Анализ короткого замыкания и конструкция автоматического выключателя

В статье представлено поведение системы в условиях неисправности и направлено на проектирование автоматического выключателя. Целью работы является анализ короткого замыкания для проектирования энергосистемы с учетом всех условий, таких как нагрузка линии, конструкция автоматического выключателя, настройка реле, переходные процессы и т. д. В основном для исследования короткого замыкания необходимо провести анализ потока нагрузки, а затем с учетом состояния короткого замыкания анализ. Для симуляции исследования используется программное обеспечение MiPOWER и PsCAD/EMTDC.

Ключевые слова: сопротивление дуги, переходной процесс, короткое замыкание, гармоники, электрическая система.

Исследование короткого замыкания в энергосистеме является основным шагом в планировании современных электрических сетей. На основе таких результатов и исследований выполняется настройка и координация защитного устройства (реле), конструирование компонентов распределительных устройств. Исследование проводится с использованием компьютерного программного обеспечения, сначала путем моделирования системы (проводники, трансформаторы, генераторы), а затем имитируя ошибки. Неисправность обычно приводит к сильному току, протекающему по линиям, и если не обеспечивается надежная защита, может произойти повреждение в силовом устройстве. Здесь термин «симметричная неисправность» относится к тем условиям, в которых все три фазы энергосистемы заземлены в одной и той же точке. По этой причине симметричные неисправности иногда также называются трехлинейными неисправностями. Несимметричные короткие замыкания дают максимальные токи короткого замыкания и составляют основу расчетов токов на коммутационных устройствах. Короткие замыкания, связанные с одной или несколькими фазами и землей, называются несимметричными короткими замыканиями. При замыкании одной фазы на землю или двух фаз на землю может превышать значения токов КЗ трехфазных симметричных замыканий. Таким образом, расчеты короткого замыкания являются первичным исследованием, когда планируется разработка, модернизация или расширение энергосистемы.

Теоретическая часть

Ток короткого замыкания.

При условии неисправности ток на линии при неисправной шине рассчитывается как:

=

V_J^f — напряжение на линии после кз: I_ij^f — ток протекающий между линиями; V_i^f — напряжение линии до кз, на i-ой линии и j-ой линии; Z_ij — сопротивление между двумя линиями. Ток короткого замыкания напрямую связан с размером и мощностью источников питания, которые поддерживают систему и, как правило, не зависят от тока нагрузки в цепи. Чем больше мощность источников питания, питающих систему, тем больше значение тока короткого замыкания.

Симметричное короткое замыкание.

Нас интересуют симметричные токи повреждения. Если огибающие положительного и отрицательного пиков текущего сигнала симметричны вокруг нулевой оси, они называются «симметричными токовыми» огибающими. Общий ток короткого замыкания, доступный в системе распределения, обычно поступает из нескольких источников, которые могу быть сгруппированы в три основные категории. Первая — это система снабжения коммунальных услуг, предоставляющая объект, который действует как большой удаленный генератор. Второй включает в себя локальные генераторы либо на заводе, либо поблизости от утилиты. Третья категория источников — синхронные и асинхронные двигатели, которые расположены на многих заводах и объектах. Общий ток короткого замыкания, который имеет устойчивые переменные, затухающие переменные и затухающие компоненты постоянного тока, может быть выражен уравнением:

Где I_ср.кв.- симметричная постоянная среднеквадратичная величина тока

k-переменная, зависящая от количества и мощности нагрузок

t-время в секундах.

Величина и длительность асимметричного тока зависят от следующих параметров: а) отношения X/R неисправного контура, б) фазовый угол напряжения во время короткого замыкания.

Описание тока при коротком замыкании.

Чем больше отношение X/R, тем больше будет время затухания асимметричного тока. Для конкретного отношения X/R угол приложенного напряжения во время инициирования короткого замыкания определяет степень асимметрии тока короткого замыкания, которая будет существовать для этого отношения X/R. В чисто индуктивной схеме максимальная постоянная составляющая тока создается при инициировании короткого замыкания в момент, когда приложенное напряжение равно нулю (a=0⁰ или 180⁰ при использовании синусоидальных функций). Затем ток будет полностью смещен либо в положительном, либо в отрицательном направлении. Максимальная асимметрия для любого отношения X / R цепи часто возникает, когда короткое замыкание инициируется вблизи нулевого напряжения. Начальная составляющая тока постоянного тока не зависит от того, остается ли постоянная составляющая постоянного тока или падает от ее начального значения. Для любого отношения X / R цепи сигналы напряжения и тока будут не в фазе друг от друга на угол, соответствующий количеству реактивного сопротивления в цепи, по сравнению с величиной сопротивления в цепи. Этот угол равен

.

Для чисто индуктивной схемы фаза волны тока будет смещена от фазы напряжения на 90 ° (отставание). Когда к цепи добавляется сопротивление, это угловое смещение будет уменьшаться до нуля. В чисто резистивной цепи напряжение и ток будут полностью синфазными и без смещения. Во всех практических схемах, содержащих сопротивление и реактивность, компонент постоянного тока также будет спадать до нуля, поскольку энергия, представленная компонентом постоянного тока, рассеивается как потери тепла I²R в цепи. Скорость затухания компонент постоянного тока зависит от сопротивления и реактивности контура. В практических схемах компонента постоянного тока полностью затухает к нолю в течение 1–30 циклов.

В предыдущем обсуждении был рассмотрен однофазный ток, чтобы понять асимметрию. В трехфазной системе с трехфазным замыканием сумма тока в любой момент времени в трех фазах должна ровняться нулю. Поэтому, если одна фаза имеет максимальное смещение, то две другие фазы должны иметь отрицательное смещение для баланса тока. Постоянная времени затухания всех фаз одинакова. Максимальное магнитное усилие, создаваемое на элементе схемы, таком как автоматический выключатель, происходит в тот момент, когда ток замыкания через элемент схемы максимален. С точки зрения проектирования и применения оборудования особый интерес представляет фаза с наибольшим пиком тока повреждения. Это текущее значение подвергает оборудование воздействию самых сильных магнитных сил. Наибольший пик тока замыкания обычно возникает в первом цикле тока, когда инициирование тока короткого замыкания близко или совпадает с приложенным напряжением, проходящим через ноль. Это условие называется условием максимальной асимметрии. При применении оборудования, которое может нести ток повреждения, такой как выключатели, переключатели, трансформаторы и предохранители, должен быть определен общий доступный ток короткого замыкания. Для правильного применения оборудования также требуется знание минимального критерия X / R или максимального коэффициента мощности применяемого тока повреждения. Пиковые величины тока короткого замыкания важны для некоторых устройств, таких как низковольтные выключатели, в то время как асимметричные среднеквадратические значения величины одинаково значимы для высоковольтных выключателей. Это приводит к необходимости разработки расчета короткого замыкания, зависящего от отношения X / R, для правильного сравнения с применяемым оборудованием. При вычислении тока неисправности необходимо учитывать компонент переменного тока и переходную составляющую постоянного тока рассчитанного тока повреждения для определения максимального пикового значения или среднеквадратичного значения. которая может иметь место в цепи. Когда расчетное отношение ошибки X / R больше, чем отношение X / R испытания оборудования, при оценке применения оборудования следует учитывать более высокий общий ток повреждения, связанный с более высоким коэффициентом X / R. В этом резюме было показано, что эффекты асимметрии зависят только от отношения точки ошибки X / R схемы и момента инициирования отказа. Ссылки показывают, что эффекты максимальной величины тока повреждения и энергетического содержания первого токового цикла намного больше, чем влияние среднеквадратичного значения. Для условия максимальной асимметрии. теоретически может быть рассчитан ток первого цикла в 1,732 раза по сравнению с установившимися среднеквадратичными значениями. Однако максимальный ток первого цикла для одного и того же состояния может быть в два раза выше пика стационарной составляющей тока, а магнитные силы могут быть в четыре раза больше, чем у среднеквадратичных симметричных компонент переменного тока. С точки зрения дизайна оборудования эти пиковые токи и энергетические сравнения являются максимальными, что должно выдерживать оборудование. Для оборудования с рейтингом ANSI максимальный асимметричный среднеквадратичный ток обеспечивает этот показатель максимальной мощности. Важно знать термины, определяющие характерные колебания тока короткого замыкания. Испытательные токи короткого замыкания, используемые для выключателей и номиналов прерывания плавких предохранителей, имеют различные процедуры испытаний и коэффициенты коэффициента мощности (отношение X / R). Например, высоковольтные силовые выключатели используют среднеквадратичные испытания на прерывание тока с коэффициентом мощности 6,7 % (X / R = 15), в то время как низковольтные выключатели используют пиковые токи при коэффициенте мощности 15 % (X / R = 6,59). У формованных корпусов и изоляторов с изолированным корпусом есть разные (от 6,7 % и 15 %) коэффициенты мощности испытания, которые необходимо учитывать. Если расчетное значение коэффициента ошибки X / R больше, чем испытательное отношение X / R отключающего устройства, тогда происходит расчет тока нагрузки оборудования

Исследование схемы 220кВ.

Отношение X / R важно, поскольку оно определяет пиковый асимметричный ток повреждения. Асимметричный ток короткого замыкания может быть намного больше, чем симметричный ток замыкания.

Рис. 1. Исследуемая схема

В импедансе силовой системы имеется два компонента. Первый называется реактивным (X). Реакция зависит от двух факторов: (1) индуктивность и (2) частота и второй компонент — сопротивление, коэффициент мощности равен

cos(tan^-1(X / R)). Если коэффициент мощности равен единице (1), то импеданс имеет только активное сопротивление. Если коэффициент мощности равен нулю, то импеданс имеет только реактивное сопротивление. Поэтому коэффициент мощности и отношение X / R — это можно сказать одно и то же. Так как коэффициент мощности уменьшается, отношение X / R увеличивается. Сразу после возникновения неисправности текущий сигнал больше не является синусоидальной волной. Вместо этого его можно представить суммой синусоидальной волны и затухающей экспонентой. Затухающая экспоненциальная составляющая, добавленная к синусоидальной волне, приводит к тому, что ток достигает гораздо большего значения, чем ток синусоидальной волны. Форма волны, равная сумме синусоидальной волны и затухающей экспоненты, называется асимметричным током, потому что форма волны не имеет симметрии выше и ниже временной оси. Фактическую форму асимметричного тока повреждения трудно предсказать, потому что это зависит от того, в какое время в сигнале цикла напряжения возникает неисправность. Однако наибольшего значения асимметричный ток повреждения возникает тогда, когда неисправность происходит в точке, и напряжение равно нулю. Затем асимметричный ток замыкания зависит только от отношения X / R или коэффициента мощности, а также от величины симметричного тока замыкания. На рисунке 2 показано, как отношение пикового асимметричного тока к симметричному току RMS изменяется с отношением X / R (среднеквадратичный симметричный ток равен пику симметричного тока, деленный на квадратный корень из 2.)

Рис. 2. Пиковое значение асимметричного тока как функция симметричного среднеквадратичного тока

Где I_СИМ является симметричным компонентом переменного тока переменного тока через 10 мс после отказа. Как и в случае короткого замыкания систем с шиной 132 кВ, различные параметры с условием предварительной неисправности вычисляют как в момент сбоя, так и по компоненту после критической неисправности, как показано ниже, в таблице приведены данные о неисправностях и график для ошибки на шине номер 38.

Результат

Результаты показывают величину тока, а также уровень неисправности шины, поступающей от шины генератора.

Таблица 1

Результат короткого замыкания на шине номер 39 снапряжением 220 кВ

Как объяснялось ранее, использование графика тока повреждения для конструкции выключателя, а также системных реле и переключающих передач.

Рис. 3. Короткое замыкание с затухающей составляющей компоненты переменного тока

Анализ конструкции автоматического выключателя

При выборе автоматических выключателей важно удостовериться, что бы номинальные значения выключателей не были превышены в их применении. Эти значения номиналов в основном получены из расчетов тока короткого замыкания, доступных на месте размещения оборудования. Поэтому отправной точкой является тщательный анализ неисправности энергосистемы. Обычно рассматриваются два типа выключателей. К первому типу выключателей относятся устройства с номинальным током выключения. К таким устройствам относятся автоматические выключатели и плавкие предохранители. Номинальный ток выключения означает значение максимального тока короткого замыкания, при котором сработает устройство. Второй тип — устройства с выдержкой выключения. Устройства с выдерживаемыми номиналами не предназначены для прерывания тока короткого замыкания, а скорее для «проезда» короткого замыкания без повреждений. Характеристика отражает способность устройства задерживаться во время сбоя. ВН (восстанавливающееся напряжение переменного тока после КЗ) связано с так называемой диэлектрической фазой явлений дуги. Завышение высоковольтных автоматических выключателей (АВ) является постоянно растущей проблемой, поскольку энергетические системы во всем мире, как правило, все более связаны. Симметричные и асимметричные токи короткого замыкания; токи нагрузки и напряжение восстановления переходного процесса (ВН) являются одними из наиболее важных параметров для анализа АВ. Хорошо известно, что диэлектрические напряжения, налагаемые внутри АВ, выше, когда прерываются симметричные токи короткого замыкания. Таким образом, пренебрежение текущей асимметрией приведет к консервативным значениям ВН. Более того, поскольку максимальное значение ВН происходит до первого пика текущей волны, вычисление может быть выполнено только с использованием первого текущего полупериода. Большинство коротких замыканий, возникающих в реальной энергосистеме, несимметричны. Тем не менее, изучение симметричных трехфазных замыканий важно, потому что, несмотря на то, что его появление настолько редки, оно более тяжелое с точки зрения устойчивости переходной системы энергосистемы, чем неуравновешенные короткие замыкания. Кроме того, это исследование полезно для получения синхронных динамических параметров машины и для понимания переходного поведения электроэнергетических систем при возникновении короткого замыкания.

Заключение

Исследования короткого замыкания проводятся для определения величины тока, протекающего по всей силовой системе через различные промежутки времени после отказа. Величина тока через силовую систему после ошибки изменяется со временем, пока не достигнет состояния устойчивого состояния. Во время сбоя система питания вызывается для обнаружения, прерывания и изоляции этих неисправностей. Повреждения, наносимые оборудованию, зависят от величины тока, которая зависит от времени срабатывания неисправности. Такие расчеты выполняются для различных типов сбоев, таких как трехфазное, однолинейное замыкание на землю, двойное замыкание на землю и разное расположение системы. Вычисленные результаты короткого замыкания используются для выбора предохранителей, автоматических выключателей и защитных реле. Поскольку от моделирования на MiPower и PSCAD пользователь может смоделировать любую энергосистему для проектной точки зрения и с точным моделированием, результат будет подходить под точную проверку, как это было проверено в тематическом исследовании.

Литература:

1. Щербаков Е. Ф. Электроснабжение и электропотребление на предприятиях: Науч.-издат центр ИНФРА-М, 2015–596 с.
2. Щедрин В. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учеб, пособие/ В А. Щедрин, Чебоксары: Изд-во Чуваш, уча, 2007. — 422 с.
3. Владимир В.-Терзия. Исследования коротких замыканий в энергосетях с использованием моделирования ошибок. ИЕЕЕ Лаусэйн Пауер Тек, 2007
4. Куликов Ю. А. Переходные процессы в электрических системах: Учеб. пособие / Ю. А. Куликов. Новосибирск; М., 2003.