5.2 Вибір електричних апаратів розподільних установок

            5.2.1 Загальні відомості

Всі елементи РУ електричної станції або підстанції повинні надійно працювати в умовах тривалих нормальних режимів, а також мати достатню термічну та динамічну стійкість під час найскладніших коротких замикань. Надійність роботи апаратів гарантується заводом-виробником тільки у випадку їх правильного вибору. При виборі апаратів перевіряється відповідність їх параметрів тривалим робочим та короткочасним аварійним режимам, які можуть виникати під час експлуатації.

Основними параметрами обладнання, які повинні відповідати умовам робочого (тривалого) режиму, є номінальні струм та напруга.

Розрізняють нормальний та форсований робочі режими. Форсований режим виникає в таких випадках:

- для паралельних ліній при відключенні однієї з них;

- для трансформаторів при перевантаженні;

- для кабелів при використанні перевантаженої здатності;

- для генераторів при роботі з номінальною потужністю при зниженні напруги на 5% від номінальної.

Тобто умови вибору апарата

I_роб.ф £ I_ном,

де I_ном – номінальний струм апарата;

I_роб.ф – робочий струм форсованого режиму.

Після цього здійснюється перевірка апаратів за параметрами режиму короткого замикання. За розрахунковий вид приймається трифазне КЗ.

Електродинамічна стійкість характеризується максимальним допустимим струмом апарата i_дин, який повинен дорівнювати або бути більшим розрахункового ударного струму.

Перевірка апаратів на термічну стійкість полягає в порівнянні обчисленого теплового імпульсу з добутком квадрата номінального струму термічної стійкості апарата і номінального часу термічної стійкості, який вказується в каталозі. ПУЕ дозволяє не перевіряти на термічну стійкість провідники і апарати, що захищені плавкими запобіжниками.

Схема для розрахунку струмів КЗ вибирається таким чином, щоб апарат, який перевіряється на термічну та динамічну стійкість, потрапив в найбільш складні умови. Через малу ймовірність аварій між збірними шинами і реактором в лініях з струмообмежуючим реактором, ПУЕ приписує вибирати шинні роз’єднувачі, вимикачі, трансформатори струму, прохідні ізолятори та ошиновку, які встановлюються до реактора, за струмами КЗ за реактором.

Апарати всіх ланок РУ 35 кВ і вище повинні перевірятися за повним струмом КЗ на збірних шинах.

            5.2.2 Вибір вимикачів

Під час вибору вимикачів необхідно враховувати 12 різних параметрів, але оскільки заводами-виробниками гарантується певна залежність параметрів, наприклад,

то допустимо вибирати вимикачі за найважливішими параметрами:

- за напругою установки:

                                                                                                (5.35)

- за тривалим струмом:

                                                                                                 (5.36)

- за вимикаючою здатністю.

В першу чергу здійснюється перевірка на симетричний струм відключення за умовою

                                                                                            (5.37)

Потім перевіряється можливість відключення аперіодичної складової струму КЗ:

                                                                   (5.38)

де  – номінальне допустиме значення аперіодичної складової в струмі, який відключається, для часу t;

 – аперіодична складова струму КЗ в момент розходження контактів;

t – найменший час від початку КЗ до моменту розходження дугогасних контактів,

t = t_з.min + t_вч.,

де t_з.min = 0,01 с – мінімальний час дії релейного захисту;

t_вч – власний час відключення вимикача.

Час t_вч повинен знаходитись в межах:

- для надшвидкодійних вимикачів – до 0,06 с;

- для швидкодійних вимикачів – від 0,06 до 0,08 с;

- для вимикачів прискореної дії – від 0,08 до 0,12 с;

- для нешвидкодійних вимикачів – від 0,12 до 0,25 с.

Якщо умова  дотримується, а , то допускається перевірка за вимикаючою здатністю за повним струмом КЗ.

                                                    (5.39)

де  – нормоване значення вмісту аперіодичної складової у струмі КЗ, %, яке визначається за кривою, що наведена на рис.5.4.

Рисунок 5.4 – Нормоване відносне значення аперіодичної

складової у струмі КЗ

Нормоване значення  визначається для моменту розходження контактів :

t = t_з.min + t_вч = 0,01 + t_вч.

Якщо t > 0,09 с, то беруть  = 0.

Значення  можна також визначити за виразом:

На електродинамічну стійкість вимикач перевіряється за граничними наскрізними струмами КЗ:

                                                                                               (5.40)

                                                                                                 (5.41)

де i_дин. – найбільший піковий струм електродинамічної стійкості за каталогом;

I_дин – діюче значення періодичної складової граничного наскрізного струму КЗ.

На термічну стійкість вимикач перевіряється за тепловим імпульсом струму КЗ:

                                                                                             (5.42)

де B_к – розрахунковий тепловий імпульс струму КЗ;

I_т – середньоквадартичне значення струму за час його протікання (струм термічної стійкості) за каталогом;

t_т – тривалість протікання струму термічної стійкості за каталогом, с.

Для встановлення в РУ 110 кВ і вище рекомендуються повітряні та елегазові вимикачі. В колах генераторів застосовують вимикачі типу МГГ, МГ. На потужних блоках – типу ВВ-10, 15, 20. На лініях, що відходять на генераторній напрузі, потрібно орієнтуватися на вакуумні та елегазові вимикачі. РУ власних потреб 6 кВ станцій виконують з комплектних комірок КРУ з елегазовими або вакуумними вимикачами.

В додатку Г наведені технічні характеристики вимикачів.

            5.2.3 Вибір роз’єднувачів

Вибір роз’єднувачів значно простіший, ніж вибір вимикачів, тому що роз’єднувачі не пристосовані для відключення ні нормальних, ні, тим паче, аварійних струмів. В зв’язку з цим для їх вибору обмежуються визначенням таких необхідних робочих параметрів: номінальної напруги U_ном і тривалого номінального струму I_ном, а також перевіркою на термічну та динамічну стійкість при наскрізних струмах КЗ.

Особливу увагу під час вибору роз’єднувачів слід звертати на їх конструкцію. Для електроустановок всіх напруг, в тому числі і невеликих, слід вибирати виключно триполюсні роз’єднувачі.

Вимикачі і роз’єднувачі зручно вибирати одночасно. Розрахункові значення потрібних для вибору величин, а також каталожні дані вимикачів і роз’єднувачів записуються в таблицю. Як приклад наведена
таблиця 5.9. Для вимикачів у колах власних потреб замість типів роз’єднувачів вказують типи комірок КРУ.

Таблиця 5.9 – Приклад вибору вимикача та роз’єднувача

Вибираючи апарати для електричних станцій та підстанцій слід прагнути до однотипності електрообладнання, особливо в тотожних приєднаннях (генераторів, трансформаторів зв’язку, в РУ різних напруг).

        5.2.4 Вибір струмообмежувальних реакторів

Для обмеження струму КЗ в РУ 6-10 кВ ТЕЦ застосовують секційні та лінійні реактори (рис. 5.5). Доцільність в їх встановленні визначається під час проектування головної електричної схеми разом з іншими засобами обмеження струмів КЗ (див. розд. 2.5).

Секційні реактори обмежують струм КЗ в зоні збірних шин, приєднань генераторів, трансформаторів, тому їх опори повинні бути достатніми для обмеження струму КЗ до значень, які потрібні для встановлення вимикачів.

Рисунок 5.5 – Схема включення реакторів в РУ генераторної напруги:

1 - секційний реактор; 2 - лінійний реактор

Секційний реактор вибирають за напругою, тривалим номінальним струмом I_тр.ном та індуктивним опором X_p.

Номінальний струм секційного реактора зазвичай беруть рівним

I_{роб.ном} ³ (0,6 - 0,7) × I_г.ном,                                                                  (5.43)

де I_г.ном – сумарний струм генераторів, приєднаних до секції.

Індуктивний опір секційного генератора беруть рівним
0,2÷0,35 Ом.

Лінійні реактори включаються послідовно в лінію. За допомогою них обмежують струм КЗ в розподільній мережі і підтримують залишкову напругу U_зал на шинах РУ при КЗ на одній з ліній.

Розглянемо порядок вибору лінійних реакторів.

Реактори вибирають за номінальною напругою і номінальним струмом

U_уст. £ U_р.ном;     I_роб. £ I_р.ном.                                                             (5.44)

Індуктивний опір реактора вибирають, виходячи з умов обмеження струму КЗ до заданого рівня, визначеного комутаційною здатністю вимикачів, які встановлені в даній мережі.

З самого початку відоме значення періодичної складової струму КЗ I_п.0, яке за допомогою реактора необхідно зменшити. Результуючий опір кола КЗ до місця приєднання реакторів (рис. 5.6) можна визначити за виразом

                                                                                       (5.45)

Рисунок 5.6 – Заступна схема для визначення опору реактора

Початкове значення періодичної складової струму за реактором повинно дорівнювати струму відключення вимикача:

I_п.оК2 = I_відкл.

Опір КЗ до точки К2 за реактором

                                                                                    (5.46)

Різниця отриманих за (5.45) та (5.46) опорів дає необхідний опір реактора:

X_p = X_рез.К2 - X_рез.К1.                                                                            (5.47)

Вибирають за каталогом тип реактора з найближчим більшим значенням X_p і розраховують дійсне значення періодичної складової струму КЗ за реактором.

Вибраний реактор необхідно перевірити на електродинамічну стійкість:

i_y £ i_дин.,                                                                                                   (5.48)

де i_y – ударний струм трифазного КЗ за реактором.

Перевірка на термічну стійкість відбувається за умовою

                                                                                               (5.49)

Коротке замикання за реактором можна вважати віддаленим, тому

,

при цьому до значення  входить час дії релейного захисту ліній, який складає 1 – 2 с.

Необхідно також визначити втрату напруги в реакторі і залишкову напругу на шинах установки, %:

для здвоєного реактора

Порівнюємо отримані значення з допустимими:

В деяких каталогах X_p подаються у відсотках. Визначення опору реактора в іменованих одиницях здійснюється за виразом:

5.2.5 Вибір вимірювальних трансформаторів

            5.2.5.1 Вибір трансформаторів струму

Трансформатори струму (current transformer) вибирають за такими параметрами.

1. За напругою установки

                                                                                               (5.50)

2. За струмом

                                                                                                (5.51)

Номінальний струм повинен бути якнайближчим до робочого струму установки, тому що недовантаження первинної обмотки призводить до збільшення похибок вимірювання.

3. За конструкцією та класом точності.

За конструкцією розрізняють такі трансформатори струму: котушкові, одновиткові (типу ТПОЛ), багатовиткові з литою ізоляцією (типу ТПЛ і ТЛМ). Трансформатори типу ТЛМ, ТПЛК призначені для КРУ і конструктивно сумісні з одним зі штепсельних роз’ємів первинного кола комірки. Для великих струмів застосовують трансформатори типу ТШЛ і ТПШЛ, у яких роль первинної обмотки виконує шина. Для ВРУ випускають трансформатори типу ТФН, ТФЕМ у фарфоровому корпусі з паперово-масляною ізоляцією і каскадного типу - ТРН, ТФРМ. На виводах масляних бакових вимикачів та силових трансформаторів напругою 35 кВ і вище встановлюються вбудовані трансформатори струму ТВ, ТВС, ТВУ.

Клас точності трансформаторів струму згідно з ПУЕ вибирають відповідно до їх призначення: для приєднання лічильників фінансових розрахунків з споживачами – 0,5, для решти технічних вимірювальних приладів – 1,0.

4. За електродинамічною стійкістю:

                                                                                   (5.52)

де i_y – ударний струм КЗ за розрахунком;

K_д – кратність електродинамічної стійкості за каталогом;

I_1ном – номінальний первинний струм трансформатора струму;

i_дин – струм електродинамічної стійкості.

5. За термічною стійкістю:

                                                                             (5.53)

де B_к – тепловий імпульс за розрахунком;

K_т – кратність термічної стійкості за каталогом;

t_т – час термічної стійкості за каталогом;

I_с – струм термічної стійкості.

6. За вторинним навантаженням:

Z₂ £ Z_2ном,                                                                                                 (5.54)

де Z₂ – вторинне навантаження трансформатора струму;

Z_2ном – номінальне допустиме навантаження трансформатора струму у вибраному класі точності.

Індуктивний опір струмових кіл невеликий, тому Z₂ » r₂. Вторинне навантаження складається з опору приладів, з’єднувальних проводів та перехідного опору контактів:

r₂ = r_прил. + r_пр. + r_к.                                                                              (5.55)

Опір приладів визначається за виразом:

                                                                                           (5.56)

де  – потужність, яка споживається приладами;

I₂ – вторинний номінальний струм.

Для підрахунку  рекомендується таблична форма (табл. 5.10).

Таблиця 5.10 – Розрахунок S_прил., В×А

Трансформатори струму встановлюються на всіх ділянках (ділянки генераторів, трансформаторів, ліній тощо). Більш докладніше, які вимірювальні прилади необхідно встановлювати в тому чи іншому колі, можна ознайомитися в [9, табл. 4.11, С. 362]. Необхідно також врахувати схеми включення і розподілу приладів по комплектах трансформаторів струму (схеми з’єднання вимірювальних трансформаторів і приладів наведені на рис. 4.106 в [9] та рис. 5.7).

Опір контактів r_к беруть рівним 0,05 Ом, якщо в коло включено 2–3 прилади, і 0,1 Ом за більшої кількості приладів.

Знаючи Z_2ном., визначаємо допустимий опір

r_пр. = Z_2ном. - r_прил. - r_к.

Рисунок 5.7 – Схема включення вимірювальних приладів генератора

і площу перерізу проводу    ,

де r – питомий опір матеріалу проводу (r = 0,0175 для проводів з мідними жилами і r = 0,0283 для проводів з алюмінієвими жилами);

  – розрахункова довжина, яка залежить від схеми з’єднання трансформатора струму і відстані l від трансформаторів струму до приладів:

при включенні в неповну зірку ;

при включенні в зірку l_розр. = l;

при включенні в одну фазу l_розр.=2×l.

Для різних приєднань береться приблизно така довжина з’єднувальних проводів l, м:

Для підстанцій вказані довжини зменшують на 15-20%.

За умовами механічної міцності отримана площа перерізу не повинна бути меншою 2,5 мм² для проводів з алюмінієвими жилами і 1,5 мм² для проводів з мідними жилами. Проводи з площею перерізу більше ніж 6 мм², як правило, не застосовуються.

            5.2.5.2 Вибір трансформаторів напруги

Трансформатори напруги (voltage transformer) вибираються за такими параметрами.

1.     За напругою установки

.                                                                                              (5.57)

2. За конструкцією і схемою з’єднання обмоток.

В установках напругою до 18 кВ застосовуються трифазні та однофазні трансформатори, на більш високих напругах - тільки однофазні. На напругах до 18 кВ є велика кількість типів трансформаторів напруги: сухі (НОС), масляні (НОМ, ЗНОМ, НТМИ, НТМК), з литою ізоляцією (ЗНОЛ). Трансформатори типів ЗНОМ-15, ЗНОМ-20, ЗНОМ-24 і ЗНОЛ-06 встановлюються в комплектних струмопроводах потужних генераторів. В установках напругою 110 кВ і вище застосовують трансформатори напруги каскадного типу НКФ і ємнісні подільники напруги НДЄ.

Залежно від призначення застосовуються різні схеми включення трансформаторів напруги [9, С. 471].

3. За класом точності.

4. За вторинним навантаженням.

,

де  – номінальна потужність у вибраному класі точності, при цьому слід мати на увазі, що для однофазних трансформаторів, з’єднаних в зірку, потрібно взяти сумарну потужність усіх трьох фаз, а для з’єднаних за схемою відкритого трикутника – подвоєну потужність одного трансформатора;

 – навантаження всіх вимірювальних приладів, приєднаних до трансформатора напруги, В·А.

Для підрахунку  рекомендується таблична форма (табл. 5.11).

Таблиця 5.11 - Розрахунок

Перелік приладів береться за таблицею 5.12 або таблицею, наведеною в [9, табл. 4.11, С. 362].

Розрахункове навантаження, В·А:

Технічні характеристики вимірювальних приладів наведені в  табл. 5.13.

Таблиця 5.13 – Технічні характеристики вимірювальних приладів

Примітки: 

1. Ватметри, варметри і лічильники мають дві обмотки струму і дві обмотки напруги.

2. Обмотки напруги лічильників мають cosj = 0,38.

            5.2.6 Вибір розрядників

Для захисту ізоляції від комутаційних та атмосферних перенапруг застосовуються вентильні розрядники, які складаються з колонки іскрових проміжків (звичайних або з магнітним гасінням дуги), шунтованих нелінійними резисторами, і нелінійних робочих резисторів (велітових або тервітових), які знаходяться в герметично закритому фарфоровому корпусі.

На даний час випускаються вентильні розрядники серій: РВП (розрядник вентильний підстанційний); РС (розрядник вентильний полегшеної конструкції для захисту сільських електроустановок); РВС (розрядник вентильний станційний); магнітовентильні серій РВМ, РВМГ (розрядники вентильні з магнітним гасінням, комбіновані, П – підвищеної напруги гасіння); РВТ (розрядник вентильний струмообмежувальний); РВРД (розрядник вентильний з постійним магнітом на основі барієвих феритів).

Найбільш досконалими є магнітовентильні розрядники серій РВМГ: РВМКП, РВТ і РВРД.

Розрядники вибираються за напругою установки. В нейтралі трансформатора розрядники встановлюються напругою на клас нижче напруги установки.

Місця встановлення розрядників на головній схемі електричних з’єднань електростанцій показані на рисунку 5.8.

Рисунок 5.8 – Встановлення розрядників на електростанції

Контрольні запитання

1. Вибір гнучких шин електроустановок.

2. Вибір жорстких шин електроустановок.

3. Вибір кабелів.

4. Вибір опорних та прохідних ізоляторів шин.

5. Вибір комплектних екранованих струмопроводів.

6. Вибір комутаційної апаратури електроустановок.

7. Вибір секційних та лінійних реакторів для обмеження струмів КЗ.

8. Вибір вимірювальних трансформаторів струму.

9. Вибір вимірювальних трансформаторів напруги.

10. Вибір розрядників та обмежувачів перенапруг.

ПОПЕРЕДНЯ                ЗМІСТ                НАСТУПНА

РОЗДІЛ 1        РОЗДІЛ 2        РОЗДІЛ 3        РОЗДІЛ 4        РОЗДІЛ 5        РОЗДІЛ 6        РОЗДІЛ 7