Способность аппаратов, проводников и изоляторов противостоять электродинамическим и термическим воздействиям, возникающим при прохождении через них наибольших токов КЗ, называют соответственно электродинамической и термической стойкостью.
При КЗ с достаточной для практики точностью процесс нагрева можно принять адиабатическим:
,
где ik (t) — функция, характеризующая изменение тока КЗ во времени; R J — сопротивление проводника при данной температуре J; C J — удельная теплоемкость проводника при данной температуре; G — масса проводника.
Учитывая, что сопротивление проводника и его удельная теплоёмкость являются функциями температуры:
,
где r 0 и с0 — удельные сопротивление и теплоёмкость проводника при начальной температуре J н=0 °С; a и b — температурные коэффициенты сопротивления и теплоемкости; S, l, g — площадь поперечного сечения, длина и плотность проводника.
Разделяя переменные и интегрируя в требуемых пределах, получаем уравнение
которое позволяет определить конечную температуру проводника Jк при нагреве его током КЗ от начальной температуры J н. Однако аналитическое решение этого уравнения сложно, и поэтому для распространенных проводниковых материалов построены зависимости значений второго интеграла от конечной температуры (при J н=0), которые представлены на рис. 2.8.
|
|
Рис. 2.8. Кривые для определения температуры нагрева токоведущих частей при КЗ
Первый интеграл, зависящий от тока КЗ и времени отключения t откл, получил название импульса квадратичного тока КЗ В. Его приближённое значение может быть выражено через действующие значения полного тока и его составляющих
,
где — действующее значение полного тока КЗ в момент времени t; I п, t — действующее значение периодической составляющей; iа,t — апериодическая составляющая.
Таким образом, импульс квадратичного тока КЗ равен сумме импульсов от периодической B п и апериодической B а составляющей.
Импульс от периодической составляющей можно определить графоаналитическим методом путем замены плавной кривой ступенчатой с ординатами, соответствующими средним значениям квадратов действующих значений токов для каждого интервала времени :
.
В тех случаях, когда место замыкания удалено от генераторов или требуется грубо (с завышением) оценить импульс от периодической составляющей, можно принять, что периодическая составляющая не затухает, т. е. и .
Импульс от апериодической составляющей тока КЗ равен:
.
При находим
.
Тогда конечная температура проводника будет равна
.
На рис. 2.8 откладываем по оси ординат Jн и по соответствующей кривой (точка а) находим А н. Прибавляя к А н (на оси абсцисс) величину B / S 2, получаем А н и отвечающую ей температуру проводника Jк (точка б на кривой).
|
|
Конечная температура при КЗ не должна быть выше допускаемой по условию сохранения изоляции или по условию механической прочности (для неизолированных проводников).
Условие термической стойкости проводника:
;
.
Термическую стойкость аппаратов принято характеризовать номинальным током термической стойкости I тер при определенной длительности его прохождения, называемой номинальным временем термической стойкости t тер. Для проверки аппарата на термическую стойкость сопоставляют нормированное заводом изготовителем значение теплового импульса с расчётным. Условие термической стойкости аппарата формулируется в виде:
.
Методика расчета термической и динамической стойкости проводников и аппаратов боле подробно приведена в руководящих указаниях по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования РД 153–34.0–20.527-98