Подстанционное оборудование

Предлагаемая статья является продолжением материала, опубликованного в прошлом номере журнала, в котором токоограничивающее влияние дуги при КЗ рассматривалось на примере системы собственных нужд (СН) переменного тока («Новости ЭлектроТехники» № 6(72) 2011). Здесь представлены результаты натурных экспериментов в системах постоянного тока электростанций и подстанций, а также способы расчета токов дуговых КЗ, разработанные на основе современных методов обработки результатов экспериментов.

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ НА ТОК КЗ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 кВ
в системах постоянного тока

Михаил Шиша, к.т.н., главный специалист ЗАО «Уралэнерго-Союз», г. Новосибирск
Владимир Александров, инженер Новосибирской ТЭЦ-3, г. Новосибирск
Владимир Рычагов, главный специалист института «Теплоэлектропроект», г. Москва

Сети постоянного тока отечественных электростанций (ЭС), как правило, имеют разветвленную конфигурацию, содержат значительное количество клеммных соединений и коммутационных аппаратов, что определяет высокую вероятность возникновения КЗ. Причины возникновения КЗ различны: они могут быть результатом ошибочных действий персонала при проведении ремонтных работ либо повреждения изоляции.

Надежность и пожаробезопасность систем постоянного тока в большой степени зависят от точности расчетов токов КЗ как на стадии проектирования, так и при настройке защит и защитных аппаратов в процессе эксплуатации. В [1] отмечено, что исследования влияния дуги на значение тока КЗ в сети постоянного тока показывают, что дуга намного снижает значение тока КЗ. Однако, как уже отмечалось, условия проведения экспериментов в ходе этих исследований существенно отличались от условий на ЭС и подстанциях (ПС), где потребители постоянного тока, как правило, питаются от стационарных кислотных аккумуляторных батарей (АБ) емкостью (за редким исключением) не более 1100–1200 А/ч.

НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Отсутствие экспериментальных данных и методики учета влияния дуги на ток КЗ в цепях постоянного тока, питающихся от АБ, привело к необходимости проведения натурных экспериментов, которые были организованы под руководством одного из авторов в условиях действующих установок постоянного тока тех же объектов, что и при экспериментах в системах СН 0,4 кВ.

Опыты КЗ в цепях постоянного тока проводились с помощью той же установки, что и в цепях переменного тока. Установка подключалась к шинам щита постоянного тока (ЩПТ) с номинальным напряжением 220 В, питающегося от стационарных кислотных аккумуляторов типа СК емкостью 1080 и 1180 А/ч.

Изменение сопротивления цепи КЗ выполнялось путем включения в цепь добавочных сопротивлений 25–625 мОм.

При проведении опытов осуществлялось осциллографирование тока КЗ, напряжения на выводах АБ и напряжения на дуге.

Предварительный анализ осциллограмм показал, что характер поведения дуги постоянного тока зависит от расстояния между проводниками и от способа инициирования дуги. На рис. 1 представлены типичные осциллограммы тока на дуге при различных расстояниях между шинами. Подробное изложение методики проведения натурных опытов КЗ приведено в [2], где указана и методика обработки результатов экспериментов, поэтому в настоящей публикации рассматриваются лишь вопросы, требующие уточнения, и результаты более поздних экспериментов.

Рис. 1. Осциллограммы тока при металлическом КЗ, дуговых КЗ при различных расстояниях между шинами

1 – ток металлического КЗ; 2 – 1 см; 3 – 3 см; 4 – 5 см; 5 – 7 см

РЕЗУЛЬТАТЫ

Как показал предварительный анализ полученных в ходе экспериментов осциллограмм, наиболее подходящим является, как и для переменного тока, метод определения токоограничивающего влияния дуги путем вычисления отношения значения тока при дуговом КЗ к значению тока при металлическом КЗ при одинаковых параметрах питающей сети.

В качестве критерия принимается коэффициент К_д, определяемый по той же формуле, что и для цепей переменного тока, с той лишь разницей, что при определении значений токов дуговых КЗ определялось среднее амплитудное значение тока за время протекания и среднеквадратичное значение тока по формуле:

, (1)

где t₁ – время начала КЗ, с;
t₂ – время окончания КЗ, с.

Степень снижения тока для амплитудных и среднеквадратичных значений определялась значениями коэффициентов К_д.а и К_д.ср по формулам:

, (2)

, (3)

где I_к.д.а – среднее амплитудное значение тока дугового КЗ, А;
I_к.м – значение тока металлического;
I_к.д.ср – среднеквадратичное значение тока дугового КЗ, А.

Необходимость определения значений коэффициента К_д для амплитудных и среднеквадратичных значений объясняется не только характером дуговых процессов в цепях постоянного тока, но и тем, что в зависимости от конструкции защиты и защитные аппараты могут реагировать на амплитудное либо на среднеквадратичное значение.

Опыты показали, что, как и в цепях переменного тока, степень снижения тока при дуговых КЗ в цепях постоянного тока также зависит от значения тока, а значит, и от сопротивления цепи КЗ. При уменьшении сопротивления цепи КЗ и увеличении тока степень уменьшения тока под влиянием дуги увеличивается, и наоборот.

Статистическая обработка результатов экспериментов, проведенная по методике, изложенной в [1], позволила определить функции плотности вероятности _д.а, _д.ср и построить зависимости _д.а = ƒ(R_к; I_к.м), _д.ср = ƒ(R_к; I_к.м) в диапазоне значений R_к = 25–600 мОм и I_к.м = 8800–366 А. На рис. 2, 3 приведены зависимости _д.а = ƒ(R_к), _д.ср = ƒ(R_к), а на рис. 4, 5 – зависимости _д.а = ƒ(I_к.м), _д.ср = ƒ(I_к.м) соответственно для диапазонов измерения R_к = 25–600 мОм и I_к.м = 8800–366 А. Аналитические выражения этих зависимостей, разработанные для обеспечения возможности их использования с применением средств вычислительной техники и получения графических вариантов в удобном для использования формате, получены в результате применения современных методов обработки, позволяющих получить более точное соответствие опытным данным.

Рис. 2. Зависимость _д.а = ƒ(R_к)

  

Рис. 3. Зависимость _д.ср = ƒ(R_к)

  

Рис. 4. Зависимость _д.а = ƒ(I_к.м)

  

Рис. 5. Зависимость _д.ср = ƒ(I_к.м)

  

Из полученных зависимостей видно, что по мере уменьшения значения сопротивления цепи КЗ и соответствующего увеличения тока степень разброса возможных значений тока дугового КЗ увеличивается, а при уменьшении значения тока разброс уменьшается.

Для того чтобы, используя полученные зависимости, определить возможные значения тока дугового КЗ, необходимо предварительно рассчитать значение тока металлического КЗ (I_к.м, кА) по формуле:

, (32)

где Е_расч = 1,93 В – расчетная ЭДС одного элемента АБ (в соответствии с требованиями ГОСТ [4]);
n – количество элементов батареи;
R_к – сопротивление цепи КЗ, включая внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи.

Значения тока дугового КЗ определяются по формулам:

где К_д.а, К_д.ср – значения дугового коэффициента, определяемые по _д = ƒ(R_к), _д = ƒ(I_к.м), либо по аналитическим выражениям (4–31).

При использовании графических зависимостей _д = ƒ(R_к; I_к.м) для цепей постоянного тока, либо зависимостей _д = ƒ(Z_к; I_к) для цепей переменного тока, либо при использовании аналитических выражений этих зависимостей следует иметь в виду, что они справедливы лишь в диапазонах изменения Z_к = 12,2–200 мОм и I_к.м = 18,93–1,15 кА для цепей переменного тока и в диапазонах изменения R_к = 25–600 мОм и I_к.м = 8800–366 А для цепей постоянного тока.

При использовании в расчетах графических зависимостей К_д в случае выхода за указанные пределы возможна некоторая экстраполяция, в случае же использования аналитических зависимостей экстраполяция невозможна и следует использовать для расчетов крайние значения _д для указанных возможных пределов их изменения.

Результаты экспериментов показали, что при определении значений токов дуговых КЗ как в цепях переменного тока, так и в цепях постоянного тока вероятность определения точного значения тока близка к нулю и мы всегда имеем дело с некоторой неопределенностью, присущей процессу дугового замыкания вследствие сложности и непредсказуемости взаимовлияния факторов, определяющих режим горения дуги.

Эксперименты позволили получить количественную оценку этой неопределенности для возможности ее практического использования при расчетах защит сети от КЗ. Разработанные в ходе экспериментов методики были включены в ГОСТ [3, 4] и приведены в Методических указаниях [5], По результатам работ одним из авторов был сделан доклад на симпозиуме [6].

Вследствие несовершенства методик обработки и недостатков графического оформления представленные в [3, 4, 5] материалы не совсем точно отражали результаты экспериментов.

Для устранения имеющихся недостатков была проделана значительная работа с применением современных методов обработки, позволяющих представить материал в более удобном для практического использования виде и с более точным описанием результатов экспериментов.

Методика расчета защит сети СН от КЗ должна учитывать как токоограничивающее влияние дуги, так и то, что методика учета этого влияния может дать не точную оценку, а лишь вероятность того или иного токоограничения.

Стремясь повысить надежность защиты, мы вынуждены идти либо на дополнительные затраты, вызванные необходимостью увеличения сечения кабелей, либо на изменение схемы сети или конфигурации кабельного хозяйства.

1. Шиша М.А., Александров В.М., Рычагов В.Н. Влияние электрической дуги на ток КЗ в сетях напряжением до 1 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2011. № 6(72).
2. Жуков В.В., Шиша М.А., Корючина И.Н. Экспериментальные исследования дуговых коротких замыканий в системе постоянного тока электростанций и подстанций // Электрические станции. 1992. № 10.
3. ГОСТ Р 50270-92. Короткие замыкания в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. М.: Изд. стандартов, 1993.
4. ГОСТ Р 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока. М.: Изд. стандартов, 1997.
5. Методические указания по расчету токов короткого замыкания в сети напряжением до 1 кВ электростанций и подстанций с учетом влияния электрической дуги. М.: Служба передового опыта ОРГРЭС, 1993.
6. Shisha M., Ponomarev V., Zhukov V. Analysis of arc effect on short-circuit magnitude in Power-stations DS/AC networks with voltage below 1 kv. – 6th International Symposium Short-circuit in power systems. Liege, 1994.