Расчет токов короткого замыкания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра ИЭФ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Электрическое оборудование»

На тему: «РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ»

Выполнил:

Студент гр. ФТ-45

Дихтярь А.А

Проверил:

Донец С.Е.

Харьков 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………….............3

1 Термины и определения……………………..……………………………….….4

2 Анализ схем блоков генератор—трансформатор на крупных КЭС..……..….6

3. Расчетная часть…………………………………………………………..………8

3.1 Задание и исходные данные……………………………………………….…..8

3.2 Решение задачи…………………………………………………………………9

3.2.1 Расчет КЗ1 и КЗ2……………………………………………………………12

3.2.2 Выбор выключателей для КЗ1 и КЗ2…………………………………...….14

4 Выводы……………………………………………………..……………………16

5 Список источников информации….………………………………..………….17

ВВЕДЕНИЕ

Для электроустановок характерны 4 режима: нормальный, аварийный, послеаварийный и ремонтный, причем аварийный режим является кратковременным режимом, а остальные - продолжительными режимами.

Электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных режимов, определяющим из которых является режим короткого замыкания.

Расчет токов короткого замыкания необходим для выбора и проверки электрооборудования по условиям короткого замыкания (КЗ); для выбора уставок и оценки возможного действия релейной защиты и автоматики; для определения влияния токов нулевой последовательности линий электропередачи на линии связи; для выбора заземляющих устройств [1].

При расчетах токов КЗ допускается не учитывать:

1)     сдвиг по фазе ЭДС и изменение частоты вращения роторов синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей, если продолжительность КЗ не превышает 0,5 с;

2)     ток намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов;

3)     насыщение магнитных систем электрических машин;

4)     поперечную емкость воздушных линий электропередачи напряжением 110­–220 кВ, если их длина не превышает 200 км, и напряжением 330–500 кВ, если их длина не превышает 150 км.

Короткие замыкания есть случайные события. Совокупность параметров режима короткого замыкания образует множество вероятностных параметров. Расчетные условия КЗ, т.е. наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия КЗ, формируются на основе опыта эксплуатации электроустановок, анализа отказов электрооборудования и последствий КЗ, использования соотношений параметров режима КЗ, вытекающих из теории переходных процессов в электроустановках. Расчетные условия КЗ определяются индивидуально для каждого элемента электроустановки. Для однотипных по параметрам и схеме включения элементов электроустановки допускается использовать аналогичные расчетные условия.

Целью работы является изучение методов практического расчета начального значения периодической составляющей тока трехфазного короткого замыкания.

1 ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Замыкание - всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землей.

Короткое замыкание — замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Короткое замыкание на землю — короткое замыкание в электроустановке, обусловленное соединением с землей какого-либо ее элемента.

Однофазное короткое замыкание — короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза.

Двухфазное короткое замыкание — короткое замыкание между двумя фазами в трехфазной электроэнергетической системе.

Двухфазное короткое замыкание на землю — короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы.

Двойное короткое замыкание на землю — совокупность двух однофазных коротких замыканий на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки.

Трехфазное короткое замыкание - короткое замыкание между тремя фазами в трехфазной электроэнергетической системе.

Трехфазное короткое замыкание на землю — короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются три фазы.

Режим короткого замыкания — режим работы электроустановки при наличии в ней короткого замыкания.

Предшествующий режим — режим работы электроустановки непосредственно перед моментом возникновения короткого замыкания.

Установившийся режим короткого замыкания — режим короткого замыкания электроустановки, наступающий после затухания во всех цепях свободных токов и прекращения изменения напряжения возбудителей синхронных машин под действием автоматических регуляторов возбуждения.

Переходный процесс в электроустановке — процесс перехода от одного установившегося режима электроустановки к другому.

Мгновенное значение тока короткого замыкания — значение тока короткого замыкания в рассматриваемый момент времени.

Действующее значение тока короткого замыкания — среднее квадратическое значение тока короткого замыкания за период рабочей частоты, середина которого есть рассматриваемый момент времени.

Установившийся ток короткого замыкания — значение тока короткого замыкания после окончания переходного процесса, характеризуемого затуханием всех свободных составляющих этого тока и прекращением изменения тока от воздействия устройств автоматического регулирования возбуждения источников энергии.

Ударный ток короткого замыкания — наибольшее возможное мгновенное значение тока короткого замыкания.

Расчетная схема электроустановки — электрическая схема электроустановки, при которой имеют место расчетные условия короткого замыкания для рассматриваемого ее элемента.

Расчетная точка короткого замыкания — точка электроустановки, при коротком замыкании в которой для рассматриваемого элемента электроустановки имеют место расчетные условия короткого замыкания.

 Сквозной ток короткого замыкания - ток, проходящий через включенный коммутационный электрический аппарат при внешнем коротком замыкании.

Содержание апериодической составляющей в отключаемом токе короткого замыкания — отношение апериодической составляющей отключаемого тока короткого замыкания в заданный момент времени к увеличенному в  раз действующему значению периодической составляющей отключаемого тока короткого замыкания в тот же момент времени.

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания — электромагнитная постоянная времени, характеризующая скорость затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания [1].

2. АНАЛИЗ СХЕМ БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР—ТРАНСФОРМАТОР НА КРУПHЫХ КЭС.

КЭС – конденсационная электростанция, это электростанция, на которой электроэнергию добывают сжиганием угля, газа, мазута (при сжигании всего этого образуется тепло, которое превращает воду в пар, а пар в свою очередь, крутит паровую турбину).

Мощность генераторов, устанавливаемых на тепловых электростанциях, неуклонно возрастает. Освоены в эксплуатации энергоблоки 500, 600 МВт, осваиваются блоки 1200МВт. Установленная мощность современных КЭС достигает нескольких миллионов киловатт. На шинах таких электростанций осуществляется связь между несколькими электростанциями, происходит переток мощности из одного из одной части энергосистемы в другую. Все это приводит к тому что крупные КЭС играют очень ответственную роль в энергосистеме.

Схемы выдачи электроэнергии КЭС характерны блочным соединением генераторов с трансформаторами. Как правило, в блоках между генератором и двух обмоточным трансформатором должен устанавливаться генераторный выключатель. Это упрощает операции по включению и отключению блока. Такие схемы (рис 2,1, а) применяют для энергоблоков, которые участвуют в регулировании графика нагрузки энергосистемы. Следует отметить, что наличие генераторных выключателей позволяет осуществить пуск генератора без использования пускорезервного трансформатора с.н После всех операций по пуску генератор синхронизируется и включается выключателем Q2.

На рис. 2,1,а, показана схема блока генератора с автотрансформатором [3]. Такая схема применяется при налички двух повышенных напряжений на КЭС. При повреждении на шинах напряжением 110-220 кВ или 500-750 кВ отключится Q2 или Q1 соответственно, а блок останется работать на шины напряжением 500-750 или 110-220 кВ. Разъединители между выключателями Q1, Q2, Q3 и автотрансформатором необходимы для возможности вывода в ремонт выключателей при сохранении в работе блока или автотрансформатора.

В некоторых случаях с целью упрощения и удешевления конструкции РУ напряжением 330-750 кВ применяется объединение двух блоков с отдельными трансформаторами под общий выключатель Q1 (рис.2,1,в). Выключатели Q2, Q3 необходимы для включения генераторов на параллельную работу и обеспечивают большую надежность, так как при повреждении в одном генераторе второй сохраняется в работе. [2]

Рисунок 2,1, -- Схемы энергоблоков генератор-трансформатор

а - блок с двух обмоточным трансформатором; б – блок с автотрансформатором; в – объединенный блок.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Задание и исходные данные

Задание: найти ток короткого замыкания в назначенной точке схемы (рис.3.1.) и подобрать выключатель по полученным данным. До момента КЗ схема работала в номинальном режиме.

Исходные данные:

Расчетная схема приведена на  Рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Расчетная схема

Описание обозначений рисунка 3,1:

С—система: U=515 кВ, =18,3 кА

Л1—ЛЭП: x_л=0,45 Ом/км, l=100 км

Т1 и Т2 – двух обмоточные автотрансформаторы АТДЦН-500000/500/220:

S_ном = 500 МВА, U_ВН = 500 кВ, U_НН=230 кВ,  U_К:( ВН-НН) =12 %,

Р—реактор РБГД10-4000-0,18У3: x_р=0,18 Ом

Г1—генератор СВ566/125-32: x”_d =0,2, S_H =30 МВА, cosφ =0,85, U_ном = 10,5 кВ

Г2—генератор СВ800/105-60: x”_d =0,3, S_H =30 МВА, cosφ =0,8, U_ном = 10,5 кВ

3.2 Решение задачи

3.2.1 Расчет КЗ1

Задаемся номинальной мощностью:

S_б = 100 МВА.

Выбираем базисное напряжение:

U_бІ = 515 кВ.

Разобьем схему (рис3.1.а) на ступени:

U_бІІ = U_бІ/(n_тцн)                                               (3.1)

 U_бІІ = 515/(500/230) = 236,9 кВ

Для каждой из ступеней определяем базисный ток:

І_бІ = S_б/( U_бІ)                                               (3.2)

І_бІІ = S_б/( U_бІІ)                                               (3.3)

 І_бІ = 100/( 515) = 0,112  кА

І_бІІ =100/( 236,9)= 0,244  кА

Составим схему замещения (рис. 3.2.). Так как сопротивление реактора РБГД на порядок больше сопротивления трансформатора, то через него при КЗ ток теч не будет.

Рисунок 3.2 -- Схема замещения расчетной схемы

Далее определим параметры этой схемы в относительных единицах.

Для Т1 и Т2 индуктивные сопротивления рассчитываются как (в относительных единицах):

Х_В = Х_Н = U_Кв-н/200                                               (3.4)

Х_В = Х_Н =12/200= 0,06

Сопротивления Т1 иТ2 в схеме замещения:

Х₃ = Х₅= Х₄= Х₆=Х_В··                                               (3.5)

Х₃ = Х₅= Х₄= Х₆= 0,06·100/500·(500/515)² = 0,0113

Для системы С:

- внутреннее сопротивление:

Х₁ = (U/)·                                                (3.6)

Х₁ =(515/18,3)·(100/515²)=0,0106

- ЭДС системы :

Е = U_С/U_бІ                                                (3.7)

Е = 515/515 =1

Относительное сопротивление линии Л1:

Х₂= Хл·lл·S_б/U_б1                                                (3.8)

Х₂=0,45·100·100/515²=0,017

Генератор Г1:

-Внутреннее сопротивление:

Х₆ = x”_d ··                                                 (3.9)

Х₇=(0,2·100/30)·(10,5/515)² = 0,0013

Сверхпереходная ЭДС:

                  (3.10)

До КЗ Г1 работал в номинальном режиме:

U^*_lol=1;  I_lol=1; cosφ_lol=cosφ_ном=0,85

sinφ=0.53

Переводим к базисным условиям:

E_Г1= E_lol *U_ном/U_б2                                                (3.11)

E_Г1=1,119*10,5/236,9=0,0496

Генератор Г2:

-Внутреннее сопротивление по (3,9):

Х₈=(0,3·100/30)·(10,5/515)² = 0,00196

Сверхпереходная ЭДС по (3,10):

До КЗ Г2 работал в номинальном режиме:

U^*_lol=1;  I_lol=1; cosφ_lol=cosφ_ном=0,8

sinφ=0.6

Переводим к базисным условиям:

E_Г2= E_lol *U_ном/U_б2                                                (3.11)

E_Г1=1,204*10,5/236,9=0,534

Преобразуем схему замещения (рис 3,2):

Х₄₆₈=Х₄+Х₆+Х₈                                               (3.12)

Х₃₅₇=Х₃+Х₅+Х₇                                               (3.13)

Х₁₂=Х₁+Х₂                                                       (3.14)

Х₄₆₈ = 0,0113+0,0113+0,00196=0,0245

Х₃₅₇=0,0113+0,0113+0,0013=0,0239

Х₁₂=0,0106+0,017=0,0276

Рисунок 3.3 – Преобразованная схема замещения

3.2.1 Расчет КЗ1 и КЗ2

Составим систему уравнений для схемы на рисунке 3,3:

                                               (3.15)

Так как точки КЗ1 и КЗ2 на рисунке 3,3 будут находится на разных ветвях, но при этом все остальные параметры при КЗ не изменяются, то ток КЗ1 будет равен току в ветви генератора Г1, а ток КЗ2 будет равен току в ветви системы С. Таким образом найдя токи и  мы найдем эквивалентные токи КЗ1 и КЗ2:

I_кз1 = I_б2*                                             (3.16)

I_кз2 = I_б1*                                            (3.17)

Решаем систему уравнений (3.12):

=> =>  =>

Определяем токи КЗ1 и КЗ2 из (3,16) и (3,17):

I_кз1=30,199*0,244=7,37 кА

I_кз2=60,792*0,112=6,81 кА

Определяем ударные токи КЗ1 и КЗ2:

Из [5]  и [6] определяем, что   К_уд1 = 1,95 (и Т_а1 = 0,1 с); К_уд2 = 1,8

 (и Т_а1 = 0,05 с). Тогда:

і_уд = · К_уд· І_КЗ                                             (3.18)

і_уд1 =  ·1.95·7,37 = 20,32 кА

і_уд2 =  ·1.8·6,81 = 17,335 кА

Наибольшее начальное значение апериодической составляющей тока КЗ в общем случае:

і_а =  · І_КЗ                                              (3.19)

і_а1 =  · 7,37 = 10,42 кА

і_а2 =  · 6,81 = 9,63 кА

3.2.2 Выбор выключателей:

Выбираем выключатель для КЗ1 по условиям:

- U_НОМ ≥ U_{сети НОМ}  = 230 кВ;

- І_НОМ  ≥ І_{НОМ расч};

- І_вкл ≥ І_КЗП  = 7,37 кА;

- і_вкл ≥ і_уд = 17,335 кА.

На основе полученных данных выберем выключатель [4]:

ВВД-330Б-40/3150У1

Воздушный выключатель, на номинальное напряжение 330кВ,  номинальным током 3150 А,  номинальное действующее значение апериодической составляющей 40 кА.

Выбираем выключатель для КЗ2 по условиям:

- U_НОМ ≥ U_{сети НОМ}  = 515 кВ;

- І_НОМ  ≥ І_{НОМ расч}; = 18,3 кА

- І_вкл ≥ І_КЗП  = 6,81 кА;

- і_вкл ≥ і_уд = 20,32 кА.

На основе полученных данных выберем выключатель [4]:

ВВБ-750-40/3150У1

Воздушный выключатель, на номинальное напряжение 750кВ, номинальным током 3150 А,  номинальное действующее значение апериодической составляющей 40 кА.

4 ВЫВОДЫ

Выполнив задание курсового проекта, освоил методы практического определения токов короткого замыкания в разных точках цепи.

Был проведен анализ схем блоков генератор—трансформатор на крупных КЭС.

 Были рассчитаны токи КЗ для двух точек в расчетной схеме (рис.3.1.): КЗ1 и КЗ2. В первом случае ТКЗ составил І_КЗ1  = 7,37 кА. Для этого случая был подобран выключатель ВВД-330Б-40/3150У1, который следует установить на входе трансформатора АТДЦН-500000/500/220.

Во втором случае ТКЗ составил 6,81 кА. Для этого случая был подобран выключатель ВВБ-750-40/3150У1, который следует установить перед началом линии (ЛЭП: 0,45 Ом/км, 100 км).

5 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1 РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. Утвержд. 23.03.1998 г.

2 Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций: Учебник для сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 448с.

3 ГОСТ 2.702-69* Правила выполнения электрических схем. Введ. 01.01.1971г.

 4 Неклепаев Б.Н., Крючков И.Г. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд, перераб. и доп. – М.: энергоатомиздат, 1989. – 608 с.: ил.

5 ГОСТ 27514-87. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ. МЕТОДЫ РАСЧЕТА В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ СВЫШЕ 1 кВ. Введ. 14.12.87

6 Беляева Е.Н. Как рассчитать ток короткого замыкания. – 2-е изд. перераб. и доп. – (Б-ка электромонтера. Вып. 544) – 137с.