Средства ограничения токов короткого замыкания и выбор токоограничивающих реакторов (LR)

При близко расположенных мощных источниках токи кз на стороне 6 – 10 кВ (иногда и на стороне 35 кВ) энергообъектов могут быть очень большими, не позволяющими произвести оптимальный выбор аппаратов и токоведущих частей. В этом случае применяют мероприятия по ограничению токов кз. Различают схемные мероприятия и аппаратные.

Первые заключаются в том, что в нормальном нагрузочном режиме некоторые выключатели держат в отключенном состоянии. При этом условия питания нагрузки не ухудшаются, а сопротивление протеканию тока кз на стороне 6 – 10 кВ увеличивается. Примером этого может служить отключенное состояние секционного выключателя на низкой стороне подстанций (Рис. 15.2) (Отключенное состояние выключателя подчеркнуто его черным цветом)

Второе мероприятие заключается в применении специальных устройств увеличивающих сопротивление протеканию тока кз. Наиболее простыми и чаще всего применяемыми устройствами являются токоограничивающие реакторы. Следует отметить, что на практике могут одновременно применяться оба мероприятия по ограничению тока кз: схемное и аппаратное.

Ниже в таблице приводится набор параметров, которыми характеризуются токоограничивающие реакторы

Наименование параметра	Обозначение параметра
Номинальное напряжение	Uном , кВ
Номинальный ток	Iном,, А
Ток динамической стойкости	iдин , кА
Ток термической стойкости	Iтс , кА
Время термической стойкости	tтс , с
Индуктивное сопротивление реактора	xр, Ом

Чаще всего токоограничивающие реакторы применяют в схемах генераторных распределительных устройств ТЭЦ (ГРУ ТЭЦ) и на низкой стороне подстанций.

Возможные схемы включения реакторов на ТЭЦ показаны на рис.15.1 (на рис. не показаны выключатели в цепях присоединений и секционного реактора). Для мощных и ответственных линий может применяться индивидуальное реактирование (реактор LR1 на рис.15.1). Когда через реактор питается группа линий, его называют групповым (LR2 на рис.15.1). Реактор, включаемый между секциями К1 и К2 генераторного распределительного устройства, называют секционным реактором (LRК на рис.15.1).

Рис. 15.1 Возможное расположение токоограничивающих реакторов LR в схеме ГРУ ТЭЦ

В нормальном режиме работы станции через секционные реакторы проходят небольшие токи и потери напряжения в них малы. Секционные реакторы ограничивают ток КЗ в зоне сборных шин, присоединений генераторов, трансформаторов. Сопротивление реакторов должно быть достаточным для того, чтобы ограничивать ток КЗ до значений, соответствующих параметрам намечаемых к установке выключателей. Номинальный ток секционного реактора должен соответствовать мощности, передаваемой от секции к секции при нарушении нормального режима.

Обычно принимают для секционных реакторов:

I_р.ном≥(0,6 – 0,7)I_г.ном ; x_р=0,2 – 0,35 Ом, где I_г.ном – номинальный ток генератора, подключенного к секции ГРУ

Задав сопротивление реактора, рассчитывают ток КЗ на шинах установки. Если ток окажется больше ожидаемого, следует изменить сопротивление реактора и повторить расчет.

Линейные реакторы, включенные последовательно в цепь отходящей линии, хорошо ограничивают ток КЗ в распределительной сети и поддерживают остаточное напряжение U_ост на шинах установки при КЗ на одной из линий. Последнее благоприятно сказывается на потребителях электрической энергии, и по условиям самозапуска электродвигательной нагрузки U_ост должно составлять не менее (65 - 70) % U_ном.

Для ограничения тока КЗ целесообразно иметь возможно большее индуктивное сопротивление реактора. Однако значение х_р должно быть ограничено допустимым значением потери напряжения в реакторе при нормальном режиме работы установки (1,5—2% номинального).

На рис.15.2 показано включение токоограничивающих реакторов в схеме подстанции. На подстанциях обычно применяют групповое реактирование, как это и показано на рис.15.2. Это уменьшает затраты, связанные с установкой реактора, однако в этом случае уменьшается и токоограничивающее действие реактора с большим номинальным током при заданном значении потери напряжения.

Рис. 15.2 Возможное расположение токоограничивающих реакторов LR на стороне низкого напряжения подстанции. Секционный выключатель отключен .

Рассмотрим порядок выбора линейных реакторов.

Реакторы выбирают по номинальному напряжению и номинальному току:

U_уст≤U_р.ном ; I_{раб.утяж}≤I_р.ном, здесь I_{раб.утяж} – наибольший ток через реактор в нагрузочном режиме.

Индуктивное сопротивление реактора выбирают исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня, определяемого коммутационной способностью выключателей или термической стойкостью кабелей, которые установлены в данной сети. Первоначально известно значение периодической составляющей тока КЗ I_п0, которое с помощью реактора необходимо уменьшить. Результирующее сопротивление цепи КЗ до места присоединения реакторов (точка К₁, рис. 15.3) можно определить по выражению

.

Рис. 15.3 Схема замещения для определения сопротивления реактора.

Начальное значение периодической составляющей тока за реактором (точка К2) должно быть равно току отключения выключателя I_отк:

I_{п0 К2}=I_откл

Сопротивление цепи КЗ до точки К2 за реактором

.

Разность полученных сопротивлений даст необходимое сопротивление реактора:

x_р=x_{рез К2} – x_{рез К1}.

Выбирают по каталогу тип реактора с ближайшим большим значением x_р и рассчитывают действительное значение периодической составляющей тока КЗ за реактором.

Выбранный реактор необходимо проверить на электродинамическую стойкость:

i_у≤i _дин,

где i_у — ударный ток трехфазного КЗ за реактором.

Проверка на термическую стойкость проводится по условию

B_k≤ I² _тс t_тс

где В_к — расчетный импульс квадратичного тока при КЗ за реактором.

Короткое замыкание за реактором можно считать удаленным, и поэтому не учитывать изменение периодической составляющей тока кз во времени

B_к=I²_{п0 К2}(t_откл+T_а),

при этом в значение t_откл входит время действия релейной защиты отходящих линий, составляющее 1—2 с и время отключения выключателя t_ВО. Здесь T_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока при кз за реакторм.

Необходимо также определить потерю напряжения в реакторе в нагрузочном режиме и остаточное напряжение на шинах установки при кз за реактором (в процентах):

Δu=√3I_рабx_рsinφ100/U_ном;≤( 1,5—2)%

U_ост=√3I_{п0 К2}x_р 100/U_ном≥(65 - 70) %

и сравнить полученные значения с допустимыми.

Если потеря напряжения в реакторе в нагрузочном режиме превосходит 2%, то необходимо применить сдвоенный реактор.

Сдвоенные реакторы имеют три вывода. К среднему выводу реактора присоединены источники питания, а потребители подключаются к крайним выводам (рис. 15.4а).

Рис.15.4 Сдвоенный реактор:

а – схема включения; б – нагрузочный режим; в – режим КЗ. (L-собственная индуктивность ветви, M-взаимная индуктивность ветвей)

Сдвоенные реакторы характеризуются номинальным напряжением, номинальным током ветви и сопротивлением одной ветви x_р=x_в=ωL при отсутствии тока в другой. При эксплуатации стремятся к равномерной загрузке ветвей (I₁=I₂=I). В этом случае, в нормальном режиме работы установки потеря напряжения в ветви реактора с учетом взаимной индукции ветвей определится как:

Δu=√3I_рабx_р (1-k_с)sinφ100/U_ном, где где k_c = M/L — коэффициент связи ветвей реактора. Обычно коэффициент связи k_c близок к 0,5, тогда потеря напряжения в сдвоенном реакторе вдвое меньше по сравнению с обычным реактором.

При КЗ за одной из ветвей ток в ней значительно превышает ток в неповрежденной ветви. Влияние взаимной индукции мало, и x_р=x_в, т. е. сопротивление реактора при КЗ вдвое больше, чем в нормальном режиме.