Выключатели высокого напряжения

Общие сведения

Выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения тока. Выключатель является основным аппаратом в электрических установ­ках, он служит для отключения и включения в цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход, не­синхронная работа. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание.

К выключателям высокого напряжения предъявляют следующие требо­вания:

· надежное отключение любых токов (от десятков ампер до номинально­го тока отключения);

· быстрота действия, т. е. наименьшее время отключения;

пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения, т. е. быстрое включение выключателя сразу же после отключе­ния;

· возможность пофазного (пополюсного) управления для выключателей 110кВ и выше;

· легкость ревизии и осмотра контактов;

· взрыво- и пожаробезопасность;

· удобство транспортировки и эксплуатации.

Выключатели высокого напряжения должны длительно выдерживать номинальный ток и номинальное напряжение .

Выбор выключателей

В общих сведениях о выключателях рассмотрены те параметры, ко­торые характеризуют выключатели по ГОСТ. При выборе вы­ключателей необходимо учесть 12 различных параметров, но, так как заводами-изготовителями гарантируется определенная зависимость парамет­ров, например:

,

допустимо производить выбор выключателей по важнейшим параметрам:

по напряжению установки:

по длительному току

по отключающей способности.

В первую очередь производится проверка на симметричный ток отключения по условию :

Затем проверяется возможность отключения апериодиче­ской составляющей тока КЗ:

,

где - номинальное допускаемое значение апериодической составляю­щей в отключаемом токе для времени ; - нормированное значение со­держания апериодической составляющей в отключаемом токе, % (по рис 3); - апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов ; - наименьшее время от начала КЗ до момента расхождения дугогасительных контактов:

^;

где c - минимальное время действия релейной защиты;

- собственное время отключения выключателя.

Если условие соблюдается, а , то допускается проверку по отключающей способности производить по полно­му токуКЗ:

.

По включающей способности проверка производится по условию:

где - ударный ток КЗ в цепи выключателя; -начальное значение пе­риодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя; - номи­нальный ток включения (действующее значение периодической составляю­щей); - наибольший пик тока включения (по каталогу). Заводами-изго­товителями соблюдается условие , где k_y = 1,8 - ударный коэффициент, нормированный для выключателей. Проверка по двум усло­виям необходима потому, что для конкретной системы k_y может быть бо­лее 1.8.

На электродинамическую стойкость выключатель прове­ряется по предельным сквозным токам КЗ:

где - наибольший пик (ток электродинамической стойкости) по катало­гу - действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ. Проверка по двум условиям производится по тем же соображениям, которые указаны выше.

На термическую стойкость выключатель проверяется по теп­ловому импульсу тока КЗ:

где В_к - тепловой импульс тока КЗ по расчету; - среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) по ка­талогу; - Длительность протекания тока термической стойкости по ка­талогу.

Методика расчета удаленного и неудаленного КЗ изложена в [3].

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

Пример Задание: Выбрать выключатель Q1 и разъединитель QS1 в цепи ге­нератора ТВФ-63-2, работающего на шины 10,5 кВ, и выключатель Q2 и разъединитель QS2 в цепи блока с генератором ТВФ-120-2 (рис, 4). Расчетные токи КЗ даны в табл. 4.

Выбор Q1, QS1. Расчетные токи продолжительного режима определяем, А:

Рисунок 3 – Нормирование содержания апериодической составляющей	Рис. 4 – Упрощенная схема.

Таблица 4 – Расчет токов КЗ

Точка КЗ	Источник
К1	G1, G2 G3 Система	2,2 2,21 9,61	2,01 9,67	6,04 6,12 22,08	1,94 2,38 0,69
Суммарное значение	14,08	13,68	34,24	5,01
К2	G2 Система + G1, G2	28,3	20,4 27,8	78,4 85,2	27,93 15,3
Суммарное значение	60,3	48,2	163,6	43,23

Расчетные токи КЗ принимаем по табл. 4.

Выбираем по каталогу выключатель маломасляный МГГ-10-5000-45УЗ (масляный генераторный, горшковый, 10кВ, номинальный ток отключения 45 кА, для умеренного климата, закрытой установки).

Выбираем разъединитель РВК-10-5000 ( =200 кА; =70 кА; =10 с). Расчетные и каталожные данные сведены в табл. 5.

Выбор Q2, QS2. Расчетный ток продолжительного режима в цепи блока гене­ратор — трансформатор определяется по наибольшей электрической мощности ге­нератора ТВФ-120-2 (125 MBA), А:

Расчетные токи КЗ принимаем по табл. 4. c учетом того, что все цепи на сто­роне ВН проверяются по суммарному току КЗ на шинах:

=14,08 кА; =13,68 кА; =34,24 кА; =5,01 кА; В_к = 14,08² (0,18 + 0,14) = 63,44 кА². с.

Выбираем по каталогу 02.00.06-81 маломасляный выключатель ВМТ-110Б-20 (110 кВ, 1000 А, ток отключения 20 кА,). Привод к выключателю ШПЭ-44У 1. Выбираем по ката­логу 02.10.05-81 разъединитель типа РНДЗ-110/1000У1 (разъединитель для наружной установки, двухколонковый, с заземляющим ножом, на 110 кВ, 1000 А). При­вод — ПР-У1. Все расчетные и каталожные данные сведены в табл. 6.

Разъединители

Разъединитель – это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.

Разъединителями нельзя отключать токи нагрузки, так как контактная система их не имеет дугогасительных устройств и в случае ошибочного отключения токов нагрузки возникает устойчивая дуга, которая может привести к междуфазному КЗ и несчастным случаям с обслуживающим персоналом. Перед операцией разъединителем цепь должна быть разомкнута выключателем.

Разъединители играют важную роль в схемах электроустановок, от надежности их работы зависит надежность работы всей электроустановки, поэтому к ним предъявляют следующие требования:

· создание видимого разрыва в воздухе, электрическая прочность которого соответствует максимальному импульсному напряжению;

· электродинамическая и термическая стойкость при протекании токов КЗ;

· исключение самопроизвольных отключений;

· четкое включение и отключение при наихудших условиях работы (обледенение, снег, ветер);

Разъединители по числу полюсов могут быть одно- и трехполюсными, по роду установки – для внутренних и наружных установок, по конструкции – рубящего, поворотного, катящего, пантографического и подвесного типа. По способу установки различают разъединители с вертикальным и горизонтальным расположением ножей.

Выбор разъединителей.

Выбор разъединителей производится:

· по напряжению установки

· по току

· по конструкции, роду установки;

· по электродинамической стойкости

где - предельный сквозной ток КЗ (амплитуда и действующее значение)

· по термической стойкости

где В_к - тепловой импульс по расчету, ; - предельный ток термической стойкости; - длительность протекания предельного тока термической стойкости.

Короткозамыкатели выбираются по тем же условиям, но без проверки по току нагрузки.

Примеры выбора и проверка разъединителей приведен в таблицах 5 и 6.

Таблица 5 – Расчетные и каталожные данные

Расчетные данные	Каталожные данные
Выключатель МГГ-10-5000-45У3	Разъединитель РВК-10-5000
U=10.5 кВ
Iмах=4558 А
		-
		-
		-
		-

Таблица 6 – Расчетные и каталожные данные

Расчетные данные	Каталожные данные
Выключатель ВМТ-110Б-20	Разъединитель РНДЗ-110/1000У1
U=110 кВ
Iмах=656 А
		-
		-
		-

4. Реакторы

Реакторы служат для ограничения токов КЗ в мощных электроустановках, а также позволяют поддерживать на шинах определенный уровень напряжения при повреждении за реакторами.

Основная область применения реакторов – электрические сети напряжением 6-10 кВ. Иногда токоограничивающие реакторы используются в установках 35 кВ и выше, а также при напряжении ниже 1000 В.

Реактор представляет собой индуктивную катушку, не имеющую сердечника из магнитного материала. Благодаря этому он обладает постоянным индуктивным сопротивлением, не зависящим от протекающего тока.

Выбор реакторов

Реакторы выбирают по номинальному напряжению, току и индуктив­ному сопротивлению.

Номинальное напряжение выбирают в соответствии с номи­нальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения, которые могут иметь место в процессе эксплуатации. Допускается исполь­зование реакторов в электроустановках с номинальным напряжением, меньшим номинального напряжения реакторов.

Номинальный ток реактора (ветви сдвоенного реактора) не должен быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен:

Индуктивное сопротивление реактора определяют, исходя из| условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намечаемых к установке или установленных в данной точке сети.

Как правило, первоначально известно начальное значение периодического тока КЗ , которое с помощью реактора необходимо уменьшить до требуемого уровня.

Рассмотрим порядок определения сопротивления индивидуального реактора. Требуется ограничить ток КЗ так, чтобы можно было в данной цепи установить выключатель с номинальным током отключения (действующее значение периодической составляющей тока отключения).

По значению определяется начальное значение периодической составляющей токаКЗ, при котором обеспечивается коммутационная спо­собность выключателя. Для упрощения обычно принимают

Результирующее сопротивление.Ом, цепи КЗ до установки реактора можно определить по выражению:

Требуемое сопротивление цепи КЗ для обеспечения

Разность полученных значений сопротивлений даст требуемое сопро­тивление реактора

Далее по каталожным и справочным материалам выбирают тип реактора с большим ближайшим индуктивным сопротив­лением.

Сопротивление секционного реактора выбирается из условий наиболее эффективного ограничения токов КЗ при замыкании на одной секции. Обычно оно принимается таким, что падение напряжения на реакторе при протекании по нему номинального тока достигает 0,08—0,12 номи­нального напряжения, т.е.

В нормальных же условиях длительной работы ток и потери напря­жения в секционных реакторах значительно ниже.

Фактическое значение тока при КЗ за реактором определяется сле­дующим образом. Вычисляется значение результирующего сопротивления, цепи КЗ с учетом реактора

а затем определяется начальное значение периодической составляющей тока КЗ:

Аналогично выбирается сопротивление групповых и сдвоенных реакто­ров. В последнем случае определяют сопротивление ветви сдвоенного реактора X_Р=Х_В.

Выбранный реактор следует проверить на электродинамическую и тер­мическую стойкость при протекании через него тока КЗ.

Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюде­нии следующего условия:

где - ударный ток при трехфазном КЗ за реактором; - ток электродинамической стойкости реактора, т. е. максимальный ток (ампли­тудное значение), при котором не наблюдается остаточной деформации обмоток (иногда в каталогах этот ток обозначается как ).

Термическая стойкость реактора характеризуется заводом-изготовите­лем величиной — временем термической стойкости и среднеквадра­тичным током термической стойкости . Поэтому условие термической стойкости реактора имеет вид:

где - расчетный импульс квадратичного тока при КЗ за реактором.

При соблюдении указанного условия нагрев обмотки реактора при КЗ не будет превышать допустимого значения.

В ряде случаев необходимо определить уровень остаточного напря­жения на шинах при КЗ непосредственно за реактором. Для этой цели можно воспользоваться выражением:

с учетом того, что в режиме КЗ sin( ) 1. Тогда выражение для определения остаточного напряжения на шинах примет вид:

Значение по условиям работы потребителей должно быть не менее 65-70 %.

Пример.

Задание. Выбрать групповой реактор для ограничения тока КЗ в цепях шести линии, питающих потребителей от шин 10 кВ генераторного распределительного устройства ТЭЦ. Максимальный ток продолжитель­ного режима работы для каждой линии = 310 А. Суммарное начальное значение периодической составляющей тока КЗ на шинах 10 кВ = 60.69 кА. К установке на линиях принимается выключатель ВПМ-10 с = 20 кА. Основная релейная защита - макси­мальная токовая с выдержкой времени, полное время отключения КЗ t_отк = 1.2 c.

Решение. Намечаем к установке сдвоенный реактор серии РБСГ (с горизонтальным расположением фаз) на номинальное напряжение 10 кВ с номинальным током ветви = 1000 А. При этом учитываем, что линии распределены по три на каждую ветвь реактора, т. е:

.

Определим результирующее сопротивление цепи КЗ при отсутствии реактора, Ом:

Требуемое сопротивление цепи КЗ из условия обеспечения номинальной отклю­чающей способности выключателя определяется по, Ом:

Рис 4 – Расчетная схема

Требуемое сопротивление реактора для ограничения тока КЗ, Ом:

Выбираем окончательно реактор РБСГ-10-2 1000-0,22 с параметрами: = 10 кВ, =1000 А, = 0,22 Ом, = 55 кА.

Результирующее сопротивление цепи КЗ с учетом реактора, Ом:

Фактическое значение периодической составляющей тока КЗ за реактором, кА:

Проверка стойкости реактора в режиме КЗ.

Электродинамическая стойкость. Ударный ток КЗ, кА:

где = 1,956 (определено по табл. 3.8 [1]).

Условие электродинамической стойкости

выполняется.

Термическая стойкость. Завод гарантирует время термической стойкости = 8 с и среднеквадратичный ток термической стойкости = 25,6 кА.

Условие термической стойкости, :

выполняется ( = 0,23 с по табл. 3.8[1]).

Остаточное напряжение на шинах генераторного распределительного устрой­ства при КЗ за реактором, %:

Потеря напряжения при протекании максимального тока в нормальном режиме работы с учетом уменьшения сопротивления в нор­мальном режиме, %:

где =0.53 (из каталога для данного реактора); коэффициент мощности нагрузки cos принят равным 0,85, т. е. sin = 0.53.

Выбранный реактор удовлетворяет всем предъявляемым требованиям.