Особенности расчета тока КЗ в цепях постоянного тока

На промышленных предприятиях устройства постоянного тока существуют в виде сетей электроснабжения внутризаводского электрического транспорта и сетей электроустановок. Сети городского транспорта – 500 В, сети ж/д транспорта – 3 кВ. Процессы КЗ в сетях постоянного тока различного назначения на промышленных предприятиях принципиально одинаковы. Ограничимся рассмотрением явлений при КЗ и расчета токов КЗ в сетях внутризаводского электрического транспорта [20].

Токи КЗ в тяговых устройствах возникают так же, как и в установках переменного тока. Особенностью цепей постоянного тока является то, что ток КЗ, в отличие от цепей переменного тока, плавно возрастает, стремясь к установившемуся значению.

Рис. 11.2. Принципиальная схема питания внутризаводского электрического

транспорта и схема замещения для расчета тока КЗ:

1 – преобразовательная подстанция; 2 – питающий провод; 3 – отсасывающий провод;

4 – контактный провод; 5 – рельсы

Определение тока короткого замыкания

Ток КЗ, действующий в цепи между источником тока и местом, где возникло КЗ, по закону Ома:

(11.5)

Напряжение на шинах подстанции снижается с увеличением ее нагрузки, что вызывает снижение тока КЗ, для учета этого введем в схему замещения эквивалентное сопротивление , представляющее собой сумму сопротивлений питающих линий переменного тока и преобразовательных агрегатов (рис. 1):

где – сопротивление преобразовательных агрегатов,

– сопротивление питающих линий переменного тока

Если считать, что характеристика преобразовательных агрегатов прямолинейна, то:

где – отношение потерь напряжения в преобразовательном агрегате при номинальной нагрузке , к номинальному выпрямленному напряжению U ном;

– число находящихся в работе преобразовательных агрегатов.

При повышении нагрузки увеличиваются потери напряжения в линиях переменного тока, вследствие чего снижается напряжение на шинах постоянного тока. Если обозначить через отношение потерь напряжения в линиях переменного тока при номинальной нагрузке к номинальному напряжению, то потери напряжений в питающей линии, приведенные к выпрямленному напряжению подстанции, будут равны . Заметим, что обычно k_л < k_п.

При работе подстанции часть питающих линий переменного тока может быть отключена, тогда потери напряжения на стороне выпрямленного тока определяются выражением , где – отношение сопротивления оставшегося числа линий, к сопротивлению линий, нормально находящихся в работе.

С учетом этого:

где − число рабочих агрегатов подстанции.

Тогда подставив в , получим: (11.6)

Напряжение ХХ подстанции: , (11.7)

где – коэффициент, учитывающий наибольшее допустимое в нормальных условиях работы снижение напряжения в питающей сети переменного тока относительно номинального. Снижение напряжения не должно превышать 5 %.

Из опыта эксплуатации известно, что короткое замыкание в цепях постоянного тока, если оно не подготовлено специально, является дуговым.

Параметры электрической дуги, возникающей при КЗ, зависят от конкретных условий появления и развития дугового КЗ. Характерной особенностью системы постоянного тока электростанций и подстанций является питание их от источников малой мощности, наличие довольно сложной конфигурации кабельных сетей и высокой насыщенности коммутационными и защитными аппаратами. Токи КЗ в этих установках не превышают значений 5–6 кА. [21].

В месте КЗ возникает дуга, сопротивление которой обусловливает потери напряжения , тогда напряжение, действующее в цепи КЗ:

. (11.8)

Полное сопротивление цепи КЗ: ,

где − сопротивление питающего провода, Ом;

− сопротивление отсасывающего провода, Ом;

− удельное сопротивление контактной сети, Ом/км;

− удельное сопротивление рельсов, Ом/км;

− расстояние от подстанции до места КЗ, км;

Ток КЗ определяют по формуле:

. (11.9)

Примечания:

1. При определении максимального тока КЗ допустимо не учитывать предварительную нагрузку подстанции и падения напряжения в дуге и на вентилях, а также принимать = 0.

2. При определении минимального тока КЗ предварительно следует сопротивления токоведущих частей привести к нормированной предельно допустимой температуре продолжительного режима.

При определении минимального значения тока КЗ необходимо учитывать увеличение активного сопротивления проводников от их нагрева током КЗ. Достоверные экспериментальные данные по эффекту увеличения сопротивления жил кабелей при КЗ показали, что активное сопротивление может увеличиться к моменту отключения КЗ в 2–3 раза в зависимости от условий КЗ [21].

В настоящее время для расчета токов КЗ и выбора аппаратов защиты в системе постоянного тока используется ГОСТ 29176−91 [6].