Электрические аппараты, провода, кабели и шины должны выдерживать кратковременные импульсы электродинамических сил и тепловые импульсы, возникающие в момент короткого замыкания. Поэтому при выборе аппаратов и проводников необходимо рассчитывать их не только по условиям длительной работы в нормальном нагрузочном режиме, но и проверять динамическую и термическую устойчивость при коротком замыкании.
Электродинамическая сила, действующая на шинную конструкцию при трехфазном коротком замыкании, определяется согласно ПУЭ, по формуле
где l — расстояние между изоляторами, к которым жестко прикреплена шина, см; о — расстояние между осями шин смежных фаз, см; /у — амплитудное значение ударного тока трехфазного короткого замыкания, А.
Эта сила создает изгибающий шину момент
и вызывает в материале шины напряжение от изгиба
где IV — момент сопротивления шины, зависящий от формы и взаимного расположения шин. При расположении шин плашмя
при расположении шин на ребро
|
|
где Ъ — толщина полосы, см; Н — ширина (высота) шины, см. Допустимое напряжение в алюминиевых шинах одол= 65 МПа.
Если расчетное напряжение ор > одоп, то изменяют шинную! конструкцию или ограничивают ток короткого замыкания.
Электродинамические усилия в электрических аппаратах трудно рассчитывать из-за разнообразия и сложности форм токоведущих частей. Поэтому заводы-изготовители указывают максимально! допустимое (амплитудное) значение тока короткого замыкания lм, которое нельзя превышать. Следовательно, проверка аппарата на динамическую устойчивость сводится к проверке выполнения условия
Термическое действие токов короткого замыкания связано с выделением теплоты в проводниках при прохождении в них тока 1. По закону Джоуля—Ленца
где 0 — выделяющаяся теплота, Дж; г — сопротивление проводника, Ом; / — время прохождения тока, с.
И динамическое, и термическое действия тока короткого замыкания пропорциональны квадрату тока трехфазного короткого замыкания.
Согласно ПУЭ, кратковременный нагрев алюминиевых шин, проводов и кабелей при коротком замыкании не должен превышать 200 °С. Нагрев приближенно оценивается по тепловому им-
пульсу тока короткого замыкания Вк Аппарат устойчив, если
где Iн — номинальный ток термической устойчивости аппарата, задаваемый заводом-изготовителем; tn — номинальное расчетное время термической устойчивости аппарата, указываемое заводом-изготовителем в каталогах.
Тепловой импульс тока короткого замыкания равен сумме тепловых импульсов от периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания.
|
|
Тепловой импульс от периодической составляющей
где iп — действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания, кА; {ир — приведенное время от возникновения до отключения тока короткого замыкания, с. Тепловой импульс от апериодической составляющей
где Га — постоянная затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, зависящая от соотношения между индук-
Рис. 10.5. Схемы без секционирования (а) и с секционированием (б) шин РУ
тивным и активным сопротивлениями цепи короткого замыкания, Та = 0,02...0,05 с.
Приведенное время /пр слагается из времени действия защиты ^защ и времени отключения выключателя (в= 0,15...0,2 с:
Рис. 10.5. Схемы без секционирования (а) и с секционированием (б) шин РУ
Если основная защита имеет выдержку времени, то хъ увеличивается на Аt. Для промышленных сетей можно считать tпр» Т.л, тогда, принимая во внимание только тепловой импульс от периодической составляющей, получаем условие термической устойчивости аппарата
т. е. термическая устойчивость аппарата должна быть не ниже теплового импульса тока короткого замыкания.
При больших расчетных значениях тока трехфазного короткого замыкания требуется по условиям динамической и термической устойчивости применять самые дорогие аппараты, а также кабели с площадью сечения жил, превышающей площадь экономического сечения, выбранную по условиям нормального режима. Так бывает, например, при замене старых трансформаторов более мощными новыми в связи с ростом нагрузки на предприятии. Чтобы избежать переустройства всей сети и замены кабелей, шин, аппаратуры, необходимо ограничить ток короткого замыкания. Сделать это можно двумя способами.
Первый способ заключается в глубоком секционировании сборных шин РУ всех напряжений в системе электроснабжения предприятия (рис. 10.5). Для этого отключается секционный коммутационный аппарат ОР, в результате чего одна часть предприятия получает питание от трансформатора 77, а другая — от трансформатора 72. Если одна из цепей, например та, в которую входит 77, отключится, то автоматически или вручную обеспечивается подключение секции шин, потерявшей питание, к другой секции, питаемой от Т2. При коротком замыкании К^ на секции 77 ток короткого замыкания /к| будет проходить только по одной цепи, т.е. окажется почти вдвое меньше, чем при отсутствии секционирования. Однако этого мероприятия недостаточно, если номинальная мощность трансформаторов ГПП превышает 25...40 МВА.
Рис. 10.6. Схемы без расщепления (а) и с расщеплением (б) вторичной обмотки трансформатора
6(10)кВ
Рис. 10.7. Схемы ограничения токов короткого замыкания:
а — групповым реактированием всех отходящих линий; 6 — индивидуальным реактированием; в — групповым реактированием цепи трансформатора
В таких случаях применяют расщепление обмоток трансформаторов ГПП (рис. 10.6). Мощность каждой вторичной обмотки напряжением 6 (10) кВ составляет половину мощности трансформатора, поэтому ее сопротивление в 2 раза больше, чем при отсутствии расщепления, и ток короткого замыкания будет в 2 раза меньше (/к/2).
Второй способ предусматривает последовательное включение реактора в цепь питания. На рис. 10.7, а показано групповое реак-тирование всех отходящих линий и сборных шин напряжением 6 (10) кВ путем включения реактора в цепь вторичной обмотки трансформатора ГПП, на рис. 10.7, б — индивидуальное реактирова-ние, за счет включения реакторов в цепь каждой отходящей линии; на рис. 10.7, в — групповое реактирование цепи трансформатора, применяемое в тех случаях, когда нужно удвоить число секций шин подстанции. Последняя схема имеет дополнительное преимущество: в результате электромагнитной связи ветвей сдвоенного реактора сопротивление их при равенстве токов /' и /" в ветвях в 2 — 2,5 раза меньше, чем при различии этих токов. Благодаря этому в нормальном режиме работы частично устраняется потеря напряжения в реакторе, что важно, так как требуется, чтобы эта потеря не превышала 3...4 % от U Н.
|
|
Ограничение токов короткого замыкания в сетях напряжением ниже 1000 В осуществляют снижением до 2 500 кВ А мощности трансформаторов напряжением 6 (10)/0,4 кВ, устанавливаемых в цехах.
На ток однофазного короткого замыкания также оказывает влияние режим нейтралей трансформаторов.