Выбор различных видов электрических аппаратов свыше 1000 В

2.1.Выбор выключателей

Выключатели в зависимости от применяемых в них дугогасительной и изолирующей сред подразделяются на масляные, воздушные, элегазовые, вакуумные и выключатели с магнитным гашением дуги.

В сетях 6 ¸ 20 кВ применяются в основном малообъемные масляные выключатели, выключатели с магнитным гашением дуги и вакуумные.

В качестве генераторных выключателей мощных блоков и синхронных компенсаторов применяются воздушные выключатели.

На напряжении 35 ¸ 220 кВ применяются в основном многообъемные масляные выключатели при предельных токах отключения 25 ¸ 50 кА. В сетях 110 и 220 кВ находят применение также воздушные выключатели. В сетях 330 кВ и выше применяются воздушные выключатели. Основные характеристики выключателей, выпускаемых отечественной промышленностью приведены в [5, 6]. При выборе выключателей, как и прочего оборудования, следует стремиться к однотипности, что упрощает эксплуатацию.

Выключатели выбирают:

по номинальному напряжению – U_уст £ U_ном,

по номинальному току – I_{раб.утж} £ I_ном,

по отключающей способности.

По ГОСТу 687-78 отключающая способность выключателя задана тремя показателями:

а) номинальным током отключения I_отк в виде действующего значения периодической составляющей тока;

б) допустимым относительным содержанием апериодической составляющей тока b_ном;

в) нормированными параметрами восстанавливающего напряжения.

Номинальный ток отключения I_отк и b_ном отнесены к моменту прекращения соприкосновения дугогасительных контактов выключателя t. Время t от начала короткого замыкания до прекращения соприкосновения дугогасительных контактов определяют по выражению

t = t_з.min + t_с.в,

где t_з.min = 0,01 c – минимальное время действия релейной защиты;

t_с.в – собственное время отключения выключателя (по каталогу) [5, 6].

Номинальный ток отключения задан в каталоге на выключатели [5, 6].

Допустимое относительное содержание апериодической составляющей (нормированная асимметрия номинального тока отключения), равно

где i_а.ном – апериодическая составляющая тока в моментразмыкания дугогасительных контактов.

b_ном задано ГОСТомв виде кривой b_ном = f(t), приведенной на риc.2-1,

или определяется по каталогам.

Рисунок 2-1.

При b_ном £ 0,2 ее следует считать равной нулю.

В первую очередь производится проверка на симметричный ток отключения по условию

I_п.t £ I_отк,

где I_п.t – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания, для времени t определяется расчетом.

Затем проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока короткого замыкания i_а.t в момент расхождения контактов t по, условию

где i_а.ном – номинальное допустимое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени t.

Если условие I_п.t £ I_отк – соблюдается, а i_а.t > i_а.ном, то допускается проверку по отключающей способности производить по полному току короткого замыкания:

Проверка отключающей способности по скорости восстанавливающегося напряжения (СВН), которое появляется между контактами выключателя вслед за отключением короткого замыкания, требуется только для воздушных выключателей, чувствительных к нему.

Рекомендуется проверять воздушные выключатели в тех случаях, когда отключаемый ток I_п.t > 0,4×I_отк. Скорость восстанавливающего напряжения может быть определена по упрощенной формуле

где v_в – расчетное значение СВН, кВ/мкс;

I_п.t – периодическая составляющая отключаемого тока короткого замыкания (однофазного. или трехфазного), кА;

n – число воздушных линий, остающихся в работе, после отключения короткого замыкания: n = n_л –1, если n_л £ 3; n = n_л – 2, если n_л ³ 4;

n_л – общее число воздушных линий, подключенных к сборным шинам (при числе линий больше четырех, учитывается, что одна из них может находиться в ремонте);

к – коэффициент, зависящий от числа проводов в фазе (для линии с одним проводом в фазе равный 0,2; с двумя - 0,17; с тремя - 0,14).

Если СВН, определенная по упрощенной формуле, превышает 0,4 кВ/мкс, то требуется провести уточненные расчеты, приведенные в [5, 7].

Электродинамическая стойкостьвыключателя задана номинальным током электродинамической стойкости в виде двух значений: действующее значение предельного сквозного тока короткого замыкания I_пр.с (по каталогу) и амплитудное значение предельного сквозного тока короткого замыкания (по каталогу) i_пр.с.

Указанные токи связаны между собой соотношением

где 1,8 = К_у – ударный коэффициент, нормированный для выключателей.

Проверка на электродинамическую стойкость выполняется по условиям

I_п,0 £ I_пр,с, i_у £ i_пр.с,

где I_п,0 – начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания в цепи выключателя;

i_у – ударный ток короткого замыкания в той же цепи.

Необходимость проверки по двум условиям объясняется тем, что для конкретной системы расчетное значение К_у может быть более 1.8, указанного ГОСТом для выключателей.

На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу

где В_к – тепловой импульс по расчету;

I_тер – предельный ток термической стойкости по каталогу;

t_тер – длительность протекания тока термической стойкости, с.

Приводы к высоковольтным выключателям выбирают по каталогу в соответствии с типом выключателя. При этом необходимо учитывать, что приводы на оперативном постоянном токе требуют установки аккумуляторной батареи или устройств, заменяющих ее. Номинальные данные выключателей приведены в [5, 6].

2.2. Выбор разъединителей, отделителей,

выключателей нагрузки и короткозамыкателей

Разъединители, отделители, выключатели нагрузки выбираются:

по номинальному напряжению - U_уст £ U_ном;

по номинальному длительному току - I_{раб.утж} £ I_ном;

по конструкции, роду установки

по электродинамической стойкости - i_у £ i_пр.с; I_п.0 £ I_пр.с,

где i_пр.с, I_пр.с – предельный сквозной ток короткого замыкания (амплитуда и дей­ствующее значение), определяемые по каталогу;

по термической стойкости - В_к £ I_тер×t_тер,

где В_к – тепловой импульс по расчету;

I_тер – предельный ток термической стойкости;

t_тер - длительность протекания предельного тока термической стойкости, определяются по каталогу.

Короткозамыкатель выбирается по тем же условиям, но выбор по номи­нальному току не требуется.

При выборе выключателей нагрузки следует добавить условие выбора по току отключения:

I_{раб.утж} £ I_отк,

где I_отк - номинальный ток отключения выключателя нагрузки.

Отключающая способность выключателя нагрузки рассчитана на отклю­чение токов рабочего режима.

Номинальные данные рассмотренных аппаратов приведены в [5, 6].

2.3. Выбор трансформаторов тока

Трансформаторы тока, предназначенные для питания измерительных приборов, выбираются:

по номинальному напряжению – U_уст £ U_ном;

по номинальному току – I_{раб.утж} £ I_1ном, причем, номинальный ток должен быть как можно ближе крабочему току установки, так как недогрузка первичной обмотки приводит к увеличению погрешностей;

по конструкции и классу точности;

по электродинамической стойкости;

по термической стойкости.

Выбор класса точности определяет назначение трансформатора тока. В соответствие с ПУЭ:

а) трансформаторы тока для включения электроизмерительных приборов должны иметь класс точности не ниже 3;

б) обмотки трансформаторов тока для присоединения счётчиков, по которым ведутся денежные расчеты, должны иметь класс точности 0,5;

в) для технического учёта допускается применение трансформаторов тока класса точности 1.

Для обеспечения выбранного класса точности необходимо, чтобы действительная нагрузка вторичной цепи Z₂ не превосходила нормированной для данного класса точности нагрузки Z_2ном, Ом, т.е.

Z₂ £ Z_2ном.

Рассмотрим подробнее выбор трансформаторов тока по вторичной нагрузке. Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому

Z₂ » r₂.

Вторичная нагрузка r₂ состоит из сопротивления приборов r_приб, соединительных проводов r_пр и переходного сопротивления контактов r_к:

r₂ = r_приб + r_пр + r_к.

Сопротивление приборов определяется по выражению

,

где S_приб – мощность, потребляемая приборами,

I_2ном – вторичный номинальный ток прибора.

Сопротивление контактов принимается 0,05 0м при двух - трехприборах и 0,1 0м при большем числе приборов. Сопротивление соединительных проводов зависит от их длины и сечения. Чтобы трансформатор тока работал в заданном класса точности, необходимо выдержать условие

r_приб + r_пр + r_к £ Z_2ном.

Приняв Z₂ = Z_2ном, определяют r_пр:

r_пр = Z_2ном - r_приб - r_к.

Зная r_пр, можно определить сечение соединительных проводов

,

где r - удельное сопротивление материала провода.

Провода с медными жилами ( r = 0,0175) применяются во вторичных цепях основного и вспомогательного оборудования мощных электростанций с агрегатами 100 МВт и более, а также на подстанциях с высшим напряжением 220 кВ и выше. В остальных случаях – во вторичных цепях применяются провода с алюминиевыми жилами (r = 0,0283); l_расч – расчётная длина соединительных поводов, учитывающая схемы включения приборов и трансформаторов тока (рис.2-3)

Рисунок 2-3.

Длину соединительных проводов от трансформаторов тока до приборов (в один конец) можно принять для равных присоединений приблизительно равной, м:

По условию прочности сечение соединительных проводов не должно быть меньше 2,5 мм².Сечение больше 6 мм² обычно не применяется.

Электродинамическая стойкость в каталоге задана в одной из двух форм:

а) задан номинальный ток электродинамической стойкости i_дин (максимальное значение полного тока);

б) задана кратность номинального тока электродинамической стойкости в виде

.

Условие проверки по электродинамической стойкости

i_у £ i_дин или i_у £ K_дин × ×I_1ном

Термическая стойкость в каталоге задана также в одной из двух форм:

а) задана кратность номинального тока термической стойкости в виде

и допустимое время t_тер протекания тока I_тер

б) заданы номинальный ток термической стойкости I_тер идопустимое время его протекания t_тер.

Условие проверки по термической стойкости:

или .

Номинальные данные трансформаторов тока приведены в [5, 6].

2.4. Выбор трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения для питания электроизмерительных приборов выбираются:

по напряжению установки - U_уст £ U_ном;

по конструкции и схеме соединения обмоток;

по классу точности;

по вторичной нагрузке - S_2S£ S_2ном,

где S_2ном - номинальная мощность вторичной обмотки в выбранном классе точности. При этом надо иметь в виду, что для однофазных трансформаторов, соединенных в звезду, следует взять суммарную мощность всех трех фаз, а для соединенных по схеме открытого треугольника – удвоенную мощность одного трансформатора;

S_2S - нагрузка всех измерительных приборов и реле, присоединённых к трансформатору напряжения, В×А.

Для питания приборов, имеющих две обмотки напряжения (ваттметры, счётчики) целесообразно применить два однофазных трансформатора напряжения, соединенных по схеме открытого треугольника или трехфазный – типа НТМК. При использовании трансформатора напряжения для контроля изоляции в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью (сети 3-35 кВ) следует применить пяти-стержневой трансформатор напряжения НТМИ или группу из трёх однофазных трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, ЗНОЛ.

Для определения S_2S и желаемого класса точности составляют трёхфазную схему включения приборов и реле (рис.2-4), по каталогу [6] находят активные и реактивные мощности, потребляемые приборами.

Рисунок 2-4.

Для упрощения расчетов нагрузку приборов можно не разделять по фазам, тогда

.

Если S_2S > S_2ном в выбранном классе точности, то устанавливают второй трансформатор напряжения и частьприборов присоединяют к нему.

Сечения и длины проводов и кабелей, питающих цепи напряжения счетчиков, следует выбирать так, чтобы потеря напряжения в них составляла не более 0,5 % номинального напряжения вторичной обмотки.

2.5. Выбор реакторов

Реактор следует выбирать:

по номинальному напряжению - U_уст £ U_ном;

по номинальному току - I_{раб.утж} £ I_ном.

По месту включения в схеме различают линейные и секционные реакторы.

В качестве линейного реактора можно использовать простой (одинарный или групповой) или сдвоенный реактор. Номинальный ток реактора определяется по току утяжеленного режима цепи. Для простого одинарного реактора при резервированной схеме питания потребителей утяжеленный режим возникает при отключении резервной цепи. Номинальный ток плеча сдвоенного реактора определяется из условия, что часть присоединенных к плечу реактора линий работают в утяжеленном режиме.

Для секционного реактора номинальный ток подбирается по режиму наибольшего перетока мощности между секциями (например, отключение генератора или трансформатора связи). Индуктивное сопротивление секционного реактора принимают x_р = 8 ¸ 12%.

Индуктивное сопротивление линейного реактора определяют, исходя из условий ограничения тока короткого замыкания до заданного уровня. В большинстве случаев допустимое значение тока короткого замыкания при повреждении за реактором определяется параметрами отключающих аппаратов (выключателей, предохранителей), намечаемых к установке или установленных в данной точке сети.

Порядок определения сопротивления линейного реактора следующий. Известно начальное значение периодического тока короткого замыкания I_п.о. Требуется ограничить I_п.0. так, чтобы мощно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения I_отк (действующее значение периодической составляющей тока отключения). Принимаем I_{п.0.треб} = I_отк. Результирующее сопротивление цепи короткого замыкания до установки реактора определяем по выражению

.

Требуемое сопротивление цепи короткого замыканиядля обеспечения I_{п.0.треб}.

Требуемое сопротивление реактора

По каталожным и справочным материалам [5, 6] выбираем тип реактора с ближайшим большим индуктивным сопротивлением. Вычисляем значение результирующего сопротивления цепи короткого замыкания с учетом реактора:

,

а затем определяем начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания:

.

Аналогично выбирается сопротивление групповых и сдвоенных реакторов. В этом случав определяют сопротивление ветви сдвоенного реактора

х_р = х_в.

Выбранный реактор проверяется на электродинамическую стойкость по условию

,

где - ударный ток при трехфазном кротком замыкании за реактором;

i_max - ток электродинамической стройности реактора (но каталогу).

Термическая стойкости реактора характеризуется током термической стойкости I_т и временем термической стойкости t_т (по каталогу).

Условие проверки по термической устойчивости:

,

где B_к – расчетный тепловой импульс при коротком замыкании за реактором.

В ряде случаев нужно определить уровень остаточного напряжения на шинах при коротком замыкании за реактором

.

По условиям работы потребителей U_ост должно быть не менее 65-70%.

Выбранный реактор проверяют по потере напряжения в рабочем режиме:

(для одиночного реактора);

(для сдвоенного реактора),

где К_св – коэффициент связи, определяется по каталогу на реактор.

Допустимая потеря напряжения в реакторе не превышает (1,5 ¸ 2)%.

3. Выбор низковольтных аппаратов

Рубильники выбираются:

по напряжению установки - U_уст £ U_ном;

по току нагрузки - I_{раб.утяж} £ I_ном;

по конструктивному выполнению;

по электродинамической стойкости - i_у £ i_пр.с;

по термической стойкости - .

Номинальный ток I_ном, ток предельный сквозной i_пр.с, ток и время термической стойкости I_т, t_т приводятся в каталогах и справочниках.

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) выбираются:

по напряжению установки - U_уст £ U_ном;

по роду тока и его значению - I_{раб.утж} £ I_ном;

по конструктивному выполнению;

по предельно отключаемому току.

Селективные автоматы, действующие с выдержкой времени при коротком замыкании, проверяются:

по условию I_п.0 £ I_отк, где I_п.0 - действующее значение периодической составляющей тока трехфазного короткого замыкания в начальный момент; I_отк – действующее значение предельного тока отключения автоматического выключателя;

по электродинамической стойкости - i_у £ i_пр.с.

Токоограничивающие (быстродействующие) автоматы проверяются по условию - .

Быстродействующие автоматы благодаря токоограничивающему аффекту на электродинамическую стойкость не проверяются.

По термической стойкости проверяются только селективные автоматы - .

Здесь i_пр.с – амплитудное значение предельного тока короткого замыкания, I_т – предельный ток термической стойкости, t_т – время протекания тока термической стойкости – определяются по каталогам и справочникам.

Контакторы и магнитные пускатели выбираются:

по напряжению установки - U_уст £ U_ном;

по роду и значению тока - I_{раб.утяж} £ I_ном;

по мощности подключаемых электродвигателей - Р_подк £ Р_доп.

Предохранители выбираются:

по напряжению установки – U_уст £ U_ном;

по току - I_{раб.утяж} £ I_ном;

по конструкции и роду установки;

по току отключения - I_п.0 £ I_отк.п,

где I_отк.п - предельно отключаемый ток (симметричная составляющая ).

В установках до 1000 В номинальный ток плавкой вставки предохранителя выбирается по условиям защиты сети, а также по условиям селективности (подробно этот вопрос рассматривается в курсе "Электрические сети").