Условия работы аппаратов высокого напряжения

Аппараты высокого напряжения устанавливаются в открытых, закрытых и герметичных РУ. Условия работы аппаратов в этих трех типах РУ существенно различны. Аппараты, предназначенные для ОРУ, подвергаются непосредственному воздействию всех климатических и метеорологических факторов — различных осадков, включая и гололед, ветровых нагрузок, изменения температуры в широких пределах. Все эти факторы создают дополнительные нагрузки на конструкции аппаратов высокого напряжения помимо нагрузок, обусловленных работой самих аппаратов. Поэтому все аппараты ОРУ рассчитываются на эти воздействия (гололед, ветер). В частности, возможность образования гололеда на контактах разъединителей (замкнутых или разомкнутых) определяет необходимость усиления его привода, чтобы обеспечить способность разъединителя к разрушению гололеда как при отключении, так и при включении.

Загрязнение и периодические увлажнения изоляции аппаратов высокого напряжения определяют необходимость соответствующего развития поверхности изоляторов. Поскольку условия загрязнения на разных ОРУ могут быть существенно различны, предусмотрены четыре разных исполнения аппаратов применительно к четырем степеням загрязнения поверхности изоляторов: I — легкой, II — средней. III — сильной. IV — очень сильной. Удельная длина пути утечки в зависимости от степени загрязнения должна быть не менее: 1,6 см/кВ для степени загрязнения (I), 1,2 см/кВ (II), 2,5 см/кВ (III) и 3,1 см/кВ (IV).

Все аппараты высокого напряжения подвергаются воздействию напряжения. В качестве номинального напряжения принято номинальное линейное напряжение трехфазной системы, в которой аппарат должен работать. К аппаратам высокого напряжения относятся аппараты от 3 кВ и выше (табл. 1).

Таблица 1

Установленные значения пути утечки и кратности воздействующих перенапряжений

Поскольку номинальное напряжение должно быть обеспечено на шинах потребителя, для компенсации падения напряжения в электрической сети на шинах питающих подстанций необходимо поддерживать более высокое напряжение (на 5 — 20 %), при котором все аппараты должны надежно работать без ограничения времени. Это напряжение называется наибольшим рабочим и нормируется ГОСТ 1516.1-76 (см. табл. 1).

В соответствии с вышеизложенным ГОСТ 9920-75 устанавливает необходимую длину пути утечки фарфоровых изоляторов для аппаратов различной категории исполнения (см. табл. 1). Для аппаратов внутренней установки длина пути утечки не нормируется.

При коммутации электрических аппаратов возникают перенапряжения, зависящие от вида коммутации (включение, отключение, АПВ), от типа выключателя и от параметров электрической сети. Для обеспечения единства требований к аппаратам высокого напряжения ГОСТ 1516.1-76 и Правила устройств электроустановок (ПУЭ-86) устанавливают расчетные (допустимые) кратности воздействующих перенапряжений (см. табл. 1) для аппаратов каждого класса напряжения и соответствующие им испытательные напряжения. Как видно, чем выше номинальное напряжение, тем более низкий уровень перенапряжений допускается нормативными документами, что определяется непропорциональной зависимостью электрической прочности воздушных промежутков от их длины. Принятые уровни ограничения коммутационных перенапряжений обеспечивают примерно пропорциональный рост необходимых изоляционных расстояний при увеличении класса напряжения электроустановок. Новые средства ограничения перенапряжений позволяют без значительных затрат ограничить уровень внутренних перенапряжений до 1,6 — 1,8 на подстанциях всех классов напряжения (в сетях с глухозаземленной нейтралью), что приведет к значительному упрощению конструкции аппаратов высокого напряжения. В табл. 1 цифры в скобках соответствуют техническим условиям, но не установлены стандартом.

Важнейшим параметром для аппаратов высокого напряжения является ток нагрузки, определяющий сечение их токоведущих элементов и условия охлаждения. При их выборе необходимо ориентироваться на допустимые температуры нагрева токоведущих элементов аппаратов, обеспечивающие длительную надежную их работу в эксплуатации (см. табл. 2).

Таблица 2

Допустимые температуры нагрева и превышения температуры

Согласно ГОСТ 687-78 устанавливаются номинальные токи электрических аппаратов: 200, 400, 600, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500 А.

На сборных шинах РУ системы с номинальным напряжением свыше 110 кВ номинальный ток достигает 8 — 12 кА (на ответвлениях 4 — 5 кА). На генераторном напряжении (16-27 кВ) в зависимости от мощности генераторов номинальный ток составляет 7 — 50 кА. Наибольшие токи характерны для атомных электростанций.

В процессе эксплуатации во всех токоведущих элементах возможно возникновение КЗ, при котором ток увеличивается во много раз по сравнению с номинальным током (в 10 — 20 раз). Причины возникновения КЗ могут быть весьма разнообразны — от неисправностей изоляции линий, аппаратов, трансформаторов до случайных или намеренных повреждений изоляции посторонними лицами (набросы проводящих предметов — проволок, тросиков, — приводящие к КЗ на землю или между фазами, стрельба по изоляторам и т. п.) либо ошибок обслуживающего персонала. Протекающий при этом ток КЗ зависит от многих случайных факторов. Правила устройств определяют перечень условий, который необходимо учитывать при расчетах тока КЗ:

Все источники, участвующие в питании рассматриваемой точки КЗ, работают одновременно с номинальной нагрузкой.

Все синхронные машины имеют автоматические регуляторы напряжения и устройства форсировки возбуждения.

Короткое замыкание наступает в такой момент, при котором ток КЗ будет наибольшим.

ЭДС всех источников питания совпадают по фазе.

Должно учитываться влияние на токи КЗ присоединенных к сети синхронных компенсаторов, синхронных и асинхронных электродвигателей.

При этом получается ток КЗ, близкий к максимальному для рассматриваемой точки сети. При расчете определяют начальное значение периодической составляющей тока КЗ ударный ток КЗ , периодическую и апериодическую составляющие тока КЗ в зависимости от времени t. Наибольший ток КЗ, на который создавались аппараты с номинальным напряжением Uном >110 кВ, в течение 80-х годов достиг 63 кА (действующее значение). Ожидается дальнейший рост тока КЗ. При КЗ на генераторном напряжении ток достигает 180 кА. При КЗ на стороне высокого напряжения ток на генераторном напряжении достигает 380 кА и более. Ударный ток КЗ при этом может быть до 1000 кА.

Ток КЗ приводит к резкому увеличению электромагнитных усилий, воздействующих на все токоведущие элементы электрической сети. Поэтому они должны быть выбраны таким образом, чтобы исключить механические их повреждения, а также повреждение несущих конструкций (в том числе изоляторов).

Усилия, действующие на жесткие шины и передающиеся ими на изоляторы и поддерживающие жесткие конструкции, рассчитываются по наибольшему мгновенному значению тока трехфазного КЗ с учетом сдвига между токами по фазе и без учета механических колебаний шинной конструкции.

Усилия, действующие на гибкие проводники и поддерживающие их изоляторы, выводы и конструкции, рассчитываются по среднеквадратичному (за время протекания) току двухфазного замыкания между соседними фазами. При расщепленных проводниках и гибких токопроводах взаимодействие токов КЗ в проводниках одной и той же фазы определяется по действующему значению тока трехфазного КЗ.

При протекании тока КЗ повышается температура токоведущих элементов, которая не должна превышать нормированных предельно допустимых значений: для медных шин — 300 °С,

для алюминиевых — 200 °С.

При проверке на термическую стойкость аппаратов, работающих в электрической сети, оборудованной устройствами быстродействующего АПВ, следует учитывать повышение нагрева из-за увеличения суммарной продолжительности прохождения тока КЗ в цикле АПВ.

Термическое и электродинамическое воздействия токов КЗ должны выдерживать контактные системы электрических аппаратов во включенном положении без сваривания и отброса контактов. Дугогасительные устройства выключателей должны обеспечивать надежное отключение токов КЗ в наиболее тяжелых условиях работы выключателей.

В связи с возможностью включения на существующее в сети КЗ выключатели выбираются также по их включающей способности. При этом выключатели генераторов, установленные на стороне генераторного напряжения, проверяются только на несинхронное включение в условиях противофазы.

Выключатели нагрузки и короткозамыкатели выбираются по предельно допустимому току, возникающему при включении на КЗ.

Отделители и разъединители не требуется проверять по коммутационной способности при КЗ. При использовании разъединителей и отделителей для отключения — включения не- нагруженных линий, ненагруженных трансформаторов или уравнительных токов параллельных цепей разъединители и отделители следует проверять по режиму такого отключения — включения.

Предохранители следует выбирать по отключающей способности. При этом в качестве расчетного тока следует принимать действующее значение периодической составляющей начального тока КЗ без учета токоограничивающей способности предохранителей.

Условия работы выключателей зависят от скорости восстановления напряжения на его контактах после погасания дуги. Если напряжение на контактах восстанавливается быстрее, чем электрическая прочность междуконтактного промежутка, произойдет повторное зажигание дуги в выключателе. В связи с этим изучению переходного восстанавливающего напряжения (ПВН) уделяется большое внимание. Скорость нарастания напряжения на контактах выключателя и максимальное его значение зависят от параметров сети, режима нейтрали, вида КЗ, тока КЗ и взаимного расположения точки КЗ и выключателя. Чем больше расстояние между точкой КЗ и выключателем, тем меньше скорость восстановления напряжения (меньше частота собственных колебаний цепи от выключателя до места КЗ), но больше максимальное значение ПВН. В результате наиболее неблагоприятные условия для работы выключателей складываются при расстояниях от выключателя до места КЗ на линии от 0 до 6 км. Этот участок линии называют зоной неудаленного КЗ.