+7 (812) 448-30-88
+7 (812) 910-22-50
Заказать звонок →
Мы перезвоним вам

Содержание:
  1. Электродинамические и термические действия токов короткого замыкания. Ограничение токов короткого замыкания
  2. Выбор аппаратов и токоведущих частей

Электродинамические и термические действия токов короткого замыкания. Ограничение токов короткого замыкания

Электродинамические действия токов КЗ. При коротких замыканиях в результате возникновения ударных токов КЗ в шинах и других конструкциях распределительных устройств возникают электродинамические усилия, создающие изгибающие моменты и, следовательно, механические напряжения в металле, которые должны быть меньше максимально допустимых напряжений для данного металла.

Электродинамическое действие ударного тока КЗ при трехфазном коротком замыкании определяется силой взаимодействия между проводниками при протекании по ним ударного тока iу. Наибольшая сила F(З) (кгс), действующая на шину средней фазы при условии расположения проводников (шин) в одной плоскости:

a6146-clip-3kb

где 2b3f6-clip-484b – коэффициент, учитывающий несовпадение мгновенных значений

ударного тока в фазах;

l, а – длина и расстояние между токоведущими частями, см.

Рассматривая шину как равномерно нагруженную многопролетную балку, получаем выражение изгибающего момента (кгс×см), создаваемого ударным током

a9cd4-clip-2kb

Тогда наибольшее напряжение в металле при изгибе

8820a-clip-3kb

где l – расстояние между опорными изоляторами, см;

а – расстояние между осями шин смежных фаз, см;

W – момент сопротивления, см3.

При расположении шин плашмя (см. рис. 1, а)

9b713-clip-2kb

При расположении шин на ребро (см. рис. 1, б)

10645-clip-2kb

Расчетные величины напряжений в шине σр должны быть меньше допустимых напряжений σдоп.

e370e-clip-29kb

Рис. 1. Расположение шин на изоляторах:

а – плашмя; б – на ребро

Термические действия токов КЗ. Токоведущие части, в том числе и кабели, при коротких замыканиях могут нагреваться до температуры, значительно большей, чем при нормальном режиме. Чтобы токоведущие части были термически устойчивы к токам КЗ, величина расчетной температуры τр должна быть ниже допустимой температуры τдоп для данного материала.

За действительное время протекания тока КЗ принимается суммарное время действия защиты tз и выключающей аппаратуры tвыкл:

t = tз + tвыкл.

При проверке токоведущих частей на термическую устойчивость обычно пользуются понятием приведенного времени tпр, в течение которого установившийся ток КЗ I¥ выделяет то же количество тепла, что и изменяющийся во времени ток КЗ, за действительное время t.

cc944-clip-16kb

Рис. 2. Кривые приведенного времени периодической составляющей

тока КЗ при питании от генератора с АРВ

Приведенное время определяется составляющими времени периодической и апериодической составляющих тока КЗ:

142e0-clip-2kb

Величину tпр.п при действительном времени t < 5с находим по кривым зависимости tпр.р = f (b²) (см. рис. 2), где

fc8c8-clip-1kb

При действительном времени t >5с величина tпр.п = tпр.5 + tпр,а. приведенное время для t = 5с. Приведенное время апериодической составляющей

tпр.а = 0,005b²2.

При действительном времени t < 1с величина tпр.а не учитывается. Расчет на термическую устойчивость токоведущих частей производится по кривым нагрева различных металлов, представляющих зависимость (см. рис. 3)

τ = f(A) = f(j2 tпр),

где j = I/s – плотность тока, А/мм2;

tпр – приведенное время действия тока КЗ, с.

Если определены величины I¥ и tпр, то, зная максимально допустимую температуру для данного металла 1ebdb-clip-399b, по указанным кривым нагрева находят величину А = (I¥/s)2tпр, откуда определяют сечение проводника s.

Если известна также начальная температура нагрева проводника до короткого замыкания (τнач), то по тем же кривым нагрева для температуры τнач определяется величина Анач. Обозначим через Ак величину, пропорциональную полному количеству тепла, выделяемого в проводнике после короткого замыкания. Тогда

522e7-clip-2kb

или

aa901-clip-3kb

77251-clip-11kb

Рис. 3. Кривые нагрева токоведущих частей при коротких замыканиях

Сечение кабеля на термическую устойчивость для трехфазного КЗ проверяется как

d8856-clip-2kb

где с = Ак – Анач – коэффициент, соответствующий разности выделенного тепла в

проводнике после и до короткого замыкания.

Он имеет следующие значения: для кабелей напряжением 6-10кВ с медными жилами – 141; с алюминиевыми жилами – 85; для алюминиевых шин – 88; для медных шин – 171; для стальных шин – 60.

Ограничение токов КЗ. При питании электроустановок промышленных предприятий от мощных энергосистем приходится значительно повышать сечение токоведущих частей и габариты аппаратов, выбирать их по условиям нормального режима, а также динамической и термической устойчивости. Это увеличивает капитальные затраты и расход цветного металла. Ограничение величины токов КЗ является одним из способов уменьшения стоимости сооружения и эксплуатации электрических установок. Наиболее распространенными способами ограничения токов КЗ являются:

а) раздельная работа трансформаторов и питающих линий;

б) включение в сеть дополнительных сопротивлений-реакторов;

в) применение трансформаторов с расщепленными обмотками.

Наибольшее применение находит установка реакторов на линиях потребителей, подключаемых непосредственно на шины электрических станций, а также на районных подстанциях большой мощности, питающих маломощные заводские подстанции. Схемы электрических соединений для ограничения токов КЗ в цепи генераторов, на сборных шинах станций и подстанций, на отходящих от электростанций и подстанции линиях.

Выбор аппаратов и токоведущих частей

Токоведущие части (шины, кабели) и все виды аппаратов (выключатели, разъединители, предохранители, измерительные трансформаторы, применяемые для электроустановок) должны выбираться в соответствии с вычисленными максимальными расчетными величинами (токами, напряжениями, мощностями отключения) для нормального режима и короткого замыкания. Для их выбора производится сравнение указанных расчетных величин с допускаемыми значениями для токоведущих частей и высоковольтного оборудования. Составляется таблица сравнения указанных расчетных и допустимых величин. При этом для обеспечения надежной безаварийной работы расчетные величины должны быть меньше допустимых.

Выбор шин и изоляторов. Шины распределительных устройств выбираются по номинальным параметрам, соответствующим нормальному режиму и условиям окружающей среды, и проверяются режим короткого замыкания. Наибольшее допустимое при изгибе напряжение σдоп для шин:

медных МТ составляет 1400 кгс/см2 при t = 300°С;

алюминиевых AT –          700 кгс/см2 при t = 200°С;

стальных               –         1600 кгс/см2 при t = 400° С.

Изоляторы выбирают на номинальное напряжение и номинальный ток и проверяют на механическую нагрузку при коротких замыканиях. Расчетная нагрузка (кгс) на опорные изоляторы 9cb75-clip-1kbПолученное значение Fp не должно превышать 60% от разрушающей грузки для данного типа изолятора.

Пример 1. Выбрать и проверить шины на динамическую устойчивость к токам КЗ при расчетном токе нагрузки Iн = 1200А, ударном токе iу = 50кА; шины установлены на изоляторах плашмя с расстоянием между фазами а = 350мм и расстоянием между изоляторами в пролете l = 1300мм.

Решение. Выбираем по расчетному току шины алюминиевые размером (80х8)мм2 с допустимой токовой нагрузкой 1320А. Момент сопротивления шин при установке их плашмя W = bh2/6 = 0,8·82/6 = 8,54см3. Расчетное напряжение металле шин по формуле (3)

f023e-clip-3kb

Причем σр < σдоп, т.е. 250 < 700 кгс/см2, и поэтому шины динамически устойчивы.

Выбор кабелей. Кабели, как и шины, выбираются по номинальным параметрам (ток, напряжение) и проверяются на термическую устойчивость при коротких замыканиях.

Максимально допустимыми кратковременными температурами нагревa при коротких замыканиях считаются: для силовых кабелей до 10кВ с медными жилами и бумажной изоляцией 200°С; для силовых кабелей до 10кВ с алюминиевыми жилами 200°С; для силовых кабелей на 20-110кВ с медными жилами 220°С; для медных 300°С; для шин алюминиевых 200°С.

Проверка сечения кабеля на термическую устойчивость к токам КЗ производится по формуле (10).

Пример 2. Кабель марки ААБ на напряжение 10кВ выбран по расчетному току 95А сечением 35мм2. Проверить кабель на термическую устойчивость к токам КЗ при Iк = I¥ = 6500А. Расчетное (приведенное) время действия тока КЗ tпр = tвыкл + tзащ = 0,15 + 4- 0,45 = 0,6с; уточненное значение находят по рисунку 2.

Решение. Определяем минимальное сечение кабеля по термической устойчивости

80857-clip-2kb

Следовательно, сечение кабеля 35 мм2 не удовлетворяет условиям термической устойчивости. Принимаем время действия защиты 0,35с и выбираем кабель сечением 50мм2, тогда

53859-clip-2kb

Выбранное сечение кабеля (50мм2) отвечает условиям устойчивости.

Выбор реакторов. Производится по расчетному току линий и заданной величине допустимого тока КЗ для рассчитываемой точки схемы. Расчетное сопротивление реактора

14222-clip-4kb

где Iном.р, Uном.р – номинальные ток и напряжение реактора;

Iк – величина допустимого тока КЗ для расчетной точки; задается или

принимается по каталогам для устанавливаемой высоковольтной

аппаратуры;

хб* – относительное базисное сопротивление схемы замещения до точки

установки реактора при токе Iб.

По расчетному значению хр подбирается наиболее соответствующий ему тип реактора, который должен не только ограничивать ток КЗ, но и поддерживать необходимое остаточное напряжение Uост (%) на шинах станции или подстанции:

34132-clip-2kb

Выбор высоковольтных выключателей напряжением более 1000В. Производится по номинальным напряжению и току, конструктивному выполнению и месту установки, отключаемым току и мощности.

Высоковольтные аппараты выбираются на основании сравнения каталожных данных с соответствующими расчетными данными, чего составляется сравнительная таблица (см. пример 3).

Условие устойчивости к токам КЗ проверяется сравнением величины отключаемого выключателем тока Iоткл при данном напряжена с действующим током КЗ It для времени t, равном сумме времен срабатывания релейной защиты tз и собственного времени действа выключателя tвыкл.

Практически принимается, что при времени отключения выключателей, равном 0,1с, величина тока It равна начальному значению периодической слагающей тока КЗ I″. Отключающая способноcть выключателя Iоткл или Sоткл будет достаточной, если Sоткл > S" = Sк или Iоткл > I" = Iк. Если Sоткл < Sк, то следует точно проверить отключающую способность выключателя для действительного времени отключения.

Разъединители – аппараты, не предназначенные для отключения токов КЗ, поэтому на отключающую способность они не проверяются.

На термическую устойчивость высоковольтные аппараты проверяются по условию

28c08-clip-2kb

где It – ток термической устойчивости, допускаемый заводом-изготовителем,

в течение t, с.

Например, если для высоковольтного выключателя указано I5 = 19кА, то это значит, что данный выключатель выдерживает ток термической устойчивости величиной 19кA в течение 5с.

Исходя из формулы (13), проверим термическую устойчивость аппаратов:

e4976-clip-2kb

Проверка динамической устойчивости аппаратов производится сравнением iмакс (по каталогу) с iу (по расчету).

Выбор высоковольтных предохранителей. Производится по конструктивному выполнению, номинальным напряжению и току, предельно отключаемым току Iоткл и мощности Sоткл. Условия устойчивости высоковольтных предохранителей к токам КЗ выполняются, если Iоткл ³ I" = Iк и Sоткл > S" = Sк, где Iоткл – наибольший ток, отключаемый предохранителем (по каталогу).

Выбор трансформаторов тока. Выбираются по номинальным току и напряжению, нагрузке первичной и вторичной катушек, классу точности и допускаемой погрешности и проверяются на термическую и динамическую устойчивость к токам КЗ, а также на 10%-ную погрешность в цепях защиты.

Трансформаторы тока выбираются по кратности электродинамической и термической устойчивости (kдин и kt). Электродинамическая устойчивость выполняется, если

e4d9a-clip-3kbили

5acc6-clip-2kb

где kдин дается в каталогах на трансформаторы тока;

Iном1 – номинальный первичный ток трансформатора тока.

Кратность термической устойчивости kt трансформаторов тока соответствует времени 1с и также дается в каталогах. Условие термической устойчивости трансформатора тока выполняется, если

df934-clip-2kb

или

31d33-clip-1kb

Номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора тока S2 должна быть не менее суммы мощности, потребляемой приборами Sпp и мощности, теряемой в проводах и переходных контактах:

38897-clip-2kb

где rпр, rк – сопротивления проводов и контактов.

Сопротивление всех переходных контактов принимается равным 0,1Ом, величина тока I2 = 5А. Таким образом, можно определить сопротивление проводов между трансформатором тока и измерительными приборами

b112f-clip-2kbСхема соединения трансформаторов тока. При соединении в неполную звезду двух трансформаторов тока сечение соединительных проводов (мм2)

3ae12-clip-2kb

При соединении в полную звезду трех трансформаторов тока сечение (мм2)

6cd51-clip-2kb

При установке одного трансформатора тока сечение (мм2)

0ceea-clip-2kb

Выбор трансформаторов напряжения. Выбираются по номинальным параметрам, классу точности и нагрузке, определяемой мощностью, которая потребляется катушками электроизмерительных приборов, подключенных к данному трансформатору. Номинальная мощность трансформатора напряжения должна быть равна или больше суммарной активной и реактивной мощности, потребляемой параллельными катушками приборов и реле:
33daa-clip-3kb

где PΣ = Sпp·cosφпр – суммарная активная мощность, потребляемая катушками

приборов;

QΣ = Pпp·tgφ – реактивная мощность.

Значения мощностей Pпp, потребляемых параллельными катушками приборов, и их cosφ даются в справочниках.

Пример 3. Выбрать масляный выключатель, разъединитель и трансформатор тока для линии 10кВ, Iмакс = 360А, Iк = 10кА, iy =18кА, tпр = 2,2с.

Решение.  Выбираем  масляный выключатель типа  ВМП-10К на ток 600A,  разъединитель  типа  РВ-10/400, трансформатор тока типа ТПЛМ-10/400-0,5/р с двумя вторичными обмотками (для приборов учета и реле).

027ec-clip-16kb

Для трансформатора тока типа ТПЛМ-10/400-0,5/Р с двумя вторичными обмотками  (для приборов и реле) kдин = 160, kt = 65. Составляем сравнительную таблицу.

8dd73-clip-9kb