Лекция 5 расчет токов коротких замыканий
5.1. Общие сведения
5.2. Термические и электродинимические процессы
в элементах СЭС
5.3. Порядок расчета токов коротких замыканий в СЭС
5.4. Проверка элементов СЭС на действия токов коротких
замыканий
5.1. Общие сведения
Коротким замыканием называется непосредственное соединение любых точек разных фаз или фазы и нулевого провода электрической цепи, которое не предусмотрено нормальными условиями работы установки.
Причинами коротких замыканий чаще всего являются пробой изоляции электрических проводов и электрооборудования из-за перенапряжений и постепенного старения изоляционных материалов, схлестывания и набросы голых проводов воздушных линий, механические повреждения кабельных линий, а иногда и ошибочные действия персонала станций, подстанций и сетей.
Короткие замыкания вызывают резкое увеличение токов в электрических установках. Электрооборудование, выбранное по условиям нормального режима, должно быть также устойчивым при динамических и термических действиях токов короткого замыкания.
ПУЭ предписывают, какие виды электрического оборудования должны выбираться с учетом динамической и термической устойчивости при коротких замыканиях. К ним в первую очередь относятся электрические аппараты высокого напряжения станций и подстанций, шины, кабели, изоляторы. Провода воздушных линий, как правило, по условиям короткого замыкания не проверяются.
В установках напряжением до 1000 В требования устойчивости при коротких замыканиях предъявляются только к главным и распределительным щитам, предохранителям и автоматическим выклю чателям.
5.2. Термические и динамические процессы в элементах сэс
При возникновении короткого замыкания общее сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются. За время КЗ с момента его возникновения до момента отключения поврежденного участка в цепи протекает переходный процесс с большими мгновенными токами, вызывающими электродинамическое воздействие на электрооборудование. При длительном (более 0,01 с) коротком замыкании токи оказывают термическое действие, которое может привести к значительному повышению температуры нагревания электрооборудования.
В нормальных эксплуатационных режимах электродинамические силы невелики. Однако при КЗ токи увеличиваются в 10–20 раз, а электродинамические силы – в 100–400 раз. Последствием воздействия этих сил могут быть разрушения аппаратов и конструкций распределительных устройств. Поэтому для проверки динамической устойчивости аппаратуры и токопроводящих конструкций важно знать величину этих механических сил.
Электродинамическое воздействие заключается в том, что проводники с токами притягиваются или отталкиваются друг от друга. Сила, с которой взаимодействуют проводники (электродинамическая сила), пропорциональна произведению взаимодействующих токов
Величина динамического усилия, возникающего при протекании тока короткого замыкания, может быть определена на основании закона Био–Савара:
,
где i1, i2 – токи в проводниках, А; d – расстояние между осями проводников, м. Знак «+» или «–» указывает направление действия силы. При одинаковом направлении токов усилие стремится сблизить проводники (+), при разных направлениях – оттолкнуть (–).
Не меньшую опасность представляет термическое действие токов КЗ. Токи короткого замыкания вызывают дополнительный нагрев токоведущих частей электрических аппаратов, шин распределительных устройств и жил электрических кабелей.
Известно, что тепло, выделенное в проводнике при протекании по нему тока I за время t, равно
,
где R – активное сопротивление проводника.
Очевидно, что тепловыделения приводят к существенному увеличению температуры проводников и изоляции. Однако, поскольку протекание тока КЗ обычно происходит в течение малого промежутка времени (не более нескольких секунд), для различных токоведущих частей и элементов допускаются некоторые повышения температур сверх тех, которые устанавливаются для рабочего режима.
Тем не менее время отключения КЗ (сумма времени срабатывания защиты и собственного времени отключения выключателя) не всегда удается выбрать достаточно малым по многим причинам. Поэтому все электрические аппараты и токоведущие части, по которым могут проходить токи КЗ, проверяют по условию термической стойкости.