Термическое и электродинамическое действие токов КЗ

Протекание токов КЗ может привести к перегреву и расплавлению проводников, оплавлению контактов, если время воздействия этих токов не будет ограничено. Короткие замыкания в сетях с глухим и эффективным заземлением нейтрали отключаются автоматически действием защиты. Время отключения – от долей секунды до нескольких (2 ÷ 4) секунд.

Выбранные для установки в сети аппараты должны проверяться на динамическую и термическую стойкость при воздействии токов КЗ.

Термической стойкостью аппарата и проводника называется его способность выдерживать кратковременное тепловое воздействие токов КЗ без повреждений. Термическая стойкость аппарата характеризуется его номинальным током термической стойкости I_T и временем прохождения этого тока через аппарат t_T. Эта обобщенная характеристика выражается интегралом Джоуля В_к [7, 8], связывающим величину тепловых потерь в проводнике при прохождении тока КЗ с величиной этого тока.

В соответствии с законом Джоуля – Ленца количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально сопротивлению этого проводника R, квадрату величины протекающего по нему тока i и времени его протекания t:

(Дж) (2.20)

или в интегральной форме

(2.20а)

Величина В_к = получила название интеграл Джоуля и используется для характеристики термической стойкости проводников и аппаратов к действию токов КЗ. Аппарат термически устойчив, если

В_к ≤ , (2.21)

где I_т - паспортные значения соответственно тока и времени термической стойкости аппарата.

Считая процесс нагрева проводника адиабатическим, т.к. время КЗ составляет от 0,01 до 4 с, в течение которого практически не происходит теплообмена с окружающей средой, можно записать количество теплоты, полученной материалом проводника

(2.22)

где = Т_к – Т_н - изменение температуры при КЗ от начальной температуры нормального режима,

G – масса проводника, кг;

– теплоемкость материала, кДж/кг·К.

Отсюда, зная начальную температуру, можно определить температуру нагрева проводника при КЗ.

Рассчитанный ток КЗ должен быть меньше допустимого тока термической устойчивости проводника или коммутационного аппарата.

Допустимые температуры для проводников и аппаратов в нормальном режиме и при КЗ приведены в табл.А.7, приложение А.

Проверка аппаратов и проводников осуществляется также на электродинамическую стойкость при воздействии токов КЗ. Между двумя проводниками, по которым проходит ток, действует сила, величина которой зависит от величин токов, проходящих по проводникам, расстояния между ними и длины участка взаимодействия. Так сила взаимодействия двух параллельных проводников на длине l равна

(2.23)

где а - расстояние между проводниками, м,

i₁ и i₂ – мгновенные значения токов в проводниках.

Если токи в проводниках одинаковы (например, прохождение сквозного тока КЗ в обмотке трансформатора), то сила взаимодействия между проводниками или витками пропорциональна квадрату тока КЗ.

При возникновении КЗ токи в проводниках увеличиваются в несколько раз. Соответственно сила взаимодействия увеличивается пропорционально квадрату кратности токов при КЗ, что особо существенно для шинопроводов в распределительных устройствах, а также проводников в катушках трансформаторов. Максимальная сила взаимодействия развивается в момент прохождения максимального, т.е. ударного тока КЗ, равного сумме периодической и апериодической составляющих тока КЗ. Максимальные значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ имеют место, если КЗ происходит в момент прохождения кривой напряжения через 0. В этом случае максимальное значение тока к.з. имеет место в момент времени, равный половине периода t=0,01c.

i_уд ≈ i_t=0,01 = (2.24)

где k_у – ударный коэффициент, величина, которого зависит от соотношения х/r в расчетной схеме. Определить k_у можно по расчетным кривым [Федоров, справочник ЭПП, ч.1, рис.4.12]. или ориентировочно по табл. 1.1 в зависимости от места расположения точки КЗ.

Таблица 2.1- Значения ударного коэффициента k_у

Место КЗ	Значение kу
Выводы явнополюсного гидрогенератора без успокоительной обмотки с успокоительной обмоткой	1,95 1,93
Выводы турбогенератора	1,91
Во всех остальных случаях, когда не учитывается активное сопротивление цепи КЗ	1,8
Удаленные точки КЗ с учетом величины активного сопротивления	По кривым зависимости kу =f(x/r)

Для внутризаводских сетей характерно соотношение х/r ≤ 3, поэтому k_у может приниматься в пределах 1÷1,4 (меньшее значение для сетей до 1 кВ, удаленных от источников питания).

Расчетное значение ударного тока должно быть меньше допустимого для конкретного аппарата или проводника.

Выбор расчетной точки к.з. определяется конкретными целями расчета: для выбора коммутационных аппаратов рассчитывается КЗ в непосредственной близости к аппарату («на зажимах аппарата»), за трансформатором, в начальной точке токопровода или шин РУ. Для выбора уставок релейных защит селективного действия и устройств автоматики требуется также расчет минимальных токов КЗ, которые должна почувствовать защита. Как правило, это токи в конце участка линии или шин или при отключенном наиболее мощном источнике подпитки места КЗ.

При выполнении расчетов токов КЗ в цеховых сетях напряжением до 1 кВ рекомендуется выражать сопротивления элементов в мОм (Ом·10­^-3), мощность электроприемников в кВт, трансформаторов в кВА, напряжение – кВ, при этом расчетный ток КЗ получим в кА. Величины активных и индуктивных сопротивлений элементов электрических схем представлены в [7] и Приложении А, табл.А.8 – А.11. Сопротивление ошиновки РУ в расчетах токов к.з. для выбора аппаратуры, как правило, не учитывается. Сопротивления шинопроводов, к которым подключаются электроприемники, должны учитываться (см. раздел.3).

Пример расчета токов КЗ на участках электрической сети предстален в Приложении Е1.

Вопросы для самопроверки.

1 Виды коротких замыканий

2 Основные расчетные параметры токов КЗ и их определение.

3 Составление схемы замещения. Отличие схем замещения сетей напряжением выше 10 кВ и ниже 1 кВ.

4 Термическая и динамическая стойкость проводников и аппаратов к токам КЗ, расчет этих параметров.

5 Режимы заземление нейтрали электрических сетей, их использование. Требования к заземляющим устройствам сетей разных уровней напряжения.

6 Зануление электроприемников и его назначение.