Курсовая работа (т): Распределительные устройства РУ-110 кВ концевой и ответвительной подстанции

Более опасно однофазное замыкание на землю через электрическую дугу, так как последняя может повредить электрооборудование. При определенных условиях в месте замыкания на землю может возникнуть так называемая перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Так как сеть обладает индуктивностью, то в моменты гашения и зажигания дуги в индуктивных элементах наводится Э.Д.С., величина которой пропорциональна скорости изменения тока  

Скорость изменения тока  в момент возникновения и гашения перемежающейся дуги велика, и возникающая э.д.с. может превышать напряжение сети в несколько раз. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и образование коротких замыканий в частях электроустановки с ослабленной изоляцией.

В электросетях напряжением 6-10 кВ перенапряжения, вызванные перемежающейся электрической дугой, неопасны для изоляции электрооборудования. В противоположность этому в электросетях напряжением 35 кВ и выше перенапряжения, возникающие при образовании перемежающейся дуги, опасны для изоляции. В таких сетях ток замыкания на землю не должен превышать 10 А ( 10 А), так как при большем токе в месте замыкания на землю, как правило, возникает перемежающаяся электрическая дуга. Сети напряжением 110 кВ с незаземленными нейтралями, как правило, не работают, так как при их значительной протяженности и высоком напряжении, ток  в этих сетях всегда превышает 10 А.

Заземление нейтрали приводит к увеличению числа аварийных ситуаций, т. к. замыкания на землю, составляющие 65% от всех видов замыканий, становятся короткими и требуют немедленного отключения поврежденного элемента сети, что является существенным недостатком такой сети. Практика эксплуатации электроустановок напряжением выше 1000 В показывает, что большая часть однофазных замыканий в воздушных электросетях носит кратковременный характер, изоляция в месте замыкания на землю быстро восстанавливается после отключения поврежденного участка, и линия электропередачи может быть немедленно включена в работу с помощью устройств автоматического повторного включения (АПВ). Если замыкание на землю носило временный характер (схлестывание проводов ЛЭП при сильном ветре, перекрытие изоляции птицами и т. д.), то линия включается и питание потребителей восстанавливается в течение нескольких секунд. В противном случае линия отключается вторично.

Достоинством сетей с заземленными нейтралями является то, что при однофазных замыканиях на землю напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле не повышается, остается равным фазному. Благодаря этому, за счет облегчения изоляции фаз по

отношению к земле существенно уменьшаются расходы на сооружение таких сетей. Достигаемая экономия тем больше, чем выше напряжение сети.

Сети напряжением выше 1000 В с заземленными нейтралями и токами замыкания на землю более 500 А относятся к сетям с большими токами замыкания на землю. Сети с незаземленными нейтралями или с нейтралями, заземленными через токоограничивающие устройства с большими сопротивлениями, напряжением до 35 кВ и токами замыкания на землю до 500 А относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю.

4.1.2 Переходные процессы при коротких замыканиях

Величина и характер изменения тока КЗ в электрической сети зависит от целого ряда факторов: параметров сети (мощности активного и реактивного сопротивлений до точки КЗ, напряжения в точке КЗ); вида КЗ (однофазное, двухфазное, трехфазное); фазы напряжения; времени с момента возникновения КЗ; режима работы сети до КЗ (холостой ход, нагрузка).

Рассмотрим наиболее простой и часто встречающийся случай КЗ в системе неограниченной мощности, за которую условно принимают очень мощную систему, напряжение на шинах которой () и частоту можно считать неизменными при любых изменениях тока (даже при КЗ) в присоединенной к ней маломощной цепи. Мощность такой системы считается бесконечно большой (,а сопротивления равны нулю (), при этом падение напряжения в системе также равно нулю.

Рис. 4.3. Расчетная схема для определения тока трехфазного КЗ.

На рис. 4.3 представлена расчетная схема для определения тока трехфазного КЗ на линии. Действующее значение трехфазного тока КЗ можно определить по формуле

Где действующее значение трехфазного тока КЗ, кА;

 - среднее напряжение фазы на шинах питающей системы, кВ;

R и X - суммарное активное и индуктивное сопротивления цепи КЗ, Ом.

Учитывая, что в электросетях напряжением выше 1000 В обычно  , и, упростив обозначение тока трехфазного КЗ

(действующее значение трехфазного тока КЗ можио определить по формуле

Рассмотрим процесс перехода от нормального режима работы сети к установившемуся4>ежиму КЗ. На рис. 2.4 изображена векторная диаграмма напряжений и тока фазы В в момент возникновения КЗ (t - 0). Напряжение фазы В в этот момент равно 0, а ток /_в отстает от напряжения на угол ср. При КЗ 'ток должен резко возрасти до 1_ш и отстать от напряжения U_B на угол ф_к = 90°, так как

Рис. 4.4. Векторная и временная диаграммы изменения тока трехфазного КЗ

цепь КЗ практически чисто индуктивная. Во всех индуктивных элементах цепи КЗ наводится э.д.с., которая создает в цепи ток

 - амплитудное значение периодической составляющей тока КЗ;

- ток нормального режима работы в момент времени t = 0.

Апериодическая составляющая тока КЗ в начальный момент (отрезок ОВ) препятствует броску тока в цепи до амплитудного значения (отрезок АБ), и он остается равным . Переход от  к  (векторная диаграмма) продолжается в течение 1012 периодов вращения векторной диаграммы с угловой скоростью ω.

Ток , возникший в результате перехода части энергии магнитного поля в электрическую, с течением времени уменьшается, так как электрическая энергия переходит в тепловую на активных сопротивлениях цепи R_Σ

Затухание тока происходит по экспоненциальному закону

Где - апериодический ток в момент времени t;

- апериодический ток в момент времени 0;

е = 2,72 - основание натурального логарифма;

t - время, прошедшее с момента возникновения КЗ до момента, где определяется ;

Т_а - постоянная времени затухания апериодического тока.

Постоянная времени цепи КЗ Т_а определяется по формуле

Где  - суммарная индуктивность короткозамкнутой цепи;

 - угловая частота.

При f = 50 Гц со = 314 об/с.

Таким образом, в цепи КЗ действуют две составляющие тока: периодический, протекающий под действием синусоидального напряжения сети, и апериодический (непериодический), затухающий по экспоненте. На самом деле в цепи протекает один ток i_Ki, равный алгебраической сумме двух его составляющих токов в момент времени t

Рассматривая кривую тока i_kt, видим, что через полпериода (0,01 с) ток достигает максимального значения, которое называется ударным током короткого замыкания

Согласно выражению  имеет наибольшее значение при максимально возможной величине i_ao. По выражению это будет иметь место при i_но = 0, то есть до короткого замыкания ток в цепи отсутствовал. Таким образом, расчетными являются условия, при которых мгновенные значения напряжения и тока рассматриваемой фазы равнялись нулю непосредственно перед возникновением КЗ. При этих условиях можно записать

В цепях напряжения выше 1000 В с относительно малым активным сопротивлением 0,05 с. Подставив в формулу вместо  его выражение через действующее значение тока  , получим формулу ударного тока

Ударный коэффициент ТС тока короткого замыкания учитывает долю участия апериодической составляющей тока КЗ в образовании ударного тока:

Учитывая, что в установившемся режиме КЗ действует только периодическая составляющая тока КЗ, то можно обозначить  определяется по формуле.

Окончательно получаем

Определим возможные пределы изменения ударного коэффициента. В цепях, обладающих только индуктивным сопротивлением ( = 0),

В цепях, обладающих только активным сопротивлением (Х_∑ = 0),

Таким образом, 2 >  >1.

При = 0,05 с = 1,8, при этом получим

Наибольшее действующее значение ударного тока в течение первого периода КЗ определяется уравнением

Где  - действующее значение апериодической составляющей тока КЗ в момент времени 0,01 с, которое можно принять равным ,

Из выражения можно определить мгновенное значение апериодической составляющей ударного тока

После затухания апериодической составляющей тока КЗ заканчивается переходный процесс и наступает установившийся режим КЗ, в котором ток изменяется синусоидально и его действующее значение до отключения не меняется.

4.1.3 Режим нагрева элементов электрических установок токами- термическое действие токов короткого замыкания

Различают два основных режима нагрева элементов электроустановок токами: длительный нормальный режим работы и кратковременный режим короткого замыкания.

Температура нагрева проводника в нормальном режиме зависит от величины протекающего по нему рабочего тока /_раб и определяется по формуле

Где  - начальная температура проводника в момент возникновения режима КЗ (рис. 4.5);

 - температура окружающей среды;

 - допустимая температура нагрева проводника максимальным рабочим током ;

 - рабочий ток, протекающий по проводнику перед возникновением КЗ;

 - максимальный допустимый ток рабочего режима.

Рис 4.5. Диаграмма изменения температуры проводника при нагреве его током КЗ.

Таблица 4.1. Допустимые температуры нагрева шин и кабелей длительными рабочими и кратковременными токами КЗ

Надежная работа проводников электроустановки в нормальном режиме может быть обеспечена только при условии, что  , т.е.

При коротком замыкании время протекания тока до отключения обычно не превышает нескольких секунд или даже долей секунды, поэтому можно не учитывать отдачу тепла в окружающую среду и считать, что все тепло, выделяемое в проводнике за время КЗ, идет на повышение его температуры (адиабатический процесс нагрева). Так как токи КЗ во много раз превышают рабочие, температура проводников, несмотря на кратковременность, может достигать очень больших значений максимально допустимый нагрев токоведущих частей током КЗ определяется тепловыми свойствами их изоляции и условиями сохранения механической прочности металла проводника. При недопустимо высоких температурах нагрева происходит быстрое старение изоляции проводников и их отжиг.