Выбор коммутационных аппаратов и токоведущих частей распределительных устройств - Выбор выключателей

2 ВЫБОР КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ 2.1 Выбор выключателей Выключатель- это коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи в различных режимах работы. Выключатели должны надежно отключать токи нормального режима и режима КЗ, а также малые индуктивные и емкостные токи без появления при этом опасных коммутационных перенапряжений. При проектировании электроустановок первоначально намечают типы выключателей, а затем производят их выбор по следующим параметрам [1,7]: а) по напряжению электроустановки , (2.1) где - номинальное напряжение установки; - номинальное напряжение выключателя; б) по длительному току в нормальном и форсированном режимах работы (2.2) в) по отключающей способности При выборе выключателя по отключающей способности сначала производится проверка на симметричный ток отключения по условию: (2.3) где - периодическая составляющая тока короткого замыкания, для момента времени Далее проверяют выключатель на возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ по условию: , или ; (2.4) где - номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключающем токе для момента времени - нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, %, которое берется по каталогу для выбранного выключателя. Если отсутствует для данного типа выключателя, то оно может быть определенно по кривой представленной на рисунке 2.1 или рассчитано для момента времени по выражению: , (2.5) ‑ апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов выключателя ; ‑ процентное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ, которое определяется по выражению: (2.6) Если условие (2.3) выполняется, а (2.4) не выполняется, то допускается проверку выключателя по отключающей способности производить по полному току КЗ: ; (2.7) или (2.8)

Рисунок 2.1-Нормированное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе

Проверка выключателя по включающей способности производится по условию: (2.9) где - ударный ток КЗ в месте установки выключателя, - начальное значение периодической составляющей тока КЗ в месте установки выключателя, - номинальный ток включения выключателя, равный номинальному току отключения (начальное действующее значение периодической составляющей); - наибольший пик тока включения. На электродинамическую стойкость выключатель проверяется по двум условиям: (2.10) где - начальное действующее значение периодической составляющей сквозного предельного тока КЗ, равное номинальному току отключения выключателя; – наибольший пик сквозного предельного тока КЗ. На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ в соответствии с выражением (1.12). Согласно ПУЭ намеченные к установке выключатели должны быть проверены по параметрам переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) на контактах выключателя. ПВН появляется на контактах выключателя после погасания в нем электрической дуги [5,7] . Для воздушных выключателей рекомендуется выполнить сначала приближенную проверку скорости восстановления напряжения [8]: , (2.11) где - расчетный ток трехфазного КЗ; - количество линий, не считая поврежденной. Если условие (2.11) не выполняется, необходимо произвести уточненный расчет. Для уточненной проверки выключателей по параметрам восстанавливающегося напряжения необходимо сопоставить расчетную кривую переходного восстанавливающегося напряжения с нормированной. Расчетная кривая ПВН не должна выходить за пределы нормированной характеристики ПВН выключателя и один лишь раз должна пересекать линию запаздывания. Линия запаздывания параллельна начальной части нормированной характеристики ПВН выключателя и определяется двумя координатами и . Для выключателей напряжением 110 кВ и выше , а координата установлена равной 2, 4 и 8 мкс в зависимости от отключаемого тока, равного соответственно 100, 60 и 30% номинального тока отключения. Нормированная характеристика переходного восстанавливающегося напряжения для сетей с эффективно заземленной нейтралью, напряжением 110 кВ и выше, задается четырьмя координатами и . Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением 110 кВ и выше приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 - Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением 110 кВ и выше.

Нормированная характеристика ПВН для сетей с незаземленной нейтралью или заземленной через дугогасительные реакторы с номинальным напряжением 6¸35 кВ задается двумя координатами и . Линия запаздывания для данных выключателей определяется координатами и [5]. Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением до 35 кВ включительно приведены в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением до 35 кВ

Аналитический расчет ПВН для проверки выключателей может быть выполнен приближенно с рядом упрощений [5]. При расчете ПВН не учитываются активные сопротивления элементов расчетной схемы и влияние короны воздушных линий электропередач (ЛЭП); изменение отключаемого тока вблизи его нулевого значения принимается линейным; воздушные ЛЭП, подключенные к системе сборных шин распределительного устройства, представляются активными сопротивлениями, равными эквивалентным волновым сопротивлениям линий [6]. Для одноцепных ЛЭП могут быть приняты следующие средние значения волновых сопротивлений прямой последовательности представленные в таблице 2.3. Таблица 2.3 - Средние значения волновых сопротивлений прямой последовательности для одноцепных ЛЭП

Волновые сопротивления нулевой последовательности для одноцепных ЛЭП принимаются равными , т.е. . Для двух параллельных одноцепных ЛЭП , а для двухцепной ЛЭП на одной опоре . Расчетными видами КЗ для определения ПВН являются трехфазное и однофазное КЗ на землю. Трехфазное КЗ без соединения с землей является редким исключением [5]. При трехфазном КЗ на землю в наихудших условиях находится первый полюс выключателя, так как он отключает ток трехфазного КЗ. После погасания дуги в первом полюсе выключателя трехфазное КЗ на землю переходит в двухфазное КЗ на землю, отключаемое вторым полюсом. Третий полюс отключает ток однофазного КЗ. Трехфазному КЗ на землю соответствует комплексная схема замещения представленная на рисунке 2.2. Входное сопротивление схемы, при , равно: . (2.12) Переходное восстанавливающееся напряжение на первом полюсе выключателя при трехфазном КЗ на землю определяется по выражению: , (2.13) где - действующее значение тока трехфазного КЗ; - эквивалентная индуктивность схемы; - индуктивность прямой последовательности; - количество линий, не считая поврежденной; , (2.14) где - сопротивление прямой последовательности местной электростанции; - базисное сопротивление; - индуктивность нулевой последовательности местной электростанции; - сопротивление нулевой последовательности местной электростанции Скорость восстановления напряжения на полюсе выключателя без учета емкости схемы определяется по выражению: . (2.15)

Рисунок 2.2 – Комплексная схема замещения При учете емкости схемы скорость восстановления напряжения на полюсе выключателя определяется по выражению: , (2.16) где - входное сопротивление схемы при учете емкости; - эквивалентная емкость схемы; - емкость проводников и элементов оборудования схемы; - действующее значение тока трехфазного КЗ; - линейное напряжение сети; - эквивалентная емкость нулевой последовательности схемы; - дополнительный множитель, определяемый по кривой, , представленной на рисунке 2.3; .

Рисунок 2.3 – Диаграмма для определения множителя

При однофазном КЗ на землю комплексная схема замещения, в которой сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей включены последовательно и обтекаются током , представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Комплексная схема замещения при однофазном КЗ на землю Входное сопротивление схемы относительно контактов выключателя определяется по выражению: . (2.17) ПВН на полюсе выключателя при однофазном КЗ на землю определяется по выражению: , (2.18) где - эквивалентная индуктивность схемы при однофазном КЗ на землю. Скорость ПВН на полюсе выключателя без учета емкости схемы при однофазном КЗ на землю определяется по выражению (2.15), в котором необходимо заменить на . При учете емкости схемы скорость ПВН на полюсе выключателя определяется по выражению (2.16) , в которое необходимо подставить , (2.19) где - эквивалентная емкость схемы при однофазном КЗ на землю. При трехфазном КЗ без замыкания на землю входное сопротивление схемы принимается равным . ПВН на полюсе выключателя определяется по выражению (2.13), где вместо и необходимо подставить и . Скорость ПВН на полюсе выключателя без учета емкости схемы определяется по выражению (2.15), где вместо необходимо подставить , а при учете емкости схемы по выражению (2.16), где . Приведенные выражения позволяют исследовать лишь первую стадию переходного процесса восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя, за которой следует вторая стадия [5]. Вторая стадия переходного процесса является следствием волновых процессов в длинных линиях. Напряжение второй стадии переходного процесса рассматривается как волна, распространяющаяся от выключателя по линиям со скоростью света. Достигнув концов линии, волны отражаются с коэффициентом , равным единице при входном сопротивлении схемы , равном бесконечности (короткая линия разомкнута) или с коэффициентом , равным “минус” единице при входном сопротивлении схемы равным нулю. Отраженные волны возвращаются к станции. Первую отраженную волну следует ожидать по короткой линии спустя время , (2.20) где - время пробега волны на длине , мкс; - длина линии, км; - скорость распространения света, км/с. Отраженная волна, достигнув сборных шин, набегает на входное сопротивление , которое состоит из результирующего волнового сопротивления длинных линий и индуктивности станции , включенных параллельно. Данная волна частично отражается, частично проникает в сопротивление и изменяет ПВН на полюсе выключателя. Отраженная волна, проникшая в сопротивление , равна по величине , (2.21) где - коэффициент проникновения отраженной волны; - количество линий, не считая поврежденной. Наибольшее изменение ПВН создается первой отраженной волной, которая накладывается на кривую ПВН первой стадии переходного процесса. На рисунке 2.5 показан примерный вид кривых ПВН первой стадии переходного процесса при различных видах КЗ, а на рисунке 2.6 показан вид расчетной кривой ПВН с учетом второй стадии переходного процесса.

Рисунок 2.5-Кривые ПВН первой стадии переходного процесса при различных видах КЗ

Рисунок 2.6-Расчетная кривая ПВН с учетом второй стадии переходного процесса Кривую 2а (рисунок 2.6) рассчитанную по выражению (2.21) необходимо сопоставить с нормированной характеристикой ПВН выключателя 1, намеченного к установке. Если расчетная кривая ПВН 2а выходит за пределы нормированной характеристики необходимо произвести уточненный расчет второй стадии переходного процесса.

станции состоит из активного сопротивления и индуктивности , которые включены параллельно. Волна, увеличивающая ПВН на полюсе выключателя, при уточненном расчете определяется с помощью кривой приведенной на рисунке 2.7. По оси абсцисс отложено отношение , а по оси ординат отношение . (2.22)

Рисунок 2.7-Кривая для определения накладывающегося напряжения Для определения кривой накладывающегося напряжения необходимо умножить ординаты вспомогательной кривой на , где - амплитуда среднего эксплуатационного фазного напряжения; - число линий, не считая поврежденной. Примерный вид уточненной кривой второй стадии переходного процесса приведен на рисунке 2.6, кривая 2б. Выбор выключателей рекомендуется производить в виде таблицы 2.4.

2.2 Выбор разъединителей, отделителей и короткозамыкателей

Разъединитель, как коммутационный аппарат, предназначен для отключения и включения электрической цепи без тока и для создания видимого разрыва цепи между частями, оставшимися под напряжением, и аппаратами, выведенными в ремонт. Таблица 2.4 - Расчетные и каталожные данные выключателя