а) Динамическое действие токов к. з.
При к. з. по токоведущим частям проходят токи переходного режима, вызывая сложные усилия в шинных конструкциях и аппаратах электрических установок.
Согласно [18] усилия, действующие на жесткие шины и изоляторы, рассчитываются по наибольшему мгновенному значению тока трехфазного к. з. iy. При этом определяется максимальное усилие Л3) на шинную конструкцию без учета механических колебаний, Н:
71
где b, h — размеры поперечного сечения шин, см.
Полученное по формуле (3-12) расчетное напряжение в материале шин не должно превышать для меди 140 МПа, для алюминия марки АТ 70 МПа, для стали 160 МПа.
В многополосных шинах кроме усилия между фазами возникает усилие между полосами; расчет в этом случае усложняется, он рассматривается в [11].
Электродинамические усилия в токоведущих частях выключателей, разъединителей и других аппаратов сложны и трудно поддаются расчету, поэтому заводы-изготовители указывают допустимый через аппарат предельный сквозной ток к. з. (амплитудное значение) ίΠρ. с, который не должен быть меньше найденного в расчете ударного тока iy при трехфазном к. з. Таким образом, проверка аппаратов по электродинамической стойкости производится по условию
б) Термическое действие токов к. з.
Токи к. з. вызывают нагрев токоведущих частей, значительно превышающий нормальный. Чрезмерное повышение температуры может привести к выжиганию изоляции, разрушению контактов и даже расплавлению металла, несмотря на кратковременность процесса к. з. После отключения поврежденного участка прохождение тока к. з. прекращается, токоведущие части охлаждаются. Наибольшие допустимые температуры нагрева при к. з. определяются ПУЭ. Так, медные шины допускают нагрев до 300° С, алюминиевые — до 200° С, кабели с бумажной изоляцией — до 200° С.
При выборе токоведущих частей необходимо найти конечную температуру нагрева токами к. з.
Рис. 3-9. Расположение шин на изоляторах. а — плашмя; б — на ребро.
Из курса физики известно, что при прохождении тока в проводнике выделяется некоторое количество тепла, кал*:
где I — ток, А; r — сопротивление проводника, Ом; t — время прохождения тока, с.
Рис. 3-10. Диаграммы для определения конечной температуры проводника прн к. з.
а — для медных проводников; б — для алюминиевых проводников.
При к. з. расчет по этой простейшей формуле затруднен, так как ток к. з. состоит из периодической и апериодической составляющих, которые не остаются постоянными, сопротивление проводника по мере нагрева также меняется. С целью упрощения расчета пользуются диаграммами для определения температуры проводника (рис. 3-10).
По горизонтальной оси диаграммы отложена величина
!,
где Вк — тепловой импульс тока к. з., q — сечение проводника, мм2.
В приближенных расчетах, когда периодическая составляющая тока к. з. принимается незатухающей, тепловой импульс
(3-15)
где tотк — время отключения к. з., состоящее из времени действия защиты tз и времени отключения выключателя tв:
* 1 кал=4,1868 Дж по системе СИ.
Та — постоянная времени затухания апериодической составляющей, зависящая от соотношения между индуктивным и активным сопротивлениями цепи к. з. При расчетах в системе с. и. значением Та можно пренебречь. Более точные методы подсчета теплового импульса излагаются в [11].
По тепловому импульсу Вк и температуре шин до начала к. з. по рис. 3-10 определяют нагрев при к. з. ϑк и сравнивают его с допустимым по ПУЭ нагревом.
При известной (нормативной) температуре проводника при рабочем режиме и допустимой температуре нагрева при к. з. можно определить минимальное сечение проводника, термически стойкого при данном токе к. з.:
(3-16)
где Вк — тепловой импульс, А2-с; С — некоторая величина, зависящая от допустимой температуры и материалов проводника; рекомендуются следующие величины:
Шины медные . С = 171
Шины алюминиевые С = 88
Кабели до 10 кВ с бумажной изоляцией:
с медными жилами .. С = 141
с алюминиевыми жилами С = 85
Кабели и провода с поливинилхлоридной или резиновой изоляцией:
с медными жилами .. С = 123
с алюминиевыми жилами . С = 75
Проверка аппаратов на термическую стойкость производится по току термической стойкости It, заданному заводом- изготовителем.
Аппарат термически стоек, если Вк≤Itt, где t — расчетное
время термической стойкости по каталогу (1, 5, 10 с).
В настоящее время применяются быстродействующие релейные защиты, поэтому время прохождения тока к. з. невелико и аппараты, стойкие электродинамически, оказываются стойкими и в термическом отношении. Как показывает практика проектирования, аппараты с большими номинальными токами (более 1000 А) в проверке на термическую стойкость не нуждаются.
в) Ограничение токов к. з.
Необходимость выбора аппаратов и токоведущих частей электроустановок, электродинамически и термически стойких к токам к. з., приводит к завышению сечения шин и кабелей и утяжелению аппаратуры в том случае, когда токи к. з. велики. Последнее имеет место в мощных энергосистемах и на электростанциях с крупными генераторами. Уменьшение тока к. з. позволяет облегчить аппаратуру распределительных устройств и уменьшить сечение шин и кабелей, что снижает капитальные затраты на сооружение электроустановки.
Ограничение токов к. з. достигается путем раздельной работы трансформаторов и питающих линий. Раздельная работа генераторов приводит к значительному уменьшению токов к. з., но этот режим во многих случаях не оправдывается из технико-экономических соображений (надежность, экономичность, значение резервной мощности). Для ограничения токов к. з. в системе собственных нужд станции исключают параллельную работу трансформаторов, питающих отдельные секции. Так, если два трансформатора питают две секции с. н., соединенные между собой, то при к. з. на одной из секций результирующее сопротивление двух параллельно включенных трансформаторов
Если же исключить параллельную работу трансформаторов, то
где хт— сопротивление одного трансформатора.
Таким образом, во втором случае сопротивление цепи к. з. вдвое больше, поэтому ток к. з. будет уменьшен.
К такому же эффекту приводит применение трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения, которые имеют вдвое большее сопротивление каждой ветви по сравнению с трансформаторами такой же мощности, но без расщепления обмоток (см. расчетные формулы по табл. 3-1).
Для искусственного увеличения сопротивления короткозамкнутой цепи широко применяют реакторы. Реактор — это катушка без стального сердечника с изолированными витками, укрепленными в бетонном каркасе (возможно применение масляных реакторов). Реактор обладает значительным индуктивным и малым активным сопротивлением. Применяют самые разнообразные схемы включения реакторов на электрических станциях, подробное описание которых будет дано в гл. 5.
Реакторы не только снижают ток к. з., но одновременно служат и для предотвращения недопустимого снижения напряжения на шинах, откуда питается реактированная линия.
Сопротивление реактора выбирают из условия ограничения тока к. з. до некоторого допустимого значения Iк.доп. Если не учитывать сопротивления до реактора, то из формулы (3-4)
(3-17)
где Iн.р — номинальный ток реактора по каталогу; Iк.доп — допустимый ток к. з. за реактором по условию установки определенного типа выключателя или по условию выбора сечения кабелей.
Полученное по формуле (3-17) значение хр % округляется до ближайшего стандартного.
Вопросы для повторения
- Каковы наиболее частые причины возникновения к. з.?
- Какое влияние оказывает к. з. в системе собственных нужд на работу электродвигателей?
- Почему в современных системах стремятся применять быстродействующую релейную защиту и выключатели?
- В каком случае периодическая слагающая тока к. з. не изменяется по величине?
- В какой момент после начала к. з. возникает самый большой ток (ударный ток к. з.)?
- Какое влияние оказывают асинхронные двигатели на значение тока к. 3.?
- При каком значении тока к. з. возникают наибольшие силы взаимодействия между токоведущими частями?
- В чем заключается проверка токоведущих частей на термическую стойкость?
- Какие возможные пути снижения тока к. з.?
- Назначение реакторов в схемах с. н.
