Таблица 1
Виды коротких замыканий
Короткие замыкания, как правило, сопровождаются увеличением токов в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные значения.
Протекание токов КЗ приводит к увеличению потерь электроэнергии в проводниках и контактах, что вызывает их повышенный нагрев. Нагрев может ускорить старение и разрушение изоляции, вызвать сваривание и выгорание контактов, потерю механической прочности шин и проводов и т. п. Проводники и аппараты должны без повреждений переносить в течение заданного расчетного времени нагрев токами КЗ, т.е. должны быть термически стойкими.
Протекание токов КЗ сопровождается также значительными электродинамическими усилиями между проводниками. Если не принять должных мер, под действием этих усилий токоведущие части и их изоляция могут быть разрушены. Токоведущие части, аппараты и электрические машины должны быть сконструированы так, чтобы выдерживать без повреждений усилия, возникающие при КЗ, т.е. должны обладать электродинамической стойкостью.
Короткие замыкания сопровождаются понижением уровня напряжения в электрической сети, особенно вблизи места повреждения.
Рис.1. Уровни напряжения для радиальной электрической сети
в нормальном режиме работы (1) и
при коротком замыкании в точке К1 (2) и К2 (3)
На рис.1 представлены диаграммы напряжения при КЗ в разных точках радиальной электрической сети.
Снижение напряжения на шинах у потребителя (например, на шинах РПЗ при КЗ на шинах РП1) может привести к опасным последствиям. Особенно чувствительна к снижениям напряжения двигательная нагрузка. При глубоких снижениях напряжения уменьшается вращающий момент электродвигателя до значений, меньших момента сопротивления механизма. Электродвигатель тормозится, что влечет за собой увеличение потребляемого им тока. При этом еще больше увеличивается падение напряжения в сети, вследствие чего может развиться лавинообразный процесс, захватывающий все большее количество потребителей электроэнергии.
Резкое понижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и к системной аварии с большим народнохозяйственным ущербом.
Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при КЗ необходимо быстро отключать поврежденный участок. К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относится также правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств, выбор рациональной схемы сети и т.п.
Для осуществления указанных мероприятий необходимо уметь определять ток КЗ и характер его изменения во времени.
Короткое замыкание сопровождается переходным процессом, при котором значения токов и напряжений, а также характер их изменения во времени зависят от соотношения мощностей и сопротивлений источника питания (генератор, система) и цепи, в которой произошло повреждение. С учетом этого все возможные случаи КЗ можно условно разделить на две группы, а именно: КЗ в цепях, питающихся от шин неизменного напряжения (энергосистемы); КЗ вблизи генератора ограниченной мощности.
Шинами неизменного напряжения условно считают такой источник, напряжение на зажимах которого остается практически неизменным при любых изменениях тока в подключенной к нему цепи. Иначе говоря, отличительным признаком этого источника (его еще называют системой бесконечной мощности) является то, что его собственное сопротивление ничтожно мало по сравнению с сопротивлением цепи КЗ.
В действительности мощности энергосистем, отдельных источников и их сопротивления всегда имеют определенные конечные значения. Однако многие элементы электрических сетей обладают настолько большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением энергосистемы, генератора, что при КЗ за такими элементами (трансформатор, реактор, линия) без особой погрешности в вычислении тока КЗ и остаточного напряжения сопротивление источника можно не учитывать. Обычно при вычислении токов КЗ для выбора электрооборудования и уставок релейной защиты можно не учитывать сопротивление питающей энергосистемы, если оно не превышает 5-10% результирующего сопротивления цепи КЗ.
Ко второй группе относят повреждения, происходящие на выводах генераторов или на таком удалении от них, что сопротивление цепи КЗ соизмеримо с сопротивлением генератора. В этом случае изменение параметров самого генератора при КЗ существенно влияет на ход процесса и им нельзя пренебречь.
6. С какой частотой могут изменяться параметры режима электроснабжения системы или сети, системы электроснабжения, электроустановки при электромагнитных переходных процессах.
Режим электрической системы может быть установившимся или переходным (неустановившимся). Различают следующие основные режимы электрических систем.
Нормальные установившиеся режимы, при которых значения параметров режима остаются неизменными или изменяются медленно и нерегулярно, в пределах, соответствующих нормальной работе элементов системы с оптимальными технико-экономическими характеристиками. Применительно к ним проектируется электрическая система и определяются ее основные технико-экономические показатели.
Переходные режимы имеют место при переходе от одного установившегося режима к другому и характеризуются относительно быстрым и резким изменением параметров режима.
Нормальные переходные режимы возникают при нормальной эксплуатации электрической системы и связаны с переходом из одного нормального установившегося режима к другому; параметры в этих режимах близки к нормальным, хотя могут изменяться во времени достаточно быстро (включение и отключение каких-либо элементов системы, изменение нагрузки, несинхронные включения синхронных машин и т.п.).
Аварийные установившиеся и переходные режимы протекают в аварийных условиях (короткие замыкания, внезапные отключения, повторные включения и отключения, обрывы нагруженных фаз, выпадение из синхронизма синхронных машин и несинхронные включения их, нарушение устойчивой работы двигательной нагрузки и т.п.); аварийные переходные режимы характеризуются значительными изменениями параметров режима, выходящими за пределы допустимых значений. Для них определяются технические характеристики, связанные с длительностью ликвидации аварии, и выясняются условия дальнейшей работы системы. Длительное существование аварийного переходного режима невозможно: электрическая система в этих условиях не может полностью или частично выполнять свои функции.
Послеаварийные установившиеся режимы наступают после аварийного отключения одного или нескольких элементов системы с целью ликвидации аварии и сопровождаются изменением структуры системы. Параметры этого режима могут существенно отличаться от параметров нормального режима. В послеаварийном режиме система может работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками по сравнению с доаварийным режимом.
Для электроустановок характерны четыре режима: нормальный, аварийный, послеаварийный, ремонтный. Из них аварийный режим является кратковременным, остальные — продолжительными. Электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных, определяющим из которых является режим короткого замыкания. По режиму короткого замыкания электрооборудование проверяется на электродинамическую и термическую стойкость, а коммутационные аппараты — на коммутационную способность.
Режим короткого замыкания — режим работы электроустановки при наличии в ней короткого замыкания.
Переходные режимы связаны с возникновением переходных процессов, при которых происходит изменение электрического состояния элементов системы, обусловленное как естественными причинами, так и работой устройств автоматики.
Процесс — последовательная смена состояний, стадий развития; совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата. Переходный процесс — процесс изменения во времени координат динамической системы, возникающий при переходе из одного установившегося режима в другой. Переходный процесс в электрической системе — явление, возникающее при переходе от одного режима системы к другому, отличающемуся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров, структурой системы.
Электромагнитный переходный процесс — процесс изменения во времени электромагнитных параметров режима электроустановки без учета влияния на них изменения частоты вращения синхронных генераторов электрической системы. Скорость протекания изменяется от 50 до 150 Гц, время — от сотых до ОД—0,2 с.
Электромеханический переходный процесс — переходный процесс, характеризуемый одновременным изменением значений электромагнитных и механических величин, определяющих состояние электроустановки. Скорость протекания изменяется от 10-1 до 50 Гц.
Переходный процесс, начавшийся в момент возмущения режима в линейной системе, теоретически длится бесконечно долго. Поэтому практически считают, что переходный процесс закончился и наступил установившийся режим, если характеризующие его параметры отличаются от своих установившихся значений на некоторую конечную величину, значение которой относительно невелико. В любых переходных процессах происходят закономерные последовательные изменения параметров режима системы, вызванные какими-либо причинами, называемыми возмущающими воздействиями. Они создают начальные отклонения параметров режима — возмущения режима.
Как уже отмечалось, нормальные переходные процессы сопровождают текущую эксплуатацию системы. Они связаны в основном с изменениями нагрузки системы, реакцией на это регулирующих устройств и возникают при обычных эксплуатационных операциях: включении и отключении отдельных элементов системы или изменениях их мощности. При нормальной эксплуатации даже в установившемся режиме реальной электрической системы всегда имеются малые возмущающие воздействия, вызывающие малые возмущения режима (изменение нагрузки). Следовательно, действия регулирующих устройств происходят непрерывно. Это означает, что строго неизменного режима в системе не существует, и, говоря об установившемся режиме, всегда имеют в виду режим малых возмущений. При этом предполагают, что отклонения параметров режима, связанные с этими возмущениями, происходят около некоторого условно принятого среднего исходного состояния. Поэтому при малых колебаниях параметров режим допустимо считать установившимся.
Малые возмущения не должны вызывать нарушения устойчивости системы, т.е. не должны приводить к утяжелению режима — прогрессивно возрастающему изменению параметров ее исходного режима. Иначе говоря, электрическая система должна обладать статической устойчивостью. Статическая устойчивость — это способность системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или режим, весьма близкий к исходному, если возмущающее воздействие не снято. Для увеличения статической устойчивости необходим учет действия регуляторов возбуждения, особенно так называемого сильного действия с высоким «потолком возбуждения» и регулированием по отклонению нескольких параметров режима и скорости их изменения (по производным).
Нормальные и аварийные переходные процессы при больших возмущениях в электрической системе возникают вследствие резких и существенных изменений параметров режима: при коротких замыканиях и последующем их отключении; при изменении схемы соединения системы; при нормальном включении или отключении линий электропередачи; при включении генераторов или крупных электродвигателей методом самосинхронизации и в некоторых других случаях. Все это приводит к значительным отклонениям параметров режима от их исходного состояния, при которых необходимо учитывать нелинейности системы. По отношению к большим возмущениям вводят понятие динамической устойчивости. Динамическая устойчивость — способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное состояние или близкое к исходному, допустимому по условиям эксплуатации системы. Для повышения динамической устойчивости требуются форсировка возбуждения генераторов, быстрое отключение аварийных участков, применение специальных тормозящих устройств, отключение части генераторов и части нагрузки устройствами автоматической разгрузки по частоте (АЧР). Уменьшение передаваемой мощности будет способствовать сохранению в работе основной части системы.
Если после большого возмущения синхронная работа частей объединенной системы нарушается, а затем, после некоторого, допустимого по условиям эксплуатации перерыва, восстанавливается, то система считается имеющей результирующую (синхронную динамическую) устойчивость. Увеличение результирующей устойчивости обычно рассматривается как повышение живучести системы. Это достигается в первую очередь регулированием мощности, выдаваемой генераторами, и автоматическим отключением части потребителей.
7. что определяет термин «металлическое» короткое замыкание.
| 1. Металлическое замыкание Нрк. Глухое замыкание | Замыкание, при котором сопротивление в месте его возникновения, т.е. переходное сопротивление очень мало и им можно пренебречь |
8. Как можно повлияться на величину тока короткого замыкания в электроэнергетической сети с помощью делительной автоматики. Приведите пример.
Делительная защита — разновидность релейной защиты в электроснабжении, принципиальной особенностью которой является разделение питающей сети на части с целью поддержания работоспособности энергосистемы (глобально) либо защиты элементов с недостаточной устойчивостью к токам короткого замыкания (КЗ) в сети.
Разделение питающей сети на части производится подачей сигналов на отключение на коммутационные аппараты.
Содержание
· 1Назначение
· 2Виды делительной защиты (делительной автоматики)
· 3Примечания
· 4Литература
Назначение[править | править код]
Функции делительной защиты могут различаться в зависимости от структуры сети, а также требований к ним.
· В нормально замкнутых (закольцованных) распределительных сетях делительные защиты применяются для разделения сети при:
o возникновении асинхронного режима
o перегрузке линий низшего напряжения при аварийном отключении шунтирующей линии высшего напряжения (которая в нормальном режиме имеет большую расчётную нагрузку)
o КЗ шунтирующей линии высшего напряжения и исключения возникновения токов КЗ в линии низшего напряжения
o большом расчётном токе КЗ в сети и применении выключателя с недостаточной отключающей способностью
o получении в расчётах недопустимо больших уставок релейных защит в линиях с параллельными питающими линиями; при этом введение делительной защиты на секционном выключателе (производится секционирование питающих линий) уменьшает уставки защит, рассчитанных на основе селективности
Все вышеперечисленные защиты являются т.н. «ограниченно-селективными» и называются также защитами слабой связи, поскольку их назначение — защитить слабый элемент.
· В нормально разомкнутых распределительных сетях, оборудованных сетевыми АВР делительные защиты применяются для:
o исключения перегрузки трансформаторов и линий при срабатывании, при этом делительная защита срабатывает раньше АВР и исключает перегрузку; кроме того делительная защита предупреждает включение АВР на неустранившееся КЗ в линии высшего напряжения
o уменьшения комплектов направленных сложных защит в сетях с двусторонним питанием
· В распределительных сетях малой мощности с небольшими местными электростанциями делительные защиты для отделения электростанций в аварийных условиях для успешных действий АПВ линий с выделенной нагрузкой, а также нормальной работы АВР.
· На подстанциях, питающих крупные синхронные двигатели делительные защиты отключают поле возбуждения машины во избежание несинхронного включения при срабатывании АПВ или АВР (с контролем снижения напряжения) и ускоряя их срабатывание.
· При применении системы отделитель — короткозамыкатель, установленной для коммутации питающей линии силового трансформатора (на ответвлении линий 35—-220 кВ) и наличии на соседних близких подстанциях мощных синхронных двигателей, по мощности сравнимых с мощностью трансформатора, срабатывание делительной защиты предотвращает выход из строя отделителя или его автоматику при подпитке места КЗ в трансформаторе синхронными двигателями с соседних подстанций.
Виды делительной защиты (делительной автоматики)[править | править код]
Существуют различные виды делительных защит, используемые в различных сочетаниях и реагирующие на:
· понижение частоты/напряжения,
· скорость изменения частоты/напряжения,
· скорость изменения мощности(коэффициента мощности),
· изменение экспорта реактивной энергии,
· броски напряжения,
· токи прямой/обратной/нулевой последовательности,
· напряжение обратной последовательности [1].
9. Дайте объяснение понятию «эквивалентная постоянная времени».
Эквивалентная постоянная времени таэ рассчитывается на основании значений отношения для характерных точек КЗ, приведенных в источниках [1], [4]. Значения отношений также представлены в табл. 1.4. где ii ак(0)> h ак(0)? Цк(0) — начальные значения соответствующих составляющих, определяются по начальным условиям; та1, та2 — постоянные времени затухания апериодических составляющих тока КЗ первой и второй ветвей, т а1 = L \/rlt т а2 = Ь2/ г 2] т аэ — эквивалентная постоянная времени, таэ = Сд)-1(хК(Г=о)/гк(х=о))' Здесь хК(Г=о) — результирующее реактивное сопротивление цепи относительно точки КЗ, полученное в предположении равенства нулю всех активных составляющих сопротивлений; гк(х=о) — результирующее относительно точки замыкания активное сопротивление цепи, рассчитанное при нулевых реактивных сопротивлениях. Следует отметить, что выполняемая замена двух апериодических составляющих тока КЗ одной iaK(t) дает приближенное значение, поскольку не учитывается неодновременность затухания этих составляющих. Строгое решение определения iaK(t) может быть найдено операторным методом. Если число ветвей произвольно, то вычисление периодической составляющей тока КЗ inK(t) выполняется аналогично выражению (1.9). Апериодические составляющие предпочтительно находить для каждой ветви в отдельности, но можно заменить суммарной экспонентой, определенной из условия непрерывности тока в ветви при КЗ Эквивалентная постоянная времени таэ рассчитывается на основании значений отношения для характерных точек КЗ, приведенных в источниках [1], [4]. Значения отношений также представлены в табл. 1.4.
10. Какими физическими явлениями вызываются волновые переходные процессы в электроэнергетических системах и сетях, системах электроснабжения.
Переходные процессы подразделяются на волновые, электромагнитные и электромеханические. Волновые переходные процессы возникают, например, при ударах молнии в ЛЭП, а также при коммутациях электрических цепей с индуктивными или емкостными элементами. Опасность волновых процессов заключается в возможности появления во время их существования импульсных перенапряжений, недопустимых для изоляции электротехники. Они являются быстродействующими процессами, 3 8 скорость изменения параметров 10 — 10 Гц. Последствиями волновых переходных процессов являются перенапряжения, приводящие з к повреждению изоляции элементов ЭС и т. п., при этом не происходит изменения относительного положения роторов электрических машин и скорости их вращения.
11. Опасность волновых процессов.
Опасность волновых процессов заключается в возможности появления во время их существования импульсных перенапряжений, недопустимых для изоляции электротехники. Они являются быстродействующими процессами, 3 8 скорость изменения параметров 10 — 10 Гц. Последствиями волновых переходных процессов являются перенапряжения, приводящие з к повреждению изоляции элементов ЭС и т. п., при этом не происходит изменения относительного положения роторов электрических машин и скорости их вращения.
12. Может ли быть причиной короткого замыкание повышение напряжения перенапряжение в электроэнергетической сети. Электроэнергетической системе. Электроутановке.
ДУГОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
В сетях 3-35 кВ с изолированной нейтралью при частичном повреждении изоляции одной фазы и малых емкостных токах на землю (порядка единиц ампер) дуга сама погасает и восстанавливается нормальный режим работы сети. С увеличением числа и протяженности линий передачи, а также при наличии кабельных линий токи замыкания на землю /, = ЗсоСф(/ф становятся настолько большими, что дуга погаснуть не может. Токи порядка 10-20 А приводят к более медленному восстановлению электрической прочности промежутка, в результате чего становятся возможными повторные зажигания дуги. Неоднократные зажигания и погасания заземляющей дуги в поврежденной фазе из-за перезарядки емкостей здоровых фаз приводят в ряде случаев к опасным для изоляции перенапряжениям. Такие перенапряжения в литературе получили название дуговых перенапряжений.
Погасание дуги возможно только в момент перехода тока через нулевое значение. Так как ток замыкания на землю кроме составляющей 50 Гц имеет и высокочастотную составляющую, погасание дуги может произойти при любом из переходов тока через нуль. По гипотезе Петерса и Слспяна [81, гашение дуги происходит при каждом переходе через нулевое значение тока рабочей частоты 50 Гц после затухания высокочастотной переходной составляющей. Согласно гипотезе Петерсена, дуга гаснет при переходе через нуль полного тока с учетом свободных колебаний, вызванных предшествующим зажиганием дуги. По гипотезе Белякова дуга замыкания на землю, горящая в открытом воздухе или в узкой щели поврежденной изоляции, где отсутствует интенсивная деионизация ствола дуги, может погаснуть при каждом переходе через нуль, если величина пика гашения не превосходит приблизительно 0,4{Уф11Ом.
16. КЗ вблизи генератора (рис. 1.12). При возникновении КЗ на вводах генераторов или блоков генератор-трансформатор, на сборных шинах устройств генераторного напряжения электрическая система рассматривается относительно точки замыкания как два (или несколько) экви- /" /с валентных источника: Рис. 1.12. Расчетная схема - генератор (или несколько генератодля определения iy при КЗ ров), подключенный непосредственно вблизи генератора к точке КЗ; - оставшаяся часть — система. Ударный ток в этом случае находится по выражению iy = V2(/;/cyr + где /", /с — начальные значения периодических составляющих тока КЗ генератора и системы соответственно; кус — ударные коэффициенты для генератора и системы. Значение ударного коэффициента кугопределяется с учетом затухания апериодической составляющей тока генератора таг (см. данные на с. 33-34 и табл. 1.5), куС = 1 + е-°'01/т«. КЗ вблизи узлов двигательной нагрузки. К подобному типу КЗ относятся замыкания в распределительных устройствах собственных нужд электрических станций, в распределительных устройствах с напряжением 6-20 кВ с крупными двигателями. В этом случае для расчета е"Р)~ ___ iy в схеме замещения ЭС выделяется ™ (3) IП 1с ветвь, содержащая двигатель (или груп- ^ „ v. Рис. 1.13. Расчетная схема пу двигателей), подключенный непо-. Т,п J; тгп,. 10Ч для определения iy при КЗ средственно к точке КЗ (рис. 1.13). R 1 vr / вблизи двигателя Ударный ток КЗ вычисляется по выражению iy = V2 (/;'fcw + ickyc), (и з) где /д — действующее значение периодической составляющей тока КЗ от двигателя в начальный момент времени, /д = Е"/ х". При определении куд надо иметь в виду, что в двигателях периодическая и апериодическая составляющие тока затухают практиче- ски
18. Учет изменения параметров электрической цепи при расчете токов КЗ Значение тока КЗ в произвольный момент времени зависит не только от электрической удаленности точки замыкания от источников, но и от изменения параметров электрической цепи, которое заключается в увеличении активного сопротивления проводников (кабели) вследствие их нагрева током (эффект теплового спада тока КЗ), изменении индуктивных сопротивлений воздушных линий вследствие смещений фазных проводов, вызванных электродинамическим действием токов КЗ (особенно для сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей при несимметричных режимах). Кроме того, для определения минимального значения тока КЗ в заданный момент времени рекомендуется учитывать сопротивление электрической дуги. При замыкании, сопровождающемся горением дуги, учет электрической дуги в месте замыкания выполняют путем добавления в схему замещения активного сопротивления дуги Яд. Величину этого сопротивления в начальный и произвольный момент времени можно определить по кривым рис. 1.20. Когда активное сопротивление проводника к моменту замыкания составляет не менее 20 % от суммарного индуктивного сопротивления цепи КЗ, тогда эффект теплового спада тока в некотором проводнике учитывают.