Пошкодження й анормальні режими роботи в електричних системах: причини та наслідки. Методи розрахунку струмів трифазного к.з.

Про матеріал

Лекція з дисципліни "Релейний захист електричних систем" для студентів передвищих фахових коледжів

Перегляд файлу

ЛЕКЦІЯ № 1

Дисципліна: Релейний захист електричних систем

Блок змістовних модулів 1 «Релейний захист електричних систем»

Модуль змістовний 1.1 (забезпечувальний)

«Короткі замикання в енергетичних системах»

Модульна одиниця: Вступ. Пошкодження й анормальні режими роботи в електричних системах: заподій та наслідки. Методи розрахунку струмів трифазного к.з.

План лекції: 1. Вступ.

2. Пошкодження й анормальні режими роботи в електричних

системах: заподій та наслідки.

3. Методи розрахунку струмів трифазного к.з.

Лекція:

1. Вступ. Для забезпечення надійного електропостачання споживачів, запобігання руйнуванню устаткування електроустановок та збереженню стійкої роботи генераторів і енергосистем необхідно якомога швидше відключати пошкоджену ділянку, а також своєчасно ліквідувати ненормальні режими, небезпечні для споживачів і обладнання.

У процесі експлуатації електрообладнання можуть виникати пошкодження, що призводять до коротких замикань (к.з.). Короткі замикання виникають через пробої або перекриття ізоляції, оббривши проводів, помилкових дій персоналу і інших причин. У більшості випадків розвиток аварій може бути припинено швидким відключенням пошкодженої ділянки електроустановки або мережі за допомогою спеціальних автоматичних пристроїв, які отримали назву релейний захист та діють на відключення вимикачів. Завдяки цьому скорочуються розміри збитків або навіть зовсім запобігають пошкодженню обладнання на якому виникло к.з., а також відновлюється робота неушкодженого обладнання.

Першим основним призначенням релейного захисту (РЗ) є виявлення місця виникнення к.з. і швидке автоматичне відключення вимикачів пошкодженого обладнання або ділянки мережі від решти неушкодженою частини електроустановки або мережі. Крім ушкоджень електроустаткування, можуть виникати порушення нормальних режимів роботи, які не становлять безпосередньої небезпеки для обладнання і можуть самоусунутися за допомогою пристроїв електроавтоматики (включенням Автоматичного повторного включення (АПВ), автоматичного включення резерву (АВР), Автоматичного частотного розвантаження (АЧР), а також відключенням електрообладнання з витримкою години).

Другим основним призначенням РЗ є виявлення порушень нормальних режимів роботи обладнання й подача попереджувальних сигналів обслуговуючому персоналу або відключення встаткування з витримкою часу.

У загальному випадку до релейного захисту, що діє при ушкодженнях на відключення, пред'являються наступні чотири основні технічні вимоги:

1. Швидкодія. Для забезпечення надійної роботи генератори, трансформатори, лінії електропередачі й усі інші частини електроустановки або електромережі повинні оснащуватися швидкодіючим релейним захистом. Сучасні пристрої швидкодіючої РЗ мають час дії 0,02 - 0,1с.

Дана вимога визначається наступними основними міркуваннями:

- прискорення відключення ушкоджень підвищує стійкість паралельної роботи генераторів у системі. При застосуванні швидкодіючих реле й вимикачів порушення динамічної стійкості паралельно працюючих синхронних машин у наслідку короткого замикання може бути виключено. Тим самим усувається одна з основних причин виникнення найбільш важких, з погляду безперебійної роботи споживачів, системних аварій;

- прискорення відключення ушкоджень зменшує час роботи споживачів при зниженій напрузі. При швидкодіючих захистах і вимикачах практично всі двигуни, установлені як у споживачів, так і на власних потребах станцій, за винятком тих, які харчуються від вимикача, що відключився, після відключення короткого замикання можуть залишатися в роботі. Більше того, зменшення обертаючих моментів, наприклад у синхронних двигунів виявляється настільки короткочасним, що споживачі не відчувають цього;

Припустимий час відключення к.з. за умовою збереження стійкості залежить від ряду факторів. Найважливішим з них є величина залишкової напруги на шинах електростанцій і вузлових підстанцій енергосистеми. Чим менше залишкова напруга, тим гірше умови стійкості й, отже, тем швидше потрібно відключити к.з. Найбільш важкими за умовою стійкості є трифазні к.з. і двофазні к.з. на землю в мережі із глухозаземленою нетралю, тому що при цих ушкодженнях відбувається найбільше зниження всіх міжфазних напруг.

У сучасних енергосистемах для збереження стійкості потрібно досить малий час відключення к.з. Так, наприклад, на лініях електропередачі 330 – 500 кВ необхідно відключити ушкодження за 0,1 - 0,2 сек. після його ушкодження, а в мережах 110 – 220 кВ - за 0,15 - 0,3 сек. У розподільних мережах 6 – 10 кВ короткі замикання, відділені від джерела більшими опорами можна відключити згодом 1,5 - 3 сек., тому що вони не впливають на стійкість системи. Точна оцінка припустимого часу відключення проводиться за допомогою спеціальних розрахунків стійкості проведених для цієї мети. У якості наближеного критерію необхідності застосування швидкодіючих захистів Правила пристрою електроустановок (ПУЕ) рекомендують визначити залишкова напруга на шинах електростанцій і вузлових підстанцій при трифазному к.з. в, що цікавить нас крапці к.з. Якщо залишкова напруга виходить менше 60% номінального, то для збереження стійкості слід застосовувати швидке відключення ушкоджень, тобто застосовувати швидкодіючий захист (ПУЕ, п.3.2.108).

Повний час відключення ушкодження складається із часу роботи захисту й часу дії вимикача, що розриває струм к.з. Отже, для прискорення відключення потрібно прискорити дію, як захисту, так і вимикачів. Мінімальне часи спрацьовування захистів рівні 0,02 - 0,04 сек., а вимикачів 0,05 - 0,06 сек. Тому мінімально припустимі часи відключення к.з. становить 0,07 - 0,1 сек.

Однак необхідно відзначити, що одержання малих часів у ряді випадків виявляється недоцільним, тому що вимагає застосування складних панелей захистів, які будуть менш надійними. Тому звичайно виставляються ті витримки часу, з якими можливо відключати найбільш важкі, але реальні ушкодження.

Як приклад цифр можуть бути названі наступні мінімальні часи відключення к.з.:

- на лініях електропередачі 400 – 500 кВ – 0,1-0,12 сек.;

- на лініях 110 – 330 кВ, що відходять від сучасних потужних теплових станцій, з потужними турбогенераторами, що мають форсоване охолодження обмоток – 0,15 - 0,2 сек.;

- у мережах 110-330 кВ із турбогенераторами старої конструкції – 0,2 - 0,3 сек.

Вимога до часу швидкодії захистів від ненормальних режимів залежить від їхніх наслідків. Часто ненормальні режиму носять короткочасний характер і ліквідуються самі, так, наприклад, короткочасне перевантаження при пуску асинхронного двигуна, відключення одного трансформатора на двухтрансформаторной підстанції й т.п..

У таких випадках швидке відключення не є необхідним, але може завдати шкоди споживачам. Тому відключення встаткування при ненормальному режимі повинне проводитися тільки тоді, коли наступає дійсно небезпека для встаткування, що захищається, у більшості випадків у витримкою часу.

2. Селективність або вибірковість. Селективністю називається здатність релейного захисту виявляти місце ушкодження й відключати його тільки найближчими до нього вимикачами, при цьому інша неушкоджена частина електроустановки залишиться в роботі. Дуже важливе значення має виконання вимоги селективності для забезпечення правильної ліквідації аварії, а якщо ні, то неселективні дії захисту можуть привести до ще більш важких наслідків аварії. У ряді випадків одночасне виконання вимог селективності й швидкодії викликає серйозні труднощі й вимагає істотного ускладнення захисту. У таких випадках у першу чергу забезпечується виконання того з вимог, яке в даних конкретних умовах є визначальним.

3. Чутливість. Захист повинен мати таку чутливість до тем видам ушкоджень і порушень нормального режиму роботи в даній електроустановці або електромережі, на які вона розрахована, щоб була забезпечена її дія на початку виникнення ушкодження, чим зменшуються розміри пошкодження устаткування в місці к.з. Чутливість захисту повинна також забезпечувати її дія при ушкодженнях на суміжних ділянках. Якщо з якої-небудь причини не відключиться найближчий до місця к.з. вимикач, то повинна спрацювати захист наступного до джерела живлення вимикача й відключити його. Така дія захисту називається далеким резервуванням суміжного або наступної ділянки.

Чутливість захисту повинна бути такий, щоб вона діяла при к.з. наприкінці встановленої для неї зони в мінімальному режимі роботи системи й при замиканнях через електричну дугу. Чутливість захистів прийнято характеризувати коефіцієнтом чутливості К_ч. Для захистів, що реагують на струм к.з. коефіцієнт чутливості рівний:

де I_к.з.min - к.з. в у мінімальному режимі роботи системи, кА;

Iс.з. – струм спрацьовування захисту, кА.

4. Надійність. Вимога надійності полягає в тому, що захист повинна правильно й безвідмовно діяти на відключення вимикачів обладнання при всіх його пошкодженнях і порушеннях нормального режиму роботи, для дії при яких вона призначена, і не діяти в нормальних умовах, а також при таких пошкодженнях і порушеннях нормального режиму роботи, при яких дія даного захисту не передбачене, а повинна діяти інший захист. Вимога надійності забезпечується досконалістю принципів захисту й конструкцій апаратури, добротністю деталей, простотою виконання, а також рівнем експлуатації.

2. Пошкодження й анормальні режими роботи в електричних системах: причини й наслідки.

В енергосистемах на електроустаткуванні електростанцій, в електричних мережах і на електроустановках споживачів за рахунок зовнішніх (вітер, дощ, полій) і внутрішніх умов (старіння й руйнування ізоляції, неправильні дії персоналу і т.д.) можуть виникнути режими, на які електроустановки не розраховані. До них відносяться пошкодження й ненормальні режими.

Пошкодження в основному ведуть до коротких замикань, які супроводжуються значним збільшенням струму й глибоким зниженням напруги в елементах енергосистеми.

Наслідками пошкоджень можуть бути:

- порушення нормальної роботи великої кількості споживачів електроенергії й брак продукції в наслідкові сильного зниження напруги в значній частині системи;

- руйнування ушкодженого елемента дугою, що часто виникає при к.з. у місці порушення ізоляції;

- руйнування обладнання в неушкодженій частині системи в результаті теплової й динамічної дії струму к.з. іноді більших значень, що досягають;

- порушення стійкості системи, коли її нормальна робота може повністю паралізуватися.

Анормальні режими звичайно приводять до відхилення величин напруги, струму й частоти від припустимих значень. При зниженні частоти й напруги створюється небезпека порушення нормальної роботи споживачів і стійкості енергосистеми.

Крім цього до основних видам ненормальних режимів ставляться перевантаження. У цьому випадку в перевантаженому елементі виникають струми, що перевершують довгостроково припустимі для його значення. При досить великому часі існування цих струмів температура струмових частин неприпустимо підвищується, а їх ізоляція прискорено зношується або руйнується.

Отже ушкодження й неморальні режими можуть приводити до виникнення в системі аварій, під якими, звичайно маються на увазі вимушені порушення нормальної роботи всієї системи або тільки її частини, що супроводжуються недовідпусткою енергії споживачам, неприпустимим зниженням його якості, за рахунок чого приноситься матеріальний збиток у вигляді невиробленої продукції або руйнування основного устаткування.

Про самі короткі замикання можна сказати наступне:

Короткі замикання (к.з.) – одна з основних причин порушення режиму роботи електроустановок і енергосистем. Короткі замикання – це з'єднання між фазами й землею (або нульовим проводом), а також з'єднання між різними витками однієї фази. З'єднання можуть бути через дугу або глухі, «металеві». У даній главі розглядаються тільки останні. Струми к.з. звичайно протікають незначний час (t ( 1 ( 5 сек), але їх доводиться ретельно розраховувати, тому що через термічну й динамічну дію струмів к.з. можливі серйозні ушкодження встаткування.

В електричних системах можуть мати місце трифазні, двофазні, двофазні к.з на землю й однофазні к.з..

- трифазні замикання: замикання між трьома фазами; замикання між трьома фазами на землю;

- двофазні замикання: замикання між двома фазами; замикання між двома фазами на землю.

- однофазні замикання на землю.

Виды коротких замыканий

Можливі й більш складні види пошкоджень, що представляють комбінацію деяких з перелічених. Так, наприклад, при обриві проводу лінії один його кінець, розташований близько до ізолятора, може залишитися ізольованим, а інший, упавши на землю, утворює однофазні замикання на землю. У процесі розвитку ушкодження можливі переходи одного виду ушкодження в іншій (однофазних у багатофазні).

Приклади коротких замикань: https://www.youtube.com/watch?v=JHZIXd4RJ5Y

3. Методи розрахунків струмів трифазного к.з.

Розрахунки струмів к.з необхідні для:

- зіставлення оцінки й вибору головних схем електричних з'єднань електростанцій, підстанцій і електропостачання;

- вибір електричних апаратів;

- проектування й настроювання релейного захисту;

- проектування захисних заземлювачів;

- вибору розрядників;

- аналізу аварій;

- оцінки допустимості й розробки методики проведення різних випробувань в електричних системах.

Для вибору параметрів настроювання релейного захисту визначають максимальне й мінімальне розрахункові значення періодичної й аперіодичної складових струмів к.з. у початковий і довільний моменти часу як у місці к.з., так і в окремих гілках розрахункової схеми.

Розрахунки струмів у довільний момент часу в окремих гілках розрахункової схеми вимагають урахування електромеханічних перехідних процесів і їх слід проводити із застосуванням засобів обчислювальної техніки, використовуючи програми розрахунків динамічної стійкості електроенергетичних систем.

Розрахунки струмів к.з. в електричній системі представляє важке завдання. З метою її спрощення звичайно приймають ряд допущень, що не вносять суттєвих погрішностей у розрахунки:

Розрахунки періодичної складової струму к.з. допускається здійснювати, не враховуючи активні опори елементів електроенергетичної системи, зокрема, повітряних і кабельних ліній електропередачі.

При розрахунках струмів к.з. допускається не враховувати:

- зсув по фазі Е.Р.С. і зміну частоти обертання роторів синхронних генераторів, компенсаторів і електродвигунів, якщо тривалість к.з. не перевищує 0,5 с;

- струм намагнічування трансформаторів і автотрансформаторів;

- насичення магнітних систем електричних машин;

- поперечну ємність повітряних ліній електропередачі напругою 110-220 кВ, якщо їх довжина не перевищує 200 км, і напругою 330-500 кВ, якщо їх довжина не перевищує 150 км.

У практиці інженерних розрахунків струмів коротких замикань існує два основні методи розрахунків струмів коротких замикань:

- метод іменованих одиниць. При розрахунках в іменованих одиницях усі опори схеми заміщення повинні бути виражені в Омах і приведені до одної базисної напруги ( до середньої напруги одного електричного щабля). Таке приведення необхідне, якщо між джерелом і точкою к.з. є одна або кілька щаблів трансформації. За базисну напругу зручно приймати середню напругу того щабля, на якім є місце к.з.. Параметри схеми виражають в іменованих одиницях (омах, амперах, вольтах і т.д.). Метод іменованих одиниць застосовують при розрахунках струмів к.з. порівняно простих електричних схем з невеликим числом щаблів трансформації. Якщо розрахунки виконують в іменованих одиницях, то для визначення струмів к.з. необхідно привести всі електричні величини до напруги щабля, на якому має місце к.з.. У якості базисної напруги ухвалюють середню напругу того щабля, на якому відбулося к.з. (U_ср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ);

- метод відносних одиниць. У цьому випадку параметри схеми виражають у частках або відсотках від величини, прийнятої в якості основної (базисної). Метод відносних одиниць використовують при розрахунках струмів к.з. у складних електричних мережах з декількома щаблями трансформації, приєднаних до районних енергосистем. При розрахунках у відносних одиницях усі величини порівнюють із базисними, у якості яких ухвалюють базисну потужність одного трансформатора ГПП або умовну одиницю потужності, наприклад 100 або 1000 МВ∙А. Більш докладно один з вищевказаних методів розрахунків буде розглянутий у практичній роботі № 1.

Контрольні питання:

1. Назвіть перше основне призначення релейного захисту?

2. Назвіть другу основне призначення релейного захисту?

3. Перелічіть основні технічні вимоги до релейного захисту?

4. Що таке швидкодія РЗ та його чуттєвість?

5. Що таке селективність РЗ та його надійність?

6. Озвучте формулу, за якою визначається коефіцієнт чуттєвості РЗ?

Поясніть її складові.

7. Поясніть, що таке пошкодження й що таке анормальний режим

роботи електричної системи?

8. Якими можуть бути наслідки пошкодження при роботі електричної

системи?