Тепловое воздействие токов короткого замыкания

Тепловое воздействие токов короткого замыкания

Основные понятия

Коротким замыканием (КЗ) называется соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой или на корпус оборудования, соединенный с землей, в сетях электроснабжения или в электроприемниках. КЗ может.быть по разным причинам: ухудшение сопротивления изоляции во влажной или химически активной среде, при недопустимом перегреве изоляции, механические воздействия, ошибочные воздействия персонала при обслуживании и ремонте и т. д.

Как видно из самого названия процесса, при КЗ путь тока укорачивается, т. е. он идет, минуя сопротивление нагрузки, поэтому он может увеличиться до недопустимых величин, если напряжение не отключится под действием защиты.

Но напряжение может не отключиться и при наличии защиты, если КЗ случилось в удаленной точке, и из-за большого сопротивления до места КЗ ток недостаточен для срабатывания защиты. Но этот ток может быть достаточным для загорания проводов, что может привести к пожару.

Отсюда возникает необходимость расчета тока короткого замыкания — ТКЗ. Величина ТКЗ может меняться, если к сети электроснабжения присоединяются другие электроприемники в более удаленных местах. В таких случаях снова производится расчет ТКЗ в месте установки новых электроприемников.

ТКЗ производит также электродинамическое действие на аппараты и проводники, когда их детали могут деформироваться под действием механических сил, возникающих при больших токах.

Термическое действие ТКЗ заключается в перегреве аппаратов и проводов. Поэтому при выборе аппаратов их нужно проверять по условиям КЗ, с тем чтобы они выдержали ТКЗ в месте их установки.

Как известно, наряду с сетями с глухозаземленной нейтралью существуют сети с изолированной нейтралью. Рассмотрим характерные отличия этих сетей при КЗ.

На практике в большинстве случаев происходят однофазные короткие замыкания. В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей режим не является коротким замыканием и бесперебойность электроснабжения не

нарушается, но он должен быть отключен, так как соответствует аварийному состоянию. При замыкании одной фазы на землю в данной сети напряжения на двух других фазах повышаются в 1,73 раза, а напряжение на нулевой точке становится равным фазному напряжению относительно земли, (рис. 4.2, в).

В сетях с глухозаземленной нейтралью при соединении провода с землей сгорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель, при этом электроснабжение нарушается, а при сгорании предохранителя могут повредиться обмотки двигателей при работе на двух фазах.

Расчет тока короткого замыкания

Для расчета тока короткого замыкания можно пользоваться формулой

где Rп — активное сопротивление одного провода цепи КЗ, равное произведению удельного сопротивления провода на его длину (удельное сопротивление проводов в Ом/км приводится в справочниках), Xп — то же индуктивное сопротивление, рассчитывается по удельному индуктивному сопротивлению, которое принимается равным 0,6 Ом/км;

Zt — полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низкого напряжения, которое можно определить по формуле

где Uk%— напряжение короткого замыкания трансформатора, приводится в справочниках, Iн, Uн — номинальные ток и напряжение трансформатора, даются в справочниках.

Отсюда полное сопротивление фазной обмотки трансформатора, Ом,

Термическое и электродинамическое действие токов короткого замыкания

Ток короткого замыкания (т.к.з.) во много раз превышает по величине токи номинального режима установки и поэтому за незначительное врем.я короткого замыкания выделяет в цепи большое количество тепла, что вызывает изменение температуры токоведущих элементов от некоторой начальной температуры до температуры конечной. Короткое замыкание не выведет установку из строя, если эта температура к моменту отключения короткого замыкания /0ткл не превысит максимально допустимое значение 0тах доп для данного токоведущего элемента установки.

Количество тепла, выделяемого в электрической цепи током короткого замыкания, пропорционально квадрату действующего значения тока и времени короткого замыкания. Но расчет термического действия т.к.з. усложняется тем, что этот ток не остается постоянным, а затухает с течением времени короткого замыкания. Поэтому для расчета количество тепла, выделенного изменяющимся током короткого замыкания за действительное время короткого замыкания, заменяют таким же количеством тепла, которое выделил бы в цепи установившийся ток короткого замыкания за так называемое фиктивное время превышающее действительное время короткого замыкания.

Фиктивное время берется из расчетных кривых отдельно для периодической и апериодической составляющих т.к.з.

Проверка элементов электрической системы па термическую устойчивость осуществляется по заданному в каталоге для данного элемента значению в амперах в квадрате в секунду. Если при проверке окажется, что определенная из расчета величина больше максимально допустимого каталожного значения, то в некоторых случаях возможно ограничить действие тока короткого замыкания уменьшением времени срабатывания защиты. В противном случае, очевидно, необходимо увеличивать сечение токоведущих частей элементов цепи короткого замыкания. Электрические цепи, защищенные предохранителями или автоматическими выключателями (с электромагнитными расцепителями без выдержки времени), на термическое действие т.к.з. не проверяются ввиду кратковременности их действия в указанных цепях.

Известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действуют электромагнитные силы, стремящиеся изменить конфигурацию проводника так, чтобы он охватывал возможно большее число силовых линий магнитного потока. В электрических системах большинство проводов обычно находится в магнитном поле соседнего провода.

Рис. 1. График изменения температуры токоведущих частей при коротком замыкании.

Когда по проводам протекают токи нормальных рабочих режимов, их взаимодействие практически не ощущается.

При коротких замыканиях токи резко возрастают и электро-динамические усилия взаимодействия проводов могут вызвать опасные механические напряжения в проводах и их креплениях. Поэтому электродинамическое действие токов короткого замыкания следует учитывать при проектировании электротехнических установок, а выбранные аппараты необходимо проверять на электродинамическую устойчивость, для чего в каталогах для них задается максимально допустимое значение т.к.з. в амперах.

В целях обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией судовых потребителей стремятся правильной организацией эксплуатации судового электрооборудования предупредить возникновение коротких замыканий в электротехнических установках. Однако если короткое замыкание все же возникло, то во избежание развития аварии в электроэнергетической системе его необходимо как можно быстрее отключить от остальной электрической сети.

Для этого используют быстродействующие коммутационные аппараты, стоимость которых тем выше, чем больше отключаемые» ими токи короткого замыкания. Чтобы снизить стоимость электрооборудования и уменьшить опасность разрушения различных элементов электротехнической установки, предусматривают специальные меры уменьшения величины т.к.з.

Токи короткого замыкания возрастают пропорционально мощности генерирующих установок. Поэтому с целью их уменьшения иногда отказываются от параллельной работы судовых генераторов. На крупных судах шины ГРЩ секционируют для того, чтобы на каждую группу потребителей, подключенных к одной секции шин, работала лишь часть генераторов судовой электростанции. Уменьшения токов короткого замыкания можно также достичь выбором определенной схемы электрической сети и искусственным увеличением сопротивления до точки короткого замыкания. Увеличить сопротивление цепи короткого замыкания можно, например, включением реакторов, но это ведет к дополнительным затратам электроэнергии, и поэтому дакая мера широкого распространения на судах не получила.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Основные понятия.Поступательные движения свободных электронов в проводнике, создающее электрический ток, вызывает столкновение электронов с атомами или молекулами внутри проводника. При таких столкновениях электроны сообщают атомам или молекулам дополнительную энергию и усиливают их беспорядочное тепловое движение (колебания). Последнее проявляется в виде выделения тепла проводником.

Нагревание проводника током является естественным следствием того, что проводник представляет собой некоторое сопротивление току. Роль электрического сопротивления подобна роли трения в механической системе.

(Уравнение нагревания проводника током; Расчет проводов на нагревание, изучается самостоятельно, литература: А.С. Касаткин «Основы электротехники»).

КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ И ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через малое сопротивление между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение голых токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т.д. При коротком замыкании резко увеличивается сила тока, а так как выделение тепла в проводах пропорционально квадрату силы тока ( ), то тепловое воздействие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар; вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное увеличение потери напряжения в сети, следствием чего являются уменьшение силы света ламп, понижение скорости и даже остановка электродвигателей и т.д.

Короткое замыкание тем опаснее, чем оно ближе к источнику электроэнергии. При коротком замыкании на зажимах последнего силу тока ограничивает только внутреннее сопротивление r_вн этого источника: I_к = Е: r_вн. В электроэнергетических системах сила тока токов коротких замыканий достигает сотен тысяч ампер и отключение таких токов связано с немалыми трудностями. Но в осветительных сетях жилых зданий сила тока короткого замыкания – величина порядка 30 – 100 А. тем не менее быстрое отключение этих токов очень важно с точки зрения их пожарной опасности.

Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка – сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении силы тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую пониженную термическую устойчивость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготавливается из материала с относительно высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но с относительно малым сечением.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причине на предохранителях, кроме номинального тока, указывается также и напряжение.

Номинальной силой тока плавкого предохранителя считается та наибольшая сила тока, которую предохранитель может выдерживать неопределенно долгое время, не разрушаясь. Она указывается на вставке предохранителя. Но сила тока плавления вставки предохранителя зависит от ряда причин и в первую очередь от длительности нагрузки током и условий охлаждения предохранителя.

Ориентировочно для определения времени отключения можно пользоваться представленной на рисунке ХХ5 зависимостью времени плавления вставки от так называемой кратности тока, т.е. от отношения силы тока плавления вставки к номинальной силе тока вставки.

Следует различать защиту провода от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителей, служащих для защиты отдельных участков сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках – пусковых токах электродвигателей и т.п. В ряде случаев два этих требования несовместимы. В частности, если линия питает двигатели, то за основу для выбора предохранителя нужно брать среднее значение пусковой силы тока, которое ориентировочно в 5 – 7 раз больше номинального процесса обычно составляет около 5 – 10 сек; в течение этого времени согласно рисунка ХХ5 предохранитель должен выдержать силу тока, превышающую его номинальную приблизительно в 2,5 раза. Следовательно, номинальная сила тока плавкого предохранителя должна быть равна (или быть больше) 40% от средней пусковой силы тока двигателя, т.е.

Но когда выбранные таким образом номинальные значения силы тока плавких вставок значительно превышают допустимые длительные нагрузки защищаемых проводников, тогда предохранители защищают провода от коротких замыканий, но не от длительных перегрузок.

В ряде случаев, когда перегрев проводов не обусловливает пожарную опасность, например, в случае голых проводов, согласно ПУЭ, можно ограничиться только защитой от токов короткого замыкания, но при этом номинальная сила тока плавких вставок предохранителей должна быть не больше чем 300% от длительно допустимой

Термическое воздействие токов короткого замыкания

Токи короткого замыкания вызывают нагрев токоведущих частей, значительно превышающий нормальный. Чрезмерное повышение температуры может привести к выжиганию изоляции, разрушению контактов и даже их расплавлению, несмотря на кратковременность процесса короткого замыкания. При выборе токоведущих частей необходимо найти конечную температуру нагрева токами короткого замыкания с учетом периодической и апериодической составляющей. Этот расчет сложен, поэтому термическую стойкость обычно проверяют определением минимального допустимого сечения по условию допустимого нагрева:

тепловой импульс тока короткого замыкания.

t_откл – время отключения защитного аппарата, вакуумного выключателя.

Т_а – определяется по таблице 7.1. [5], в данном случае = 0,01.

С_т – коэффициент зависящий от допустимой температуры при коротком замыкании, материала проводника и изоляции(для алюминия). [5]

Выбранный кабель термически стойкий, если его сечение больше F_min.

Проверяем выбранные высоковольтные кабеля на термическую стойкость при воздействии токов короткого замыкания.

Кабель от ГПП до ЦРП:

Защита на участке осуществляется вакуумным выключателем, время отключения 0,2 сек.

Проверяем кабель ААБ (3´95): С_т = 91.

Рассчитываем тепловой импульс:

Рассчитаем минимально допустимое сечение кабеля с учетом теплового импульса:

Кабель ААБ (3×95) проходит по термической стойкости.

Кабель от ЦРП до КТП:

Защита на участке осуществляется вакуумным выключателем, время отключения 0,2 сек.

Проверяем кабель ААБ (3´70): С_т = 91.

Рассчитываем тепловой импульс:

Рассчитаем минимально допустимое сечение кабеля с учетом теплового импульса:

Кабель ААБ (3×70) проходит по термической стойкости, Принимаю его к установке.

3.16 Выбор аппаратов защиты и управления ТП, РП.

Выбираю и проверяю трансформаторы тока:

Трансформаторы служат для передачи измерительным приборам или устройствам защиты и управления информации в установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ.

Выбираю трансформатор токаТНШЛ-0,66

I_max — максимальный ток по секциям

1000>989А- условие выполняется.

Таблица 10. Технические данные трансформатора тока

на электродинамическую стойкость

на термическую стойкость:

I_тс — термическая стойкость трансформатора;

I_{расч. тс} – расчётное значение тока термической стойкости.

t_к.з. — время действия короткого замыкания (t_к.з =1с.);

t_прот.т — Время протекания тока короткого замыкания.

— условие выполняется.

Выбранный нами трансформатор тока прошел все проверки, следовательно, пригоден для эксплуатации.