Расчетные и экспериментальные методы определения тока короткого замыкания в электроустановках оперативного постоянного тока

Богданов А.Д., Гусев Ю.П., Кудрявцев В.Н., Фещенко В.А.

Источник: Официальный сайт кафедры "Электрические станции" Московского энергетического института

Для правильного выбора защитных аппаратов надо знать не только максимально возможные значения тока короткого замыкания, необходимые для проверки коммутационной способности, но и минимально возможные, необходимые для проверки чувствительности защитных аппаратов. Традиционно, система допущений, применяемая при расчете токов короткого замыкания, строится на получение завышенных расчетных значений, что не приемлемо при проверке защитных аппаратов по чувствительности. При выборе автоматических выключателей минимально допустимым считается коэффициент чувствительности 1,25 – 1,5. Конкретное значение определяется коэффициентом разброса параметров защитных характеристик и коэффициентом запаса, принимаемым 1,1. Завышение расчетных значений токов более чем на 10% может привести к несрабатыванию защиты, что может стать причиной отказа всей электроустановки или ее значительной части и способствовать развитию системной аварии.

Для практического решения проблем, связанных с обеспечением надежной работы электроустановок оперативного постоянного тока, центральная служба РЗиА ОАО «МОСЭНЕРГО» и кафедра «Электрические станции» МЭИ, выполнили комплекс работ, в результате которых были разработаны специализированные компьютерные программы GUDCSETS "Расчет коротких замыканий в электроустановках постоянного оперативного тока напряжением 24 - 220 В" и GUCHOICE "Построение карт селективности защитных аппаратов сетей постоянного оперативного тока напряжением 24 – 220 В" для расчетного определения токов и проверки правильности выбора уставок защитных аппаратов и программно-аппаратный комплекс «УТКЗ» для экспериментального определения токов короткого замыкания. В 1999 году производство «УТКЗ» было налажено на заводе «ОЗАП МОСЭНЕРГО» и к настоящему времени комплекс имеют 13 сетевых предприятий и ТЭЦ-21 «МОСЭНЕРГО», где он проходит промышленную апробацию.

Программно-технический комплекс «УТКЗ» разрабатывался с учетом специфики электроустановок оперативного постоянного тока. Чтобы не повредить аккумуляторную батарею и не подвергать оборудование опасным термическим и электродинамическим воздействиям, сила тока и продолжительность его протекания во время экспериментов контролируются компьютером и не превышают минимально необходимых для измерений значений. Комплекс может применяться в электроустановках с аккумуляторными батареями напряжением от 24 до 220 В.  Для проведения измерений используется двухступенчатый пробный импульс тока. Значение тока в импульсе регулируется в пределах от 100 до 2500 А. Параметры каждой ступени импульса задаются по величине и продолжительности. Продолжительность импульсов не должна быть меньше 2 мс, иначе на результаты измерений существенное влияние окажут переходные электромагнитные и быстро протекающие электрохимические процессы. Двухступенчатая форма импульса пробного тока, контролируемая по величине и продолжительности позволяет проводить измерения без отключения нагрузок и подзарядных агрегатов. «УТКЗ» может использоваться и для прогрузки автоматических выключателей от штатной аккумуляторной батареи электроустановки. В этом режиме суммарная продолжительность первого и второго импульсов устанавливается в соответствии с параметрами времятоковой характеристики проверяемого защитного аппарата и может достигать десятков секунд. Разработанная методика проведения измерений соответствует общим требованиями и методам испытаний свинцово-кислотных стационарных батарей установленных ГОСТ Р МЭК 60896-2-99, введенным в действие с января 2001 года /1/.

Новые версии компьютерных программ GUDCSETS и GUCHOICE (http://es.mpei.ac.ru) были разработаны на основе современных теоретических представлений о коротких замыканиях в низковольтных электроустановках. Программы прошли многократную экспериментальную проверку на подстанциях ОАО «МОСЭНЕРГО», расчетные данные, полученные с помощью программ соответствуют результатам измерений полученным с помощью «УТКЗ» и дополнительных средств цифровой регистрации переходных процессов. Программа GUDCSETS позволяет выполнить расчет токов короткого замыкания с учетом комплексного действия многих факторов, оказывающих влияние на величину тока. Благодаря обширной базе справочных данных и графическому интерфейсу на подготовку расчетной схемы и выполнение расчетов достаточно нескольких минут. Программа GUCHOICE имеет большую базу данных параметров защитных аппаратов, включая их защитные времятоковые характеристики. Программа позволяет быстро построить карту селективности шести последовательно включенных защитных аппаратов и является важным дополнением программы GUDCSETS. Разработанные программы учитывают рекомендации новых государственных стандартов ГОСТ 29176-91, 28895-91 (МЭК 949-88) и 28249-93 /2-4/  и результаты новых исследований /5 - 7/.

По сравнению с методикой расчета коротких замыканий, изложенной в технической литературе, изданной в восьмидесятых годах /9/, значения токов короткого замыкания, рассчитанные с помощью программы GUDCSETS, оказываются существенно меньшими. Раньше расчет тока сводился к одной простой формуле, известной из закона Ома, ЭДС аккумуляторной батареи следовало разделить на сумму сопротивлений батареи и кабелей, оказавшихся между батареей и точкой короткого замыкания. Предполагалось, что для расчета минимального тока сопротивление внешней цепи достаточно увеличить на 15 мОм, что, как предполагалось, должно было обеспечить учет переходных сопротивлений контактов и сопротивления электрической дуги. Современная методика расчета коротких замыканий предполагает учет зависимости сопротивлений кабелей от температуры жил, учет нелинейности сопротивления электрической дуги, включение в расчет уточненных данных о внутренних сопротивлениях защитных аппаратов и разборных контактов, учет изменения параметров аккумуляторной батареи в зависимости от степени ее разряженности и от температуры окружающей среды, учет нелинейных внешних вольтамперных характеристик зарядно-подзарядных агрегатов и некоторых других факторов.

Рассмотрим нововведения более подробно для оценки степени их влияния на конечный результат расчета. Для простоты рассуждений будем считать аккумуляторную батарею единственным генерирующим элементом в схеме замещения. В действительности, при выполнении расчетов на компьютере, схема замещения электроустановки предполагается не радиальной а многоконтурной и кроме аккумуляторной батареи в нее могут входить зарядно-подзарядные агрегаты и двигатели постоянного тока, что приводит к необходимости формирования и решения системы нелинейных алгебраических уравнений. На первом этапе рассмотрения оценим степень изменения сопротивления петли короткого замыкания, обусловленную принятыми к рассмотрению факторами по отдельности. Затем, на конкретном примере, оценим комплексное действие нескольких факторов.

1.      Сопротивление кабелей в начальный момент короткого замыкания зависит от температуры окружающей среды и величины тока в предшествовавшем короткому замыканию режиме. Т.к. в электроустановках оперативного постоянного тока токовая загрузка кабелей близка к нулю, сопротивление кабелей определяется температурой окружающей среды. Зимой температура кабелей проложенных по территории открытого распределительного устройства, может достигать –40 °С, а летом, в кабельных каналах тепловых электростанций +40 °С. Воспользовавшись известным значением температурного коэффициента равным 0,004 1/°С, получим диапазон возможных отклонений сопротивления кабелей, для начального момента короткого замыкания, -24% и +8%, соответственно, относительно сопротивления при базовой температуре, равной 20 °С.

2.      Изменение сопротивления кабелей, из-за нагрева их током короткого замыкания, так называемый «тепловой спад тока». Температура жил кабелей с наиболее широко применяющейся поливинилхлоридной изоляцией по условиям не возгорания нормируется на уровне 350 °С. Следовательно, при возможном изменении в процессе короткого замыкания температуры жил кабеля с 40 до 350 °С их сопротивление возрастает в (1+0,0004*(350 – 40)) = 2,24 раза. Естественно, в полной мере данный фактор может проявиться лишь при большой продолжительности короткого замыкания и при протекании тока по кабелям небольшого сечения. Такое сочетание условий может иметь место при отключении коротких замыканий в цепях ШУ селективными автоматическими выключателями и плавкими предохранителями. При работе токовых отсечек нагрев кабелей незначителен.

3.      Теплообмен между жилами и изоляцией кабелей. При отношении продолжительности короткого замыкания к площади поперечного сечения жил кабеля более 0,1 с/мм2 /3/, предположение об адиабатичности процесса нагрева кабелей токами короткого замыкания может привести к завышению расчетных значений токов более чем на 5%. Этот фактор чаще проявляется при расчете коротких замыканий в цепях ШУ электроустановок с традиционной схемотехникой, где используются кабели малого сечения, защищаемые плавкими предохранителями.

4.      Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи в процессе 0,5 - часового разряда возрастает в 1,4 раза при температуре 25 °С. При температуре 0 °С, допускаемой ПУЭ для аккумуляторных помещений, при том же получасовом разряде сопротивление аккумуляторной батареи возрастает в 2,1 раза! ЭДС батареи реагирует на изменение внешних условий и разряда менее значительно, как правило, она уменьшается не более чем на 10%. Изменение сопротивления и ЭДС батареи в процессе короткого замыкания, даже длительного, не велико и при исправной батарее не превышает единиц процентов.

5.      Электрическая дуга, возникающая в  месте короткого замыкания, в силу нелинейности ее вольтамперной характеристики, имеет сопротивление соизмеримое с сопротивлением петли короткого замыкания, что приводит к снижению тока дугового короткого замыкания примерно в два раза по сравнению с током металлического короткого замыкания. Наличие сильного электродинамического взаимодействия проводников при коротких замыканиях, обуславливает крайне малую вероятность случайного возникновения металлических коротких замыканий. Практически, они возможны, лишь при искусственно созданных, например, во время выполнения ремонтных работ, условиях. Современная методика учета электрической дуги разрабатывалась на основе экспериментов в электроустановках напряжением 220 В и необходимо продолжить исследования с целью уточнения влияния дуги на ток короткого замыкания в электроустановках с более низким напряжением.

6.      Сопротивление защитных аппаратов (расцепителей, контактов, плавких вставок) достигает единиц Ом на один полюс аппарата. Например, сопротивление комбинированного расцепителя автоматического выключателя с номинальным током 2,5 А составляет 620 мОм, что соизмеримо с суммарным сопротивлением всех остальных элементов короткозамкнутой цепи. К сожалению, этот параметр не нормирован и заводы не контролируют его. Сопротивления полюсов защитных аппаратов, включенных в базу данных программы GUDCSETS, были получены опытным путем и  собирались из разных источников.

7.      Переходное сопротивление разъемных и разборных контактов зависит от типа контакта, контактного давления, сечения соединяемых проводников и в обычных условиях не оказывает существенного влияния на величину тока короткого замыкания. Но, при отсутствии своевременных и качественных ревизий, переходное сопротивление контактов может сильно увеличится из-за возникновения окисной пленки и посторонних частиц. Представляется перспективным проведение дополнительных  исследований, направленных на изучение процессов в контактах при протекании токов короткого замыкания, это может послужить основой для разработки эффективных средств диагностики технического состояния контактов.

8.      Современные зарядно-подзарядные агрегаты имеют встроенные регуляторы тока и напряжения. В режиме подзаряда, как правило, задействован регулятор напряжения. При возникновении короткого замыкания, подзарядный агрегат переходит в режим регулирования или ограничения тока на уровне 110 – 130% от его номинального тока, что не оказывает существенного влияния на ток в поврежденной ветви, но может существенно влиять на токораспределение в сети и уменьшить чувствительность головного защитного аппарата. При расчете токораспределения, выполняемом с помощью  компьютерной программы, в расчетную модель закладывается нелинейная внешняя вольтамперная характеристика агрегата.

9.      Средства регулирования напряжения на шинах щита постоянного тока. На современных электроустановках для поддержания на оперативных шинах щита постоянного тока нормального напряжения вместо элементных коммутаторов и переключателей, изменявших количество введенных в работу аккумуляторов, используются специальные тиристорные устройства - «УТСП», работающие в режиме вольтодобавки. Наличие элементного коммутатора и переключателей легко учесть введением в цепь аккумуляторной батареи дополнительного сопротивления. «УТСП» включаются последовательно с аккумуляторной батареей и, при возникновении коротких замыканий, вольтодобавка выключается, а ток короткого замыкания протекает по открытым полупроводниковым вентилям. Нелинейность вольтамперной характеристики вентилей в открытом состоянии с достаточной для практики точностью можно аппроксимировать  двумя прямыми линиями.

Комплексный учет всех вышеперечисленных факторов реализован в программе GUDCSETS. Опыт компьютерных расчетов и сопоставление их результатов с экспериментальными данными, полученными в ОАО «МОСЭНЕРГО» подтверждают правильность новой методики и возможность с ее помощью получать расчетные значения токов короткого замыкания с погрешностью не превышающей 10%. Основной трудностью получения точных расчетных данных о токах короткого замыкания является недостаток достоверных данных о параметрах оборудования действующих электроустановок, а иногда и о фактической схеме. Проведению расчетов обычно предшествует достаточно длительный период сбора необходимых данных. В ряде случаев, например, по параметрам замененных в процессе эксплуатации кабельных линий, приходится отсутствующие данные получать с помощью измерительных мостов или других приборов. Усилия по сбору уточненных данных, кроме возможности получать точные расчетные параметры коротких замыканий, позволяют привести эксплуатационные документы в соответствие с требования правил.

На рис. 1, изображена расчетная схема, на примере которой показано комплексное действие нескольких из вышеперечисленных факторов на результирующее значение тока короткого замыкания. Результаты расчетов приведены в табл.

 

 

Таблица

Результаты расчетов

 

 

Наименование параметра

Значение параметра

Старая методика1)

Новая методика 2)

Относительное изменение

 

ЭДС батареи, В

 

208

 

208

 

0

 

Сопротивление батареи, мОм

 

29

 

61

 

2.1

 

Сопротивление ошиновки батареи, мОм

 

0

 

2

!

Сопротивление кабеля от проходной доски, мОм

 

5

 

5

 

0

Сопротивление вводного выключателя АВ1, мОм

 

1

 

1

 

0

Сопротивление вводного рубильника Р1, мОм

 

1

 

1

 

0

Сопротивление выключателя в цепи ШУ АВ2, мОм

 

3

 

3

 

0

 

Сопротивление кабеля цепи ШУ, мОм

 

13

 

24

 

1.85

 

Сопротивление цепи металлического короткого замыкания, мОм

 

52

 

97

 

1.87

Ток металлического короткого замыкания, А

 

3992

 

2144

 

1.87

 

Сопротивление электрической дуги, мОм

 

(0)

 

83

!

Сопротивление цепи дугового короткого замыкания, мОм

 

(52)

 

173

 

3.33

 

Ток дугового короткого замыкания,А

 

(3992)

 

1200

 

3.33

 

1) Расчет выполнен в соответствии с рекомендациями /10/.

2) Расчет выполнен с помощью программы GUDCSETS.

 

Из выше приведенной оценки влияния факторов на ток короткого замыкания очевидно, что защиты, выбранные на основе старой методики расчета токов короткого замыкания могут не соответствовать требованиям по чувствительности.

К вышеперечисленным факторам, действующим на снижение величины тока короткого замыкания и повышающим требования к чувствительности защитных аппаратов, следует добавить факторы, учесть которые при выполнении априорных расчетов практически не возможно. Это, во-первых, увеличение в процессе эксплуатации переходных сопротивлений разъемных и разборных контактов, и, во-вторых, увеличение внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, обусловленное нарушениями норм или сверхнормативным сроком эксплуатации. Наиболее правильным способом «учета» таких факторов является их своевременное выявление и устранение. Лишь временные трудности экономического характера могут, в какой-то степени, оправдать их существование.

Для анализа технического состояния действующих электроустановок лучше использовать комбинацию расчетных и экспериментальных методов определения токов короткого замыкания. Технология таких обследований заключается в поэтапном проведении расчетов и экспериментов для различных узлов сети, начиная от проходной доски аккумуляторного помещения и до ящиков приводов высоковольтных выключателей и панелей релейных защит.

Сопоставляя экспериментальные и расчетные значения тока короткого замыкания на проходной доске, можно с достаточной степенью точности оценить техническое состояние аккумуляторной батареи. Оценка состояния батареи производится на основе сравнения измеренного внутреннего сопротивления батареи с сопротивлением новой полностью заряженной батареи. Если сопротивления совпадают, батарея находится в отличном состоянии. Во время обследования одной из подстанций в Южных электрических сетях «МОСЭНЕРГО» замеры, выполненные с помощью «УТКЗ» показали, что внутреннее сопротивление батареи, отслужившей 38 (!) лет не отличалось от сопротивления новой батареи. Контрольный разряд подтвердил правильность оценки состояния батареи – ее емкость соответствовала паспортным данным. Этот случай уникален, сопротивление большинства батарей, измеренное  «УТКЗ» двухимпульсным методом, оказывалось существенно больше паспортного, что, при поэлементном контроле батареи, подтверждалось наличием в батарее неисправных аккумуляторов. Опыт использования «УТКЗ» подтвердил высокую эффективность оценки состояния батареи по результатам измерения внутреннего сопротивления. Вместо контрольного разряда, требующего много часов и снижающего надежность электропитания цепей управления и защиты, можно за несколько минут, без отключения токоприемников, проверить состояние батареи, что особенно актуально для подстанций с одной аккумуляторной батареей.

Для выявления дефектных аккумуляторов в батарее разработан макет еще одного устройства, позволяющего измерять внутренние сопротивления индивидуально каждой банки батареи в процессе воздействия сразу на всю батарею кратковременным (2 – 10 мс) импульсом тока. Это устройство в комплекте с «УТКЗ» позволит еще больше повысить эффективность технической экспресс диагностики аккумуляторных батарей.

Опыт применения «УТКЗ» показал, что с его помощью, в ряде случаев, можно получить косвенное представление и о качестве контактов. Замечено, что сопротивление разъемных контактов на некоторых электроустановках, находящихся в эксплуатации более 8 – 10 лет, после протекания по ним импульсного тока в сотни ампер, меняется от замера к замеру. Видимо, это является следствием «прижигания» изношенных или плохо зачищенных и недостаточно «подтянутых» контактов. При обследовании одной из подстанций, был выявлен пакетный выключатель на щите постоянного тока сопротивление контактов, после протекания кратковременного импульса тока, резко увеличивалось. Ранее, при протекании через выключатель токов в единицы ампер дефект не проявлялся. Неоднократно, при протекании больших токов удавалось выявить контактные стойки рубильников и предохранителей с ослабленными кольцевыми пружинами. При протекании импульсов тока большой величины там наблюдалось искрение и сопротивление цепи менялось от опыта к опыту. Аналогичным образом себя обнаруживали дефектные разборные контакты во вводных ящиках открытых распределительных устройств.

Однако, несмотря на возможность учета при экспериментах фактического состояния контактов и состояния аккумуляторной батареи, представляется не допустимым использование измеренных значений токов для непосредственного выбора или оценки характеристик защитных аппаратов. Значения токов полученные экспериментальным путем не могут отражать ни минимально возможное значение тока короткого замыкания, ни максимально возможное.  Они имеют некоторое промежуточное значение, и, следовательно, не могут использоваться для проверки чувствительности и селективности защитных аппаратов. Получить граничные значения тока короткого замыкания можно лишь расчетным путем, задав соответствующие расчетные условия. Эксперимент может служить лишь целям проверки достоверности исходных данных, при условии приведения расчетных условий в соответствие с условиями эксперимента.

Выводы: 1) Устаревшая нормативно-техническая документация, регламентирующая расчет токов короткого замыкания в электроустановках оперативного постоянного тока нуждается в обновлении с учетом действующего ГОСТ и результатов последних исследований.

2) Для расчета коротких замыканий в электроустановках оперативного постоянного тока с учетом действующих ГОСТ может применяться специализированная компьютерная программа GUDCSETS, прошедшая многолетнюю апробацию в ОАО «МОСЭНЕРГО» и в ряде других энергосистем.

3)  Для повышения надежности действующих электроустановок оперативного постоянного тока электростанций и подстанций необходимо выполнить расчетную проверку чувствительности и селективности защитных аппаратов на основе современной методики, обращая особое внимание на селективность головных аппаратов защиты.

4)     В электроустановках со сроком эксплуатации более 5 - 8 лет дополнительно к расчетной проверке чувствительности и селективности защитных аппаратов целесообразно осуществлять экспериментальную проверку состояния контактов и аккумуляторной батареи.

5)     В качестве эффективного средства экспресс диагностики аккумуляторных батарей и выявления дефектных контактов может использоваться специализированный программно-аппаратный комплекс «УТКЗ» завода «ОЗАП МОСЭНЕРГО».

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      ГОСТ Р МЭК 60896-2-99. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний. Часть 2. Закрытые типы.

2.      ГОСТ 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока.

3.      ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева.

4.      ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.

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.      Шиша М.А. Учет влияния электрической дуги на ток КЗ в сетях напряжением до 1 кВ переменного и постоянного тока. – Электрические станции, 1996, № 11.

7.      Диагностика электроустановок оперативного постоянного тока на подстанциях ОАО «Мосэнерго» / В. В. Балашов, Ю. П. Гусев, А. М. Поляков, В. А. Фещенко // Электрические станции. 2000. № 8. C. 39 – 46.

8.      Правила устройства электроустановок. – 6-ое изд. – М.: Энергоатомиздат, 1986. 648 с.

9.      Голубев М.Л. Защита вторичных цепей от коротких замыканий. – М.: Энергоиздат, 1982. – 80 с. – (Б-ка электромонтера; Вып. 548).

10. Дополнения к методическим указаниям по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электростанций и подстанций. МУ 34-70-035-83. - М.: Служба передового опыта ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО», 1987. 28 с.