ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТОВ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

В целях упрощения расчётов токов КЗ принимаются ряд допущений, которые подробно рассмотрены в курсе «Электроснабжение». По величинам токов КЗ определяются параметры срабатывания токовых защит и чувствительность защит напряжения.

Для выбора типов и уставок различных устройств ре­лейной защиты и автоматики требуется определение зна­чения (а иногда и фазы) тока, проходящего по обмотке реле, и напряжения в местах установки аппаратуры. Расчеты производят используя математи­ческий метод симметричных составляющих. Отдельные последовательности электрических величин имеют кон­кретный физический смысл и могут быть измерены; например, сопротивление для токов прямой (положитель­ной) последовательности может быть определено при вра­щении питающего генератора по часовой стрелке, обратной (отрицательной) – против часовой стрелки, сопротивление нулевой последовательности – по схемам на рис.1.5.

Рис.1.5. Схемы, поясняющие прохож­дение токов нулевой последовательности.

а — по обмоткам силового трансформатора; б — по трехфазной линии электропередачи.

В аналитических расчетах для нахождения полного тока или его симметричных составляющих, проходящих по участкам сети, должны быть определены составляю­щие отдельных последовательностей полного тока в ме­сте короткого замыкания и произведено распределение тока каждой из последовательностей по ветвям схемы замещения соответствующей последовательности.

Обычно расчеты производят для начального значе­ния времени, определяя начальное значение периодиче­ской составляющей тока короткого замыкания. Сопро­тивления генераторов и синхронных компенсаторов учи­тываются сверхпереходным реактивным сопротивлением Х˝_d.. В случаях, не оговоренных специально, ЭДС раз­ных генераторов предполагаются совпадающими по зна­чению и фазе. Значение ЭДС за сверхпереходным со­противлением равно

,

где Uф.н — номинальное фазное напряжение генератора;

U_Ф._ср — среднее значение между наибольшим и наименьшим значениями фазного напряжения на шинах подстанции данного напряжения;

I_н — номинальный ток генератора;

φ — угол между вектором тока и напряжения;

k= 1,05..1,15 — коэффициент пропорциональности.

Затухание тока в процессе короткого замыкания обычно учитывают только при проверке чувствительности резервных защит от междуфазных коротких замыка­ний генераторов, блоков генератор — трансформатор и трансформаторов, подключенных к шинам генераторного напряжения. Ориентировочно можно принимать значение установившегося тока короткого замыкания при трех­фазном коротком замыкании на зажимах генераторов, снабженных регуляторами возбуждения, 2,6—3 номи­нального, а при трехфазном коротком замыкании на за­жимах вторичной стороны трансформатора блока гене­ратор— трансформатор 2,3—2,7 номинального. Для за­щиты других элементов затухание тока короткого замыкания по времени не учитывают по следующим со­ображениям:

- все генераторы и синхронные компенсаторы снаб­жены устройствами автоматического регулирования воз­буждения, действие которых снижает индуктивное сопро­тивление синхронной машины, увеличивающееся в про­цессе длительного короткого замыкания;

-короткие замыкания происходят в электрическом удалении от большинства генерирующих источников: доля тока от генераторов, сопротивление которых может существенно меняться, незначительны и не вносит су­щественной ошибки в расчет;

-основные защиты объектов в энергетических си­стемах имеют собственное время порядка 0,1 сек; бла­годаря этому, с одной стороны, на работе защиты не сказывается затухание тока, а с другой стороны — дей­ствие защиты отстроено от влияния апериодической со­ставляющей тока короткого замыкания; для тех же ти­пов быстродействующих защит, на работу которых апе­риодическая составляющая начального тока оказывает влияние, оно учитывается коэффициентом k_ап (например, для дифференциальной защиты без быстронасыщающе­гося трансформатора А_ап=1,5…2,0);

- медленно действующие защиты, в процессе рабо­ты которых ток, проходящий в обмотках реле, может заметно уменьшиться (например, ток в реле резервной защиты линий или неполной дифференциальной защиты шин при коротком замыкании на шинах генераторного напряжения) имеют коэффициент чувствительности, пе­рекрывающий возможное уменьшение тока (резервная защита от сверхтоков), или выполняются с мгновенным замером значения начального тока (неполная диффе­ренциальная защита шин); уменьшение начального тока в процессе короткого замыкания также компенсируется тем, что возврат реле происходит при значениях тока меньших, чем ток срабатывания (коэффициент возврата токовых реле k_в = 0,80…0,85).

Выражения для расчетов токов и напряжений при различных наиболее часто встречающихся видах корот­ких замыканий, схемы замещения, векторные диаграм­мы приведены на рис. 1.6, а эпюры напряжений—на рис.1.7.

Рис. 1.6 Токи и напряжения при коротких замыканиях

Значение тока, проходящего по обмоткам токовых реле резервной защиты генераторов, блоков генератор — трансформатор и трансформаторов, присоединенных к шинам генераторного напряжения, можно определять, используя кривые затухания токов короткого замыкания, построенные для типового генератора и учитывающие условную нагрузку потребителей.

Рис.1.7 Напряжения при коротком замыкании

/ — трехфазном; 2, 3 — двухфазном; 4, 5, 6 — однофазном; 7, 8, 9 — двухфазном на землю.

На рис.1.8 показана зависимость кратности периоди­ческой составляющей установившегося тока трехфазного короткого замыкания по отношению к номинальному току от электрической удаленности места повреждения. Электрическая удаленность оценивается суммарным сопротивлением от места приложения ЭДС до места короткого замыкания, выраженным в относительных еди­ницах и приведенным к базисной мощности генератора,

,

где - сверхпереходное сопротивление генератора;

- сопротивление цепи от генератора до места КЗ.

Рис. 1.8. Зависимость кратности периодической составляющей установившегося тока трехфазного короткого замыкания типового генератора от электрической удаленности места повреждения.

а —для паротурбогенераторов; б — для паротурбогенератороч с регуляторами возбуждения: в — для гидрогенераторов с регуляторами возбуждения (при наличии на генераторах успокоительной обмотки х_*∑ должно быть увеличено на 0,07).

При пользовании кривыми по рис.1.8, если сопротивление х_∑ вычислено в омах при базисном напряжении, равном номинальному междуфазному напряжению гене­ратора U_н.мф, должен быть произведен перерасчет в от­носительные единицы, приведенные к номинальной мощ­ности генератора,

Изменение значения периодической составляющей тока трехфазного короткого замыкания при данной уда­ленности в зависимости от времени с момента возникно­вения повреждения определяется по кривым затухания. Эти кривые приведены в учебной и справочной литерату­ре. Из кривых, в частности, видно, что при удаленных коротких замыканиях (х_*∑ >2) установившееся значе­ние периодической составляющей тока короткого замы­кания практически не отличается от начального значе­ния I" и, следовательно, ток, проходящий по поврежден­ным фазам от генератора при двухфазном коротком замыкании, составляет 86,7% тока, проходящего от ге­нератора при трехфазном коротком замыкании в той же точке. При повреждениях в электрически более близких пунктах установившееся значение тока двухфазного короткого замыкания генератора за счет разных намаг­ничивающих сил реакции якоря при двух и трехфазных коротких замыканиях может быть больше, чем уста­новившийся ток генератора при трехфазном коротком замыкании, и зависит от конструкции машины: напри­мер, отношение токов I_к⁽²⁾/I⁽³⁾ при коротких замыканиях на зажимах обмотки статора паротурбогенераторов мо­жет доходить до 1,5, а у гидрогенераторов — до 1,1. При ориентировочной оценке чувствительности резервной за­щиты, реагирующей на токи обратной последователь­ности, для упрощения вычислений расчетные значения токов при двухфазных коротких замыканиях могут при­ниматься равными 86,7% значения тока при трехфазном коротком замыкании в той же точке независимо от ее электрической удаленности; при этом учитывается, что фактическая чувствительность защиты будет больше чем определённая расчётом.

Основным назначением релейной защиты являются выявление места возникновения короткого замыкания и быстрое автоматическое отключение поврежденного элемента сети. Это защита действия на отключение.

При возникновении нарушения нормальных режимов работы (перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью, понижение уровня масла в трансформаторе и др.), когда эти явления не представляют непосредственной опасности для электрооборудования, достаточно дать предупредительный сигнал оперативному персоналу - это защита действующая на сигнал.