Wyznaczanie wielkości zwarciowych według norm

Transkrypt

1 Zasady obliczeń wielkości zwarciowych nie ulegają zmianom od lat trzydziestych ubiegłego wieku i są dobrze opisane w literaturze. Szczegółowe zasady takich obliczeń są podawane w postaci norm począwszy od normy VDE 102 z 1929 roku. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 1

2 W Polsce w obliczeniach wielkości zwarciowych do 2002 roku posługiwaliśmy się normami znanymi od kilkudziesięciu lat, a mianowicie: PN - 74/E Urządzenia elektroenergetyczne - Dobór aparatów wysokonapięciowych w zależności od warunków zwarciowych PN - 90/E Obliczanie skutków prądów zwarciowych Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 2

3 Od 2002 roku PKN wprowadza następujące nowe normy: PN-EN :2002 (U) Obliczanie skutków prądów zwarciowych. Część 1: Definicje i metody obliczania PN-EN :2002 (U) Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0: Obliczanie prądów PN-EN :2004 (U) Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 3: Prądy podwójnych, jednoczesnych i niezależnych, zwarć doziemnych i częściowe prądy zwarciowe płynące w ziemi PN-EN :2002 (U) Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 1: Obliczanie prądów zwarciowych PN-EN :2002 (U) Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 2: Obliczanie skutków Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 3

4 Wymienione normy nie są przetłumaczone na język polski, a więc są w języku angielskim i francuskim. Normy te, to normy europejskie przejęte z norm IEC. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 4

5 PN-EN :2002 Obliczanie skutków prądów zwarciowych. Część 1: Definicje i metody obliczania (oryg.) PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0: Obliczanie prądów (oryg.) PN-EN :2004 Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 3: Prądy podwójnych, jednoczesnych i niezależnych, zwarć doziemnych i częściowe prądy zwarciowe płynące w ziemi (oryg.) PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 1: Obliczanie prądów zwarciowych (oryg.) PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 2: Obliczanie skutków (oryg.) Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 5

6 PN-EN :2002 Obliczanie skutków prądów zwarciowych. Część 1: Definicje i metody obliczania (oryg.) Podano znormalizowane procedury obliczania skutków prądów zwarciowych w sieciach prądu przemiennego o napięciach znamionowych do 420 kv włącznie. Objęto skutki elektromagnetycznego oddziaływania na przewody sztywne i giętkie, oraz skutki cieplne w przewodach gołych. Podano definicje 15 terminów Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 6

7 PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0: Obliczanie prądów (oryg.) Podano metodę obliczania prądów zwarciowych w niskonapięciowych trójfazowych sieciach prądu przemiennego i w wysokonapięciowych trójfazowych sieciach prądu przemiennego, pracujących przy częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz. Podano ogólny, praktyczny i zwięzły sposób postępowania prowadzący do wyników o akceptowalnej dokładności. W tej metodzie obliczeń wprowadza się w miejscu zwarcia równoważne źródło napięcia. Podano definicje 32 terminów Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 7

8 PN-EN :2004 Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 3: Prądy podwójnych, jednoczesnych i niezależnych, zwarć doziemnych i częściowe prądy zwarciowe płynące w ziemi (oryg.) Określono procedury dotyczące obliczania prądów zwarciowych z uwzględnieniem niesymetrycznych zwarć w trójfazowej sieci wysokiego napięcia prądu przemiennego o częstotliwości znamionowej 50 lub 60 Hz Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 8

9 PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 1: Obliczanie prądów zwarciowych (oryg.) Podano metodę obliczania prądów zwarciowych w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych, które mogą być wyposażone w urządzenia działające jako źródła prądów zwarciowych: - prostowniki w układzie trójfazowego mostka prądu przemiennego 50 Hz - stacjonarne baterie akumulatorów; - kondensatory wygładzające; - silniki prądu stałego z niezależnym wzbudzeniem. Podano ogólnie stosowaną metodę obliczeń, zapewniającą wystarczającą dla eksploatacji dokładność wyników obliczeń. Podano definicje 13 terminów Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 9

10 PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Część 2: Obliczanie skutków (oryg.) Podano metodę obliczania mechanicznych i cieplnych skutków - w odniesieniu do przewodów sztywnych - powodowanych przez prądy zwarciowe w obwodach pomocniczych prądu stałego w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych, opisanych w EN Metoda obliczeń oparta jest na funkcjach zastępczych, które w przybliżeniu określają maksymalne naprężenia w przewodach i siły działające na podpory, a także odzwierciedlają rzeczywiste siły wynikające z oddziaływania elektromagnetycznego. Podano definicje 15 terminów Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 10

11 IEC :1993. Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 1: Definitions and calculation methods IEC :1994. Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 2: Examples of calculation IEC :2001. Short-circuit current calculation in three - phase a.c. systems. Part 0: Calculation of currents. IEC :2002. Short-circuit current calculation in three - phase a.c. systems. Part 1: Factors for the calculation of short-circuit currents according to IEC IEC :1992. Short-circuit current calculation in three - phase a.c. systems. Part 2: Electrical equipment - Data for short-circuit current calculation in accordance with IEC IEC :2003. Short-circuit current calculation in three - phase a.c. systems. Part 3: Currents during two separate simultaneous single phase line-to-earth short circuits and partial short-circuit through earth. IEC :2000. Short-circuit current calculation in three - phase a.c. systems. Part 3: Examples for the calculation of short-circuit currents. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 11

12 IEC :1997. Short-circuit currents in dc auxiliary installations in power plants and substations. Part 1: Calculation of short-circuit currents. IEC :1997. Short-circuit currents in dc auxiliary installations in power plants and substations. Part 1: Calculation of effects. IEC :2000. Short-circuit currents in DC auxiliary installations in power plants and substations. Part 3: Examples of calculations Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 12

13 W normie PN-EN :2002 Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0. Obliczanie prądów obliczenia prądów i wielkości zwarciowych mają różny przebieg w zależności od typu zwarcia. Rozróżnia się: - zawarcia bliskie, podczas którego składowa okresowa prądu zwarciowego zmniejsza się wskutek wzrostu impedancji generatorów zasilających zwarcie - zwarcia odległe, tj. takie w których zanik prądu zwarciowego w czasie jest spowodowany jedynie zanikiem składowej aperiodycznej i DC. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 13

14 i k " 2 2I K ip i DC 2 2I = " K 2 2I K t Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu odległym wg normy PN-EN Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 14

15 Wspólną wielkością dla obu typów zwarć jest pojęcie zastępczego źródła napięciowego włączonego w miejscu zwarcia jako idealne źródło, niezależne od prądów zwarciowych i niezależne od stanu sieci przed zwarciem. Zastępcze źródło napięciowe w miejscu zwarcia jest jedynym źródłem aktywnym w sieci podczas zwarcia. Wartość napięcia tego źródła to: E= c U n 3 gdzie: c - współczynnik napięciowy podany w tabeli. Zastosowanie współczynnika c powoduje, że obliczanie stanu sieci przed zwarciem nie jest wymagane. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 15

16 Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 16

17 Norma PN-EN :2002 podaje następujące założenia upraszczające: - rozpatruje się zwarcie pojedyncze, - podczas zwarcia nie występują zmiany w rozważanej sieci, - pomija się wszystkie pojemności i upływności linii oraz admitancje równoległe reprezentujące niewirujące obciążenia z wyjątkiem pojemności linii dla składowej zerowej w sieci z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym, - nie jest potrzebna znajomość położenia przełączników zaczepów transformatorów, - pomija się stany przejściowe w generatorach i silnikach, - pomija się rezystancję łuku. Norma proponuje, aby stosować metodę składowych symetrycznych podczas obliczania zwarć symetrycznych i niesymetrycznych. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 17

18 Obliczając prądy zwarciowe w sieci wielonapięciowej należy przeliczać impedancje z jednego poziomu napięcia na inny, zwykle na poziom napięcia w miejscu zwarcia. Przeliczanie to powinno wykorzystywać kwadraty rzeczywistych przekładni transformatorów, przekładnie te powinny być równe stosunkowi napięć znamionowych transformatora, czyli: r = U rthv U rtlv Metodę jednostek względnych można zastosować, gdy różnonapięciowe sieci są koherentne, czyli dla każdego transformatora zachodzi: U rthv U rtlv = U nthv U ntlv Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 18

19 W przypadku konieczności wyznaczenia maksymalnego prądu zwarciowego należy założyć: - współczynnik c przyjąć z tabeli dla maksymalnego prądu zwarciowego, - wybrać taką konfigurację systemu, która prowadzi do maksymalnych prądów zwarciowych, - wyznaczając impedancję zastępczej sieci elektroenergetycznej wybrać taką konfigurację, która prowadzi do maksymalnego prądu zwarcia, - uwzględnić silniki asynchroniczne, - rezystancje linii wyznaczyć w temperaturze 20 C. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 19

20 W przypadku konieczności wyznaczenia minimalnego prądu zwarciowego należy założyć: - współczynnik c przyjąć z tabeli dla minimalnego prądu zwarciowego - wybrać konfigurację systemu, która prowadzi do minimalnych prądów zwarciowych - pominąć silniki - rezystancję linii przeliczyć na maksymalną temperaturę zgodnie z wzorem: R L =[1 e 20 ] R L20 gdzie: θ e - temperatura przewodnika linii na koniec trwania zwarcia w [ C], α=0,004 [1/ C]. Temperaturę przewodnika linii na koniec trwania zwarcia można wyznaczyć zgodnie z IEC Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 20

21 Impedancja sieci elektroenergetycznej zastępczej Z Q jest wyznaczana w oparciu o prąd zwarciowy początkowy zwarcia trójfazowego I'' kq, jaki płynie z tej sieci przy zwarciu na jej zaciskach: Rezystancję i reaktancję sieci elektroenergetycznej zastępczej wyznacza się następująco: dla sieci o napięciu nominalnym powyżej 35 kv zakładamy, że rezystancja sieci jest równa zeru a reaktancja jest równa jej impedancji. dla pozostałych sieci mamy: Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 21

22 Impedancję transformatora wyznaczamy w oparciu o jego napięcie zwarcia, następnie rezystancję w oparciu o straty obciążeniowe a reaktancję - z impedancji i rezystancji. W przypadku transformatorów wprowadzono współczynnik korekcyjny, przez który należy pomnożyć impedancję zespoloną transformatora. Współczynnika korekcyjnego należy użyć także przy wyznaczaniu impedancji transformatora dla składowej przeciwnej i zerowej, przy czym nie dotyczy to impedancji uziemiającej transformatora. Współczynnik ten dla transformatora sieciowego dwuuzwojeniowego, za wyjątkiem transformatorów blokowych, ma postać: gdzie x T - reaktancja transformatora wyznaczona w jednostkach względnych, w których moc podstawowa jest równa mocy znamionowej transformatora. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 22

23 Dla transformatora sieciowego dwuuzwojeniowego, dla którego możliwe jest określenie warunków pracy w stanie przedzwarciowym, za wyjątkiem transformatorów blokowych, współczynnik korekcyjny wyraża się zależnością: K T = U n c U b max 1 X T I b T b sin I T rt gdzie: U b - najwyższe napięcie pracy sieci przed zwarciem, I b T - najwyższy prąd transformatora przed zwarciem, I rt - prąd znamionowy transformatora, φ b T - kąt obciążenia prądu transformatora przed zwarciem. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 23

24 Silniki asynchroniczne średniego i niskiego napięcia są źródłem prądu zwarciowego i należy dla nich wyznaczać: - prąd zwarciowy początkowy I k, - prąd zwarciowy udarowy i p, - prąd zwarciowy wyłączeniowy symetryczny I b, a dla zwarć niesymetrycznych także prąd zwarciowy ustalony I k. Silniki asynchroniczne niskiego napięcia należy brać pod uwagę w następujących instalacjach: - w układach potrzeb własnych elektrowni, - w przemysłowych instalacjach np. zakładach przemysłu chemicznego, stalowego czy w stacjach pomp. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 24

25 Wpływ silników asynchronicznych niskiego napięcia można pominąć, jeżeli udział silników asynchronicznych w prądzie zwarciowym początkowym liczonym bez tych silników jest mniejszy niż 5% tego prądu Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 25

26 Odwracalne statyczne przekształtniki zasilające różne napędy są rozważane jako źródła prądu zwarciowego jedynie podczas zwarcia trójfazowego, jeżeli: - masy wirujące silników są dostatecznie duże, - układ przekształtnika umożliwia przepływ energii od silnika do miejsca zwarcia podczas wybiegu silnika spowodowanego zwarciem. W tej sytuacji wyznacza się jedynie: - prąd zwarciowy początkowy, - prąd zwarciowy udarowy i p. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 26

27 Impedancja kondensatora i obciążenia niewirującego Podczas obliczania prądów zwarciowych należy: - pominąć kondensatory równoległe i obciążenia niewirujące również podczas wyznaczania prądu zwarciowego udarowego, - pominąć kondensatory szeregowe do kompensacji reaktancji linii jeśli wyposażone są w urządzenia do ograniczania przepięć włączane równolegle z kondensatorem. Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 27

28 Prąd zwarciowy początkowy Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 28

29 Prąd zwarciowy udarowy może być wyznaczony z zależności: Współczynnik udaru κ można wyznaczyć z wzoru: Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 29

30 Prąd wyłączeniowy symetryczny I b Podczas zwarcia odległego prąd wyłączeniowy symetryczny jest równy prądowi zwarciowemu początkowemu, czyli: I b = I k '' Prąd wyłączeniowy symetryczny płynący od silników asynchronicznych w sieci promieniowej jest równy iloczynowi prądu zwarciowego początkowego, współczynnika μ uwzględniającego zanikanie składowej okresowej tego prądu i współczynnika q zależnego od mocy znamionowej czynnej silnika na parę biegunów: I bm = μ q I km ' Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 30

31 Współczynnik μ wyznaczany jest dla najkrótszego czasu od chwili powstania zwarcia do momentu otwarcia pierwszego bieguna łącznika. Współczynnik ten wyznaczamy z poniższych wzorów: dla t min =0,02 s dla t min =0,05 s dla t min =0,10 s dla t min >=0,25 s Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 31

32 Wartości współczynnika q wyznaczamy z poniższych zależności: dla t min =0,02 s dla t min =0,05 s dla t min =0,10 s dla t min >=0,25 s Zakłócenia w układach elektroenergetycznych 32