Герметическое воздействие токов короткого замыкания. Действие токов короткого замыкания. Термическое действие токов короткого замыкания

8. Расчет термического действия токов короткого замыкания и проверка электрооборудования на термическую стойкость при коротких замыканиях

8.1. Общие положения

8.1.1. Для проверки проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ предварительно должны быть выбраны не только исходная расчетная схема и расчетная точка КЗ, но и расчетный вид КЗ и расчетная продолжительность КЗ.

Расчетным видом КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов электроустановок напряжением 110 кВ и выше является трех- или однофазное КЗ, в электроустановках свыше 1 кВ вплоть до 35 кВ - трехфазное КЗ, а в электроустановках генераторного напряжения электростанций - трехфазное или двухфазное КЗ, в зависимости от того, какое из них приводит к большему термическому воздействию.

Расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ следует определять сложением времени действия основной релейной защиты, в зону действия которой входят проверяемые проводники и аппараты, и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость - сложением времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения соответствующего выключателя.

При наличии устройства автоматического повторного включения (АПВ) следует учитывать суммарное термическое действие тока КЗ.

8.1.2. При расчетной продолжительности КЗ до 1 с процесс нагрева проводников под действием тока КЗ допустимо считать адиабатическим, а при расчетной продолжительности более 1 с и при небыстродействующих АПВ следует учитывать теплоотдачу в окружающую среду.

8.2. Термическое действие тока короткого замыкания. Определение интеграла Джоуля и термически эквивалентного тока короткого замыкания

8.2.1. Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты рекомендуется производить с помощью интеграла Джоуля

где i к t - ток КЗ в произвольный момент времени t , А;

t откл - расчетная продолжительность КЗ, с.

Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ допускается также производить с помощью термически эквивалентного тока КЗ I тер.эк, т.е. неизменного по амплитуде (синусоидального) тока, который за время, равное расчетной продолжительности КЗ, оказывает на проводник или электрический аппарат такое же термическое воздействие, как и реальный ток КЗ за это же время. Этот ток связан с интегралом Джоуля простым соотношением

8.2.2. Интеграл Джоуля допускается определять приближенно как сумму интегралов от периодической и апериодической составляющих тока КЗ, т.е.

В к = В к.п + В к.а (8.3)

где В к.п - интеграл Джоуля от периодической составляющей тока КЗ;

В к.а - интеграл Джоуля от апериодической составляющей тока КЗ.

8.2.3. Интеграл Джоуля (и термически эквивалентный ток КЗ) является сложной функцией параметров источников энергии (генераторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей), конфигурации исходной расчетной схемы, положения расчетной точки КЗ относительно источников энергии, ее удаленности от последних и других факторов. Поэтому рекомендуемая методика аналитических расчетов интеграла Джоуля (термически эквивалентного тока КЗ) зависит от особенностей расчетной схемы.

Предварительно по исходной расчетной схеме следует составить схему замещения, в которой, как и при расчете начального значения периодической составляющей тока КЗ (см. п. 5.2.2), синхронные и асинхронные машины должны быть представлены приведенными к базисной ступени напряжения или выраженными в относительных единицах при выбранных базисных условиях сверхпереходными сопротивлениями и сверхпереходными ЭДС. Затем эту схему следует преобразовать в простейшую схему, вид которой зависит от исходных условий (см. пп. 8.2.4 - 8.2.7), и, наконец, в зависимости от полученной простейшей схемы по одной из приведенных ниже формул определить интеграл Джоуля или термически эквивалентный ток КЗ.

8.2.4. Если исходная расчетная схема имеет произвольный характер, но для всех генераторов и синхронных компенсаторов расчетное КЗ является удаленным, т.е. отношение действующего значения периодической составляющей тока любого генератора (синхронного компенсатора) в начальный момент КЗ к его номинальному току не достигает двух, то путем преобразований эквивалентной схемы замещения все источники энергии (генераторы, синхронные компенсаторы и источники более удаленной части электроэнергетической системы) следует заменить одним эквивалентным источником, ЭДС которого считать неизменной по амплитуде, а индуктивное сопротивление равным результирующему эквивалентному сопротивлению Х с расчетной схемы (см. рис. 8.1 , а ). При этом интеграл Джоуля следует определять по формуле

, (8.4)

где I п.с - действующее значение периодической составляющей тока КЗ от эквивалентного источника энергии (системы), А;

Т а.эк - эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с.

Рис. 8.1. Простейшие схемы замещения, соответствующие

различным исходным расчетным схемам

Термически эквивалентный ток КЗ в рассматриваемом случае составляет

. (8.5)

В тех случаях, когда t откл ³ 3 Т а.эк, интеграл Джоуля и термически эквивалентный ток КЗ допустимо определять по более простым формулам:

; (8.6)

. (8.7)

8.2.5. Если исходная расчетная схема содержит один или несколько однотипных генераторов (синхронных компенсаторов), причем последние находятся в одинаковых условиях относительно расчетной точки КЗ (все машины или блоки присоединены к общим шинам), а расчетное КЗ является близким, т.е. действующее значение периодической составляющей тока генератора (синхронного компенсатора) в начальный момент КЗ превышает его номинальный ток в два и более раза, то схема замещения также должна быть преобразована в простейшую схему, содержащую результирующее эквивалентное сопротивление Х г и ЭДС Е г (рис. 8.1 , б ), однако эта ЭДС изменяется во времени.

, (8.8)

где I п0г - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора). А;

Т а.г - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора), с;

Относительный интеграл Джоуля:

, (8.9)

где I п t г - действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора) в произвольный момент времени, А.

Значения относительного интеграла Джоуля при разных удаленностях расчетной точки КЗ от генератора (синхронного компенсатора) , т.е. разных отношениях действующего значения периодической составляющей тока машины в начальный момент КЗ к ее номинальному току, могут быть определены по кривым на рис. 8.2.

В рассматриваемом случае термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле

. (8.10)

При t откл ³ 3 Т а.г для определения интеграла Джоуля и термически эквивалентного тока КЗ допустимо использовать формулы

; (8.11)

. (8.12)

Рис. 8.2.

8.2.6. Если исходная расчетная схема содержит различные источники энергии, а расчетное КЗ делит схему на две независимые части, одна из которых содержит источники энергии, для которых КЗ является удаленным, а другая - один или несколько генераторов (синхронных компенсаторов), находящихся в одинаковых условиях относительно точки КЗ, причем для этой машины или группы машин расчетное КЗ является близким, то эквивалентная схема замещения должна быть преобразована в двухлучевую (рис. 8.1 , в ): все источники энергии, для которых КЗ является удаленным, и связывающие их с точкой КЗ элементы следует представить в виде одной ветви с неизменной по амплитуде эквивалентной ЭДС Е Х с, а машина или группа машин, для которой КЗ является близким, - в виде другой ветви с изменяющейся во времени ЭДС Е г и соответствующим эквивалентным сопротивлением Х г .

В этом случае интеграл Джоуля следует определять по формуле

(8.13)

где - относительный интеграл от периодической составляющей тока в месте КЗ, обусловленной действием генератора (синхронного компенсатора):

Значение относительного интеграла при найденной удаленности точки КЗ можно определить по кривым .Такие кривые для синхронных генераторов с тиристорной независимой системой возбуждения приведены на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Кривые для определения от синхронных генераторов

с тиристорной системой возбуждения

В тех случаях, когда 3Т а.г > t откл ³ 3Т а.эк, для определения интеграла Джоуля допустимо использовать выражение

(8.15)

Если же t откл ³ 3Т а.г, то допустимо использовать формулу

Термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле (8.2), подставив в нее предварительно найденное значение В к.

8.2.7. Если исходная расчетная схема содержит различные источники энергии, а расчетное КЗ делит схему на две независимые части, одна из которых содержит источники энергии, для которых КЗ является удаленным, а другая - группу однотипных электродвигателей (синхронных или асинхронных), для которых КЗ является близким, то эквивалентная схема замещения также должна быть преобразована в двухлучевую (рис. 8.1 , г ): все источники энергии, для которых КЗ является удаленным, и связывающие их с точкой КЗ элементы следует представить неизменной по амплитуде эквивалентной ЭДС Е с и результирующим эквивалентным сопротивлением Х с, а группа электродвигателей - эквивалентной ЭДС Е д и эквивалентным сопротивлением Х д.

В этом случае интеграл Джоуля следует определять по одной из формул, приведенных в п. 8.2.6, предварительно заменив в ней I п0г и Т а.г соответствующими величинами I п0д и Т а.д для эквивалентного электродвигателя, а также и- относительными интеграламииэквивалентного электродвигателя. Кривые зависимостии для синхронных и асинхронных электродвигателей при разных отношениях действующего значения периодической составляющей тока эквивалентного электродвигателя в начальный момент КЗ к его номинальному току приведены на рис.8.4-8.7.

Термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле (8.2), подставив в нее предварительно найденное значение интеграла Джоуля В к .

В режиме короткого замыкания токоведущие элементы электри­ческой установки (шины, кабели и др.) за небольшое время короткого замыкания t (секунды или доли секунды) нагреваются током к. з. от не­которой начальной температуры θ н до температуры θ макс. Токи к. з. во мно­го раз больше токов нормального ре­жима, поэтому, несмотря на малую продолжительность короткого замы­кания, температура проводников рез­ко возрастает и θ макс становится много больше θ Н (рис. 6.1).Опреде­ление температуры θ макс и сравне­ние ее с кратковременно допустимой θ макс доп является задачей тепловых расчетов для режима к. з.

Рис.6.1 Нагрев проводника в режиме короткого замыкания

Небольшое время t короткого за­мыкания позволяет производить тепловые расчеты при к. з. без уче­та отдачи тепла в окружающую среду за это время. Рассмотрим нагрев проводника периодической составляющей тока к. з., оставив пока в стороне дополнительный нагрев его аперио­дической составляющей тока к. з. Такое раздельное рассмотрение двух составляющих тока к. з. возможно, что непосредственно следует из выражения для действующего тока короткого замыкания I к.з. :

I 2 к.з = I 2 п t + I 2 at (6.1)

где I at - значение апериодической составляющей, а I п t – периодической составляющей.

Энергия, затраченная на нагрев проводника током t п t , выражается законом Ленца. Тогда исходное выражение нагрева проводника выглядит как:

i 2 п t R np t = C m θ (6.2)

где R np – сопротивление проводника, С –удельная теплоемкость материала проводника, m – вес проводника.

Ввиду того, что ток изменяется в течении времени к.з. а теплоемкость и сопротивление проводника являются функцией температуры, исходное уравнение нагрева является дифференциальным:

i 2 п t ρ о (1+ αθ) dt = slγc o (1+ β θ)d θ (6.3)

где i п t – мгновенное значение периодической составляющей к.з.

ρ о (1+ αθ) - сопротивление проводника при температуре θ о С, ом

c o (1+ β θ) -удельная теплоемкость материала проводника при θ о С, вт. с / г. о С

ρ о и c o – удельные сопротивление и теплоемкость при 0 о С

α и β температурные коэффициенты изменения ρ и c

sl – объем проводника, см 3 ; γ – уд. вес материала проводника, г/см 3

Разделив переменные и перегруппировав коэффициенты, перепишем уравнение в следующем виде:

Dt = к d θ (6.4)

где к = γ

За время короткого замыкания t температура проводника поднимается от начального значения θ н до θ мах конечного значения, потому следует проинтегрировать обе части уравнения в указанных пределах:

Закон изменения величины i п t во времени достаточно сложен, поэтому интегрирование этой функции производят заменой площадей (интегралов). Рис.6.2. иллюстрирует этот метод.∞

Рис.6.2 График определения фиктивного времени периодической составляющей.

На графике рис.6.2 площадь ОАВС, соответствующая времени к.з. t равна теплу от тока к.з. за время t, т.е.

пл.ОАВС = dt

Такое же количество тепла мог выделить установивщийся (неизменный) ток к.з. I 2 ∞ но уже за другое время t фп. Это время можно найти, построив равновеликий по площади прямоугольник ODEF. Для определения t фп при известном времени t по расчетным кривым токов к.з. построена зависимость t фп =f (λ) (рис.6.3), причем λ = I” / I∞. Таким образом можно вычислить интеграл как:

t фп (6.6)

Рис.6.3 Кривые для определения фиктивного времени

Тепло, выделяемое апериодической составляющей тока к.з. i а t определяется уравнением аналогично уравнению 6.6:

t ф.а. (6.7)

где t ф.а. – время, за которое установившийся ток к.з. выделит то же количество тепла, что и апериодическая составляющая тока к.з. за время короткого замыкания t.

Апериодическая составляющая затухает с постоянной времени цепи до точки к.з. Т а: i а t =√2I ” o е - t / Ta (6.8)

где I ” o – известное (уравнение 5.9) действующее значение сверхпереходной составляющей тока к.з. в момент времени равном 0. Эта функция легко интегрируется и в результате значение фиктивного времени апериодической составляющей:

t ф.а = Т а λ 2 , (6.9)

где λ = I ” o /

Полное фиктивное время t ф = t фп + t ф.а

Интегрирование правой части уравнения 6.5 сложно и приводит к громоздкому выражению для определения искомой температуры θ мах. На основании этого выражения построены расчетные кривые в предположении, что начальная температура проводника θ н =0. Порядок пользования кривыми вытекает из их построения. Сперва находят начальную температуру проводника к моменту к.з. θ н. :

θ н = θ среды + (θ доп - θ среды) I 2 раб / I 2 доп (6.10)

где θ среды – расчетная температура среды

θ доп – длительно допустимая температура проводника

I раб – рабочий ток через проводник

I доп – допустимый ток через проводник

Значения θ доп приведены в справочных таблицах выбора шин и кабелей. За θ среды принимают максимально возможную при эксплуатации (например +40 о С). Определив начальную температуру находят по кривым (рис 6.4) значение соответствующей ей абсциссы а н. Затем подсчитывают t ф и определяют абсциссу а к = а н + t ф. Значение θ мах определяют по значению а к. Далее величину θ мах сопоставляют с θ махдоп. для данного вида материала проводника.

Рис.6.4 Кривые для определения температуры нагрева проводников при коротких замыканиях.

В связи с тем, что продолжительность короткого замыкания мала (не превышает нескольких секунд), за θ махдоп принимают температуры, значительно большие, чем допустимые температуры при длительном нагреве. При этом учитывается, что изоляция проводников способна выдержать θ махдоп без ущерба для дальнейшей работе.

Для голых проводников (шин распредустройств) θ махдоп принимают из условий механической прочности материала. Например, для голых медных шин θ махдоп = 300 о С.

Токопроводы, защищаемые предохранителями можно не проверять на термическую устойчивость, также как и токопроводы, защищаемые токоограничивающими выключателями и выключателями, без специально вводимой выдержки времени при срабатывании.

Селективные автоматы (автоматы с настраиваемо выдержкой времени при отключении к.з.) на термическую стойкость проверяют по условию

I 2 ¥ t ф < (I 2 t) доп. ,

где I ¥ - установившийся ток к.з.; t ф – фиктивное время к.з.;

(I 2 t) доп. – термическая устойчивость по техническим условиям (справочные данные).

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА К,З,

При протекании тока i в контуре в последнем возникает электродинамическая сила F , стремящаяся деформировать контур (рис.6.5). При постоянном значении тока приращение энергии поля W при деформации контура в направлении х равно работе, совершенной электромагнитной силой F за тот же промежуток времени.

dW = Fdx (6.11)

где х - координата направления силы.

Уравнение 6.11 называется уравнением Максвелла.

Рис. 6.5 Действие электродинамических сил на контур с током.

Магнитная энергия W в контуре с индуктивностью L и током i определяется известным выражением:

F = (6.13)

При двух контурах с индуктивностями L 1 и L 2 и соответственно токами i 1 и i 2 и взаимной индуктивностью М энергия магнитного поля W определяется выражением:

W = L 1 i 2 1 + L 2 i 2 2 + М i 1 i 2 (6.14)

Электродинамическая сила, стремящаяся изменить взаимное расположение жестких контуров (L 1 = const; L 2 = const) равна:

F = i 1 i 2 (6.15)

Взаимная индуктивность (Гн) двух параллельных проводников, расположенных в одной плоскости на расстоянии много меньшем, чем их длина.

М= 2l ( ln - 1)10 -7 Гн (6.16)

dM /dx = dM/da = (2l / a) 10 -7 (6.17)

и F = (2i 1 i 2 l / a) 10 -7 Н (6.18)

Этой формулой пользуются для определения силы взаимодействия между шинами распределительных устройств при прохождении токов короткого замыкания.

При расчетах механической прочности шин в режиме короткого замыкания исходят из допущения, что шина каждой фазы является многопролетной балкой, свободно лежащей на жестких опорах и на­ходящейся под действием равномерно распределенной нагрузки. Шины распределительного щита. удовлетворяют требованиям электродинамической устойчивости, если значение максимального расчетного на­пряжения в шине меньше или равно максимально допустимого напряжения, т.е. σ расч. ≤ σ доп

а) уменьшения величины тока короткого замыкания;

б) увеличения расстояния между осями шин;

в) уменьшения длины пролета между опорными изоляторами;

г) изменения размера сечения шин.

Максимальное напряжение в шине при расположении шин плашмя определяется по соотношениям:

При числе пролетов больше двух

σ расч. = (1.06 К ф i 2 р L 2 / a h 2 b) * 10 -10 , кПа (6.19.)

при числе пролетов, равном двум

σ расч. = (1.33 К ф i 2 р L 2 / a h 2 b) * 10 -10 , кПа (6.20)

При расположении шин согласно рис.6.6 а. максимальное напряжение

в шине равно: .

σ расч. = (1.06 К ф i 2 р L 2 / a h b 2) * 10 -10 , кПа (6.21)

при числе пролетов, равном двум,

σ расч. = (1.33 К ф i 2 р L 2 / a h b 2) * 10 -10 , кПа (6.22)

где i р - полный ударный ток короткого замыкания;

а - расстояние между осями фаз, см, обычно а = 6…...7 см

L - длина пролета, см, обычно L = 60 см;

h- высота шин, см;

б - толщина шин, см;

К ф - коэффициент формы шин, определяемый из кривых, представленных на рис.6.7

Рис. 6.6 Расположение однопролетных шин

Рис. 6.7 Зависимость коэффициента формы шин от взаимного расположения и конфигурации.

Автоматические выключатели проверяют на электродинамическую устойчивость по ударному току к.з. до отключения выключателя. Селективные (генераторные) автоматы кроме динамической стойкости проверяют и на предельную отключающую способность.

Предельная отключающая способность определяется допустимой величиной тока в момент расхождения контактов. Условие проверки на динамическую стойкость:

i уд. расч. < i уд. доп. ;

на разрывную способность:

I t расч. < I t доп,

где i уд. расч. – расчетный ударный ток к.з. для точки, выбранной с целью проверки автомата; i уд. доп. – допустимое значение ударного тока к.з. автомата; I t расч – расчетное действующее значение тока к.з. в момент расхождения дугогасительных контактов (соответствующее уставке по времени); I t доп, - допустимое действующее значение тока выключателя в момент расхождения дугогасительных контактов.

Электродинамическое действие токов короткого замыкания.

При коротких замыканиях в результате возникновения ударного тока короткого замыкания в шинах и других конструкциях распределительных устройств возникают электродинамические усилия, которые, в свою очередь создают изгибающий момент и механическое напряжение в металле. Последнее должно быть меньше максимально допустимых напряжений для данного металла

По литературе допустимое расчетное напряжение для алюминия составляет 80 МПа.

Электродинамическое усилие ударного тока короткого замыкания при трехфазном коротком замыкании, определятся силой взаимодействия между проводниками при протекании по ним ударного тока.

где - ударный ток в точках К1, К2, кА,

Расстояние между изоляторами одной фазы мм,

Расстояние между проводниками соседних фаз, мм

Для камер КСО-366: мм; мм

Рассчитаем силу взаимодействия между шинами марки АТ 15х3 на стороне 10 кВ, по формуле (62):

Рассмотрим шину как равномерно нагруженную балку и рассчитаем изгибающий момент, создаваемый ударным током

где - сила взаимодействия, Н

Расстояние между шинами, м

Изгибающий момент,

Для определения механического напряжения в металле необходимо рассчитать момент сопротивления, учитывая расположение шин. Шины могут располагаться либо плашмя, либо на ребро.

Рисунок 2.5.1.1. Расположение шин плашмя

Рисунок 2.5.1.2 Расположение шин на ребро

В моем курсовом проекте шины расположены плашмя. При этом момент сопротивления определяется по формуле

где - момент сопротивления,

Ширина шины, см,

Толщина шины, см

Определим расчетное напряжение в шинах:

Из условия видим, что проходят шины марки АТ (15х3) на электродинамическую стойкость. Аналогично проверим шины прямоугольного сечения марки АТ (15х3) на стороне 0,4кВ.

Рассчитаем силу взаимодействия между шинами марки АТ (15х3) на стороне 0.4кВ, (63)

Рассчитаем изгибающий момент, создаваемый ударным током (64):

Определим расчетное напряжение в шинах (62):

Из проверки видим, что проходят шины марки АТ (15х3) на электродинамическую стойкость.

Термическое действие токов короткого замыкания

Токоведущие части, в том числе и кабели, при коротких замыканиях могут нагреваться до температуры, значительно большей, чем при нормальном режиме.

Сечение кабеля или шин при проверки на термическую стойкость проверяют по формуле:

где ВК - тепловой импульс,

ст - коэффициент зависящий от материала проводника, берется согласно ПУЭ: ст = 85 для алюминиевых жил; ст = 88 для медных жил

Предварительно определим тепловой импульс:

ВК = ·t откл, (68)

где I пк - ток периодической составляющей, I пк = I пк1 = кА = 2350 А

t откл - время отключения при коротком замыкании,

t откл. = t выкл.. + t з, (69)

где t выкл. - время срабатывания выключателя; с, t выкл =0,2с,

t з - время срабатывания защиты; с, t з = 1.1с

t откл. = 0,2 + 1.1 = 1,3с

Определим тепловой импульс для воздушной линии и шин на стороне 10 кВ (68):

В к1 = 1,3= 7179250

Определим минимальное сечение КЛ марки АСБГ (3х16) (67):

F min == 31.52 ммІ

Согласно условию проверки на термическую стойкость выбранное сечение КЛ марки

АСБГ (3х16) должно быть больше либо равно минимальному расчетному сечению

F min S доп (70)

31.52 ммІ 16 ммІ

Из условия видим, что выбранное сечение КЛ марки АСБГ (3х16) не проходит, перевыбираем на КЛ большего сечения марки АСБГ (3х35):

30.72 ммІ 35 ммІ

Из условия видим, что выбранное сечение КЛ марки АСБГ (3х35) проходит

Определим минимальное сечение шины марки АТ 15х3 (66):

F min == 31.52 ммІ

Проверяем условие (70):

31.52 ммІ 45 ммІ

Из условия видим, что шины прямоугольного сечения на стороне 10 кВ марки АТ (15х3) проходят

Проверку на стороне 0,4 кВ произведем способом сравнения температур для этого составим таблицу 2.5.2.1 параметры токоведущий частей

Таблица 2.5.2.1 Параметры токоведущих частей

Для проверки КЛ ААБ 2 (4х25) на термическую стойкость на низкой стороне произведем уточнение температуры нагрева в нормальном режиме работы т.к. ток нагрева не совпадает с длительно допустимым током.

н= 0 +(доп.н - 0) · () 2 ; (71)

н=15+(65-15) · () 2 = 15.69C

Определим тепловой эквивалент для нормального режима работы по графику рис. 3.13 литературы

Ан=0.12 · 10 4 А 2 · С/ммІ

Определим действительное время протекания тока короткого замыкания

t действ. = t в + t з, (72)

где t выкл. - время срабатывания выключателя; с,

t з - время срабатывания защиты; с

t действ = 0,2+1.1=1,3с

Определим приведенное время апериодической составляющей тока короткого замыкания

t пр.а = 0.003 · », (73)

где «=; т.к. Iпко= Iпк, значит «=1

t пр.а = 0,003·1= 0.003 с

Определим приведенное время периодической составляющей тока короткого замыкания по рисунку 3.12 литературы : t пр.п = 0.85 с

Определим суммарное приведенное время:

t пр = t пра + t пр.п (74)

t пр = 0,003+0.85 = 0.853 с

Определим тепловой эквивалент при коротком замыкании:

А к =А н +, (75)

А к =0,12 · 10 4 += 0,205· 10 4 А 2 с/ммІ,

следовательно, температура нагрева равна 30C

Должно, выполнится условие:

Условие выполнилось, следовательно, КЛ проходит по термической стойкости.

Проверим шины на термическую стойкость:

Для проверки шины прямоугольного сечения марки АТ (15х3) на термическую стойкость на низкой стороне произведем уточнение температуры нагрева в нормальном режиме работы т.к. ток нагрева не совпадает с длительно допустимым током (71):

н=25+(88-25) · () 2 = 48.69C

Определим тепловой эквивалент для нормального режима работы по графику рис. 3.13 литературы , Ан=0.38 · 10 4 А 2 · С/ммІ

Определим тепловой эквивалент при коротком замыкании (75):

А к = 0.38 · 10 4 += 0.76· 10 4 А 2 с/ммІ ,

следовательно, температура нагрева равна 110C

Должно выполняться условие (76):

Условие выполняется, следовательно, шины марки АТ (15х3) проходят по термической стойкости.

При протекании тока КЗ температура проводников и токоведущих частей электрических аппаратов повышается. Поскольку ток КЗ значительно превышает ток рабочего режима, нагрев может достигать опасных значений, превышающих наибольшие допустимые температуры. Критерием термической стойкости проводников является допустимая температура его нагрева то­ками КЗ.

Степень термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты производят с помощью интеграла Джоуля: ,

где i к – ток КЗ в произвольный момент времени t , A; t к – рас­четная продолжительность КЗ, с.

Термически эквивалентный ток КЗI тер – неизменный по амплитуде (синусоидальный) ток, который за время, равное расчетной продолжительности КЗ, оказывает на проводник или электрический аппарат такое же термическое воздействие, как и реальный ток КЗ за это же время. Этот ток связан с интегралом Джоуля соотно­шением: .

Определение температуры нагрева проводников к моменту от­ключения КЗ производят с использованием кривых зависимости температуры нагрева проводников θ от величиныА (постоянная интегрирования).

Порядок определения температуры нагрева проводника, заключа­ется в следующем:

– исходя из начальной температуры проводника θ н по кривой находят значение величиныА н при этой температуре;

– определяют значе­ние интеграла Джоуля В к при расчетных условиях КЗ;

– находят значение величины А к, соответствующее конеч­ной температуре нагрева проводника: , причем для сталеалюминевых проводов S – площадь попереч­ного сечения алюминиевой части провода;

– по найденному значению ве­личины А к с помощью кривой определяют температуру нагрева проводника к моменту отключения КЗθ к . .

Электродинамическое действие токов КЗ

Два проводника с токами i 1 и i 2 испытывают механическое воздействие между собой. Оно выражается в притяжении проводников друг к другу или в отталкивании друг от друга. Указанное явление объясняется взаимодействием магнитных полей, возникающих вокруг проводников с токами.

Если проводники расположены параллельно на расстоянии а друг от друга, причем расстояние l , на котором они идут параллельно друг другу, значительно больше расстояния между проводниками а , то магнитная индукция B 1 , созданная током i 1 в тех точках, где расположен второй проводник: ,где μ – относительная магнитная проницаемость воздуха; μ 0 – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м.

Между проводниками действует сила: .

При расположении фаз в одной плоскости проводники крайних и средней фаз находятся в различных условиях. Для определения наибольшей силы, действующей на ту или иную фазу рассматриваемой системы, необходимо сравнить силы, действующие на крайние и среднюю фазы. В наиболее тяжелых условиях находится средняя фаза, которая и должна являться расчетной при проверке на электродинамическую стойкость трехфазных систем.

Силы взаимодействия между проводниками фаз трехфазной системы определяются уравнениями:

;

;

.

При удаленных КЗ отношение токов двухфазного и трехфазного замыканий составит:

поэтому сила взаимодействия между проводниками при двухфазном КЗ меньше сил, действующих на проводники при трехфазном КЗ. Таким образом, расчетным видом КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на электродинамическую стойкость является трехфазное КЗ.

Взаимодействие проводников при рабочих токах, как правило, незначительно. При КЗ наибольшие электродинамические усилия F определяются значением ударного тока КЗ.

При проверке аппаратов на термическую и электродинамическую стойкость составляется таблица для сравнения паспортных данных с расчетными значениями возможного процеса КЗ.

Пример выбора выключателя 10 кВ

Показатели качества электроэнергии.

Формирование принципов регулирования режимов основывается на опре­деленных требованиях к качеству электрической энергии. Такие требования сформулированы в межгосударственном стандартеГОСТ 13109-97 .

Качество электроэнергии характеризуется качеством частоты напряжения переменного тока и качеством напряжения.

Для оценки качества частоты уста­новлен один показатель – отклонение частоты , под которым понимают медлен­ные плавные изменения частоты (менее одного процента в секунду) относительно ее номинального значения:Δf = f – f ном

Причина появления отклонения частоты заключается в нарушении баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в электроэнергетической сис­теме. Стандартом установлено нормально допустимое и пре­дельно допустимое значения отклонения частоты соответственно δf норм = ±0,2 Гц иδf пред = ±0,4 Гц.

Качество напряжения оценивают несколькими показателями, большинство из которых также характеризуется допустимыми значениями.

Отклонение напряжения: .

Колебания напряжения оцениваются размахом изменения напряжения : ,

где U i , U i +1 – значения следующих один за другим экстремумов огибающей ам­плитудных значений напряжения.

Несинусоидальность напряжения характеризуется отличием формы кривой напряжения от синусоидальной. Она количественно оценивается коэффициен­том искажения синусоидальности кривой напряжения : ,

где U (n) i – действующее значение напряжения n -й гармоники для i -гo наблюдения.

Несимметрия напряжений характеризуется различием значений напряже­ния в разных фазах. Она обусловлена неравномерным присоединением однофаз­ных электроприемников по фазам.Несимметрия напряжений количественно характеризуется коэффициентаминесимметрии напряжений по обратной и нулевойпоследователь­ности

; ,

где U 2(1) i – действующее междуфазное значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-м наблюдении; U 0(1) i – действующее значение напряжения нулевой последовательности ос­новной частоты; U ном – номинальное междуфазное напряжение.

Регулирование напряжения

Возможность регулирования и изменения напряжения определяется устройствами РПН (регулирование под нагрузкой) и ПБВ (переключение без возбуждения). Трансформаторы с ПБВ 10/0,4 кВв настоящее время изготовляют с основным и четырьмя дополнительными ответвлениями.

Характеристики регулируемых трансформаторов задаются в виде максимального числа поло­жительных и отрицательных по отношению к основному выводу обмотки ВН регулировочных ответвлений с указанием шага коэффициента трансформации Δk Т в виде ±n×Δk т . Например, для РПН: ±6×1,5%, ±8×1,5%, ±10×1,5%, ± 9×1,78%, ±12×1%; для ПБВ: ±2×2,5%.

Изменение коэффициента трансформации достигается изменением числа отпаек (витков) на одной из обмоток. Для трансформаторов с регулированием на­пряжения, в частности РПН, коэффициент трансформации должен соответство­вать реальному положению переключателя для его n-го ответвления:

.

Управление коэффициентами трансформации трансформаторов осуществляется с целью обеспечения и регулирования заданных режимов напря­жения. Если трансформаторы выполнены без РПН (что имеет место обычно в сетях 6 - 20 кВ и на ряде электростанций), то регулирование их коэффициентовтрансформации, как правило, осуществляется посезонно. При наличии на транс­форматорах РПН регулирование производится при необходимости ежесуточно, в зависимости от изменения нагрузки.

Виды замыканий в электрических сетях

Электрические сети характеризуются нормальным, ненормальным и аварийным режимами работы. При нормальном режиме по всем элементам сети протекают рабочие токи, не превышающие допустимых, электроэнергия передается от источников питания к потребителям с нормальными расчетными потерями напряжения и электроэнергии на всех элементах сети. При ненормальном режиме (например, перегрузке) допускается работа электроустановки в течение определенного времени, после чего должно следовать отключение. Аварийный режим работы характеризуется резким изменением ряда параметров (повышение тока, снижение напряжения) и требует немедленного отключения электроустановки.

Большая часть аварий в электрических сетях вызывается короткими замыканиями (КЗ), основной причиной которых является нарушение изоляции токоведущих частей. Механические повреждения изоляции возникают, например, при повреждении изоляции силовых кабелей во время земляных работ, при падении опор воздушных линий или обрыва проводов. Повреждения изоляции могут иметь место при перенапряжениях, например, при прямых ударах молнии в провода воздушных линий или открытых электроустановок. Короткие замыкания возможны также вследствие перекрытия токоведущих частей птицами и животными или ошибочных действий персонала.

При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление электрической системы уменьшается, токи и углы между токами и напряжениями увеличиваются, напряжения в отдельных частях системы снижаются. Токи КЗ могут в десятки, сотни раз превышать рабочие токи элементов электроустановок и достигать десятков тысяч ампер. Наступление аварийного режима КЗ приводит к значительным электродинамическим (механическим) и термическим (тепловым) воздействиям на токоведущие части и электрооборудование.

В трехфазных сетях переменного тока различают пять основных видов коротких замыканий (рис. 4.1): однофазное двухфазное двухфазное на землю трехфазное и трехфазное на землю. Если все виды КЗ принять за 100%,то относительная частота появления замыканий в сети составляет: однофазных -- 65%; двухфазных -- 10%; двухфазных на землю -- 20%; трехфазных и трехфазных на землю -- 5%.

Рис. 4.1.

Однофазные замыкания в системе с заземленной нейтралью возникают при пробое изоляции фазы системы на землю и являются короткими. Под действием напряжения поврежденной фазы (на рис. 4.1 --) протекает ток, который достигает большого значения, так как сопротивление цепи невелико

Напряжение фазы С источника питания, В;

Сопротивление цепи однофазного КЗ, Ом.

Величина однофазного тока при КЗ на шинах генератора в 1,5 раза превышает ток двухфазного КЗ и в 2,5 раза -- трехфазного КЗ. Однако его можно существенно снизить за счет включения в заземление нейтрале N большого активного или индуктивного сопротивления. В результате этого наибольший возможный ток однофазного КЗ не превышает тока трехфазного КЗ.

Однофазные замыкания в системе с изолированной нейтралью не

являются короткими, а значит и аварийными. На рис. 4.2, а показана схема системы с изолированной нейтралью. Каждая фаза системы обладает относительно земли некоторой емкостью, равномерно распределенной по длине линии. Для упрощения на схеме заменяем распределенную емкость фазы, емкостью, сосредоточенной посредине линии. При повреждении изоляции одной из фаз, например Сс, и замыкании ее на землю, через место соединения с землей будет проходить ток, который вернется в сеть через емкости СВ и СА. Емкостные сопротивления между фазами и землей достаточно велики, поэтому ток /, как правило, не превышает нескольких десятков ампер и носит емкостный характер (). Величина зависит от напряжения и протяженности сети, конструктивного выполнения линий (кабельное или воздушное).

а -- схема системы с изолированной нейтралью; б -- векторная диаграмма напряжений системы при однофазном замыкании на землю

Приближенно ток Iс можно определить по формулам: для сетей с воздушными линиями

для сетей с кабельными линиями

U -- линейное напряжение сети, кВ;

l-- длина электрически связанных линий сети данного напряжения, км.

Из векторной диаграммы (рис. 4.2, б) видно, что при замыкании на землю одной фазы напряжение нейтрали повышается относительно земли на величину фазного напряжения, а напряжения двух других фаз относительно земли становятся равными линейным U"А = UAC, U"B = UBC , то есть возрастают в раз (U"A = U"A ;)- Изоляция фаз сети относительно земли должна быть выполнена на линейное напряжение.

Длительная работа сети с замкнутой на землю фазой недопустима, так как в случае повреждения изоляции какой-либо другой фазы относительно земли возникает двухфазное КЗ через землю, сопровождающееся протеканием большого тока, который может вызвать значительное разрушение электрооборудования. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью обязательно предусматривают защиту, извещающую персонал о возникновении такого ненормального режима работы. В сетях генераторного напряжения, а также в сетях, к которым подключены электродвигатели напряжением выше 1000 В, при появлении однофазного замыкания в обмотке статора машина должна автоматически отключаться от сети, если ток замыкания на землю превышает 5 А. При токе замыкания, не превышающем 5 А, допускается работа не более 2 ч, по истечении которых машина должна быть отключена. Если установлено, что место замыкания на землю находится не в обмотке статора, по усмотрению ответственного.за электрохозяйство, допускается работа вращающейся машины с замыканием в сети на землю продолжительностью 6 ч. В электрических сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью работа воздушных и кабельных линий электропередачи с замкнутой на землю фазой допускается, но персонал должен приступить к отысканию места повреждения и немедленно устранить повреждение в кратчайший срок.

Более опасно однофазное замыкание на землю через электрическую дугу, так как последняя может повредить электрооборудование. При определенных условиях в месте замыкания на землю может возникнуть так называемая перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Так как сеть обладает индуктивностью, то в моменты гашения и зажигания дуги в индуктивных элементах наводится Э.Д.С., величина которой пропорциональна скорости изменения тока

Скорость изменения тока в момент возникновения и гашения перемежающейся дуги велика, и возникающая э.д.с. может превышать напряжение сети в несколько раз. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и образование коротких замыканий в частях электроустановки с ослабленной изоляцией.

В электросетях напряжением 6-10 кВ перенапряжения, вызванные перемежающейся электрической дугой, неопасны для изоляции электрооборудования. В противоположность этому в электросетях напряжением 35 кВ и выше перенапряжения, возникающие при образовании перемежающейся дуги, опасны для изоляции. В таких сетях ток замыкания на землю не должен превышать 10 А (10 А), так как при большем токе в месте замыкания на землю, как правило, возникает перемежающаяся электрическая дуга. Сети напряжением 110 кВ с незаземленными нейтралями, как правило, не работают, так как при их значительной протяженности и высоком напряжении, ток в этих сетях всегда превышает 10 А.

Заземление нейтрали приводит к увеличению числа аварийных ситуаций, т. к. замыкания на землю, составляющие 65% от всех видов замыканий, становятся короткими и требуют немедленного отключения поврежденного элемента сети, что является существенным недостатком такой сети. Практика эксплуатации электроустановок напряжением выше 1000 В показывает, что большая часть однофазных замыканий в воздушных электросетях носит кратковременный характер, изоляция в месте замыкания на землю быстро восстанавливается после отключения поврежденного участка, и линия электропередачи может быть немедленно включена в работу с помощью устройств автоматического повторного включения (АПВ). Если замыкание на землю носило временный характер (схлестывание проводов ЛЭП при сильном ветре, перекрытие изоляции птицами и т. д.), то линия включается и питание потребителей восстанавливается в течение нескольких секунд. В противном случае линия отключается вторично.

Достоинством сетей с заземленными нейтралями является то, что при однофазных замыканиях на землю напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле не повышается, остается равным фазному. Благодаря этому, за счет облегчения изоляции фаз по

отношению к земле существенно уменьшаются расходы на сооружение таких сетей. Достигаемая экономия тем больше, чем выше напряжение сети.

Сети напряжением выше 1000 В с заземленными нейтралями и токами замыкания на землю более 500 А относятся к сетям с большими токами замыкания на землю. Сети с незаземленными нейтралями или с нейтралями, заземленными через токоограничивающие устройства с большими сопротивлениями, напряжением до 35 кВ и токами замыкания на землю до 500 А относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю.