Реконструкция электроснабжения электрических сетей 0,4 кВ с. Полтавка. Часть 2

Страницы 1 2 3

 

5 Расчет токов короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ

КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа” и КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”

 

 

5.1 Общие положения

 

Основной причиной возникновения к.з. является нарушение изоляции между фазами или между фазами и землей. Изоляция электроустановок всегда создается с определенным запасом. В нормальных условиях работы запас электрической прочности изоляции достаточно высок и к.з. произойти не может.

Причины нарушения электрической прочности изоляции токоведущих частей многочисленны. Согласно статистическим данным это:

1) атмосферные перенапряжения в виде грозовых разрядов, которые попадают в линию электропередачи;

2) коммутационные перенапряжения, которые возникают в электроустановках под воздействием различных переходных процессов;

3) естественный износ изоляции, старение изоляции с течением времени и вследствие ее нагрева;

4) повреждения в изоляции, не выявленные своевременно;

5) механические повреждения изоляции, которые  происходят при различных работах вблизи электроустановок или вызванные сильным ветром, гололедом, длительной вибрацией, когда в теле изоляторов могут появляться микроскопические трещины;

6) загрязнение изоляции под воздействием атмосферных осадков;

7) перекрытия изоляции птицами, животными, ветвями деревьев, случайными предметами;

8) неправильные действия обслуживающего персонала.

Короткие замыкания всегда происходят через какое-то переходное сопротивление, им является сопротивление электрической дуги, сопротивление растеканию тока в земле, сопротивление металлического контакта замкнувшихся фаз и др. Но все эти переходные сопротивления малы по сравнению с сопротивлениями элементов системы, через которые проходит ток короткого замыкания. Поэтому в большинстве случаев принято считать переходные сопротивления равными нулю, а короткие замыкания – металлическими. При этом напряжение в месте короткого замыкания тоже равно нулю.

Для расчета к.з. используют принципиальные схемы первичной коммутации. Исходным звеном состояния схемы должна служить та часть системы, в которой необходимо провести расчет к.з. Сначала в этом звене необходимо наметить расчетные точки к.з. Обычно для выбора аппаратуры, расчета релейной защиты и проверки действия системной автоматики достаточно рассчитать токи к.з. на всех шинах подстанции и в конце линии, отходящих от этой подстанции. Схему составляют в однолинейном исполнении. В нее включают источники, участвующие в питании к.з., все элементы, соединяющие источник питания и точку к.з., а также их связи между собой и точкой к.з. На рисунке 5.1 показана расчетная схема, по которой проводится расчет токов к.з.

 

Сети в сельских электроустановках обычно имеют напряжение 380/220В и работают с глухозаземленной нейтралью, поэтому, кроме трехфазного и двухфазного токов к.з., в них рассчитывают еще и ток однофазного к.з.

 

 

5.2 Определение сопротивлений элементов схемы

 

Сопротивление понижающих трансформаторов определим по таблице 1.9.1 [2]. Трансформаторы мощностью 250 кВА и 250 кВА имеют параметры представленные в таблице 5.1

 

Таблица 5.1

Сопротивления трансформаторов

 

Для воздушных линий сопротивление определяют по удельным значениям х₀ и r₀, приведенным в таблице 1.9.5 [14], умноженным на длину линии. Данные сопротивлений воздушных линий приведены в таблице 5.2

 

 Таблица 5.2

 Сопротивление воздушных линий

 

Для расчетной схемы, определяем сумму активных и индуктивных сопротивлений трансформаторов и воздушных линий.

Расчет сопротивлений наиболее удаленных участков по фидерам приведен в таблице 5.3

 

Таблица 5.3

Полные сопротивления сети

 

В сетях 380/220 обычно существует неравенство I_к⁽³⁾> I_к⁽¹⁾, то есть ток трехфазного к.з. всегда больше однофазного. Поэтому ток однофазного к.з рассчитывают в тех случаях, когда необходимо выбрать уставки защиты.

Полное сопротивление петли к.з. состоит из сопротивлений фазного и нулевого провода.

Аналогично определяются токи к.з. для фидеров КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа”, фидер 2 и КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”, фидер 1,2,3.

 

Принимаем ударный коэффициент К_у=1,3 [5].

 

1,3 407=748А.

 

Расчет токов короткого замыкания приведен в таблице 5.4

 

Таблица 5.4

Расчет токов короткого замыкания

 

 

Токи к.з. хотя и существуют весьма непродолжительное время, но по своему значению они значительно превышают длительные рабочие и номинальные токи электроустановок. Различают электродинамическое и термическое воздействие тока к.з. Оба эти воздействия могут быть опасны для электроустановок.

— Электродинамическое воздействие токов к.з.

Оно выражается во взаимном притяжении или отталкивании двух токоведущих частей, которые могут быть расположены параллельно или под углом.

— Термическое воздействие токов к.з.

Ток, протекая по проводнику, нагревает его. Из-за кратковременности к.з. проводник не успевает отдать в окружающую среду заметного количества теплоты.

6 Выбор и проверка аппаратов защиты

Выбор аппаратуры заключается в сравнении паспортных данных с расчетными величинами. Аппаратура должна удовлетворять всем необходимым техническим требованиям в общем комплексе электроустановки при минимальных затратах на ее изготовление и монтаж.

Автоматические выключатели, не имеющие недостатки плавких предохранителей, обеспечивают быструю и надежную защиту проводов и кабелей сетей от токов перегрузки и короткого замыкания. Они могут быть также использованы для управления при редких включениях и отключениях. Таким образом, автоматические выключатели выполняют одновременно две функции защиты и управления.

Для выполнения функций защиты автоматы снабжаются либо только тепловыми или электромагнитными расцепителями, либо комбинированными (тепловые и электромагнитные). Тепловые расцепители осуществляют защиту от токов перегрузки, а электромагнитные расцепители – от токов короткого замыкания. В зависимости от характера изменения режима работы элемента сети срабатывают встроенные в автоматы тепловые или электромагнитные расцепители [6].

Автоматические выключатели типа ВА51 относятся к аппаратам с комбинированным расцепителем.

Автоматические выключатели выбираются по следующим условиям [6].

Номинальное напряжение:

 

                                       U_ном.а.в≥ U _ном.у,                                               (6.1)

 

где U _ном.у — номинальное напряжение установки.

Автоматические выключатели типа ВА51 предназначены для работы в сетях переменного тока до 660 В (U_ном.а.в =660 В).

Сети с. Полтавка, района им.М.Жумабаева рассчитаны на напряжение 0,4 кВ (U_ном.=250 В). Условие (6.1) выполняется.

Номинальный ток расцепителя должен удовлетворять условию:

 

                                          I_ном.р≥ I_р.ф.≥ I_р.мах,                                           (6.2)

 

где I_р.мах — рабочий максимальный ток;

I _р.ф — расчетный ток послеаварийного режима.

Номинальный ток автоматического выключателя:

 

                                          I_ном.а.в≥ I_ном.р .                                          (6.3)

 

Проверим выполнимость условий (6.2) и (6.3).

Значения максимального тока примем из раздела 5.

Результаты выбора автоматических выключателей представлены в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1

Результаты выбора автоматических выключателей на отходящих линиях КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа” и КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”

 

 

 

Проверим выполнимость условий (6.4) и (6.5).

Значения ,  примем из таблицы 5.4 раздела 5, I_ном.р, I_ном.а, I_откл – из таблицы 6.1 или по каталожным данным выключателей ВА 51 [5].

КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа”, Фидер №1 с ВА51 – 31, участок 0-17/1.

 

158 А≥3·40 А; 158 А>120 А. Условие (6.4) выполняется.

0,407 кА<6 кА. Условие (6.5) выполняется.

 

Для длительно допустимого тока СИП-4(4х50) (I_д=195 А) условие (6.6) выполняется (195 А>63 А). Следовательно, выключатель ВА51 – 31 будет защищать линию от однофазных КЗ, но с помощью теплового расцепителя и с определенной выдержкой по времени.

Проверим коэффициент чувствительности отсечки при однофазном к.з. К_ч⁽¹⁾. Согласно[16, страница 93] К_ч⁽¹⁾ определяется как

 

                                     К_ч⁽¹⁾=I_к.min⁽¹⁾/I_с.о.≥1,1·К_р,                                       6.7)

 

где I_c.о. – ток срабатывания отсечки (для ВА51 – 31 I_c.о.= К_У(тр)·I_н.р.=1,35·40=54 А);

К_р – коэффициент разброса срабатывания отсечки по току (для ВА51 – 31 К_р.=1,3).

КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа”, Фидер №1 с ВА51 – 31.

К_ч⁽¹⁾=158/54≥1,1·1,3,

К_ч⁽¹⁾=2,9≥1,43. Условие (6.7) выполняется.

Для линии КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “Школа”, Фидер №2 с ВА51 – 31, участок 0-71/2.

129 А≥3·40 А;129 А>120 А. Условие (6.4) выполняется.

0,253 кА<6 кА. Условие (6.5) выполняется.

К_ч⁽¹⁾=129/54≥1,1·1,3, К_ч⁽¹⁾=2,3≥1,43. Условие (6.7) выполняется.

Для линии КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”, Фидер Ф1 с ВА51 – 31, участок 0-74/1.

157 А≥3·40 А; 157 А≥120 А. Условие (6.4) выполняется.

0,245кА<6 кА. Условие (6.5) выполняется.

К_ч⁽¹⁾=157/54≥1,1·1,3, К_ч⁽¹⁾=2,9>1,43. Условие (6.7) выполняется.

Для линии КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”, Фидер Ф2 с ВА51 – 31, участок 0-8/2.

437 А≥3·63 А; 437 А≥189 А. Условие (6.4) выполняется.

1,108 кА<6 кА. Условие (6.5) выполняется.

К_ч⁽¹⁾=437/85,1≥1,1·1,3, К_ч⁽¹⁾=5,1≥1,43. Условие (6.7) выполняется.

Для линии КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”, Фидер Ф3 с ВА51 – 31, участок 0-8/2.

157 А≥3·40 А; 157 А≥120 А. Условие (6.4) выполняется.

0,387 кА<6 кА. Условие (6.5) выполняется.

К_ч⁽¹⁾=157/54≥1,1·1,3, К_ч⁽¹⁾=2,9≥1,43. Условие (6.7) выполняется.

 

Динамическая стойкость токам трехфазного к.з.:

 

• I _дин≥ i_у, (6.8)

 

где I_дин — амплитудное значение тока динамической стойкости;

i_у -ударный ток трехфазного к.з.

Максимальный ударный ток трехфазного к.з ожидается на участке КТП — 10/0,4 кВ№ 5-6/250 кВА “МТМ”, фидер №2, участок 0-8/2 и составляет i_у=2,037 кА. В качестве I_дин выключателя можно принять его ПКС (предельную коммутационную способность), для ВА51 – 31 ПКС=6 кА.

6 кА>2,037. Условие (6.8) выполняется.

Применение выключателя ВА51-31 обосновано.

 

7 Определение конструктивных параметров линий 0,4 кВ

 

 

7.1 Определение удельных нагрузок на провода воздушных линий

 

Нагрузки на провода образуются от собственного веса провода, веса гололеда и давления ветра. Общая нагрузка, вызывающая механические напряжения в проводе, зависит не только от воздействующего фактора, но и от параметров самого провода, его длины и площади поперечного сечения.

Поэтому принято определять удельные нагрузки на единицу длины и площади поперечного сечения, от которых легко затем перейти к полной нагрузке. Единицей измерения удельной нагрузки служит единица силы ньютон (Н), отнесенный к единице длины – метру и единице площади поперечного сечения провода – квадратному миллиметру, полностью – Н/(м·мм²).

При расчете нагрузок всегда исходят из предположения, что нагрузки распределены равномерно вдоль провода (хотя бы на длину одного пролета) и носят при этом статический характер, то есть не изменяются во времени. В нормальном режиме работы нагрузки вызывают упругое удлинение провода, а в аварийных режимах разрушают его.

Нагрузки от собственного веса провода.

Нагрузка от гололедно-изморозевых отложений (гололеда).

Гололедно-изморозевые отложения на проводах появляются при наступлении особых климатических условий. Гололед образуется при температуре от 0 до -5˚С, высокой влажности в виде дождя или изморози и отсутствии сильного ветра. Карта районирования Казахстана по толщине стенки гололеда разбита на V районов и приведена в ПУЭ [2]. Климатические условия для расчета ВЛ до 1 кВ в нормальном режиме принимаются для повторяемости расчетных климатических условий 1 раз в 10 лет.

 

Нагрузка на провод, покрытый гололедом, суммируется, т.к. направление нагрузок от собственного веса и от гололеда совпадает.

 

Основной характеристикой ветрового давления является скоростной напор ветра на квадратный метр площади диаметрального сечения проводов. В ПУЭ приведена карта районирования Казахстана по скорости ветра [2].

 

 

Если провод покрыт гололедом, то удельную нагрузку от ветра подсчитывают по формуле (7.4), только диаметральное сечение берется с учетом толщины стенки гололеда, а скоростной напор ветра при гололеде берется g=0,25qmax.

 

Нагрузки, имеющие одинаковое направление силы, складываются арифметически, при неодинаковом направлении – геометрически.

Суммарная нагрузка от совместного действия собственного веса провода и напора ветра:

 

Суммарная нагрузка от совместного действия собственного веса провода с гололедом и напора ветра:

 

7.2 Определение механических напряжений в проводах воздушных линий

 

Различие в допустимых напряжениях соответствующих расчетных условий усложняет определение критических состояний провода. Для облегчения расчетов разработана система сравнений условных длин пролетов в различных расчетных условиях. Эти пролеты называют критическими [6].

Общий вид формулы критического пролета получают из уравнения состояния провода:

 

В соответствии с тремя расчетными условиями различают три критических пролета.

Первый критический пролет l_1k представляет собой пролет такой длины, для которого напряжение в проводе в режиме среднегодовой температуры достигается допустимой величины σ_э, а в режиме низшей температуры – σ_(-).

В качестве начального состояния провода принимается режим среднегодовой температуры, а конечного – режим низшей температуры, поэтому, чтобы получить величину l_1k надо принять:

— начальный режим:

σ_э=8,5даН/мм² – допустимое напряжение для проводов СИП при среднегодовой температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ [2];

γ₁=3,7·10^-3даН/(м·мм²); t_э=+10˚С.

• конечный режим:

σ_(-)=11,4даН/мм² – допустимое напряжение для проводов СИП при наибольшей нагрузке и низшей температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ [2];

γ₁=3,5·10^-3даН/(м·мм²); t_(-)=-40˚С.

Первый критический пролет l_1k:

 

Е=1/β=6,25·10^-3даН/мм² – модуль упругости.

 

Второй критический пролет l_2k представляет собой пролет такой длины, для которого напряжение в проводе в режиме наибольшей нагрузки достигает допустимой величины σ_г, а в режиме низшей температуры — σ_(-). В качестве начального состояния провода принимается режим наибольшей нагрузки, а конечного – режим низшей температуры:

— начальный режим:

σ_г=11,4даН/мм² – допустимое напряжение для проводов СИП при наибольшей нагрузке и низшей температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ [2];

γ₇=11,51·10^-3даН/(м·мм²); t_г=-5˚С.

— конечный режим:

σ_(-)=11,4даН/мм² – допустимое напряжение для проводов СИП при наибольшей нагрузке и низшей температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ[2];

γ₁=3,7·10^-3даН/(м·мм²); t_(-)=-40˚С.

 

Третий критический пролет l_2k  представляет собой такой длины, для которого напряжение провода в режиме наибольшей нагрузки достигает допустимой величины σ_г, а в режиме среднегодовой температуры – σ_э. в качестве начального состояния провода принимается режим наибольшей нагрузки, а конечного – режим среднегодовой температуры. В качестве начального состояния провода принимается режим наибольшей нагрузки, а конечного – режим среднегодовой температуры:

• начальный режим:

σ_г=11,4даН/мм² – допустимое напряжение для проводов из алюминиевой проволоки при наибольшей нагрузке и низшей температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ;

γ₇=11,51·10^-3даН/(м·мм²); t_г=-5˚С.

• конечный режим:

σ_э=8,5даН/мм² – допустимое напряжение для проводов из алюминиевой проволоки при среднегодовой температуре, таблица 2.5.6 ПУЭ [2];

γ₁=3,7·10^-3даН/(м·мм²); t_э=+10˚С.

 

Сравнивая действительный или принятый расчетный пролет с критическими, можно установить наиболее тяжелый по значению механического напряжения в проводе расчетный режим.

В рассматриваемом случае l_1к > l_2к> l_3к, следовательно, физический смысл имеет только l_2к, а расчет ведется с учетом низшей температуры и наибольшей нагрузки.

Сравнивая второй критический пролет с существующим на линии (40 метров) и исключаем из дальнейшего рассмотрения режим максимальной нагрузки, так как l_р<l_2к., следовательно, исходным режимом будет режим низшей температуры. В этом случае расчетное уравнение состояния провода:

 

Проверим применимость выбранного провода СИП4-4х50 при монтаже на железобетонных опорах с пролетом 40 метров в различных режимах работы [6, таблица 1.8].

Режим I. Провода и тросы покрыты гололедом , t_Г =-5⁰С, скоростной напор ветра 0,25·q_max. Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-19,87/σ²=11,4-0,016-1,81;

σ²(σ-9,57)=19,87;

σ_I=9,78даН/мм².

 

Режим II. Провода и тросы покрыты гололедом , t_Г =-5⁰С, ветра нет (q=0). Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-16,35/σ²=11,4-0,016-1,81;

σ²(σ-9,57)=16,35;

σ_II=9,74даН/мм².

 

Режим III. Гололеда нет, t_Г =-5⁰С, скоростной напор ветра q_max. Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-14,35/σ²=11,4-0,016-1,81;

σ²(σ-9,57)=14,35;

σ_III=9,72даН/мм².

 

Режим IV. Гололеда нет, t_Э =+10⁰С, ветра нет (q=0). Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-2,05/σ²=11,4-0,016-2,59;

σ²(σ-8,8)=2,05;

σ_IV=8,83даН/мм².

 

Режим V. Гололеда нет, t =+15⁰С, ветра нет (q=0). Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-2,05/σ²=11,4-0,016-2,85;

σ²(σ-8,53)=2,05;

σ_V=8,56даН/мм².

 

Режим VI. Гололеда нет, t_(-)=-40⁰С, ветра нет (q=0). Исходный режим.

σ_VI=11,4даН/мм²

 

Режим VII. Гололеда нет, t₍₊₎=+40⁰С, ветра нет (q=0). Из уравнения состояния провода получим:

 

σ-2,05/σ²=11,4-0,016-4,14;

σ²(σ-7,24)=2,05;

σ_VII=7,28даН/мм².

Страницы 1 2 3