Условия выбора высоковольтных выключателей кратко

Обновлено: 05.07.2024

Все высоковольтные потребители подстанций, питающиеся от подстанций (цеховые трансформаторы, высоковольтные двигатели, батареи конденсаторов), подсоединяют посредством высоковольтных ячеек. Рекомендуется использовать комплектные ячейки КРУ и КСО. Такое решение позволяет существенно повысить производительность монтажных работ, сократить стоимость подстанций, повысить надежность электроснабжения и безопасность обслуживания. Выбор конкретной ячейки комплектного распределительного устройства зависит от токов рабочего режима и короткого замыкания в соответствующем присоединении, предопределяющих выбор выключателя или другого коммутационного аппарата.

В распределительных устройствах 10 (6) кВ применяют маломасляные, элегазовые, вакуумные и другие выключатели. Большой диапазон исполнений дает возможность применять выключатели как для присоединения электроустановок средней мощности, так и на стороне вторичного напряжения крупных трансформаторов.

Количество ячеек, присоединенных к секции шин, должно быть выбрано исходя из следующих потребностей: по одной ячейке на каждое проектируемое присоединение 10(6) кВ; по одной резервной ячейке на каждой секции шин; ячейка с межсекционным выключателем; ячейка с измерительным трансформатором напряжения на каждой секции шин; ячейка с вводным выключателем. Наиболее типичной схемой РУ 10 кВ промышленного предприятия является схема с одиночными секционированными шинами. Выбор высоковольтных выключателей производят:

По термической стойкости проверка осуществляется по расчетному импульсу квадратичного тока короткого замыкания и найденным в каталоге значениям:

При удаленном коротком замыкании значение теплового импульса тока короткого замыкания Вк может определяться по формуле

где т — расчетное время отключения выключателя, с.

Время действия релейной защиты может быть принято: при расчете кабелей и выключателей тупиковых присоединений ЗУР (высоковольтные двигатели, цеховые трансформаторы) t р.з. = 0,01 с; для вводных выключателей РУ 6—10 кА 4УР

t р.з. = 0,5… 0,6 с; для коммутационных аппаратов 5УР t р.з. = 1,2…2,0 с.

При коротком замыкании вблизи группы двигателей тепловой импульс определяется как суммарный от периодической Вкп и апериодической В к.а. составляющих:

Апериодические составляющие токов двигателей от системы затухают по экспонентам с близкими постоянными времени, поэтому апериодическую составляющую тока в месте короткого замыкания можно представить в виде одной экспоненты с эквивалентной постоянной времени:

Тепловой импульс от апериодической составляющей тока короткого замыкания

При наличии синхронных двигателей на соседней секции шин максимальное результирующее значение тока внешнего короткого замыкания определяется с учетом суммарной подпитки от обеих секций, так как секционный выключатель может быть включен. При проектировании подстанции промышленного предприятия возникает необходимость повторения процедур выбора аппаратов и токоведущих устройств столько раз, сколько отходящих линий имеется на предприятии.

В общих сведениях о выключателях рассмотрены те параметры, которые характеризуют выключатели. При выборе выключателей необходимо учесть 12 различных параметров, но, т. к. заводами – изготовителями гарантируется определённая зависимость параметров, например (1),допустимо производить выбор выключателя по важнейшим параметрам:

- по напряжению установки U уст i а ном, то допускается проверка по отключающей способности производится по полному току к. з.:

Проверка выключателей по параметрам восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя в учебном проектировании обычно не проводится, т. к. в большинстве энергосистем реальные условия восстановления напряжения соответствуют условиям испытания выключателя.

Разъединители, отделители.

Контактный коммутационный аппарат, предназначенный для коммутации электрической цепи без тока или с незначительным током (током намагничивания трансформаторов, нейтрале ТР и дугогасящих реакторов, зарядным током шин и ВЛ), который для обеспечения безопасности имеет в отключенном положении изоляционный промежуток (создает видимый разрыв). Разъединитель состоит из подвижных и неподвижных контактов, укрепленных на изоляторах.

По характеру движения ножа:

- поворачивается в плоскости, перпендикулярной осям поддерживающих изоляторов.

- поворачивается в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов.

- перемещается совместно с изолятором, который поворачивается (качается) в плоскости, параллельно осям изоляторов

Внутренней, наружной установки.

Короткозамыкатель. Аналогичен заземлителю, но за счёт мощной контактной системы может включаться на короткое замыкание. Представляет собой разъединитель, снабжённый пружинным приводом для автоматического включения и предназначенный для соединений провода(проводов)трёхфазной системы с землёй по ручной команде или от релейной защиты.

Короткозамыкатели совместно с отделителями применяются в упрощённых схемах подстанций вместо более дорогих силовых выключателей. Подобная замена позволяет экономить значительные денежные средства, так как стоимость силовых выключателей довольно высока. Устанавливаются короткозамыкатели: в сетях с заземлённой нейтралью — на одну фазу, в сетях с изолированной нейтралью — на две. Не ставятся на новые ПС, устарели. При появлении КЗ и недостаточной чувствительности вышестоящей релейки замыкается на землю, устраивает своё КЗ на которое уже срабатывает вышестоящая релейка, и отключает всё. В бестоковую паузу срабатывает отделитель (разъединитель автоматический), после чего выключатель выше производит АПВ, и включает сеть обратно, а поврежденный участок остается отключенным отделителем.

2 ВЫБОР КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
2.1 Выбор выключателей
Выключатель- это коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи в различных режимах работы. Выключатели должны надежно отключать токи нормального режима и режима КЗ, а также малые индуктивные и емкостные токи без появления при этом опасных коммутационных перенапряжений.
При проектировании электроустановок первоначально намечают типы выключателей, а затем производят их выбор по следующим параметрам [1,7]:
а) по напряжению электроустановки
, (2.1)
где - номинальное напряжение установки;
- номинальное напряжение выключателя;
б) по длительному току в нормальном и форсированном режимах работы
(2.2)
в) по отключающей способности
При выборе выключателя по отключающей способности сначала производится проверка на симметричный ток отключения по условию:
(2.3)
где - периодическая составляющая тока короткого замыкания, для момента времени
Далее проверяют выключатель на возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ по условию:
, или ; (2.4)
где - номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключающем токе для момента времени
- нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, %, которое берется по каталогу для выбранного выключателя. Если отсутствует для данного типа выключателя, то оно может быть определенно по кривой представленной на рисунке 2.1 или рассчитано для момента времени по выражению:
, (2.5)
‑ апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов выключателя ;
‑ процентное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ, которое определяется по выражению:
(2.6)
Если условие (2.3) выполняется, а (2.4) не выполняется, то допускается проверку выключателя по отключающей способности производить по полному току КЗ:
; (2.7)
или (2.8)

Рисунок 2.1-Нормированное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе

Проверка выключателя по включающей способности производится по условию:
(2.9)
где - ударный ток КЗ в месте установки выключателя,
- начальное значение периодической составляющей тока КЗ в месте установки выключателя,
- номинальный ток включения выключателя, равный номинальному току отключения (начальное действующее значение периодической составляющей);
- наибольший пик тока включения.
На электродинамическую стойкость выключатель проверяется по двум условиям:
(2.10)
где - начальное действующее значение периодической составляющей сквозного предельного тока КЗ, равное номинальному току отключения выключателя;
– наибольший пик сквозного предельного тока КЗ.
На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ в соответствии с выражением (1.12).
Согласно ПУЭ намеченные к установке выключатели должны быть проверены по параметрам переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) на контактах выключателя. ПВН появляется на контактах выключателя после погасания в нем электрической дуги [5,7] .
Для воздушных выключателей рекомендуется выполнить сначала приближенную проверку скорости восстановления напряжения [8]:
, (2.11)
где - расчетный ток трехфазного КЗ;
- количество линий, не считая поврежденной.
Если условие (2.11) не выполняется, необходимо произвести уточненный расчет.
Для уточненной проверки выключателей по параметрам восстанавливающегося напряжения необходимо сопоставить расчетную кривую переходного восстанавливающегося напряжения с нормированной. Расчетная кривая ПВН не должна выходить за пределы нормированной характеристики ПВН выключателя и один лишь раз должна пересекать линию запаздывания. Линия запаздывания параллельна начальной части нормированной характеристики ПВН выключателя и определяется двумя координатами и . Для выключателей напряжением 110 кВ и выше , а координата установлена равной 2, 4 и 8 мкс в зависимости от отключаемого тока, равного соответственно 100, 60 и 30% номинального тока отключения.
Нормированная характеристика переходного восстанавливающегося напряжения для сетей с эффективно заземленной нейтралью, напряжением 110 кВ и выше, задается четырьмя координатами и . Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением 110 кВ и выше приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением 110 кВ и выше.

Нормированная характеристика ПВН для сетей с незаземленной нейтралью или заземленной через дугогасительные реакторы с номинальным напряжением 6¸35 кВ задается двумя координатами и . Линия запаздывания для данных выключателей определяется координатами и [5]. Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением до 35 кВ включительно приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением до 35 кВ

Аналитический расчет ПВН для проверки выключателей может быть выполнен приближенно с рядом упрощений [5]. При расчете ПВН не учитываются активные сопротивления элементов расчетной схемы и влияние короны воздушных линий электропередач (ЛЭП); изменение отключаемого тока вблизи его нулевого значения принимается линейным; воздушные ЛЭП, подключенные к системе сборных шин распределительного устройства, представляются активными сопротивлениями, равными эквивалентным волновым сопротивлениям линий [6].
Для одноцепных ЛЭП могут быть приняты следующие средние значения волновых сопротивлений прямой последовательности представленные в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Средние значения волновых сопротивлений прямой последовательности для одноцепных ЛЭП

Рисунок 2.2 – Комплексная схема замещения
При учете емкости схемы скорость восстановления напряжения на полюсе выключателя определяется по выражению:
, (2.16)
где - входное сопротивление схемы при учете емкости;
- эквивалентная емкость схемы;
- емкость проводников и элементов оборудования схемы;
- действующее значение тока трехфазного КЗ;
- линейное напряжение сети;
- эквивалентная емкость нулевой последовательности схемы;
- дополнительный множитель, определяемый по кривой, , представленной на рисунке 2.3;
.

Рисунок 2.3 – Диаграмма для определения множителя

При однофазном КЗ на землю комплексная схема замещения, в которой сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей включены последовательно и обтекаются током , представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.5-Кривые ПВН первой стадии переходного процесса при различных видах КЗ

Рисунок 2.6-Расчетная кривая ПВН с учетом второй стадии переходного процесса
Кривую 2а (рисунок 2.6) рассчитанную по выражению (2.21) необходимо сопоставить с нормированной характеристикой ПВН выключателя 1, намеченного к установке.
Если расчетная кривая ПВН 2а выходит за пределы нормированной характеристики необходимо произвести уточненный расчет второй стадии переходного процесса.

При уточненном расчете считают, что входное сопротивление

станции состоит из активного сопротивления и индуктивности , которые включены параллельно.
Волна, увеличивающая ПВН на полюсе выключателя, при уточненном расчете определяется с помощью кривой приведенной на рисунке 2.7. По оси абсцисс отложено отношение , а по оси ординат отношение
. (2.22)

Рисунок 2.7-Кривая для определения накладывающегося напряжения
Для определения кривой накладывающегося напряжения необходимо умножить ординаты вспомогательной кривой на ,
где - амплитуда среднего эксплуатационного фазного напряжения;
- число линий, не считая поврежденной.
Примерный вид уточненной кривой второй стадии переходного процесса приведен на рисунке 2.6, кривая 2б.
Выбор выключателей рекомендуется производить в виде таблицы 2.4.

2.2 Выбор разъединителей, отделителей и короткозамыкателей

Разъединитель, как коммутационный аппарат, предназначен для отключения и включения электрической цепи без тока и для создания видимого разрыва цепи между частями, оставшимися под напряжением, и аппаратами, выведенными в ремонт.
Таблица 2.4 - Расчетные и каталожные данные выключателя

Выключатели предназначены для коммутации цепей при аварийных режимах, а также нечастых (6-30 раз в сутки) оперативных включений и отключений электрических цепей.

Высоковольтные выключатели выбираются исходя из условий:

где Uном - номинальное напряжение выключателя, В;

Uс - номинальное напряжение сети, В;

I_Р.МАКС - максимальный расчетный ток защищаемой цепи, А;

I_НОМ - номинальный ток выключателя, А.

После выбора все высоковольтные выключатели должны быть проверены по условиям:

где I_{НОМ.ОТКЛ} - номинальный ток отключения выключателя, кА;

I_ВКЛЮЧ - ток включения выключателя, А;

i_ПР.СКВ - сквозной ток, А;

i_ДИН - ток электродинамической стойкости, А;

i_А.НОМ - номинальное значение апериодической составляющей тока КЗ:

(5.9)

здесь β_НОМ - нормированное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ, %

i_А.τ - значение апериодической составляющей тока КЗ в момент времени:

(5.10)

здесь τ – время расхождения дугогасящих контатктов, с:

где t_CB - собственное время отключения выключателя, с;

t_P3 =0,01 с - минимальное время действия релейной защиты, с;

Вк - тепловой импульс тока, кА 2 · с:

(5.12)

здесь I_ПС - действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора), А.

I_ПО.г - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от эквивалентного источника энергии (системы), А;

Q_К.г - относительный интеграл от периодической составляющей тока в месте КЗ, обусловленный действием генератора(синхронного компенсатора);

В_К.г - относительный интеграл Джоуля;

Т_А.ЭК - эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с;

Т_А.г - эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ от генератора(синхронного компенсатора), с;

I_ТЕР - ток термической стойкости, А.

В случае удаленного КЗ тепловой импульс может определяться по упрощенной формуле:

(5.13)

где t_ОТКЛ - время отключения выключателя, с:

(5.14)

здесь t_P3 - время действия релейной защиты с учетом ступени селективности, с;

t_ОТКЛ - полное время отключения выключателя, с.

Определение максимальных рабочих токов для выбора выключателей

1. Сторона ВН (220 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя:

(5.15)

Максимальный ток выключателя питающей линии:

(5.16)

Максимальный ток выключателя отходящей линии:

(5.17)

Максимальный ток цепи выключателя трансформатора:

(5.18)

Подставив все известные значения, найдем величины максимальных токов:

2. Сторона СН (110 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя и трансформатора:

(5.19)

Максимальный ток цепи выключателя отходящей линии:

(5.20)

Подставляем числовые значения:

2. Сторона НН (6 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя и выключателя трансформатора:

(5.21)

Максимальный ток цепи выключателя отходящей линии:

(5.22)

Подставляем числовые значения:

По найденному значению максимального тока и известного значения номинального напряжения определим марку выключателя для высоковольтного секционного выключателя на стороне ВН:

Выбираем выключатель марки ВГБУ-220-40/2000 У1 [3,стр.52]:

Б - условное обозначение конструктивного исполнения (баковый);

У- условное обозначение типа привода ;

220 - номинальное напряжение, кВ;

40 - номинальный ток отключения, кА;

2000 - номинальный ток, А;

У1 - климатическое исполнение (умеренный климат).

Аналогично выбираем выключатели на стороне среднего напряжения:

Выбираем выключатель марки ВГБУ-110-40/2000 У [3,стр.52]:

Б - условное обозначение конструктивного исполнения (баковый);

У- условное обозначение типа привода ;

110 - номинальное напряжение, кВ;

40 - номинальный ток отключения, кА;

2000 - номинальный ток, А;

У - климатическое исполнение (умеренный климат).

ВВ – вакуумый выключатель;

10 – номинальное напряжение, кВ;

20 - номинальный ток отключения, кА;

1000 - номинальный ток, А;

У2 - климатическое исполнение.

Для секционного выключателя и выключателей на вводе в РУ 6кВ выбираем выкуумные выключатели марки BB/TEL-10-20/2000 У2 с номинальным током – 2000А.

Выбранные выключатели представлены в таблице №5.1:

Таблица 5.1 – Выбор выключателей

U_НОМ, кВ	Место установки	Выбранный выключатель
Секции шин	ВГБУ-220-40/2000 У1
Питающие линии	ВГБУ-220-40/2000 У1
Отходящие линии	ВГБУ-220-40/2000 У1
Цепь автотрансформатора	ВГБУ-220-40/2000 У1
Секции шин	ВГБУ-110-40/2000 У1
Отходящие линии	ВГБУ-110-40/2000 У1
Цепь автотрансформатора	ВГБУ-110-40/2000 У1
Секции шин	BB/TEL-10-20/2000 У2
Цепь автотрансформатора	BB/TEL-10-20/2000 У2
Отходящие линии	BB/TEL-10-20/1000 У2

После выбора марки выключателя необходимо проверить его по всем требуемым условиям. Прежде определим все необходимые для проверки величины:

τ = 0,5 + 0,03 = 0,53с

Проверка для секционного высоковольтного выключателя ВГБУ-220- 40/2000 У1 приведена в таблице №5.2:

Таблица №5.2. - Проверка выключателя ВГБУ-220- 40/2000 У1

Паспортные данные	Условия выбора и проверки	Расчетные значения
U_НОМ =220кВ	U_НОМ ≥ U_С	U_С =220кВ
I_НОМ =2000А	I_НОМ ≥ I_Р.МАКС	I_Р.МАКС =370А
I_{НОМ.ОТКЛ} =40кА	I_{НОМ.ОТКЛ} ≥ I_ПО	I_ПО =4,04кА
I_ВКЛЮЧ = 40кА	I_ВКЛЮЧ ≥ I_ПО	I_ПО =4,04кА
i_ПР.СКВ =102кА	i_ПР.СКВ ≥ i_УД	i_УД = 10,12кА
i_ДИН = 102кА	i_ДИН ≥ i_УД	i_УД = 10,12кА
i_А.НОМ = 25,46кА	i_А.НОМ ≥ i_А.τ	i_УД = 10,12кА
В_К = 0,29кА	В_К ≤ I 2 _ТЕР· t_ОТКЛ

Данный выключатель полностью удовлетворяет всем условиям проверки.

Аналогично производим проверку выключателей на стороне среднего и низшего напряжений.

Условия выбора и проверки всех остальных выбранных высоковольтных выключателей находятся в таблице №5.3, таблице №5.4 и таблице №5.5.

Читайте также: