Выбор высоковольтного оборудования на электростанциях и подстанциях

Лекция 6: «Выбор высоковольтного оборудования на электростанциях и подстанциях».

Выбор высоковольтных выключателей.

При выборе выключателей необходимо учесть двенадцать различных параметров, но, так как завод изготовитель гарантирует определённую зависимость параметров, например

I_{ВКЛ.НОМ} ³ I_{ОТКЛ.НОМ} ;     i _{ВКЛ.НОМ} ³ 1.8×Ö2×I_{ОТКЛ.НОМ},

допустимо производить выбор выключателей по важнейшим параметрам:

1. По напряжению установки U_РАБ £ U_НОМ ;

2. По длительному току I_РАБ £ I_НОМ ;

3. На симметричный ток отключения I_пt £ I_{откл.ном} ;

4. На отключение апериодической составляющей тока КЗ                                   i_at £ i_a.ном = Ö2×b_ном×I_{откл.ном} / 100, где                                                i_a.ном – номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени t;

Рекомендуемые материалы

b_ном – нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, %;

i_at – апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов t;

t – наименьшее время от начала КЗ до момента расхождения дугогасительных контактов: t = t_{рз. min} + t_{о. в.}  ; здесь  t_{рз. min} = 0.01сек – минимальное время действия релейной защиты; t_{о. в.} – собственное время отключения выключателей.

Если условие Iпt £ I_{ОТКЛ.НОМ}   соблюдается, а i_at > i_a.ном , то допускается проверку по отключающей способности выполнять по полному току КЗ:

(Ö2×I_пt + i_at) £ Ö2×I_{откл.ном}×(1+b_ном / 100).

5. По включающей способности проверка выполняется по условию      i_у £ i_вкл ; I_по £ I_вкл, где i_у – ударный ток КЗ; I_по – начальное значение периодической составляющей тока КЗ; I_вкл  - номинальный ток включения.

6. На электродинамическую стойкость I_по £ I_дин ; i_у £  i_дин, где i_дин –наибольший ток электродинамической стойкости по каталогу; I_дин – действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ.

7. На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ: Вк £ I²_T×t_T  или I²_ПО×(Ta + t_откл) £ I²_T×t_T, где Вк – тепловой импульс тока КЗ по расчёту; I_T – ток термической стойкости по каталогу; t_T – длительность протекания тока термической стойкости по каталогу, сек ;

t_откл = t_рз + t_ов.

Выбор разъединителей и отделителей.

Выбор разъединителей и отделителей производится:

1. По напряжению установки: Uуст £ Uном;

2. По току: Iнорм £ Iном;  Iмакс £ Iном;

3. По конструкции, роду установки;

        4. По электродинамической стойкости: i_у £ i_пр,с ; I_п,о £ I_пр,с                         где i_пр,с, I_пр,с         - предельный сквозной ток КЗ (амплитуда и   действующее значение);

        5. По термической стойкости:         Вк £ I²_T×t_T

Короткозамыкатели выбираются по тем же условиям, но без проверки по току нагрузки.

Выбор предохранителей.

Выбор предохранителей производится :

1. По напряжению установки: Uуст £ Uном;

2. По току: Iнорм £ Iном;  Iмакс £ Iном;

3. По конструкции, роду установки;

4. По току отключения: I_по £  I_отк,    где I_отк – предельно отключаемый ток (симметричная составляющая).

Номинальный ток плавкой вставки предохранителя выбирается по условиям защиты, а также по условиям селективности.

Выбор трансформаторов тока.

Трансформаторы тока выбирают:

1. По напряжению установки: Uуст £ Uном;

2. По току: Iнорм £ I ₁ном;  Iмакс £ I ₁ном.                                             Номинальный ток должен быть как можно ближе к рабочему току установки, так как недогрузка первичной обмотки приводит к увеличению погрешностей.

3. По конструкции и классу точности;

4. По электродинамической стойкости: : i_у £  К_эд×Ö2×I_1ном ; i_у £ i_дин,                 где К_эд – кратность электродинамической стойкости по каталогу; I ₁ном – номинальный первичный ток трансформатора тока; i_дин – ток электродинамической стойкости.                                                               Электродинамическая стойкость шинных трансформаторов тока определяется устойчивостью самих шин распределительного устройства, вследствие этого такие трансформаторы по этому условию не проверяются;

1. По термической стойкости:       Вк £ (К_Т×I_1ном)² ×t_T ;  Вк £ I²_T×t_T,                           где Вк – тепловой импульс по расчёту; К_Т – кратность термической стойкости по каталогу; t_T – время термической стойкости по каталогу; I_T – ток термической стойкости;

2. По вторичной нагрузке: Z₂ £ Z_2ном,                                                    где Z₂ – вторичная нагрузка трансформатора тока; Z_2ном – номинальная допустимая нагрузка трансформатора тока в выбранном классе точности.

Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому Z₂ »r₂. Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов, соединительных проводов и переходного сопротивления контактов: r₂=r_приб + r_пр + r_к.

Сопротивление приборов определяется по выражению r_приб = S_ном / I₂²,    где S_приб – мощность, потребляемая приборами; I₂ – вторичный номинальный ток прибора, равный 5А.

Сопротивление контактов принимается 0.05 Ом при двух-трёх приборах и 0.1 Ом при большем числе приборов. Сопротивление соединительных проводов зависит от их длины и сечения. Чтобы трансформатор тока работал в выбранном классе точности, необходимо выдержать условие:                                                              r_приб + r_пр + r_к £ Z_2ном,

откуда                                    r_пр = Z_2ном - r_приб - r_к.

Зная r_пр можно определить сечение соединительных проводов:

где r - удельное сопротивление материала провода. Провода с медными жилами (r=0.0175) применяются во вторичных цепях основного и вспомогательного оборудования мощных электростанций с агрегатами 100МВт и более, а также на подстанциях с высшим напряжением 220кВ и выше. В остальных случаях во вторичных цепях применяются провода с алюминиевыми жилами (r=0.0283); l_расч – расчётная длина, зависящая от схемы соединения трансформаторов тока. Для трёх ТТ, соединённых в звезду, l_расч = l, где l – расстояние от места установки ТТ до приборов. Для двух ТТ, соединённых в неполную звезду, l_расч=l×Ö3. Для схемы с одним ТТ, подключённого в среднюю фазу (фаза В) l_расч=2×l.

Длину соединительных проводов от ТТ до приборов для ступеней напряжения можно принять: 35кВ … (60 - 75)м; 110кВ … (75 – 100)м; 220кВ … (100-150)м; 500кВ … (150-175)м.

Выбор трансформаторов напряжения.

Трансформаторы напряжения выбираются:

1. По напряжению установки: Uуст £ Uном;

2. По конструкции и схеме соединения обмоток;

3. По классу точности;

4. По вторичной нагрузке: Z_2S £ Z_ном,                                                      где Sном – номинальная мощность в выбранном классе точности, при этом следует иметь в виду, что для однофазных трансформаторов, соединённых в звезду, следует взять суммарную мощность всех трёх фаз, а для соединённых по схеме открытого треугольника – удвоенную мощность одного трансформатора; Z_2S - нагрузка всех измерительных приборов и реле, присоединённых к трансформатору напряжения, В×А.

Для упрощения расчётов нагрузку приборов можно не разделять по фазам, тогда:

Если вторичная нагрузка превышает номинальную мощность в выбранном классе точности, то устанавливают второй трансформатор напряжения и часть приборов присоединяют к нему.

По условию механической прочности для меди сечение провода не менее 1.5мм², для алюминиевых жил – 2.5мм².

Выбор кабелей.

Кабели широко применяются в электроустановках. Потребители 6-10кВ, как правило, получают питание по кабельным линиям, которые сначала прокладываются в кабельных туннелях в распределительном устройстве, а затем в земле (в траншеях). Для присоединения потребителей собственных нужд электростанций и подстанций к соответствующим шинам также используются кабели 6 и 0.4кВ.

Кабели выбирают:

1. По напряжению установки: Uуст £ Uном;

2. По экономической плотности тока: ;

3. По допустимому току: Iмакс £ Iдоп,                                                   где Iдоп – длительно допустимый ток с учётом поправки на число рядом положенных в земле кабелей К₁ и на температуру окружающей среды К₂.                                                                                                           Iдоп=К₁×К₂×Iдоп.ном.                            поправочные коэффициенты К₁ и К₂, допустимый ток находят по справочникам.

4. Выбранные по нормальному режиму кабели проверяют на термическую стойкость по условию: J_К £ J_{К ДОП}  или       q_min £ q.

Выбор гибких шин.

В РУ 35кВ и выше применяются гибкие шины, выполненные проводами АС. Гибкие токопроводы для соединения генераторов и трансформаторов с РУ 6-10кВ выполняются пучком проводов, закреплённых по окружности в кольцах-обоймах. Два провода из пучка – сталеалюминевые – несут в основном механическую нагрузку от собственного веса, гололёда и ветра. Остальные провода – алюминиевые – являются только токоведущими. Сечения отдельных проводов в пучке рекомендуется выбирать возможно большими (500, 600мм²), так как это уменьшает число проводов и стоимость токопровода.

Гибкие провода применяются для соединения блочных трансформаторов с ОРУ.

Провода линий электропередач напряжением более 35кВ, провода длинных связей блочных трансформаторов с ОРУ, гибкие токопроводы генераторного напряжения проверяются по экономической плотности тока: .

Где Iнорм – ток нормального режима (без перегрузок); Jэ – нормированная плотность тока, А/мм².

Проверка сечения на нагрев (по допустимому току) производится по:        

        Imax £ Iдоп.

Выбранное сечение проверяется на термическое действие тока КЗ по J_К £ J_{К ДОП}  ;  . С_ал=91,  С_Cu=167.

На электродинамическое действие тока КЗ проверяются гибкие шины РУ при I_к⁽³⁾ ³ 20кА и провода ВЛ при i_у ³ 50кА.

Проверка по условиям короны необходима для гибких проводников при напряжении 35кВ и выше. Разряд в виде короны возникает около провода при высоких напряжённостях электрического поля и сопровождается потрескиванием и свечением. Процессы ионизации воздуха вокруг провода приводят к дополнительным потерям энергии, к возникновению электромагнитных колебаний, создающих радиопомехи, и к образованию озона, окисляющего контактные соединения.

Разряд в виде короны возникает при максимальном значении начальной критической напряжённости электрического поля, кВ/см,

где m – коэффициент шероховатости, равный 0.82; r₀ – радиус провода, см.

Напряжённость электрического поля около поверхности нерасщеплённого провода определяется по формуле:

где U – линейное напряжение, кВ; Dср – среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см.

При горизонтальном расположении фаз Dср=1.26D,    где D – расстояние между соседними фазами, см.

При расщеплении проводов напряжённость электрического поля определяется по формуле:

При расщеплении фазы на два параллельных проводника К = 1+2×r₀/a, а эквивалентный радиус . Здесь а – расстояние между расщеплёнными проводами фазы. Для U=220кВ   а=20-30см.

Провода не будут экранировать, если наибольшая напряжённость поля у поверхности провода не более 0.9E₀. таким образом, условия короны можно записать в виде: 1.07 ×Е £  0.9E₀.

Выбор жёстких шин.

В закрытых РУ 6-10кВ ошиновка и сборные шины выполняются жёсткими алюминиевыми шинами. Медные шины из-за высокой их стоимости не применяются даже при больших токовых нагрузках. При токах до 3000А применяются одно- и двухполосные шины. При больших токах рекомендуются шины коробчатого сечения, так как они обеспечивают меньшие потери от эффекта близости и поверхностного эффекта, а также лучшие условия охлаждения.

Сборные шины и ответвления от них к электрическим аппаратам (ошиновка) 6-10кВ из проводников прямоугольного или коробчатого профиля крепятся на опорных фарфоровых изоляторах, допускают продольное смещение шин при их удлинении вследствие нагрева. При большой длине шин устанавливаются компенсаторы из тонких полосок того же материала, что и шины.

Для лучшей теплоотдачи и удобства эксплуатации шины окрашивают при переменном токе фаза А в жёлтый, фаза В – зелёный и фаза С – красный цвет; при постоянном токе положительная шина в красный, отрицательная – синий цвет.

Сборные шины электроустановок и  ошиновка в пределах открытых и закрытых РУ всех напряжений по экономической плотности тока не проверяются.

1. Выбор сечения шин производится по нагреву (по допустимому току) при учитываются не только нормальные, но и послеаварийные режимы, а также режимы в период ремонтов и возможность неравномерного распределения токов между секциями шин. Условие выбора Iрабmax £ Iдоп,            где Iдоп – допустимый ток на шины выбранного сечения с учётом поправки при расположении шин плашмя или температуре воздуха, которая отличается от принятой  J_0ном  = 25°С.  Тогда .                  Для неизолированных проводов и окрашенных шин принято J_ДОП=70°С; J_0.НОМ=25°С, тогда ,                        где I_{ДОП.НОМ} – допустимый ток при температуре воздуха J_0.НОМ=25°С; J₀ – действительная температура воздуха; J_ДОП – допустимая температура нагрева продолжительного режима (для шин принято +70°С).

2. Проверка шин на термическую стойкость при КЗ производится по условию J_К £ J_К.ДОП   или    q_min £ q,                                                                 где J_К – температура шин при нагреве током КЗ; J_К.ДОП – допустимая температура нагрева шин при КЗ; q_min – минимальное сечение по термической стойкости; q – выбранное сечение.

3. Проверка шин на электродинамическую стойкость. Жёсткие шины, укреплённые на изоляторах, представляют собой динамическую колебательную систему, находящихся под воздействием электродинамических сил. В такой системе возникают колебания, частота которых зависит от массы т жёсткости конструкций. Электродинамические силы, возникающие при КЗ, имеют составляющие, которые изменяются с частотой 50 и 100Гц. Если собственные частоты колебательной системы шины – изоляторы совпадут с этими значениями, то нагрузки на шины и изоляторы возрастут. Если собственные частоты меньше 30 и больше 200Гц, то механического резонанса не возникает. В большинстве практически применяемых конструкций шин эти условия соблюдаются, поэтому ПУЭ не требуют проверки на электродинамическую стойкость с учётом механических колебаний. В частных случаях, например при проектировании новых конструкций РУ с жёсткими шинами, производится определение частоты собственных колебаний для алюминиевых шин: ;                             для медных шин: ,                                           где I – длина пролёта между изоляторами, м; J – момент инерции поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной направлению изгибающей силы, см⁴; q – поперечное сечение шины, см².       Изменяя длину пролёта и форму сечения шин, добиваются того, чтобы механический резонанс был исключён, т.е. f₀ > 200Гц.

Механический расчёт однополосых шин. Наибольшее удельное усилие при трёхфазном КЗ, Н/м, определяется по формуле:

так как расстояние между фазами значительно больше периметра шин а>>2(b + h), то коэффициент формы к_ф=1.

Наибольшие электродинамические усилия возникают при трёхфазном повреждении, поэтому в дальнейших расчётах учитывается ударный ток трёхфазного КЗ. Индексы (3) для упрощения опускаются.

Равномерно распределённая сила f создаёт изгибающий момент, Н×м:

,

где l – длина пролёта между изоляторами шинной конструкции, м.

Напряжение м материале шины, возникающие при воздействии изгибающего момента, МПа,

,

где W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия, см³.

Шины механически прочны, если s_РАСЧ £ s_ДОП,      где  s_ДОП – допустимое механическое напряжение в материале шин.

Механический расчёт двухполосных шин.

Если каждая фаза выполняется из двух полос, то возникает усилия между полосами и между фазами. Усилие между полосами не должно приводить к их соприкосновению. Для того чтобы уменьшить это усилие, в пролёте между полосами устанавливают прокладки. Пролёт между прокладками l_п выбирается таким образом, чтобы электродинамические силы, возникающие при КЗ, не вызывали соприкосновения полос:

механическая система две полосы – изоляторы должна иметь частоту собственных колебаний больше 200Гц, чтобы не произошло резкого увеличения усилия в результате механического резонанса. Исходя из этого величина l_п выбирается ещё по одному условию

где а_п – расстояние между осями полос, см; J_п=h×b³/12 – момент инерции полосы, см; к_ф – коэффициент формы; m_п – масса полосы на единицу длины, кг/м; Е – модуль упругости материала шин.

В расчёт принимается меньшая из двух величин, определённых по выше указанным выражениям.

Силу взаимодействия между полосами в пакете из двух полос можно определить по формуле, подставив i₁=i₂=i_у/2; а=а_п=2b;

.

Напряжение в материале шин от взаимодействия полос  (шины рассматривается как балки с равномерно распределённой нагрузкой и защемлёнными концами), МПа,

где Wп – момент сопротивления одной полосы, см³; l_п – расстояние между прокладками, м.

Напряжение в материале шин от взаимодействия фаз по

где l – длина пролёта между изоляторами, м; Wф – момент сопротивления пакета шин, см³.

Шины механически прочны, если    s_расч = s_Ф +  s_п £ s_доп.

Выбор изоляторов.

В распределительных устройствах шины крепятся на опорных, проходных и подвесных изоляторах. Жёсткие шины крепятся на опорных изоляторах, выбор которых производится по следующим условиям:

1. По номинальному напряжению U_уст £ U_ном;

2. По допустимой нагрузке F_расч £ F_доп,                                                   где Fрасч – сила, действующая на изолятор; Fдоп – допустимая нагрузка на головку изолятора: Fдоп = 0.6Fразр;                                   где Fразр – разрушающая нагрузка на изгиб.

При горизонтальном или вертикальном расположении изоляторов всех фаз расчётная сила, Н,

где К_h – поправочный коэффициент на высоту шины, если она расположена на ребро: К_h = H / H_из;  Н = Н_из + b + h/2,

где Н_из – высота изолятора.

Проходные изоляторы выбираются :

1. По напряжению U_уст £ U_ном;

2. По номинальному току I_мах £ I_ноп;

3. По допустимой нагрузке F_расч £ F_доп.

Для проходных изоляторов расчётная сила, Н,  Fрасч = 0.5f_фl.

Порядок определения температуры шины

1. Определения температуры шины в нормальном режиме

где V₀ – температура окружающей среды (35°С)

Vдоп – длительно допустимая температура для шины (70°С)

V_0НОМ – номинальная температура окружающей среды (25°С)

Iрабмах – максимальный рабочий ток

Iдоп – допустимый ток для шины по справочнику.

2. По кривым находят температуру шины к моменту КЗ f_н = Ф(Vн);

3. Находят температуру шины к концу КЗ, f_К = f_H + k×Bк/q² ,                         где  к – коэффициент, учитывающий удельное сопротивление и теплоёмкость материала шины.                                                              f_к – расчётная температура к концу КЗ;                                            f_н – температура проводника к моменту КЗ.

4.

Определяют  температуру шины к концу КЗ по графику Vк = Ф(f_к).         

                                                                          

5. Шины термически стойкие, если Vк £ Vк.доп, Vк £ 200°С.

Допустимые конечные температуры проводников

и аппаратов при КЗ.

Выбор реакторов.

Применение реакторов позволяет снизить требования к электродинамической и термической стойкости проводников и аппаратов; облегчить работу ряда элементов электроустановок, в том числе генераторов электростанций, при переходных процессах; снизить стоимость электроустановок и распределительных сетей. Наиболее широко реакторы используются в сетях 6-10кВ, где применяются сухие бетонные реакторы различного исполнения для внутренней и наружной установки.

По конструктивному исполнению различают одинарные и сдвоенные реакторы, по месту их включения – секционные и линейные реакторы, по характеристикам – реакторы с линейной и с нелинейной характеристиками, реакторы управляемые и неуправляемые. Сухие бетонные реакторы относятся к неуправляемым реакторам с линейной характеристикой. Они могут выполнять функции как линейных, так и секционных реакторов.

Основными параметрами реакторов являются: номинальное напряжение, номинальный длительный ток, реактивность (в процентах или именованных единицах), потери активной мощности при номинальных условиях, проходная мощность, а также параметры, характеризующие термическую и электродинамическую стойкость реакторов.

Потеря напряжения в реакторе равна:

В нормальном режиме работы потеря напряжения в реакторе, как правило, не должна быть выше 1-1.5%; при наличие у потребителей компенсирующих устройств в реакторе может быть допущена более высокая потеря напряжения – до 2-3%.

При выборе оборудования на станции или подстанции обычно выбирают два типа выключателей: мощный – в цепи генератора (МГ, МГГ) и маломощный в цепи отходящих линий напряжением 6-10кВ (ВМП-10). Устанавливать в цепи отходящих ЛЭП мощные генераторные выключатели экономически нецелесообразно, поэтому для ограничения токов КЗ и использования выключателей типа ВМП, ВМПП, ВМПЭ, ВК, ВКЭ, ВЭ          последовательно включают линейные или более мощные, рассчитанные на несколько потребителей, сдвоенные реакторы типа РБСГ и других.

По конструкции реакторы выпускаются:

1. Сухие – бетонные и деревянные до 10кВ;

2. Масляные – наружной установки на 35-110кВ, которые включены в нейтраль силовых трансформаторов.

Фазы бетонных реакторов могут быть установлены вертикально, ступенчато или горизонтально.

Выбор реакторов производится по нижеследующим пунктам:

В лекции "110 Электронография на просвет" также много полезной информации.

1. По напряжению U_НОМ £ U_{СЕТИ.НОМ};

2. По току I_НОМ £ I_{НОРМ,РАСЧ};

      К_ПI_НОМ ³ I_{ПРОД,РАСЧ};

3. i_дин ³ i_уд;

4. I_T×Öt_T ³ ÖB_K.

Реактивность Х_Р выбирается из условия необходимого ограничения токов КЗ и допустимой потери напряжения в реакторе в нормальном режиме.