Токоограничивающие реакторы

2020-02-04

1632

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

ЛЕКЦИЯ 28

Тема: Методы ограничения токов КЗ

Общие положения

Рост генераторных мощностей современных энергосистем, создание мощных энергосоединений, увеличение мощностей нагрузок приводят, с одной стороны, к росту энерговооруженности и производительности труда, к повышению надежности и устойчивости электроснабжения, а с другой – к существенному повышению токов КЗ.

Максимальный уровень токов КЗ для сетей 35 кВ и выше ограничивается параметрами выключателей, трансформаторов, проводников и другого электрооборудования, условиями обеспечения устойчивости энергосистемы, а в сетях генераторного напряжения, в сетях собственных нужд и в сетях 3…20 кВ – параметрами электрических аппаратов и токопроводов, термической стойкостью кабелей, устойчивостью двигательной нагрузки.

В настоящее время разработан комплекс мер, который позволяет регулировать уровень токов КЗ, ограничивать их при развитии электроустановок.

Наиболее распространенными и действительными способами ограничения токов КЗ являются:

· секционирование электрических сетей;

· установка токоограничивающих реакторов;

· широкое использование трансформаторов с расщепленными обмотками низшего напряжения.

Первый способ является эффективным средством, которое позволяет уменьшить уровень токов КЗ в реальных электрических сетях в 1,5-2 раза. Пример секционирования ЭУ показан на рисунке 28.1.

a) б)

Рисунок 28. 1 Схема секционирования шин распределительного

устройства ЭУ.

Когда выключатель QB включен, ток КЗ от генератора G1 и G2 проходит непосредственно к месту повреждения и ограничен лишь сопротивлением генераторов и трансформаторов соответствующих энергоблоков.

Если выключатель QB отключен, в цепь КЗ дополнительно включается сопротивление линий. Ток КЗ от генераторов G1 и G2 при этом резко снижается по сравнению с предыдущим случаем.

В месте секционирования образуется так называемая точка деления сети. В мощной ЭЭС с большими токами КЗ таких точек может быть несколько.

Секционирование электрической сети обычно влечет за собой увеличение потерь электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах в нормальном режиме работы, так как распределение потоков мощности при этом может быть неоптимальным. Поэтому решение о секционировании должно приниматься после специального технико-экономического обоснования.

В распределительных электрических сетях 10 кВ и ниже широко применяется раздельная работа секций шин, питающихся от различных трансформаторов подстанции (рисунок 28.2).

а) б)

Рисунок 28.2. Схема питания секций шин

двухтрансформаторной подстанции.

Основной причиной, определяющий такой режим работы является требование снижения токов КЗ, хотя в этом случае отказ от непосредственной параллельной работы трансформаторов имеет свои отрицательные последствия: разные уровни напряжения по секциям, неравномерная загрузка трансформаторов и т.п. При мощности понижающего трансформатора 25 МВ·А и выше применяют расщепленные обмотки низшего напряжения на две, что позволяет увеличить сопротивление такого трансформатора в режиме КЗ примерно в 2 раза по сравнению с трансформатором без расщепления обмотки.

К специальным техническим средствам ограничения токов КЗ в первую очередь относятся токоограничивающие реакторы.

Токоограничивающие реакторы

Реакторы служат для ограничения токов КЗ в мощных ЭУ, а также позволяют поддерживать на шинах определенный уровень напряжения при повреждениях за реакторами.

Основная область применения реакторов – электрической сети напряжением 6-10 кВ. Иногда токоограничивающие реакторы используются в установках 36 кВ и выше, а также при напряжении ниже 1000 В.

Реактор представляет собой индуктивную катушку, не имеющую сердечника из магнитного материала. Благодаря этому он обладает постоянным индуктивным сопротивлением, не зависящим от протекающего тока.

Возможные схемы включения реакторов представлены на рисунке 28.3.

а) б) в)

Рисунок 28.3. Варианты схем включения токоограничивающих реакторов.

Для мощных и ответственных линий может применяться индивидуальное реактирование (рисунок 28.3, а). Когда через реактор питается группа потребителей (например, в системе с.н.) его называют групповым (смотри рисунок 28.3, б). Реактор, включенный между секциями распределительных устройств, называют секционным реактором (рисунок 28.3, в).

Основным параметром реактора является его индуктивное сопротивление Ом. В некоторых каталогах приводятся

(28.1)

где: - номинальный ток реактора, А;

- номинальное напряжение реактора, В.

Эффект ограничения тока и поддержание остаточного напряжения на шинах при КЗ за реактором иллюстрируется рисунком 28.4.

Поддержание более высокого уровня остаточного напряжения благоприятно сказывается на потребителях электроэнергии, питающихся от того же источника, что и поврежденная цепь. С учетом этого в режиме КЗ целесообразно иметь большое индуктивное сопротивление .

а) б)

Рисунок 28.4. Графики изменения напряжения при КЗ на нереактивной (а) и реактивной (б) линиях.

По условиям работы электроустановок в нормальном режиме чрезмерно увеличивать сопротивление реактора нельзя. Из-за одновременного увеличения потери напряжения в реакторе при протекании рабочего тока. Особенно это заметно при использовании реакторов в качестве групповых и индивидуальных.

Потеря напряжения в реакторе при протекании тока I и заданном значении cos определяется из выражения

(28.2)

где: - номинальное напряжение установки, где используется реактор.

Допустимая потеря напряжения в реакторе обычно не превышает 1,5-2%. Значительная потеря напряжения в нормальном режиме работы цепи не позволяет устанавливать индивидуальные и групповые реакторы большого сопротивления. Поэтому для случаев, когда требуются значительные ограничения тока КЗ разрабатывают более сложные устройства, так называемые БТУ – безынерционные токоограничивающие устройства.

На рисунке 28.5 приведена схема простейшего БТУ, в состав которого входят: реактор с большим индуктивным сопротивлением, емкость, настроенная в резонанс с реактором так, чтобы результирующее сопротивление БТУ в нормальном режиме приближалось к минимально возможному (идеально и тогда ). Параллельно ёмкости включена индуктивность L в нормальном режиме с ненасыщенным ферромагнитным сердечником.

Индуктивность L в нормальном режиме имеет большое сопротивление и ток через неё мал.

Рисунок 28.5. Схема простейшего БТУ.

При КЗ ток через емкость «С» возрастает, увеличивается падение напряжения на ней, а следовательно, и напряжение на индуктивности. Последняя переходит в режим насыщения сердечника, резко уменьшает свое сопротивление и закорачивает ёмкость. Ток КЗ ограничивается нескомпенсированным в данном случае реактором LR. Ограничений по потере напряжения в нормальном режиме работы нет в случае секционного реактора, поэтому его сопротивление может быть взято существенно большим, чем в случае индивидуального или группового реактора.

В настоящее время наибольшее распространение получили бетонные реакторы с алюминиевой обмоткой, марки РБ.

В обмотках реактора при протекании по ним тока имеют место потери активной мощности, составляющие обычно 0,1-0,2% проходной мощности. При номинальном токе более 1000 А эти потери настолько значительны, что требуется выполнять искусственное охлаждение реактора (вентиляция камер).

Сдвоенные реакторы.

Сдвоенные реакторы конструктивно подобны обычным реакторам, но от средней точки обмотки имеется дополнительный вывод. В случае применения сдвоенных реакторов источник может быть присоединен к средней точке, а потребители – к крайним, или наоборот (рисунок 28.6).

а) б) в)

Рисунок 28.6. Варианты включения сдвоенных реакторов.

Преимуществом сдвоенного реактора является то, что в зависимости от схемы включения и направления токов в обмотках индуктивное сопротивление его может увеличиваться или уменьшаться. Это свойство сдвоенного реактора обычно используется для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме и ограничения тока при КЗ.

Ветви реактора выполняют на одинаковый номинальный ток , а средний вывод – на удвоенный номинальный ток ветви 2 . За номинальное сопротивление сдвоенного реактора принимают сопротивление ветви обмотки при отсутствии тока в другой ветви по аналогии с формулой 28.2 ( ) или

%, (28.3)

где: - индуктивность ветви реактора (индуктивности ветвей реактора обычно равны между собой).

Особенности сдвоенного реактора определяются наличием магнитной связи между ветвями каждой фазы (взаимной индуктивности М).

С учетом взаимной индуктивности потеря напряжения в ветви реактора при подключении источника к средней точке (смотри рисунок 28.6) определится как

. (28.4)

Отсюда видно, что за счет взаимной индуктивности потеря напряжения в сдвоенном реакторе меньше, чем в случае обычного реактора с таким же индуктивным сопротивлением. Это позволяет эффективно использовать сдвоенный реактор в качестве группового.

В процессе эксплуатации целесообразно стремиться к равномерной загрузке ветвей (I₁ = I₂ = I). Тогда для каждой из них будут созданы одинаковые условия

(28.5)

где: - коэффициент связи обмоток реактора.

Обычно выполняют . Если , то в соответствии с формулой 28.5 можно записать соотношение ,

где: - индуктивное сопротивление ветви реактора с учетом взаимной индукции. При и, соответственно, сопротивлении следует, что потеря напряжения в сдвоенном реакторе при указанных выше условиях вдвое меньше по сравнению с обычным реактором.

При КЗ за одной из ветвей (рисунок 28.7) ток в ней значительно превышает ток в неповрежденной ветви. Согласно формуле 28.4 относительное влияние взаимной индуктивности уменьшится и потеря напряжения в реакторе, а также эффект токоограничения определяется в основном лишь собственным индуктивным сопротивлением ветви . Таким образом сопротивление реактора в режиме КЗ возрастает при примерно в 2 раза по сравнению с нормальным режимом.

а) б)

Рисунок 28.7. Варианты токораспределения в сдвоенных реакторах при КЗ

При использовании сдвоенного реактора по схеме рисунка 28.6(б) выявляется дополнительное его свойство. При КЗ на выводах генератора G2 ток от генератора G1 протекает по ветвям в одном направлении. Взаимная индуктивность ветвей действует здесь согласно с собственной индуктивностью обмоток, и сквозное сопротивление обмоток будет равно

. (28.7)

При обеспечивается значительный токоограничивающий эффект.

При расчете токов КЗ сдвоенный реактор представляют трехлучевой схемой замещения, показанной на рисунке 28.8.

Рисунок 28.8. Схема замещения сдвоенного реактора.

Выбор реакторов

Реакторы выбирают по номинальному напряжению, току и индуктивному сопротивлению.

Номинальное напряжение выбирают в соответствии с номинальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Допускается использование реакторов в электроустановках с номинальным напряжением меньшим номинального напряжения реакторов.

Номинальный ток реактора (ветвь сдвоенного реактора) не должен быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен

где: - максимальный ток цепи с реактором.

Для шинных (секционных реакторов) номинальный ток подбирается в зависимости от схемы их включения. Как правило, номинальный ток реактора определяется из соотношения

где: - номинальный ток генератора.

Индуктивное сопротивление реактора определяют исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намеченных к установке или установленных в данной точки сети.

Как правило, первоначально известно начальное значение периодического тока КЗ , которое с помощью реактора необходимо уменьшить до требуемого уровня.

Рассмотрим порядок определения сопротивления индивидуального реактора. Требуется ограничить ток КЗ так, чтобы можно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения (Действующее значение периодической составляющей тока отключения).

По значению определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ, при котором обеспечивается коммутационная способность выключателя. Для упрощения обычно принимают

Результирующее сопротивление цепи КЗ до установки реактора в Омах можно определить по выражению

. (28.8)

Требуемое сопротивление цепи КЗ для обеспечения

. (28.9)

Разность полученных значений cопротивлений дает требуемое сопротивление реактора

(28.10)

Далее по каталожным и справочным материалам выбирают тип реактора с ближайшим индуктивным сопротивлением.

Сопротивление секционного реактора выбирается из условий наиболее эффективного ограничения токов короткого замыкания на одной секции. Обычно оно принимается таким, что падение напряжения на реакторе при протекании по нему номинального тока достигает 0,08-0,12 номинального напряжения, то есть

В нормальных же условиях длительной работы ток и потери напряжения в секционных реакторах значительно ниже. Фактическое значение тока при КЗ за реактором определяется следующим образом. Вычисляется значение результирующего сопротивления цепи КЗ с учетом реактора

. (28.11)

А затем определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ

. (28.12)

Аналогично выбирается сопротивление групповых и сдвоенных реакторов. В последнем случае определяют сопротивление ветви сдвоенного реактора . Выбранный реактор следует проверить на электродинамическую и термическую стойкость при протекании через него тока КЗ.

Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении условия:

, (28.13)

где: - ударный ток при трехфазном КЗ за реактором;

- ток электродинамической стойкости реактора, т.е. максимальный ток (амплитудное значение), при котором не наблюдается остаточной деформации обмоток (иногда в каталогах этот ток обозначается ).

Термическая стойкость реактора характеризуется заводом-изготовителем величиной - временем термической стойкости и среднеквадратичном током термической стойкости Условие термической стойкости реактора имеет вид

, (28.14)

где: - расчетный импульс квадратичного тока за реактором.

При соблюдении указанного условия нагрев обмотки реактора при КЗ не будет превышать допустимого значения.

В ряде случаев необходимо определить уровень остаточного напряжения на шинах при КЗ непосредственно за реактором. Для этой цели можно воспользоваться формулой 2 с учетом того, что в режиме КЗ . Тогда выражение для определения остаточного напряжения на шинах примет вид