических станциях, работающих параллельно с электрической системой, необходимо располагать данными, характеризующими систему. Если известна схема системы и параметры ее элементов — генераторов, трансформаторов, ЛЭП и др., расчет токов к. з. от системы производится так же, как и от станции. Однако для упрощения пользуются одним из следующих способов:}

^{а) при известной суммарной  мощности системы  суммарное сопротивление всех элементов ее схемы  до некоторой точки сети, к которой присоединяют проектируемую установку, задается, и расчет ведется обычным способом;}

^{б) может быть задана номинальная мощность системы и сверхпереходная мощность к. з. от системы  при к.з. в определенной точке сети. В этом случае относительное сопротивление до заданной точки определяется как}

 

                                                                                                   ⁽¹⁴⁾

 

                                                                                           ⁽¹⁵⁾

 

^{в) при очень большой  мощности системы расчет ведется как от системы неограниченной мощности, при этом сопротивление системы определяется как}

 

            .                                                (16)

 

^{Примечание -  - номинальный ток отключения выключателя, кА;}

 ^{-относительное сопротивление трансформатора, определяемое через .}

 

 

^{Т а б л и ц а 1 - Расчетные выражения для определения приведенных значений сопротивлений}

 

Элемент электроус-тановки	Исходный параметр	Именованные единицы, Ом	Относительные единицы
Генератор
Система		;	;
Тран-сформатор		;	;
Реактор
Линия электро-передач

 

 

^{3.3 Преобразование электрических схем, определение}

^{результирующих сопротивлений токов к.з.}

 

^{Сопротивления элементов схемы, приведенные к базисным величинам, наносят на схему замещения. Для этого каждый элемент в схеме замещения обозначают дробью: в числителе ставят порядковый номер элемента, а в знаменателе - значение относительного индуктивного сопротивления. Далее необходимо определить результирующее сопротивление путем преобразования схемы.}

^{Возможны следующие преобразования схемы.}

^{Сложение сопротивлений, соединенных последовательно и параллельно, производится по выражениям}

 

                                          ^{,                                    (17)}

 

                                       ^{.                              (18)}

 

^{Соединение звездой с относительными сопротивлениями лучей , , в соответствии с рисунком 5, может быть заменено эквивалентным треугольником в соответствии с выражениями}

                               

                                                                     ⁽¹⁹⁾

 

                                                                    ⁽²⁰⁾

 

                                                                    ⁽²¹⁾

 

                                            

 

^{Рисунок. 5 - Схема преобразования треугольника в звезду}

^{и обратное преобразование}

 

^{При преобразовании треугольника относительных сопротивлений в эквивалентную звезду пользуются формулами}

 

                                                                           ⁽²²⁾

 

                                                                           ⁽²³⁾

 

                                                                            ⁽²⁴⁾

 

 

                                

                               

 

 

^{Рисунок 6 - Преобразование схемы путем совмещения точек}

^{одинакового потенциала}

 

^{Значительное упрощение схем достигается совмещением точек одинакового потенциала. Если принять э. д. с. источников питания одинаковыми, то в схеме на рисунке 6, а точки m и n будут равно потенциальными. При совмещении равно потенциальных точек сопротивления одноименных элементов складываются как параллельные, и получается схема, изображенная на рисунке 6, б.}

В результате преобразования схема приводится к виду, удобному для расчетов тока к. з. по индивидуальному изменению в отдельных генераторах (или лучах) схемы на рисунке 7. Обычно схему сводят к двум-трем лучам, выделяя в отдельные лучи разнотипные генераторы (например, станции и системы) или однотипные генераторы с различной удаленностью относительно точки к. з. (например, генераторы одной станции, подключенные к распределительным устройствам разных напряжений).

Результирующее сопротивление каждой схемы определяют по формулам

для схемы на рисунке 7, а

 

 ,                                    (25)

 

для схемы на рисунке 32, б

 

,                                        (26)

 

для схемы на рисунке 32, в

 

                  .                          (27)

 

 

      

     

Рисунок 7 – Схема для расчета т.к.з. с учетом индивидуального изменения

 

Начальный сверхпереходный ток определяется по формуле

 

    ,                                                (28)

 

где  —   базисный ток,  определяемый  при ;

        — сверхпереходная э. д. с. генераторов в о. е; при расчетах можно принять одно усредненное значение э. д. с. в пределах

         (1,1-1,15) [4,9].

Ударный ток к.з.

      ,                                           (29)

 

где  - ударный коэффициент;                         

         - постоянная времени цепи короткого замыкания.

В схеме с несколькими разнотипными источниками питания методика расчета ударного тока зависит от положения точки к. з., для которой определяют ударный ток. Можно выделить три характерных случая, для которых ударный ток определяют следующим образом:

1. При удаленном к. з. (в РУ и сети повышенных напряжений станций, в РУ низшего напряжения, в РУ подстанций, за линейным реактором станции)

 

 ,                                             (30)

 

где — суммарный ток от всех источников питания.

Постоянную времени находят как

 

                                               .                                                 (31)

 

Определив активные и реактивные сопротивления всех элементов схемы, составляют эквивалентную схему при   и находят , затем составляют эквивалентную схему при и находят . Для упрощения можно не рассчитывать величину , а воспользоваться средними значениями  и , приведенными в таблице  6 для характерных точек электросетей.

2. При к.з. вблизи генераторов (на сборных шинах генераторного напряжения или на выводах генератора блока) выделяют составляющие ударного тока от генераторов данной станции и других источников системы

 

              .                                      (32)

 

Определив отдельно постоянные времени генератора и других источников,  (таблица 2), вычисляют значения ударного тока.

3. При к.з. вблизи узла двигательной нагрузки (РУ 3 - 6 кВ СН тепловых станций, РУ 6 - 10 кВ подстанций) ударный ток

      ,                                    (33)

 

где - ударные коэффициенты для ветвей двигателей и системы;  — сверхпереходный ток от двигателя.

 

Т а б л и ц а  2 – Средние значения  и

 

Место короткого замыкания	, с
Выводы турбогенераторов  (цепь генератора) 2,5 — 12 МВт 30 — 100 МВт 150—500 МВт Выводы явнополюсных генераторов и двигателей с демпферными обмотками    (цепь машины). Секции   собственных нужд за трансформатором 40 MBА и ниже (3 и 6 кВ). Шины станции 6 — 10 кВ  с генераторами 30 — 60 МВт. Шины повышенного напряжения станций с трансформаторами 32 МВА и выше. Шины повышенного напряжения станций с трансформаторами 100 МВА и выше. За   линейным   реактором   генераторного напряжения. Сборные шины низшего напряжения понижающих подстанций с трансформаторами 100 МВА и выше. То же с трансформаторами 25 МВА и выше. То же с трансформаторами 20 МВА и ниже.	0,04 - 0,17 0,21- 0,54 0,3 - 0,55   0,05 - 0,45   0,045 - 0,07   0,185   0,115   0,14   0,125     0,095 0,065 0,045 и ниже	1,75 - 1.94 1,95 - 1,985 1,96 - 1,985   1,82 - 1,98   1,8 - 1,85   1,95   1,92   1,935   1,93     1,9 1,8 и ниже 1,8 и ниже

 

 Т а б л и ц а  3 – Расчет  значений

 

	при , с
	0,04	0,045	0,05	0,1	0,2	0,3
0 0,01 0,02  0,03 0,04 0,05  0,06  0,07  0,08 0,09	1 0,773 0,636  0,472  0,368 0,286 0,233  0,174 0,135 0,105	1 0,8 0,61 0,512 0,411 0,329' 0,264 0,212 0,168 0,135	1 0,81 0,67  0,548  0,44  0,368  0,301 0,247  0,202 0,142	1 0,9 0,81  0,74 0,67  0,606 0,548 0,496  0,449 0,406	1 0.95 0,9  0,86 0,818  0,778  0,74  0,7  0,67  0,637	1 0,97  0,94  0,9 0,87  0,85 0,818  0,79  0,77  0,74

 

3.4 Определение токов к. з. с учетом подпитки от двигателей

 

Большое влияние на величину тока к. з. оказывают асинхронные и синхронные двигатели, если они подключены близко к месту к. з. Так, при определении токов к. з. в сетях с. н. тепловых электростанций или на вторичном напряжении крупных промышленных подстанций эту подпитку необходимо учитывать [4,9].

Для проверки аппаратов и проводников по условию к. з. надо знать сверхпереходный ток двигателя , ударный ток , периодическую  и апериодическую составляющие тока в произвольный момент  переходного процесса и  в момент  отключения  к. з. , т. е. , . Сверхпереходный ток от асинхронных двигателей можно определить по формуле

                               (34)

 

где  — среднее  значение    относительной э. д. с. двигателя;

         — среднее значение относительного   сопротивления .

 

Сверхпереходное индуктивное сопротивление для асинхронных двигателей в каталоге обычно не приводится, поэтому сверхпереходный ток его определяют по кратности пускового тока

 

.                                                  (35)

Постоянные времени затухания периодической и апериодической составляющих тока у двигателя близки друг к другу, поэтому при определении  следует учитывать затухание обеих составляющих, т. е.

 

                                          (36)

 

где .

 

Средние значения  постоянных времени затухания периодической и апериодической составляющих тока  и  для разных серий двигателей и приближенные значения ударных коэффициентов даны в [6].

Для определения тока к. з. от группы двигателей (например, в сети  с.н.) заменяют эту группу некоторым эквивалентным двигателем. В таблице 4 приведены параметры эквивалентного двигателя с. н. блоков 100—300 МВт.

 

Т а б л и ц а  4 – Характеристика  группы двигателей с. н.

 

блока, МВт		, с	, с
100	5,7	0,08	0,04	1,65	0,29	0,08
150	—	0,08	0,03	1,59	0,29	0,04
200	5,8	0,09	0,035	1,65	0,33	0,06
330	5,5	0,05	—	—	0,14	—

 

По данным таблицы  ток  от двигателей   определяют так

 

          ,                                            (37)

 

где — сумма номинальных токов двигателей с. н. секции

               .                                              (38)

 

Токи к моменту  отключения  выключателя при  с:

 

периодическая составляющая ,                                                      (39)

 

апериодическая составляющая   .                                              (40)

3.5 Определение токов к. з. для выбора выключателей

 

Для выбора выключателей необходимо иметь следующие расчетные токи к. з.: , ,   и     периодический   и   апериодический отключаемые токи к моменту размыкания дугогасительных контактов выключателя .

Время  определяется как

 

                                                                                             

 

где  с - минимальное время действия р. з.;

        - собственное время   отключения   выключателя.

В зависимости от быстродействия выключателя время  можно принимать следующим образом: при полном времени отключения выключателя 0,16 с и выше  равно 0,08 с; при 0,10 с -0,06 с; при 0,06 с - 0,04 с; при времени отключения 0,04 с  равно 0,02 с.

Определение  для любого момента времени рассмотрено в [4,9]. Необходимо только, как и при определении ударного тока, различать три характерных случая к. з. При удаленном к. з. периодический ток принимают незатухающим и равным суммарному сверхпереходному току в месте к. з. . Апериодический ток к моменту отключения

      .                                        (41)

Определение постоянных времени рассматривалось при вычислении ударного тока к. з.

Для вычисления  можно пользоваться таблицей 3.

При к. з. вблизи синхронной машины к моменту  ток от генератора заметно затухает; от системы можно принимать ток незатухающим

 

                                                (42)

 

где — суммарный периодический ток генераторов, определяемый по кривым;

 

       — ток системы.

 

Апериодический ток также равен сумме

 .                         (43)

При к.з. вблизи  узла   нагрузки   с мощными двигателями

 

                                                    (44)

 

где  — периодический незатухающий ток от системы;

 

       — периодический  ток в момент отключения к. з. от двигателей

определение которого рассматривается  в [4,9].

 

Апериодический ток

                     .                   (45)

 

Ввиду того, что в некоторых случаях токи несимметричных к. з. могут быть больше токов трехфазного к.з., ПУЭ [1] рекомендуют в качестве расчетного вида к.з. принимать:

а) для определения динамической стойкости аппаратов и жестких шин с относящимися к ним поддерживающими и опорными конструкциями - трехфазное к. з.;

б) для определения термической стойкости аппаратов и проводников -трехфазное к.з;

в) для  выбора  отключающей  и включающей способности аппаратов - по большей из величин, получаемых для случаев трехфазного и однофазного  к.з. на землю (в сетях с большими токами замыкания на земле).

Соотношения между сверхпереходными токами двух- и трехфазных к.з. можно определить согласно [4, 7]. Следует отметить, что в настоящее время для расчетов токов короткого замыкания широко применяется  ЭВМ.

 

3.6 Выбор аппаратов и токоведущих частей электроустановок

 

3.6.1 Общие положения

 

Электрические аппараты распределительных устройств должны надежно работать как в нормальном режиме, так и при возможных отклонениях от него. При проектировании электрических установок все аппараты и токоведущие части выбираются по условиям работы в нормальном режиме и проверяются на термическую и динамическую стойкость при коротких замыканиях.

По условию длительного нагрева аппараты и проводники должны удовлетворять форсированному режиму, который возникает:

а) для цепей параллельных линий при отключении одной из них;

б) для цепей трансформаторов при перегрузке;

в) для кабелей при использовании перегрузочной способности;

г) для генераторов при работе с номинальной мощностью при снижении напряжения на 5% от номинального

 

. .                                         (46)

 

Электродинамическая стойкость характеризуется максимальным допустимым током аппарата , который должен быть равен или больше расчетного ударного тока трехфазного к.з. .

Проверка аппаратов и токоведущих частей на термическую стойкость сводится к определению наибольшей температуры нагрева их токами к.з., для чего необходимо знать длительность к.з.-  или расчетное время действия тока к. з. В эту величину входят время действия релейной защиты , которая должна дать импульс выключателю на отключение к.з., и полное время отключения этого выключателя .

 

.                                                (47)

 

Значения  приведены в технических характеристиках выключателей [5,6, 8].

Для проверки на термическую стойкость нужно определить величину В_к теплового импульса к. з., характеризующего количество тепла, выделяющего в аппарате и проводнике за время

 

 ,                                            (48)

 

где  — мгновенное значение тока к. з. в момент ;

       - тепловой импульс периодического тока;

      - тепловой импульс апериодического тока.

 

  Т а б л и ц а   5 – Условия выбора и проверки электрических аппаратов и проводников

 

Электрический аппарат или проводник	Условия выбора и проверки
Выключатель	Для установки, у которойдопускается выполнение условия: .Далее проверяется
Разъединитель

 

Методика определения теплового импульса изложена в [4,5,7], где полный тепловой импульс  тока к.з. определяется из выражения

 

          .                                              (49)

 

        Выбор и проверка отдельных видов аппаратов и проводников имеют некоторую специфику и особенности, что отражено в таблице 5 [4].

 

Примечания

         1 В правых частях неравенства величины:

 должны быть представлены расчетными значеннями, т.е. наибольшими в условиях установки или цепи. В тексте  величина обозначена как .

2  В таблице приняты следующие обозначения:  – действующее значение периодической составляющей ожидаемого тока КЗ в начальный момент; – то же в момент начала расхождения дугогасительных контактов аппарата;  – рабочий ток цепи в момент начала расхождения дугогасительных контактов аппарата;

 

3.6.2  Выбор выключателей

 

Выключатели выбирают по номинальному напряжению , длительному номинальному току , отключающей способности, проверяют на термическую и динамическую стойкость. Для выключателей должны быть также гарантированы параметры восстанавливающегося напряжения при номинальном токе отключения (нормированная кривая восстанавливающегося напряжения, скорость восстанавливающегося напряжения , коэффициент превышения амплитуды ). Проверка на скорость восстанавливающегося напряжения выполняется заводом-изготовителем и в проектной практике не производится.

Проверка на электродинамическую стойкость производится путем определения  и  и сравнением этих значений с величиной сквозного симметричного тока и предельного ассиметричного тока, равного   по условию

;  .                                   (50)

 

Условия проверки на термическую стойкость

 

     ,          ,                            (51)

 

где  — номинальный ток термической стойкости, который аппарат может выдержать без повреждений в течение номинального времени термической стойкости .

 

По ГОСТу 687—70 ;  с — для выключателей напряжением до 35 кВ и для выключателей напряжением 110 кВ и выше  с.

 Кроме того, выключатели проверяются по отключающей способности, которую характеризует: номинальный симметричный ток отключения  (дается в каталогах) и номинальное относительное содержание апериодической составляющей  (определяется по кривой  по рисунку 8 для времени  от возникновения к. з. до начала размыкания контактов).

 

Рисунок 8 - Зависимость  номинального относительного содержания апериодической составляющей тока к. з. от расчета времени отключения

 

Для проверки на отключающую способность необходимо знать ,  из расчетов токов короткого замыкания.

Выбор выключателей следует проводить в табличной форме  путем сравнения каталожных  и расчетных данных.

 

3.6.3 Выбор разъединителей

 

Разъединители выбираются по длительному номинальному току и номинальному напряжению и проверяются на термическую и динамическую стойкость по условиям, приведенным в таблице 5, путем сравнения каталожных и расчетных данных. Расчетные величины для разъединителей те же, что и для выключателей.

  

4. Решение задачи по определению токов короткого замыкания (КЗ).

 

Задача 1. Составить схему замещения для расчета трехфазного К3 и определить начальные значения периодической составляющей тока короткого замыкания I_{п 0} в цепях электростанции, расчетная схема и исходные данные которой представлены на рис.1.

Исходные данные: параметры отдельных элементов:  и   

 и    и  

 

 

 

Рисунок 9 – Пример расчетной схемы для определения токов КЗ:

 

Решение. Выполним расчет в двух вариантах: вариант А – в относительных единицах; вариант Б – в именованных единицах (только для точки К1).

  

Рисунок 10-Общая схема замещения.       Рисунок 11- Схема замещения для                                                                      

к рисунку 1                                                   точки короткого замыкания, К1

 

Расчет в относительных единицах

 

Схема замещения для расчета трехфазных К3 представлена на рис. 10. Каждому сопротивлению в схеме присваивается свой порядковый номер, которой сохраняется за данным сопротивлением в течение всего расчета. В схеме сопротивление имеет дробные обозначение, где числитель – номер сопротивления, знаменатель – численное значение сопротивления.

Нагрузку, расположенную вблизи генераторов G1 и G2, учитываем уменьшением ЭДС генераторов до Е²_*=1. Влиянием относительно малой нагрузки собственных нужд (с.н.) и удаленных от мест К3 нагрузок пренебрегаем.

Определим сопротивления схемы (рис.9) при базовой мощности S_б=1000МВ ×А.

Сопротивления генераторов G1 и G2:

 

                                                          (52) 

 

В дальнейшем для упрощения обозначенной индекс «*» опускаем, подразумевая, что все полученные значения сопротивлений даются в относительных единицах и приведены к базовым условиям.  

Таким образом,     

Для генераторов G1 и G2 ЭДС, как это было отмечено выше, принимаем равными единице.

Сопротивление генератора G3

 

                                                                                      (53)

 

Определим ЭДС генератора G3:

 

                            

                                                    (54)

 

где     

         Значения параметров в относительных единицах взяты в предложении, что генератор G3 до К3 имел номинальную загрузку.

         Сопротивление реактора

 

                                                                                (55)

 

         Сопротивление трансформаторов Т1 и Т2:

 

                                                                   (56)

 

         Сопротивление трансформатора Т3:

 

                                                                                               (57)

 

         Сопротивление линий электропередачи:

         W1 (двухцепной)

 

                                                                        (58)

 

(удельное сопротивление линий 110 кВ принято равным 0,4 Ом/км);

 

                                                                 (59)

 

 

                                                                                    (60)

 

К о р о т к о г о   з а м ы к а н и е   в  т о ч к е  К1 (шины 110 кВ станции). Ветви генераторов G1 и G2 симметричны относительно точки КЗ К1. Поэтому сопротивление реактора  можно исключить из схемы замещения, так как оно включено между узлами одинакового потенциала и не влияет на ток. С учетом этого схема замещения для КЗ в точке К1 будет иметь вид, показанный на рис.11.а.

Упросим схему.

Результирующее сопротивление цепи генератора G3:

 

                                                                       (61)   

 

Результирующее сопротивление цепи однотипных генераторов   G1 и G2 суммарной мощностью 150 МВ×А (рис. 11,б):

 

                                                    (62)

 

Результирующее сопротивление ветви энергосистемы (шин неизменного напряжения)

 

                                                     (63)

 

Начальное значение периодической составляющей тока КЗ

 

                                                                                                   (64)

где  - результирующее сопротивление ветви схемы;  - базовый ток:

 

                                                                               (65)

 

         Значения токов по ветвям:

         генераторов G1 и G2

 

                                                                                            (66)

 

         генератора G

                                                                                           (67)

 

         энергосистемы

 

                                                                                          (68)

 

         Суммарный ток КЗ в точке К1

 

                                                                               (69)

        

К о р о т к о е   з а м ы к а н и е   в   т о ч к е К2 (на выводах генератора G2). Используя частично результаты преобразований предыдущего расчета, схему замещения для данной точки КЗ можно представить в виде, показанном на рис. 12,а. Генератор G3 находится на значительной электрической удаленности от места КЗ, поэтому для упрощения расчетов его целесообразно включить в состав ветви системы, соответственно скорректировав ее сопротивление (рис. 12,б):

 

                                                                     (70)

 

Таким образом, к точке КЗ ток будет поступать от трех источников, причем генератор G2 включен в точке КЗ непосредственно.

Ток КЗ от генератора G2

 

                                                                                                   (71)

 

где  базовые значение тока при среднем напряжении в точке КЗ:

 

                                                                      (72)

 

                                                                                               (73)

 

Таким образом, ток трехфазного КЗ от генератора G2

 

                                                                                    (74)

 

Ток короткого замыкания в точке К2 от энергосистемы, генераторов G1 и G3 легче всего определить, объединив эти источники в единую эквивалентную ветвь. Промежуточный шаг на этом пути уже сделан – ветви G и G3 объединены и представлены общим сопротивлением .

Преобразуем треугольник сопротивлений  в эквивалентную звезду   [7].

 

                                                (75)

 

Рисунок 12 – Схемы  замещения для точки КЗ  

 

                                                           (76)

 

                                                            (77)

 

Схема замещения рис. 12, б преобразуется к виду рисунок. 12, в, где

 

                                                               (78)

 

                                                                   (79)

Конечная схема замещения для расчета токов КЗ в точке  будет иметь вид, представленный на рис. 12,г. Сопротивление эквивалентной ветви

 

                                                (80)

Суммарный ток эквивалентного источника

 

                                                                    (81)

 

Начальное значение периодической составляющей тока КЗ в точке  (суммарное значение)

 

                                                                        (82)

 

К о р о т к о е   з а м ы к а н и е  в  т о ч к е . Генераторы  и  находятся на значительной электрической удаленности от точки , поэтому для упрощения расчетов их целесообразно включить в состав ветви энергосистемы, соответственно скороектировав ее сопротивление. Итоговая схема замещения представлена на рис.13.

Здесь

 

                                                        (83)

 

(см. схемы на рис. 10 и 11, а,б).

 

Токи по ветвям схемы при К3 в точке  при  и

генератора G3

 

                             (84)

 

            энергосистемы

 

Рисунок 13. Схема замещения                   

для точки короткого замыкания КЗ

                                                                              (85)

     

                                                    

Суммарный ток при трехфазном К3  в точке

 

                                                                                 (86)

 

        Б. Расчет вименованных единицах

 

         Схема замещения для трехфазного К3 в точке , приведенная на рис. 14,а, анологична схеме на рис. 11,а. Однако все сопротивления схемы выражены в омах и приведены к напряжению ступени К3

         Начнем нумерацию сопротивлений с первого номера и определим значения сопротивлений схемы замещения, приводя их к

         генераторов G1 и  G2

 

                                                             (87)

 

         генератора G3

 

                                                                                        (88)

 

         трансформаторов Т1 и Т2

 

                                                                 (89)

 

         трансформатора Т3

 

                                                                                          (90)

        

линий электропередачи:

        

W1

                                                                                        (91)

        

         W2

                                                                                      (92)

 

W3

                                                                                                (93)

                    

 Рисунок 14 – Схема замещения для точки короткого замыкания К1

 

         Занесем полученные данные в схему замещения. Преобразуем схему к виду, показанному на рис. 14,б.

 

                                                                       (94)

 

                                                      (95)

 

                                                          (96)

 

         Начальное значение периодической составляющей тока в месте К3 может быть найдено из выражения, кА,

 

                                                                                                        (97)

 

         Значения тока по ветвям:

         генераторов  G1 и  G2

 

                                                                                         (98)

 

         генератора G3

                                                                                          (99)

         энергосистемы

 

                                                                                        (100)

        

         Суммарный ток К3 в точке

                                                                            (101)

 

         Результаты расчета по отдельным ветвям и в месте К3 дают такие же значение токов К3, как в случае расчета в относительных единицах. Расчет в именованных единицах более нагляден, расчет в относительных единицах более удобен при исследовании сложных схем с несколькими ступенями напряжения.

 

         Задача 2. Выбрать выключатель Q1 и разъединитель QS1 в цепи генератора ТВФ-63-2, работающего на шины 10,5 кВ, и выключатель  Q2 и разъединитель QS2 в цепи блока с генератором ТФВ-120-2 (рис.7). Расчетные токи даны в табл. 1.

 

 

         Т а б л и ц а  6 – Расчетные токи КЗ для выбора выключателя и разъединителя.

 

Точка К3	Источник	In.0, кА	In.r, кА	Iy кА	iy,r, кА
К1	G1 и  G2 G3 Система	2,2 2,21 9,67	2 2,01 9,67	6,04 6,12 22,08	1,94 2,38 0,69
	Суммарное Значение	14,08	13,68	34,24	5,01
К2	G2 Система + G1, G2	28,3 32	20,4 27,8	78,4 85,2	27,93 15,3
	Суммарное значение	60,3	48,2	163,6	43,23

 

 

Рисунок 15 – Упрощенная схема к примеру 2

 

Решение. Выбор Q1, QS1. Расчетные токи продолжительного режима определяем по (4,1), (4,2) [ ]

 

                                                        (102)

 

                                          (103)

 

        

Расчетные токи К3 принимаем по табл. 1.

 

                                                                    (104)

 

                                                         (105)

 

         Выбираем по справочнику 02.01.05-84 выключатель маломасляной МГГ-10-5000-45У3 (масляный генераторный, горшковый, 10 кВ, номинальный ток отключения 45 кА, для умеренного климата, закрытой установки).

Выбираем разъединитель РВК-10-5000 по справочнику 02.11.01-80,      Расчетные и каталожные данные сведены в табл.2.

Выбор Q2, QS2. Расчетный ток продолжительного режима в цепи блока генератор – трансформатор определяется по наибольшей электрической мощности генератора ТВФ-120-2 (125 МВ×А):

 

                                                                       (106)

 

Расчетные токи К3 принимаем по табл.1 с учетом того, что все цепи на стороне ВН проверяются по суммарному току К3 на шинах:

Выбираем по справочнику 02.00.06-81 масляный баковый выключатель У-110-2000-40У1 (серия «Урал», 110 кВ, 2000 А, ток отключения 40 кА, для умеренного климата, открытой установки). Привод к выключателю ШПЭ-44У1. Выбираем по справочнику 02.10.05-81 разъединитель типа РНДЗ-110/1000У1 (разъединитель для наружной установки,  двухколонковый, с заземляющим ножом, на 110 кВ, 1000 А). Привод – ПР-У1. Все расчетные и справочные данные сведены в табл. 8.

 

Т а б л и ц а   номинальный ток отключения 45 кА, для умеренного климата, закрытой орный, горшковый, 10 кВ7 – Расчетные и справочные данные

 

Расчетные данные	Справочные  данные
	Выключатель МГГ-10-5000-45У3	Разъединитель РВК-10-5000
		–            –             –            –

 

         Примечания: По условию отключения апериодической составляющей тока К3 выключатель не проходит, согласно ГОСТ 687 – 78Е в этом случае проверка по полному току К.3. [7].

 

         Т а б л и ц а  8 – Расчетные и справочные данные

 

Расчетные данные	Справочные данные
	Выключатель У-110-2000-40У1	Разъединитель РНДЭ-110/1000У1
		–            –            –

 

 Список литературы

         1. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергосервис, 2002. – 280 с.

         2. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций и тепловых сетей. – М.: Энергия, 1985. – 150 с.

         3. А.А. Церазов, В.А.Старшинов, А.П.Васильева. Электрическая часть тепловых электрических станций: Учебник для вузов.- М.: МЭИ, 1995. – 370 с.

         4. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: Учебное пособие, / Под ред. И.П. Крючкова, В.А. Старшинова. – М.: Академия, 2005. – 416 с.

         5. Справочник по проектированию электроэнергетических систем.- / Под ред. С.С. Рокотяна и И.М. Шаприро. – М.: Энергоатомиздат, 1985.-248 с.

         6. Электротехнический справочник, -/ Под общей ред. П.Г. Грудинского.

- М.: Энергия. – 1980. – 570 с.

         7. Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 645 с.

         8. Б.Н. Неклепаев, И.П. Коючков. Электрическая часть станций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 605 с.

         9. С.А. Ульянов. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1970. – 520 с.

         10. Электрическая часть станций и подстанций: Учебник. / Под ред. А.А. Васильева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 606 с.

         11. Техника высоких напряжений: Учебник./ Под ред. Г.С. Кучинского. – С-П.: Энергоатомиздат, 2003. – 606 с.

         12. К.К. Александров. Электротехнические чертежи и схемы.-.М.: МЭИ. – 2004. – 309 с.

         13. Г.Хожин. Электр станциялары мен қосалқы станциялар. Оқулық. Алматы: «Ғылым» ғылыми баспа орталығы. 2002. 312 б. 

 

 Содержание 

Введение………………………………………………………………..……..…....3

1 Цель и задачи расчетно-графической работы № 2…………………………….3

2 Объем и содержание расчетно-графической работы………………………….4

3 Расчет токов короткого замыкания и выбор оборудования…………………..5

3.1 Общие положения. Определение расчетных зон…………………………....5                           

3.2 Сопротивления  элементов  схемы и приведение их к базисным условиям………….6

3.3 Преобразование электрических схем, определение результирующих   сопротивлений и токов к. з....11

3.4 Определение токов к. з. с учетом подпитки от двигателей ……………….17    

3.5 Определение токов к. з. для выбора выключателей ……………………….19    

3.6 Выбор аппаратов и токоведущих частей электроустановок ………………20     

3.6.1 Общие положения…………………………………………………………..20     

3.6.2  Выбор выключателей  …………………………………………………..…23 

3.6.3 Выбор разъединителей……………………………………………………..24  

4. Решение задачи по определению токов короткого замыкания (КЗ)………..24

Список литературы ………………………………………………………………38

Содержание  ………………………………………………………………………39