Выбор защитной и коммутационной аппаратуры

Электрические аппараты, изоляторы и токоведущие устройства работают в условиях эксплуатации в трех основных режимах: длительном, перегрузки (с повышенной нагрузкой, которая для некоторых аппаратов достигает значения до 1,4 номинальной) и короткого замыкания (КЗ).

В длительном режиме надежная работа аппаратов, изоляторов и токоведущих устройств обеспечивается правильным выбором их по номинальному напряжению и току.

В режиме перегрузки надежная работа аппаратов и других устройств электрических установок обеспечивается ограничением значения и длительности повышения напряжения или тока в таких пределах, при которых еще гарантируется нормальная работа электрических установок за счет запаса мощности.

В режиме КЗ надежная работа аппаратов, изоляторов и токоведущих устройств обеспечивается соответствием выбранных параметров устройств условиям термической и электродинамической стойкости. Для выключателей, предохранителей и выключателей нагрузки добавляется условие выбора их по отключающей способности.

6.1 Выбор выключателей и разъединителей

Выключатели высокого напряжения, в соответствии с ГОСТ 687-78, должны выбираться по следующим параметрам [2]:

-по напряжению уставки:

U_уст £ U_ном ; (6.1)

-по длительному току:

I_max £ I_ном ; (6.2)

где I_max - максимально возможный длительный ток через выключатель, А.

-по отключающей способности, которая проверяется по следующим условиям:

1. Симметричный ток отключения :

I_n,t £ I _{откл.ном} , (6.3)

где I_n,t- действующее значение тока КЗ в момент времени t , кА;

I _{откл.ном} – номинальный ток отключения выключателя, кА;

2. Возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ:

, (6.4)

где i_а,t = - апериодическая составляющая тока КЗ, в момент расхождения контактов , кА;

i_а,ном – номинальное допускаемое значение апериодической составляющей для времени t, А;

b_н – нормативное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, % ;

I_по – начальное значение периодической слагающей тока КЗ, кА;

t - начальное время то начала КЗ до момента расхождения контактов, с;

t = t_з,min+t_с.в. , (6.5)

где t_з,min – минимальное время действия релейной защиты;

t_с.в. – собственное время отключения выключателя, с;

Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с;

b < b_н , (6.6)

где b - расчетное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, % ;

; (6.7)

-проверка по включающей способности по двум условиям:

i_уд £ i_вкл; (6.8)

I_п.о.£ I_вкл , (6.9)

где i_уд – ударный ток КЗ в цепи выключателя, кА;

i_вкл – наибольший пик тока выключателя, кА;

I_вкл – номинальный ток выключателя [9], кА.

-на электродинамическую стойкость выключатель проверяется по предельным сквозным токам КЗ:

I_п.о£ I_дин ; (6.10)

i_уд £ i_дин, (6.11)

где I_дин – действительное значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ, кА;

i_дин – наибольший пик (по справочнику для данного выключателя) [9], кА.

На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока короткого замыкания:

В_к £ I²_тер × t_тер ; (6.12)

где В_к – тепловой импульс тока КЗ по расчету, кА²×с;

I_тер – среднеквадратичное значение тока КЗ за время его протекания, кА;

t_тер – длительность протекания тока термической стойкости, с.

Расчет теплового импульса тока короткого замыкания для реальных энергосистем проводиться по формуле [10]:

В_к = I²_по (t_отк+Т_а), (6.13)

где t_отк – время действия тока КЗ, с;

t_отк = t_р.з. + t_отк.в , (6.14)

где t_р.з. – время действия основной релейной защиты, с;

t_отк.в – полное время отключения выключателя,с.

Для примера проведем проверку выбранного выключателя 35 кВ, согласно условий (6.1-6.14):

,

где Р_{мах,нагр} – нагрузка подстанции в режиме максимума;

[А];

по напряжению уставки:

35кВ = 35кВ ;

по длительному току:

72.14 А £1000 А;

I_n,t £ I _{откл.ном ;:} 1.56 кА £ 20 кА;

t=t _з.мин + t_с.в ; t=0.01+0.05=0.06 [с];

; [А];

;

b < b_н ; 4.9 % £ 36 %;

i_уд £ i_вкл ; 3.55 кА £ 52 кА;

I_п.о.£ I_вкл ; 1.56 кА£ 20 кА;

I_п.о.£ I_дин ; 1.56 кА£ 20 кА;

В_к = I²_по (t_отк+Т_а); В_к = 1.56² × (1.08 + 0.02) = 2.68 [кА²×с];

t_отк.=1+0.08 = 1.08 [с];

[кА²×с];

2.68 кА²×с £ 1200 кА²×с.

В проекте предусмотрена установка на стороне 35 кВ вакуумных выключателей Siemens 3AF 01, в качестве вводных и линейных. Вакуумный выключатель Siemens 3AF 01 является трехполюсным открытым силовым выключателем для номинального напряжения до 36 кВ. Выключатель состоит из стальной конструкции приводной коробки с пружинным приводом и управляющими элементами, и базовой рамы с тремя полюсами, снабженными установленными на фарфоровых изоляторах вакуумными ламповыми переключателями , а также шальтштангами. Внешний вид выключателя представлен на рис 6.1.

Рисунок 6.1 - Внешний вид выключателя Siemens 3AF 01

В эксплуатации выключатели чрезвычайно надежны, мало нуждаются в техническом обслуживании, имеют малые габариты и вес (840 кг.), не подвержены воздействию температурных колебаний и не представляют угрозы возгорания. Расчетный механический срок службы силовых выключателей при нормальных условиях эксплуатации составляет 10.000 циклов.

Встроенные в вакуумные ламповые переключатели допущены к применению в соответствии с Предписанием по рентгеновскому излучению от 8.01.1987г. (Федеральный вестник законов I.стр.144) § 8 и ч.III абз.5 до значения установленного по DIN VDE/IEC номинального кратковременного переменного напряжения.

Для вывода в ремонт оборудования и обеспечения видимого разрыва, предусматриваем установку разъединителей РНДЗ-1(2)-35/1000 УХЛ1 Проверочный расчет выбора см. табл. 6.1

Таблица 6.1 Выбор аппаратуры на стороне 35 кВ

Условия выбора	Расчетные данные	Параметры SIEMENS-3AF01 43
Uуст £ Uном	35 кВ	35 Кв
I раб,max £ Iном	158 А	1000 А
In,t £ I откл.ном	1.79 кА	20 кА
iуд £ iвкл	4.3 кА	52 кА
Iп.о.£ Iвкл	1.79 кА	20 кА
Iп.о.£ Iдин	1.79 кА	20 кА
iуд £ iдин	4.3 кА	52 кА
Вк £ I2тер × tтер	2.68 кА2×с	1200 кА2×с

Выключатели вакуумные серии BB/TEL предназначены для коммутации электрических цепей с изолированной нейтралью при нормальных и аварийных режимах работы в сетях переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением U=6-10 кВ.

Вакуумный выключатель(ВВ)-это коммутационный аппарат нового поколения, в основе принципа действия которых лежит гашение возникающей при размыкании контактов электрической дуги в глубоком вакууме, а фиксация контактов вакуумных дугогасительных камер (ВДК) в замкнутом положении осуществляется за счет остаточной индукции приводных электромагнитов(“магнитная защелка“).

Оригинальность конструкции ВВ/TEL позволила достичь следующих преимуществ по сравнению с другими коммутационными аппаратами:

- высокий механический и коммутационный ресурс;

- малые габариты и вес;

- небольшое потребление энергии по цепям управления;

- возможность управления по цепям постоянного, выпрямленного и переменного оперативного тока;

- простота встраивания в различные типы КРУ и КСО и удобство организации необходимых блокировок;

- отсутствие необходимости ремонта в течении всего срока службы;

Проверочный расчет выбора представлен в табл. 6.2

Таблица 6.2 Выбор аппаратуры на стороне 10 кВ

Условия выбора	Численное Значение	BB/tel-10-12.5/630У3
Uном³Uсети	Uсети =10 кВ	Uном=10кВ
Iном³Iраб,max	Iраб,max=188.3А	Iном =630А
Iоткл ³ Iкз	Iкз=4.33 кА	Iоткл=12.5кА
iпр.скв³iуд	iуд=10.6 кА	Iпр.скв=12.5 кА
I2×t ³Bк	Bк=66.3кА2с	-

6.2 Выбор трансформаторов тока

Трансформаторы тока предназначены для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.
Выбор трансформаторов осуществляется:

- по напряжению установки U_цеп ≤ U_ном ;
- по току I_{p max} ≤ I_{1 ном} ;
- по конструкции и классу точности ;
- по электродинамической стойкости i_уд ≤ i_дин ;
- по термической стойкости B_k ≤ I_T²t_T ;
- по вторичной нагрузке Z₂ ≤ Z_2ном , (6.15)
где Z₂ – сопротивление вторичной нагрузки трансформатора тока;
Z_2,ном – номинальное допустимое сопротивление нагрузки трансформатора тока в выбранном классе точности.

Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому принимаем Z₂ ≈ r₂. Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов, соединительных проводов и переходного сопротивления контактов

r₂ = r_приб + r_пр + r_k (6.16)

Сопротивление приборов определяется по выражению:

r_приб = S_приб/I₂², (6.17)

где S_приб – мощность, потребляемая приборами;
I₂ – вторичный номинальный ток приборов.
Сопротивление контактов принимаем равным 0,1 Ом.

Чтобы трансформатор тока работал в выбранном классе точности, необходимо выдержать условие:

r_приб + r_пр + r_к ≤ z_2ном ,

откуда:

r_пр = z_2ном – r_приб – r_к , (6.18)

Зная r_пр, можно определить сечение соединительных проводов:

q = , (6.19)

где – удельное сопротивление материала провода.

Применяем провода с медными жилами = 0,0178 Ом/м.

- расчётная длина соединительных проводов.

На стороне 35кВ устанавливаем трансформаторы тока, встроенный в силовой трансформатор типа ТВТ-35-I-150/5 по два на ввод.

U_ном = 35 кВ ; U_уст = 35 кВ ;
I_1ном = 100А ; I_{p max} = 72,14A ;
I_2ном = 5А ;
i_дин = 20 кА ; i_уд = 3,55 кА ;
I_т²t_т = 5²×3 = 75 кА²с; В_к = 2,68 кА²с;

z_2ном = 1,2 Ом в классе точности 0,5.

Обоснование выбора трансформаторов тока на стороне 35 кВ представлено в табл.6.3

Таблица 6.3 Выбор трансформаторов тока на стороне 35 кВ

Условия выбора	Численное Значение	ТВТ-35-I-150/5 (для силового тр-ра)
Uном ³Uсети	Uсети =35 кВ	Uном=35 кВ
Iном ³Iраб,max	Iраб,max=72.14А	Iном =150 А
iдин³iуд	iуд=3.55 кА	iдин=20 кА
I2×t ³Bк	Bк=2.68 кА2×с	I2×t=133 кА2×с

Проверяем трансформатор тока по вторичной нагрузке.

Подсчёт вторичной нагрузки приведён в табл 6.4.

Таблица 6.4. Расчет вторичной нагрузки для ТТ

Прибор	Тип	Нагрузка фазы, ВА
А	В	С
Амперметр	7-335	0,5	-	-
Амперметр	7-335	-	0,5	-
Амперметр	7-335	-	-	0,5
Ваттметр	Д – 335	0,5	-	0,5
Варметр	Д – 335	0,5	-	0,5
Счётчик активной энергии	САЗ – И674	2,5	-	2,5
Счётчик реактивной энергии	СРИ – И676	2,5	-	2,5
ИТОГО	6,5	0,5	6,5

Наиболее загружены трансформаторы тока фаз А и С.

Общее сопротивление приборов:

r_приб= = = 0.26[ Ом] .

Допустимое сопротивление проводов:

r_пр=z_2ном – r_приб – r_х = 1,2-0,26-0,1=0,84 [Ом].

Принимаем длину проводов ℓ_расч=60м, тогда сечение:

q= = =1,27[ мм² ].

Принимаем контрольный медный кабель КРВГ с жилами сечением 1,5 мм².

На стороне 35кВ устанавливаем трансформаторы тока встроенные в силовой трансформатор и трансформаторы для наружной установки. Расчётные данные для выбора и каталожные данные трансформаторов приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5 Выбор трансформаторов тока на стороне 35 кВ

Условия Выбора	Численное значение	на вводе	встроенный в силовой тр-р	на линии
ТФЗМ-35А-У1-200/5	ТВТ-35-III-200/5	ТФЗМ-35А-У1-100/5
Uном³Uсети	Uсети =35 кВ	Uном=35 кВ	Uном=35 кВ	Uном=35 кВ
Iном³Iраб,m	Iраб,max=158/ 92,8/65.2 А	Iном =200 А	Iном =200 А	Iном =75 А
iдин³iуд	iуд=4.3 кА	iдин=42 кА	iдин=42 кА	iдин=15 кА
I2×t ³Bк	Bк=2,68 кА2с	I2×t=21 кА2с	I2×t=21кА2с	I2t=6.9 кА2
z2≤ Zном	z2 =1.1 Ом	Zном=2 Ом		Zном=2 Ом

На стороне 10кВ устанавливаем трансформаторы тока встроенные в силовой трансформатор. Расчётные и каталожные данные для трансформаторов тока ТЛМ-10У3, устанавливаемых в линейных ячейках приведено в табл. 6.6.

Таблица 6.6 Выбор трансформаторов тока на стороне 10 кВ

Условия выбора	на вводе	на отходящие фидера
расчетное	ТЛМ-10-2У3 200/5	расчетное	ТЛМ-10-2У3 100/5
Uном ³Uсети	Uсети =10 кВ	Uном=10 кВ	Uсети =10 кВ	Uном=10 кВ
Iном ³Iраб,max	Iраб,max=188,3 А	Iном =200 А	Iраб,max= 20А	Iном =100 А
iдин³iуд	iуд= 10.6 кА	iдин=52 кА	Iуд=7,49 кА	iдин=35.2 кА
I2×t ³Bк	Bк=66.3 кА2×с	I2×t=119.1 кА2с	Bк=46.1кА2с	I2×t=18.9кА2с

6.3 Выбор трансформаторов напряжения

Условие выбора трансформатора напряжения:

U_{ном ³}U_сети .

На стороне 35 кВ и 10 кВ устанавливаем трансформаторы типа НАМИ. Благодаря антирезонансным свойствам, НАМИ имеет повышенную надежность и устойчив к перемежающимся дуговым замыканиям сети на землю. Для обеспечения своей устойчивости он не требует принятия каких-либо дополнительных мер со стороны потребителя.

Трансформатор напряжения ,для защиты, подключаются через предохранители:

на 35 кВ - ПКТ-102-35-20-8У3: U_ном=35 кВ, I_{ном пр.}=50 А, I_{откл.ном}=2.5 кА;

на 10 кВ - ПКТ-104-10-200-12.5У3: U_ном=10кВ, I_{ном пр.=}50 А, I_{откл.ном}=2.5 кА.

7 Выбор кабелей и проводов.

Гибкие токопроводы применяются для связи трансформаторов с распред-устройствами всех напряжений. Согласно [4,c.232], гибкие токопроводы проверяются:

- по электрической плотности тока

q = , (7.1)

где q – сечение провода, мм²;

I_норм – ток нормального режима, А;

j_эк – нормативная плотность тока, А/мм².

Сечение, найденное по (7.1), округляется до ближайшего стандартного и проверяется по нагреву по (6.2).

Выбранное сечение проверяется на термическое действие тока: q_min = ≤ q.

На электродинамическую стойкость токопроводы проверяются при

I_K³ ≥ 20[кА] и i_уд ≥ 50 [кА].

По [9,табл.6.5] при Т_max = 6451час принимаем j_эк = 1,0 А/мм².

Выбор проводов 35кВ.

I_норм = 92.8 А, тогда q = = = 92.8[ мм²].

Ближайшее стандартное сечение – 95мм². По [1] выбираем провод марки АС-95, I_доп =330А.

Проверяем выбранное сечение на термическую стойкость:

q_min = = =3,05 < 95[мм²].

Проверяем выбранное сечение по нагреву:

I_max = 158A, что меньше I_доп=330А.

Проверка на электродинамическую стойкость не требуется, т.к. I_K³ =1.79кА<20кА и i_уд = 4.3кА < 50кА.

Выбор кабельной линии на стороне 10 кВ

Условие выбора кабелей:

U_{ном ³}U_сети ;

S_э=I_раб/j_эк ,

где j_эк=1,4 для кабелей, согласно ПУЭ.

I_раб ≤ I_доп;

S_мин= ,

где c_t =98 [А²с/мм^2] – для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией и алюминиевой жилой.

I_раб= 94 [А ];

S_э= 94/1.4=55.29 [мм² ];

S_мин = [ мм² ].

Принимаем сечение кабеля S=95 мм² . Выбираем кабель марки ААШв на 10 кВ для прокладки в кабельных каналах.