Руководство по защитам Компания Schneider Electric приступила к выпуску Технической коллекции Schneider Electric
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
3Z Z0 + ( ) Zd Zi + ( ) • + ---------------------------------------------------------------------------------- = Id Vd Ii Vi I0 V0 Zd Zi Z0 E 3Z 16 Schneider Electric Выпуск № 1 Токи короткого замыкания Короткое замыкание на выводах генератора 0 Расчет тока короткого замыкания на выводах синхронного генератора является более сложным, чем расчет этого значения на выводах трансформатора, подсоединенного к сети. Это связано с тем, что после начала замыкания нельзя рассматривать полное внутренне сопротивление синхронной машины как постоянную. Эта величина постепенно увеличивается, а ток, соответственно, уменьшается, проходя три характерных периода: b сверхпереходный период (примерно от 0,01 до 0,1 с): ток короткого замыкания (действующее значение переменной составляющей) составляет 5?10 значений установившегося номинального тока; b переходный период (от 0,1 до 1 с): ток короткого замыкания уменьшается до 2?6 значений номинального тока; b установившийся период ток короткого замыкания уменьшается до 0,5?2 значений номинального тока. Данные значения зависят от мощности синхронной машины, вида возбуждения, а для установившегося тока – от значения тока возбуждения, то есть от нагрузки машины, действующей в момент замыкания. Кроме того, полное сопротивление нулевой последовательности генераторов переменного тока, как правило, в 2?3 раза меньше значения полного сопротивления прямой последовательности этих машин; таким образом, сила тока короткого замыкания фазы на землю больше значения трехфазного тока. Для сравнения отметим, что ток неотключенного трехфазного короткого замыкания на выводах трансформатора составляет от 6 до 20 значений номинального тока, в зависимости от мощности трансформатора. Таким образом, можно сделать вывод, что представляется сложным определить характеристики короткого замыкания на выводах генератора, и прежде всего потому, что из?за низкого и уменьшающегося значения тока короткого замыкания требуется тонкая настройка защиты. DE 55 22 3 Рис. 1. Типичные кривые токов короткого замыкания на выводах генератора DE 552 28 Рис. 2. Разложение на составляющие тока короткого замыкания I2 t I3 t t I1 Ток Cверхпереходные процессы Переходные процессы Установившиеся процессы Появление замыкания t t t t t Ток Сверхпереходная составляющая Сверхпереходная Переходная составляющая Переходная Установившаяся составляющая Установившаяся Постоянная составляющая Кривая полного тока Выпуск № 1 Schneider Electric 17 Токи короткого замыкания Расчет токов короткого замыкания 0 Методика МЭК (стандарт 60909) Правила расчета токов короткого замыкания в электроустановках определены в соответствии со стандартом МЭК 60909, выпущенным в 2001 году. Для сложного оборудования надлежащий расчет токов короткого замыкания в различных точках сети может представлять трудоемкий процесс. С целью ускорения процедуры расчетов используется специальное программное обеспечение. Данная норма, применяемая для всех радиальных и замкнутых трехфазных сетей частотой 50 или 60 Гц и напряжением до 550 кВ, является общей и четко установленной. В соответствии с данным стандартом производится обработка данных о различных типах короткого замыкания: симметричных и несимметричных, глухих коротких замыканиях, которые могут возникнуть в электроустановке, а именно: b трехфазное короткое замыкание (объединение трех фаз), как правило, вызывающее наиболее пагубные последствия; b двухфазное короткое замыкание (замыкание между двумя фазами) оказывающее меньшее воздействие, чем трехфазное замыкание; b двухфазное замыкание на землю (замыкание двух фаз на землю); b однофазное замыкание (замыкание фазы на землю), наиболее распространенный вид короткого замыкания (80% случаев). При появлении замыкания переходной ток короткого замыкания в цепи зависит от времени и имеет две составляющие (см. рис. 1): b переменная составляющая, уменьшающаяся до установленного для нее значения для различных вращающихся машин и в зависимости от их постоянных времени; b постоянная составляющая, уменьшающаяся до нуля в соответствии с установившимся током и в зависимости от полного сопротивления цепи. Практически, расчет значений величин короткого замыкания производится с целью определения и выбора оборудования и систем защиты; определяются следующие величины: b I"k – действующее значение начального симметричного тока; b Ib – действующее значение симметричного тока, отключенного коммутационным аппаратом при размыкании первого полюса в момент tмин (tmin ? минимальная выдержка времени); b Ik ? действующее значение установившегося симметричного тока; b Ip – максимальное мгновенное значение тока на первом пике; b IDC – постоянное значение тока. Эти токи имеют обозначение 3, 2, 2Е, 1 в соответствии типом короткого замыкания: трехфазное, двухфазное, двухфазное замыкание на землю, однофазное замыкание. Принцип методики, основанной на теореме наложения Тевенена и на разложении на симметричные составляющие, состоит в использовании в точке короткого замыкания эквивалентного источника напряжения с последующим определением значения тока; расчет производится в три этапа: b определение эквивалентного источника напряжения, используемого в точке замыкания; определяется напряжение, подаваемое непосредственно перед коротким замыканием: это – номинальное напряжение, с коэффициентом, учитывающим колебания источника, устройств переключения ответвлений обмоток трансформатора, сверхпереходных процессов в электрических машинах; b расчет значений полного сопротивления со стороны точки повреждения, для каждой цепи, подходящей к этой точке; для систем прямой и обратной последовательности при расчете не учитываются емкость линии и полная проводимость параллельно включенных невращающихся нагрузок; b после определения значений напряжения и полного сопротивления, расчет максимального и минимального характеристического значения тока короткого замыкания. Различные значения тока в месте замыкания рассчитываются: b по представленным в данном разделе формулам; b по закону суммирования токов, проходящих по цепям, подключенным к этой точке: v I"k: см. формулы расчета в представленных таблицах, где "с" – коэффициент напряжения, установленный в соответствии с вышеуказанным стандартом; выполняется геометрическое или алгебраическое суммирование; v ip = κ • 2 • I''k, где k ? коэффициент меньше 2, зависящий от соотношения R/X полного сопротивления прямой последовательности измеряемой цепи; выполняется суммирование пиков; v Ib = µ • q • I''k, где µ и q – коэффициенты меньше 1, зависящие от характеристик генераторов и двигателей, а также от минимального времени запаздывания отключения выключателем; выполняется алгебраическое суммирование; v Ik = I''k в случае удаленного от генератора замыкания; v Ik = λ • Ir для генератора, где Ir – номинальный ток генератора и λ – коэффициент, зависящий насыщения генератора; выполняется алгебраическое суммирование. D E 55226 Рис. 1. График величин, характеризующих короткое замыкание, в соответствии со стандартом МЭК 60909 Ip t мин 2 2 Ik 2 2 Ib 2 2 I"k IDC Время (t) Ток (I) Тип короткого замыкания I''k трехфазное изолированное двухфазное двухфазное на землю однофазное Формулы расчета токов короткого замыкания в соответствии со стандартом МЭК 60909 (общий случай) Тип короткого замыкания I''k трехфазное изолированное двухфазное двухфазное на землю однофазное Формулы расчета токов короткого замыкания в соответствии со стандартом МЭК 60909 (случай удаленного замыкания) c U n • 3 Zd • --------------------- c U n • Zd Zi + ------------------- c U n 3 Zi • • • Zd Zi • Zi Z0 • Zd Z0 • + + ------------------------------------------------------------------------ c U n 3 • • Zd Zi Z0 + + --------------------------------- c U n • 3 Zd • --------------------- c U n • 2 Zd • ----------------- c U n 3 • • Zd 2 Z0 + ------------------------------ c U n 3 • • 2Zd Z0 + ------------------------------ 18 Schneider Electric Выпуск № 1 Токи короткого замыкания Устойчивость оборудования к короткому замыканию 0 Описание Различают два типа оборудования сетей в зависимости от того, в каком режиме используется это оборудование в момент возникновения повреждения. Пассивно работающее оборудование К этой категории относится оборудование, функционально предназначенное для передачи тока, как обычного, так и тока короткого замыкания. Сюда входят кабели, линии, сборные шины, разъединители, выключатели, трансформаторы, реактивные сопротивления и конденсаторы, измерительные трансформаторы. Для этого оборудования способность противостоять коротким замыканиям выражается в терминах: b электродинамическая устойчивость (выражается пиковым значением в килоамперах), которая определяет механическую стойкость оборудования к электродинамическим усилиям; b теплостойкость (выражается действующим значением в килоамперах за 1?5 секунд), которая определяет максимальный допустимый нагрев. Активно работающее оборудование К этой категории относится оборудование, предназначенное для отключения тока короткого замыкания: выключатели и плавкие предохранители. Это свойство выражается в отключающей способности и, при необходимости, включающей способностью при замыкании. Отключающая способность (см. рис. 1) Основной характеристикой коммутационного аппарата является максимальный ток (выражается действующим значением в килоамперах), отключаемый устройством в каких?либо определенных условиях, оговоренных в стандартах; обычно имеется ввиду действующее значение переменной составляющей тока короткого замыкания; иногда для некоторых устройств устанавливается действующее значение суммы двух составляющих ? переменной и постоянной; в этом случае определяется "несимметричный ток". Отключающая способность зависит от дополнительных параметров: v напряжение; v отношение R/X отключенной цепи; v собственная частота сети; v количество отключений при максимальном значении тока, например, цикл: О – В/O – В/O; v состояние оборудования после испытаний. Таким образом, представляется достаточно сложным определить отключающую способность оборудования; поэтому для одного и того же устройства в соответствии со стандартом устанавливаются разные значения отключающей способности (с учетом этих дополнительных параметров). Включающая способность при коротком замыкании Обычно эта характеристика обусловлена отключающей способностью: устройство может быть включено на короткое замыкание, чтобы потом произвести отключение. В некоторых случаях оборудование должно обладать более высокой включающей способностью, например, для выключателей генераторов переменного тока. Включающая способность определяется по пиковому значению в килоамперах, поскольку по законам электродинамики именно на первом несимметричном пике возникает наибольшая нагрузка. Например, в соответствии со стандартом МЭК 60056 выключатель, используемый в сети с частотой 50 Гц, должен включаться в следующем режиме: I (пиковое значение) ? включение = 2,5 х I (действующее значение) ? отключение. Ток короткого замыкания, рассматриваемый как "отключенный" Некоторые устройства имеют способность "ограничивать" отключаемый ток. Отключающая способность этих устройств определяется как максимальный ожидаемый отключаемый ток, который может возникнуть при глухом коротком замыкании на выводах со стороны выключателя. Спецификация оборудования В таблице ниже представлены различные выключатели с указанием выполняемых ими функций, а также основных свойств устойчивости к нагрузкам, связанных с назначением этих устройств. DE 552 2 7 IAC – пик периодической составляющей IDC – апериодическая составляющая Рис. 1. Отключающая способность выключателя при коротком замыкании, установленная в соответствии со стандартом МЭК 60056 IAC IDC Время (t) Ток (I) Устройство Функция обеспечения изоляции Функция выполнения коммуA тационных операций по току Основные свойства При эксплуатации При замыкании Разъединитель да нет нет Устойчивость при переходе с входа на выход Заземляющий разъединитель: включающая способность при замыкании Выключатель нагрузки нет да нет Выключающая и отключающая способность тока нагрузки Включающая способность при коротком замыкании Вместе с плавким предохранителем: отключающая способность в зоне неплавления предохранителя Контактор нет да (для разъемного устройства) да нет Номинальная отключающая и включающая способность Максимальная нагрузочная способность при выключении и включении Рабочие характеристики и срок службы Автоматический выключатель нет да (для разъемного устройства) да да Отключающая способность при коротком замыкании Включающая способность при коротком замыкании Плавкий предохранитель нет нет да Минимальная отключающая способность при коротком замыкании Максимальная отключающая способность при коротком замыкании Выпуск № 1 Schneider Electric 19 Датчики Датчик фазного тока (трансформатор тока) 0 Устройства защиты и измерения необходимо обеспечивать данными об электрических величинах защищаемого оборудования. В силу причин технического, экономического характера и из соображений безопасности эта информация не может быть получена непосредственно с оборудования высокого напряжения; необходимо использовать промежуточные устройства, называемые масштабными измерительными преобразователями или датчиками, а именно: b датчики фазного тока; b датчики?торы для измерения токов заземления; b трансформаторы напряжения (ТН). Эти устройства выполняют следующие функции: b уменьшение измеряемой величины (например, преобразование 1500/5 А); b гальваническая развязка; b подача энергии, необходимой для обработки информации и для срабатывания защиты. Датчик фазного тока предназначен для подачи в его вторичную цепь, пропорционального измеряемому току первичной цепи. Датчик используется как для измерения, так и в качестве устройства защиты. Различают два типа датчиков: b трансформаторы тока (ТТ); b датчики тока типа LPCT (ТТ с выходом в виде напряжения). Основные характеристики (рис. 1) Трансформатор тока состоит из двух цепей, первичной и вторичной, соединенных магнитопроводом. Если первичная цепь образована несколькими витками, то это прибор обмоточного типа. Если первичная цепь представляет собой простой провод, проходящий через датчик, то это прибор шинного типа (интегральная схема, образованная медной шиной) или проходной трансформатор (первичная цепь образована проводом, не изолированным от электроустановки) либо тор (первичная цепь образована изолированным кабелем). Трансформаторы тока характеризуются следующими величинами (в соответствии со стандартом МЭК 60044) (1) : Установленный уровень изоляции трансформатора тока ТТ Это наибольшее напряжение, которое выдерживает первичная цепь трансформатора тока. Напомним, что первичная цепь подключается к высокому напряжению, а вторичная цепь, как правило, одним из выводов подсоединяется к земле. Как для любого электротехнического оборудования устанавливаются также следующие параметры: b максимальное одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты; b максимальное импульсное испытательное напряжение. Пример: при номинальном напряжении 24 кВ трансформатор тока должен выдерживать в течение 1 минуты при частоте 50 Гц напряжение 50 кВ и импульсное напряжение 125 кВ. Установленный коэффициент трансформации Данный параметр представлен в виде соотношения первичного и вторичного токов Ip/Is. Значение вторичного тока устанавливается, как правило, равным 5 или 1 А. Точность Данная характеристика обусловлена "сводной" погрешностью по номинальному предельному току. Предельный коэффициент точности (FLP) ? это соотношение номинального предельного тока и установленного значения тока. b Для класса Р: 5Р10 означает погрешность 5% при 10 In, а 10Р15 составляет погрешность 10% при 15 In, где: 5Р и 10Р – нормализованные классы точности трансформаторов тока для защиты; 5 In, 10 In, 15 In, 20 In – нормализованные значения предельного номинального тока. b Класс PR определяется коэффициентом остаточной намагниченности, отношением остаточного потока к потоку насыщения, и это значение должно быть меньше 10%. 5РR и 10РR – нормализованные классы точности трансформаторов тока для защиты. b Класс РХ соответствует другому методу определения характеристик трансформатора тока ? по "напряжению точки перегиба", сопротивлению вторичной цепи, намагничивающему току (см. рис. 1 на стр. 20). Номинальная мощность Полная мощность в ВА, подаваемая трансформатором тока во вторичную цепь при гарантированной точности определения вторичного тока. Мощность потребляется всеми подключенными приборами, а также соединительными проводами. Если нагрузка трансформатора тока меньше номинальной, то фактическая точность трансформатора будет больше установленной точности, и, соответственно, перегруженный трансформатор тока теряет в точности. Кратковременный допустимый ток Выраженный действующим значением в кА, максимальный допустимый ток (Ith) за 1 секунду (при короткозамкнутой вторичной цепи) представляет термическую устойчивость трансформатора тока к токам перегрузки. Трансформатор тока должен выдерживать ток короткого замыкания в течение времени, необходимого для устранения повреждения. Если время устранения повреждения больше или меньше 1 с, ток, который выдерживает трансформатор тока, рассчитывается по формуле: Электродинамическая устойчивость, выраженная пиковым значением в кА, составляет не менее |