Выбор сечения линий

Сечение воздушных и кабельных линий выбирается по экономической плотности тока [3, 4]. Экономически целесообразное сечение F, мм², определяется из выражения:

,

где I _р – расчетный ток установки, А; j _эк – нормированное значение экономической плотности тока, А/мм², принимается по справочным данным.

Полученное сечение округляется до ближайшего стандартного сечения. Расчетный ток должен соответствовать условиям нормальной работы, при его определении не следует учитывать увеличение тока при аварийных ситуациях и ремонтах сети. Расчетным током линии для питания цеховых трансформаторов, преобразователей, высоковольтных электродвигателей и трансформаторов электропечей является их номинальный ток, независимо от фактической загрузки.

Полученное по j _эк сечение кабеля или провода проверяется по нагреву расчетным током I _м

,

где I _доп – допустимый ПУЭ длительный ток для проводов и кабелей; k _прокл учитывает условия прокладки: температуру окружающей среды и число параллельно проложенных кабелей [3, 4].

При питании подстанции двумя линиями при отключении одной из них оставшаяся в работе должна быть проверена на допустимый нагрев с учетом возможной послеаварийной перегрузки линии I _м.авар:

,

где k _перегр – коэффициент допустимой ПУЭ послеаварийной перегрузки. Он зависит от предварительной загрузки кабеля в нормальном режиме и длительности максимума нагрузки в часах в сутки.

Если условия охлаждения неодинаковы на разных участках кабельной трассы, то допустимую нагрузку надо принимать исходя из наихудших условий, но только в том случае, если длина такого участка превышает 10 м. В этих случаях рекомендуется применение вставок кабеля с большим сечением.

Полученное по j _эк сечение кабеля необходимо проверить на термическую стойкость при КЗ в начале линии. Термически стойкое сечение равно:

,

где B_k в случае системы неизменного напряжения при времени действия тока КЗ (t _{кз.расч}), большем постоянной времени затухания апериодической составляющей T _а, равен

,

где I_{n 0} − начальное значение периодической составляющей тока КЗ, А.

Значение G _т равно для кабелей до 10 кВ с медными жилами 141, а с алюминиевыми − 85 А·с/мм². Расчетная длительность КЗ t _{кз.расч} согласно ПУЭ принимается равной сумме времени действия основной защиты (t _рз.осн) и времени отключения выключателя соответствующей линии t _выкл, то есть

.

В отдельных случаях основная защита может отказать, поэтому целесообразно оценить термическую стойкость при действии резервной защиты.

Из трех полученных по расчетам сечений – по j _эк, нагреву расчетным током и устойчивости токам КЗ – принимается наибольшее, как удовлетворяющее всем условиям.

2.8. Расчет токов короткого замыкания и выбор оборудования
в сети выше 1000 В

Расчет токов короткого замыкания (к. з.) выполняется в соответствии с [24].

Расчет должен выявить величины токов к. з. в точках расчетной схемы, где намечается установка соответствующих высоковольтных и низковольтных аппаратов и производится выбор токоведущих частей (шин и кабелей).

При проектировании системы электроснабжения токи к. з. рассчитывают:

I) от источника неограниченной мощности;

2) по расчетным кривым.

За расчетную схему принимают схему длительного режима при условии, что включены все рабочие и резервные источники питания, и с учетом подпитки места к. з. от высоковольтных двигателей двух секций при включенном секционном выключателе. Не следует рассматривать параллельный режим работы трансформаторов, если он создается в момент оперативных переключений. В расчетных схемах электроустановок напряжением выше 1000 В обычно принимают во внимание только индуктивные сопротивления электрических машин, силовых трансформаторов, реакторов, воздушных и кабельных линий, токопроводов. Активные сопротивления кабельных линий и цеховых трансформаторов учитывают для удаленных точек к. з., когда суммарное результирующее активное сопротивление составляет более 0,3 от суммарного индуктивного.

В схеме замещения результирующее сопротивление отдельных элементов цепи к. з. выражают в омах, мегаомах или в относительных единицах, приведенных к базисному напряжению или базисной мощности. За базисные принимают напряжения 6,3; 10,5; 37; 115; 230 кВ; за базисную мощность – мощность, равную единице. Например, можно принимать мощность системы, генераторов станций, трансформаторов подстанций или число, удобное для расчета, кратное 10 (10, 100, 1000 MBА).

Все электрические аппараты, токоведущие части и изоляторы схемы электроснабжения выбирают по условию нормального режима и проверяют на устойчивость при действии токов к. з. При этом определение токов к. з. необходимо для следующих целей:

– проверки элементов системы электроснабжения на динамическую устойчивость (расчет ударного тока к. з. i _уи наибольшего значения тока к. з. за первый период I _п0);

– проверки элементов системы электроснабжения на термическую устойчивость (расчет действующего значения установившегося тока к. з. I _¥ и приведенного времени t _п, соответствующего полному току к.з.);

– проверки выключателей по отключающей способности (расчетдействующего значения периодической составляющей тока к. з. I_t для t = 0,2 с – времени отключения выключателя).

Таким образом, результатом расчета токов к. з. является определение следующих величин: i _у, I, I _¥, t _п, I _0,2.

Значение токов к. з. на шинах напряжением 6−10 кВ подстанций промышленного предприятия, как правило, должно быть ограничено величиной, позволяющей применять КРУ серийного промышленного производства. При этом оптимальное значение расчетного тока к. з. должно определяться с учетом двух факторов:

а)обеспечения возможности применения электрических аппаратов с более легкими параметрами и проводников возможно меньших сечений;

б) ограничения отклонений и колебаний напряжения при резко-переменных толчковых нагрузках.

Параметры, по которым производится выбор и проверка электрических аппаратов, указаны в табл. 2.18.

Таблица 2.18

Факторы, учитываемые при выборе электрических аппаратов
и устройств

Окончание табл. 2.18

Примечание. Факторы, отмеченные знаком (+), учитываются в частных случаях.

Исходная схема для расчета и выбор точек короткого замыкания. Определение месторасположения и числа точек короткого замыкания производится в схеме электроснабжения, на которой должны быть указаны: параметры системы и связь с ней; схемы ГПП и РП; внутризаводская сеть и все потребители напряжением выше 1000 В. Точки короткого замыкания должны быть взяты на всех напряжениях в таких местах схемы, в которых при коротких замыканиях токи короткого замыкания будут иметь наибольшие значения (сборные шины ГПП трансформаторных подстанций напряжением 6−10 кВ и т. п.).

В том случае, когда питание предприятия осуществляется кабельными линиями, следует взять дополнительные точки короткого замыкания в начале питающих линий.

Исходная (расчетная) схема получается из схемы электроснабжения после исключения из нее тех линий и подстанций, по которым не будут протекать токи от источников питания к выбранным точкам короткого замыкания. В расчетной схеме указываются все источники питания иэлементы схемы электроснабжения между источниками питания и точками короткого замыкания, а также высоковольтные электродвигатели и компенсаторы, от которых может происходить подпитка точек короткого замыкания. На схеме приводятся основные параметры оборудования, которые потребуются для последующего расчета (мощности, напряжения короткого замыкания трансформаторов, длины и сечения линий и т. д.). На расчетную схему наносятся точки короткого замыкания. Нумерация точек короткого замыкания ведется в направлении их удаления от питающего центра.

Составление схемы замещения и вычисление сопротивлений. В схеме замещения все элементы расчетной схемы заменяются сопротивлениями, приведенными к базисным условиям. Базисная мощность S _б принимается равной 100 MBА или мощности одного трансформатора ГПП.

Вычисление сопротивлений, приведенных к базисным условиям, производится по следующим формулам.

Энергосистема:

,

где S _H – номинальная мощность системы, MBА.

Двухобмоточные трансформаторы:

где и _к% – напряжение короткого замыкания, %; S _н – номинальная мощность трансформатора, MB А.

Трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения (схема замещения состоит из двух лучей), сопротивление каждого луча

где S _н – номинальная мощность трансформатора (обмотки высшего напряжения), MBА.

Схемы замещения и формулы для трансформаторов с более сложными схемами приведены в [24].

Реакторы (обыкновенные):

,

где х _р – номинальное сопротивление реактора, %; I _н – номинальный ток реактора, кА; U _н – номинальное напряжение реактора, кВ; Uь – базисное напряжение ступени, на которой установлен реактор (6,3; 10,5 и т. д.), кВ; I_b – базисный ток ступени, на которой установлен реактор, кА.

Воздушные и кабельные линии:

– реактивное сопротивление:

где х ₀ —сопротивление на 1 км линии, Ом/км (средние значения х₀ воздушных линий – 0,4Ом/км, кабельных напряжением 6-10 кВ – 0,08 Ом/км); l – длина линии» км; U _ср – среднее напряжение линии (6,3; 10,5; 37; 115 и т. д.), кВ;

– активное сопротивление:

где − сопротивление 1 км линии, Ом/км; g – удельная проводимость, м/Ом·мм²; s – сечение, мм².

Синхронные электродвигатели и компенсаторы вводятся в схему замещения своими сопротивлениями х" и э. д. с. :

где х" – сверхпереходное сопротивление в относительных единицах. При отсутствии каталожных данных можно принимать следующие средние значения: для синхронных электродвигателей х" = 0,2; = 1,1, для синхронных компенсаторов х" = 0,2; = 1,2.

Асинхронные электродвигатели учитываются сопротивлениями х " и э. д. с. Е ₀ ":

где – относительное значение пускового тока; х" – сверхпереходное сопротивление, средние значения х" = 0,2; Е _о" = 0,9; Р _н − номинальная мощность электродвигателя, MBА.

Определение сопротивления системы по заданному току короткого замыкания. В тех случаях, когда параметры энергосистемы не заданы, но известны точки короткого замыкания или тип выключателя на питающей подстанции, сопротивление энергосистемы (до источника неограниченной мощности) определяется следующими способами.

1. Известен ток короткого замыкания I " на шинах питающей подстанции. Сопротивление между источником неограниченной мощности и данной точкой короткого замыкания

.

Если кроме I " известны I _¥ или ,то сопротивление системы определяется по расчетным кривым [24], а мощность системы определяется по формуле .

2. Известен тип выключателя. По каталогу определяем мощность S _откл или ток отключения I _откл этого выключателя. Сопротивление между источником неограниченной мощности и точкой, в которой ток и мощность короткого замыкания не превысят соответствующих параметров выключателя, определяется по формуле

Преобразование схемы замещения. Схема замещения путем различных преобразований приводится к такому виду, чтобы между каждым источником питания и точкой короткого замыкания находилось только одно результирующее сопротивление X _S. Обычными приемами преобразования схемы являются последовательное и параллельное сложение сопротивлений, преобразование треугольника в звезду и т. п. Кроме того, допускается объединение однотипных источников питания, находящихся в примерно одинаковых условиях, т. е. при

Недопустимо объединять генераторы, подключенные непосредственно к точке короткого замыкания (или через очень малое сопротивление), с удаленными источниками, а также систему неограниченной мощности с источниками, параметры которых заданы. В этих случаях преобразование производят по методу коэффициентов распределения.

При преобразованиях схема сворачивается к точке, ближайшей к источникам питания.

После вычисления токов короткого замыкания в одной точке схема сворачивается к следующей точке и т. д.

Вычисление токов трехфазного короткого замыкания. После сворачивания (преобразования) схема должна состоять из нескольких ветвей. В каждой ветви источник питания отделен от точки короткого замыкания своим результирующим сопротивлением х _Sили z _S. Если активное сопротивление r _Sне превышает , то его можно исключить из последующего расчета.

В зависимости от параметров источника вычисление токов трехфазного короткого замыкания осуществляют одним из следующих способов.

1. Источники известного типа (отдельные генераторы и электростанции). При малом удалении источников от точки короткого замыкания х _расч < 3 и вычисление токов ведется по расчетным кривым (рис. 2.5−2.6). Так как расчетные кривые показывают зависимость тока короткого замыкания от сопротивления, приведенного к номинальной мощности источника, определяем расчетное сопротивление ветви:

,

где S _H – номинальная мощность источника, MBА.

По расчетным кривым находим относительные значения токов I " при t = 0 и при t = ¥.

Рис. 2.5. Расчетные кривые тока короткого замыкания
при питании энергосистемы от турбогенераторов с АРН для различных
отрезков времени от начала короткого замыкания (0−¥)

Рис. 2.6. Расчетные кривые тока короткого замыкания
при питании энергосистемы от гидрогенераторов с АРН
для различных отрезков времени от начала короткого замыкания (0−¥)

Вычисляем токи ветви, кА:

; ,

где – номинальный ток источника для ступени напряжения U _н, на которой находится точка короткого замыкания, кА; S _н– мощность источника, MBА.

Если х _расч > 3, то токи короткого замыкания определяются без кривых:

или

Мощность короткого замыкания

.

Ударный ток короткого замыкания

,

где , если активные сопротивления при вычислении тока короткого замыкания не учитывались и ударный коэффициент k _у= 1,8.

В том случае, когда токи короткого замыкания определяются с учетом активного сопротивления кабелей

,

где

Ударный коэффициент может быть определен по кривым, приведенным на рис. 2.7.

Действующее значение полного тока короткого замыкания за период , при k _у = 1,8; .

Рис. 2.7. Кривая для определения ударного коэффициента k _у

2. Энергосистема с преимущественно тепловыми электростанциями. Вычисление токов короткого замыкания ведется так же, как в предыдущем случае.

3. Энергосистема неограниченной мощности:

.

S _K, i _уи I _увычисляют так же, как в случае питания точки короткого замыкания от генераторов.

4. Электродвигатели и синхронные компенсаторы (каждый тип двигателей и компенсаторов должен быть представлен отдельными ветвями со своими ):

; .

Если электродвигатель (компенсатор) присоединен непосредственно к точке короткого замыкания, то подпитка в начальный момент короткого замыкания определяется по формуле

Ударный ток от электродвигателей

Ударный коэффициент принимается в пределах 1,6−1,8 по кривым рис. 2.8.

Рис. 2.8. Значение ударного коэффициента
для асинхронных электродвигателей

Установившийся ток от асинхронных электродвигателей равен нулю, а от синхронных двигателей и компенсаторов (для проверки термической устойчивости) может быть приравнен к сверхпереходному.

5. Общие токи в точке короткого замыкания определяются путем арифметического суммирования соответствующих токов отдельных источников. Если точка короткого замыкания расположена на участке схемы, имеющем питание с двух сторон, то суммирование токов производится для каждой стороны отдельно.

Результаты вычисления токов трехфазного короткого замыкания следует привести в таблицах, составленных для каждой точки короткого замыкания, по форме таблицы 2.19.

Таблица 2.19

Результаты расчета токов короткого замыкания в точках …

Источник

S Н, MBA

I Н(I б), кА

х S

х расч

Относительные токи

Токи, кА

k у

i у, кА

I у, кА

S К, MBA

I "

I ¥

Суммарные значения