Методы и средства ограничения токов короткого замыкания

 

Рост уровней токов КЗ при развитии энергосистем предъявляет повышенные требования в отношении электродинамической и термической стойкости элементов электротехнических устройств энергосистем, а также коммутационной способности электрических аппаратов.

В последние годы стали весьма актуальными вопросы воздействия токов КЗ не только на жесткие шины, кабели и электрические аппараты, но и на генераторы, силовые трансформаторы, а также гибкие проводники электроустановок. Согласно ПУЭ гибкие шины распределительных устройств, а также проводники воздушных линий электропередачи должны проверяться на возможность схлестывания или опасного с точки зрения пробоя, сближения фазных проводников в результате их раскачивания под действием электродинамических сил при токах трехфазного КЗ. Необходимость проверки можно также определить с помощью параметра ,

,

где: - начальное действующее значение периодической составляющей тока двухфазного КЗ, кА; - расчетная продолжительность КЗ, с; - расстояние между фазами, м; - погонная сила тяжести проводника, Н/м; - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей электродинамической силы.

Погонная сила тяжести проводника определяется по формуле

где: - погонная масса проводника, кг/м; - ускорение свободного падения, .

Коэффициент где: - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с.

Гибкие проводники следует проверять на опасное сближение и схлестывание при КЗ. Рост уровней токов КЗ является одной из основных причин снижения эксплуатационной надежности силовых трансформаторов. Так, в США аварийность силовых трансформаторов напряжением 34,5-138 кВ и мощностью до 50 МВ•А из-за недостаточной электродинамической стойкости к сквозным токам КЗ за один год возросла с 68 до 180 отказов. Подобные случаи наблюдались в энергосистемах ряда других стран. В связи с этим Международная электротехническая комиссия (МЭК) в стандарте на трансформаторы практически в два раза повысила требования к электродинамической стойкости трансформаторов. Аналогичное решение было принято в нашей стране. Допустимая предвключенная мощность КЗ для трансформаторов .

С целью уменьшения воздействия токов КЗ на электрооборудование предложены и используются различные методы и средства ограничения токов КЗ. Учитывая специфику развития современных объединенных энергосистем, вопросы устойчивости и надежности их работы, а также технико-экономические характеристики, разрабатываются и исследуются принципиально новые средства тооограничения, позволяющие ограничить не только значение тока КЗ, но и продолжительность КЗ.

В общем случае решение указанной задачи возможно следующими путями:

· повышение быстродействия традиционной коммутационной аппаратуры;

· создание и использование новых сверхбыстродействующих коммутационных аппаратов, способных безынерционно, т. е. в течение первого полупериода, ограничить и отключить ток КЗ;

· использование безынерционных и инерционных токоограничивающих устройств (ТОУ);

Условия протекания, ограничения и отключения тока КЗ видны из рисунке 14.1. При использовании в сети четырехпериодных выключателей отключение тока КЗ в зависимости от быстродействия релейной защиты происходит в моменты А или А'. Внедрение двухпериодных выключателей позволяет отключить ток КЗ в моменты Б или Б'.

 

Рисунок 14.1. Условия отключения и ограничения тока КЗ.

1-ток КЗ в цепи; 2-ограничение тока КЗ безынерционным ТОУ; 3-ограничение тока КЗ токоограничивающим коммутационным аппаратам;

 

Использование синхронизированных или тиристорных выключателей с естественной коммутацией позволяет отключить ток КЗ в момент В, т.е. при первом переходе тока через нуль. Как видно, переход от четырех - к двухпериодным, а затем и к синхронизированным выключателям позволяет снизить термическое действие тока КЗ на электрооборудование, но не ограничивает максимальное электродинамическое воздействие, определяемое ударным током; последний в указанных случаях не ограничивается.

Электродинамическое воздействие тока КЗ можно снизить путем использования токоограничивающих коммутационных аппаратов. Таковыми могут быть, например, тиристорные выключатели с принудительной коммутацией, ограничители ударного тока взрывного действия и токоограничивающие предохранители. Использование указанных аппаратов позволяет ограничить, а затем отключить ток КЗ в момент Г (кривая 3).

Термическое и электродинамическое воздействия тока КЗ можно снизить путем использования безынерционных токоограничивающих устройств (БТОУ), таких как резонансные токоограничивающие устройства (кривая 2).

В ряде случаев для уменьшения термического воздействия тока КЗ и облегчения условий работы коммутационной аппаратуры могут быть использованы также инерционные токоограничивающие устройства, например устройства автоматического деления сети или устройства, состоящие из реактора, нормально зашунтированного выключателем. Очевидно, наибольшее ограничение тока КЗ достигается при использовании безынерционных токоограничивающих коммутационных устройств, однако такое решение задачи в настоящее время сдерживается либо отсутствием указанных устройств с необходимыми параметрами и эксплуатационными характеристиками, либо их высокой стоимостью. Требуют разработки, освоения и снижения стоимостных показателей, синхронизированные выключатели, ТОУ со сверхпроводниками и безынерционные токоограничивающие устройства.