1.6 Выбор однолинейной схемы и конструкции ру

К схемам электрических соединений предъявляются следую­щие основные требования: надежность, экономичность, гибкость и удобство эксплуатации, безопасность обслуживания, возмож­ность расширения.

По степени надежности главные схемы электростанций долж­ны выбираться, исходя из важности и значения станции в системе для надежного электроснабжения народного хозяйства и населе­ния. Выбранная схема должна обеспечивать, в частности:

допустимую (минимальную) потерю генераторной мощности станции в расчетных аварийных режимах (например, при устой­чивом КЗ на одной из систем шин ВН или СН );

сохранение транзита системных связей через шины РУ ВН или СН при авариях на станции;

ликвидацию аварий в РУ ВН или СН по возможности опера­циями только с выключателями;

питание с.н. от системы после полной остановки станции.

В зависимости от конкретных условий (например, при соору­жении электростанций в зонах повышенной сейсмичности, вечной мерзлоты и др. ) могут предъявляться и другие требования к на­дежности главных схем.

При выполнении схем ГРУ ТЭЦ и подстанций должны учиты­ваться требования, связанные со степенью ответственности потре­бителей, которые в соответствии с ПУЭ делятся на три категории.

По методу сооружения и монтажа все современные конструкции РУ нужно разделять на сборные и комплектные, а по виду установки оборудования - на закрытые с оборудованием для внутренней установки и на открытые с оборудованием для наружной установки.

По конструктивному исполнению следует различать следующие 4 типа РУ: сборные закрытые (ЗРУ ), сборные открытые (ОРУ), комплектные для внутренней установки (КРУ), комплектные для наружной установки (КРУН).

При выборе типа конструкции РУ надо учитывать: номинальное напряжение, схему электрических соединений, габариты устанавливаемого оборудования и условия внешней среды.

При разработке конструкции РУ должны быть использованы типовые решения и максимально использованы КРУ; следует соблюдать правила сооружения РУ / 2 / , установленные исходя из условия обеспечения надежной работы и безопасности обслуживания (минимальные расстояния между токоведущими частями, между фазой и элементами конструкции, устройство выходов, размещение приводов и т.д ).

Электрическая схема и конструкции РУ должны быть строго согласованы между собой. Главная схема электрических соединений выполняется однолинейной. Основным материалом для выбора конструкций РУ служат каталоги на электрические аппараты, чертежи типовых установок, аппаратов, имеющиеся в учебниках и в лабораториях "Электрическая часть станций и подстанций".

1.7 Расчет токов кз и меры по их ограничению при выборе оборудования.

Расчеты токов КЗ производятся для выбора или проверки параметров электрооборудования, а также для выбора или проверки установок релейной защиты и автоматики.

При этом основная цель расчета состоит в определении периодической составляющей тока КЗ для наиболее тяжелого режима работы сети.

Для выбора и проверки электрооборудования по условиям ко­роткого замыкания необходимо предварительно определить:

начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ и значение этой составляющей в расчетный момент времени (к мо­менту начала расхождения дугогасительных контактов выключателей и к моменту погасания дуги );

начальное значение апериодической составляющей тока КЗ и значе­ние этой составляющей в расчетный момент времени;

ударный ток КЗ.

Расчет тока КЗ аналитическим способом включает:

составление эквивалентной схемы замещения и определение значений параметров ее элементов;

преобразование схемы с целью приведения ее к простейшему виду;

определение искомого тока КЗ.

Расчеты токов КЗ можно вести как в именованных, так и в от­носительных единицах. При нахождении токов КЗ, необходимых для выбора электрооборудования напряжением свыше 1 кВ по ус­ловиям КЗ, часто применяют систему относительных единиц и упрощенный способ составления эквивалентных схем замещения. Последний заключается в том, что номинальные напряжения всех элементов исходной расчетной схемы, находящихся на одной сту­пени напряжения сети, в том числе и соответствующих обмоток трансформаторов, принимают одинаковыми и равными среднему номинальному напряжению этой ступени напряжения . Его выбирают, используя следующий ряд средних номинальных на­пряжений: 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18; 20; 24; 37; 115; 154; 230; 340; 515; 770; 1175 кВ.

Выбранное среднее номинальное напряжение любой ступени напряжения сети должно соответствовать номинальному напряже­нию генераторов, находящихся на этой ступени, а при их отсут­ствии не должно отличаться от номинальных напряжений элек­тродвигателей, синхронных компенсаторов и обмоток трансформа­торов этой ступени напряжения более чем на несколько процен­тов.

Для определения числовых значений параметров элементов эквивалентной схемы замещения в относительных единицах произ­вольно задаются базисной мощностью в мегавольт-амперах (она для всех ступеней напряжения одинакова), а базисные напряже­ния различных ступеней напряжения в киловольтах принимают равными средним номинальным напряжениям соответствующих ступеней, найденным указанным выше способом. При выбранных базисных условиях относительные значения ЭДС и индуктивных сопротивлений различных элементов эквивалентной схемы заме­щения вычисляют по формулам

( 1.13 )

или ( 1.14 )

( 1.15 )

или ( 2.16 )

где и — ЭДС источника электроэнергии соответственно в именованных ( кВ ) и относительных единицах при номинальных условиях; и — индуктивное сопротивление элемента ис­ходной расчетной схемы, подлежащего приведению, соответствен­но в именованных ( Ом ) и относительных единицах при номиналь­ных условиях; — номинальная мощность этого элемента, MB-А; — среднее номинальное напряжение N-й ступени напряжения, на которой находится подлежащий приведению эле­мент исходной расчетной схемы, кВ.

Формулу (1.15) применяют для приведения к базисным услови­ям сопротивлений реакторов, а также воздушных и кабельных ли­ний. В последнем случае Х определяют как произведение удель­ного сопротивления линии Х_уд (Ом/км) на длину линии (км). При отсутствии данных о сечениях проводников линий приближенно принимают:

Таблица 1.6 – Удельные сопротивления линий

Линии напряжением, кВ воздушные	Худ, Ом/км
до 220	0,4
330	0,325
500	0,307
Кабельные 6...10	0,08

Формулу (1.16) применяют для приведения к базисным услови­ям сопротивлений системы, генераторов, синхронных компенса­торов, электродвигателей, трансформаторов. Для последних , где — напряжение КЗ, %.

При расчете начального значения периодической составляющей тока КЗ (здесь и далее речь идет о ее действующем значении) син­хронные и асинхронные машины в схему замещения вводят их сверхпереходными ЭДС, численно равными значениям этих ЭДС к моменту КЗ, и сверхпереходными сопротивлениями ( предвари­тельно выраженными в относительных единицах при выбранных базисных условиях ).

Сверхпереходную ЭДС генераторов и синхронных электродви­гателей определяют по формуле

, (1.17 )

где и — соответственно напря­жение на выводах машины и ток статора в момент, предшеству­ющий КЗ, в относительных единицах при номинальных условиях. Обычно — сверхпереходное индуктивное сопротивление в относительных единицах при номинальных усло­виях; — угол сдвига фазы тока относительно фазы напря­жения в момент, предшествующий КЗ.

Иногда используют более простую формулу

. ( 1.17а )

Сверхпереходная ЭДС синхронных компенсаторов равна

. ( 1.18 )

В формулах (1.17), (1.17а) и (1.18) знак "плюс" относится к синхронным машинам, которые к моменту КЗ работали с перевоз­буждением, "минус" — к работавшим с недовозбуждением. Самую удаленную от точки КЗ часть электроэнергетической сис­темы на исходной расчетной схеме часто представляют в виде одно­го эквивалентного источника энергии ( называют "системой") с не­изменной по амплитуде ЭДС, равной среднему номинальному на­пряжению соответствующей сети, и имеющего эквивалентное ин­дуктивное сопротивление .- При этот источник (систему) в схеме замещения учитывают ЭДС и индуктивным сопротивлением, определенным по 1.16 .

Если эквивалентное индуктивное сопротивление системы неиз­вестно, его значение, приведенное к базисным условиям, можно определить, исходя из значения периодической составляющей тока КЗ от системы :

( 1.19 )

где — базисный ток той ступени напряжения сети, на которой задан ток .

После нахождения значений параметров всех элементов схемы замещения последнюю путем преобразований приводят к простей­шему виду и вычисляют результирующую эквивалентную ЭДС и результирующее эквивалентное сопротивление - относительно точки КЗ. Искомое начальное действующее значение периодической составляющей тока в месте КЗ

, ( 1.20 )

где — базисный ток той ступени напряжения сети, где находит­ся точка КЗ.

Начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ приближенно можно определить и по методу эквивален­тного генератора, приняв ЭДС всех источников электроустановки равными нулю и используя формулу

, ( 1.2 1)

где с — коэффициент, значения которого рекомендуется прини­мать: 1,1 при расчете максимального значения тока КЗ; 1,0 при определении минимального значения тока КЗ.

Методика расчета периодической составляющей тока КЗ в про­извольный момент времени зависит от конфигурации исходной расчетной схемы и применяемого метода расчета этой составляю­щей тока от синхронных и асинхронных машин. Если исходная расчетная схема содержит несколько по-разному удаленных от точки КЗ генераторов или синхронных компенсаторов, а также сис­тему, но все источники связаны с точкой КЗ независимо один от другого, то при расчете периодической составляющей тока КЗ на­ходят значения этой составляющей от отдельных источников и за­тем результаты суммируют.

Для определения периодической составляющей тока КЗ от син­хронных машин обычно применяют метод типовых кривых. Он ос­нован на использовании кривых изменения во времени отношения действующих значений периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора) в произвольный и началь­ный моменты времени (т.е. коэффициента затухания) при разных удаленностях точки КЗ. Удаленность находится как отношение пе­риодической составляющей тока генератора (синхронного компен­сатора) в начальный момент КЗ к номинальному току машины и может быть найдена как

( 1.22 )

где — полная номинальная мощность синхронной машины (или сумма номинальных мощностей машин, подключенных к од­ним шинам); — начальное значение периодической состав­ляющей тока машины при базисных условиях.

Типовые кривые для генераторов (синхронных компенсаторов ) с тиристорной независимой системой возбуждения приведены на рисунке 1.1, а. Дополнительные кривые, позволяющие учесть взаим­ное влияние генератора и системы на ток КЗ, даны на рисунке 1.1, б.

Расчет периодической составляющей тока КЗ в произвольный момент времени с использованием типовых кривых при радиаль­ной схеме и одном генераторе ( синхронном компенсаторе ) прово­дят в следующем порядке:

1. По исходной схеме составляют эквивалентную схему заме­щения для расчета начального значения периодической составля­ющей тока КЗ (методика изложена выше ), приводят ее к прос­тейшему виду и определяют

( 1.23 )

2. По ( 1.22 ) находят ток , характеризующий удален­ность точки КЗ от синхронной машины. Если 2, то на рисунке 1.1, а подбирают кривую, соответствующую этому значению .

3. По выбранной кривой для расчетного момента времени нахо­дят коэффициент .

4. Определяют искомое значение периодической составляющей тока КЗ в расчетный момент времени

( 1.24)

где — базисный ток той ступени напряжения сети, на которой находится точка КЗ.

В тех случаях, когда 2, действующее значение перио­дической составляющей принимают неизменным во времени, т.е. считают, что =1 и .

Если расчетная схема содержит несколько однотипных и одина­ково удаленных от точки КЗ генераторов ( синхронных компенса­торов ), то расчет периодической составляющей тока КЗ произво­дится аналогично, только в (1.22) вместо номинальной мощности синхронной машины необходимо подставлять сумму номинальных мощностей всех машин.

Для расчета апериодической составляющей тока КЗ в произ­вольный момент времени составляют схему замещения, в которой синхронные генераторы и компенсаторы учитывают сопротивле­нием обратной последовательности и сопротивлением обмотки статора постоянному току. Все остальные элементы исходной рас­четной схемы учитывают индуктивным сопротивлением прямой последовательности и сопротивлением постоянному току, а при отсутствии соответствующих данных последнее приближенно при­нимают равным активному сопротивлению.

Сопротивление постоянному току (или активное сопротивле­ние) различных элементов расчетной схемы при выбранных ба­зисных условиях можно определить по (1.15 ) или (1.16), если в них вместо и подставить соответственно и . При этом следует иметь в виду следующее:

для синхронных машин

( 1.25 )

для трехфазных трансформаторов

( 1.26 )

для реакторов

( 2.27 )

где — сопротивление обратной последовательности син­хронной машины при номинальных условиях, отн. ед.;

— по­стоянная времени затухания апериодической составляющей тока при трехфазном КЗ, с;

— потери КЗ в трансформаторе, кВт;

— потери мощности в одной фазе реактора при номинальном токе, кВт;

— номинальный ток реактора, А.

Для системы обычно принимают X/R = 14...20.

При расчетах апериодической составляющей тока КЗ, необхо­димой для выбора или проверки электрооборудования по условиям КЗ, исходят из следующих допущений:

начальное значение апериодической составляющей тока КЗ по абсо­лютному значению равно амплитуде периодической составляющей тока в начальный момент КЗ, т.е.

; (1.28)

в схеме с любым числом связанных контуров апериодическая состав­ляющая затухает по экспоненциальному закону с так называемой экви­валентной постоянной времени.

Существует несколько способов определения эквивалентной по­стоянной времени. Один из них основан на использовании формулы

, (1.29)

где — результирующее комплексное сопротивление эквива­лентной схемы замещения обратной последовательности относи­тельно точки КЗ.

Однако наиболее простым является способ, при котором исполь­зуется выражение

, (1.30)

где и — результирующие эквивалентные со­противления эквивалентной схемы замещения при учете в ней различных элементов исходной расчетной схемы соответственно только индуктивными сопротивлениями ( R=0 ) и только сопро­тивлениями постоянному току (X=0).

При принятом допущении об экспоненциальном законе измене­ния апериодической составляющей тока КЗ значение этой состав­ляющей в произвольный момент времени

; ( 1.31 )

Если точка КЗ делит схему на несколько радиальных независи­мых друг от друга ветвей, то апериодическую составляющую тока КЗ в произвольный момент времени следует определять как сумму апериодических составляющих токов отдельных ветвей

, (1.32 )

где т — число независимых ветвей схемы; — начальное зна­чение периодической составляющей тока КЗ в -й ветви;

— эквивалентная постоянная времени затухания аперио­дической составляющей тока в  ветви.

В схеме с любым числом связанных контуров ударный ток КЗ приближенно считают как

, (1.33 )

где — ударный коэффициент.

Если , то ударный коэффициент можно определять по формуле

, (1.34 )

При любых значениях , в том числе и при  10, достаточно точные результаты получаются при использовании формул

(1.35)

или , (1.36)

где . (1.37)

В тех случаях, когда точка КЗ делит схему на несколько ради­альных независимых частей, ударный ток можно принимать рав­ным сумме ударных токов от соответствующих частей схемы, т.е.

( 1.38 )

При построении схем ТЭЦ вопрос ограничения токов КЗ явля­ется одним из важных, так как от их значения зависит не только стоимость РУ станции, но и вообще техническая возможность ра­боты аппаратов (по отключающей способности выключателей, ди­намической стойкости аппаратов РУ ).

В РУ повышенных напряжений ограничение токов КЗ дости­гается ограничением числа включенных блоков заданной мощно­сти на одно РУ, переходом на следующую более высокую ступень напряжения и др.

В РУ генераторного напряжения ограничение токов КЗ, произ­водится: ограничением числа генераторов заданной мощности, включаемых на общую секцию; применением секционных токоограничивающих реакторов; применением трансформаторов с рас­щепленными обмотками генераторного напряжения; примене­нием линейных токоограничивающих реакторов ( в том числе групповых сдвоенных реакторов ).

В РУ собственных нужд ограничение токов КЗ достигается:

применением трансформаторов с. н. с расщепленными обмотками низшего напряжения; ограничением единичной мощности транс­форматоров с. н.; ограничением числа мощных двигателей, вклю­ченных на рабочую секцию с. н. (т. е. применением секциони­рования шин с. н.). Применение токоограничивающих реакторов в цепях питания с. н. нежелательно, так как это ухудшает усло­вия самозапуска двигателей с. н.

Последний пример показывает, что ограничение токов КЗ так­же должно иметь свои границы, ниже которых оно нецелесообраз­но. Иначе говоря, при проектировании электрической части электростанций задача оптимизации уровней токов КЗ должна решаться как частная задача оптимизации структуры и парамет­ров элементов электрической системы. В качестве целевой функ­ции оптимизации токов КЗ можно принять приведенные затраты на электроустановку, которые учитывают капиталовложения, издержки эксплуатации, а также значение возможного системного ущерба и ущерба потребителей при отказе элементов энергосистемы.