Порядок расчета токов короткого замыкания в СЭС

Лекция 5

Расчет токов коротких замыканий

Общие сведения

Термические и электродинимические процессы

В элементах СЭС

Порядок расчета токов коротких замыканий в СЭС

Проверка элементов СЭС на действия токов коротких

Замыканий

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 Втребования устойчивости при коротких замыканиях предъявляются только к главным и распределительным щитам, предохранителям и автоматическим выклю чателям.

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 i ₁, i ₂ – 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.

Порядок расчета токов короткого замыкания в СЭС

Рассмотрим причины возникновения, особенности протекания короткого замыкания и расчет токов короткого замыкания.

С момента возникновения короткого замыкания до его прекращения в короткозамкнутой цепи протекает переходный процесс, характеризуемый наличием двух составляющих токов короткого замыкания – периодического (колебательного) и апериодического.

На рисунке … приведены кривые изменения тока короткого замыкания системы неограниченной мощности (S_c = ∞). Здесь, а также в дальнейшем при рассмотрении явлений, вызванных коротким замыканием, приняты следующие обозначения токов: i_но - мгновенное значение тока нагрузки в момент короткого замыкания; i_{у –} мгновенное значение ударного тока короткого замыкания через полпериода (0,01 с) после возникновения короткого замыкания (по величине i_у проверяются электрические аппараты, шины и изоляторы на динамическую устойчивость); I_п.макс, i_п - соответственно максимальное и мгновенное значение периодической слагающей тока короткого замыкания; I_а.макс, i_ао – максимальное и мгновенное значения апериодической слагающей тока короткого замыкания; I_∞ - действующее значение установившегося тока короткого замыкания (по величине I_∞ проверяют электрические аппараты и токоведущие части на термическую устойчивость); I^п = I_но – начальное действующее значение периодической слагающей тока короткого замыкания.

Рис.5.1. Кривые изменения тока при коротком замыкании

Действующее значение полного тока короткого замыкания для произвольного момента времени t определяется соответствующими составляющими – периодической i_пt и апериодической i_аt.

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая – определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.