Термическое действие токов кз термическая стойкость

Действие токов короткого замыкания

При возникновении КЗ общее сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.

Протекание токов КЗ через элементы электрических установок вызывает электродинамические и тепловые воздействия.

Продолжительность КЗ составляет обычно доли секунды и, как исключение, может длиться несколько секунд. В течение этого короткого промежутка времени выделение тепла настолько велико, что температура проводников и аппаратов выходит за пределы, установленные для нормального режима. Процесс нагревания прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка системы, после чего происходит относительно медленное остывание.

Даже кратковременное повышение температуры проводников и контактов при КЗ может ускорить старение и разрушение изоляции, вызвать сваривание и разрушение контактов, потерю механической прочности шин и проводов, пожары и т.п. Для надежности работы электрической системы необходимо исключить такие повреждения, что достигается выбором соответствующих размеров токоведущих частей и по возможности быстрым отключением поврежденных частей. Способность аппарата и проводника противостоять кратковременному тепловому действию тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью.

Термическое действие сводится к нагреву токоведущих частей и аппаратов, по которым протекает ток КЗ. Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов, а также нагревостойкостью изоляции. Допустимые конечные температуры для аппаратов и проводников установлены на основании опыта. Они выше допустимых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяется не только температурой, но и продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала.

При расчетах учитывают, прежде всего, начальную температуру токоведущей части, до возникновения тока КЗ и прибавляют к ней температуру перегрева в результате действия токов КЗ. Значение t_нач обычно выбирается максимально возможная при максимально возможной нагрузке. Так, например, для стальных шин при t_окруж = 25 ºС за наивысшую температуру принимают 70ºС.

Установлены следующие максимально допустимые температуры перегрева током КЗ:

— медные шины и провода – 300 ºС;

— алюминиевые – 200 ºС;

— стальные – 250 ºС;

— силовые кабели при напряжении до 10 кВ с медными жилами – 200 ºС;

— с алюминиевыми жилами – 150 ºС.

Токи КЗ сопровождаются значительными электродинамическими усилиями между проводниками, что может вызвать разрушение токоведущих частей и изоляции. В виду больших значений токов КЗ эти воздействия приводят к повреждению электроустановок, т.к. механическая сила взаимодействия, возникающая между двумя проводниками с током, прямопропорциональна произведению токов в проводниках и обратнопропорциональна расстоянию между ними, т.е. получается – току КЗ в квадрате. Однако она также зависит от формы и сечения проводника. В трехфазных системах наибольшей нагрузке подвергается средняя шина.

Расчетам на электродинамическую прочность подвергают кроме шинных конструкций и их изоляторов так же все виды выключателей, разъединителей и трансформаторов тока, т.е. всю аппаратуру, через которую протекает ток КЗ.

Также короткое замыкание в сети может сопровождаться прекращением питания потребителей, присоединенным к точкам, в которых произошло КЗ; нарушением нормальной работы других потребителей, подключенных к неповрежденным участкам сети, вследствие понижения напряжения на этих участках; нарушением нормального работы энергетической системы.

Поэтому электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснабжения, должно быть устойчивым к токам КЗ и выбираться с учетом величин этих токов.

Источник

Термическое действие токов короткого замыкания. Термическая стойкость электрических аппаратов.

При протекании тока КЗ температура проводника повышается. Дли­тельность процесса КЗ обычно мала (в пределах нескольких секунд), поэтому тепло, выделяющееся в проводнике, не успевает передаться в окру­жающую среду и практически целиком идет на нагрев проводника.

Поскольку ток КЗ значительно превышает ток рабочего режима, нагрев проводника может достигать опасных значений, приводя к плав­лению или обугливанию изоляции, к деформации и плавлению токоведущих частей.

Критерием термической стойкости проводника является допустимая температура его нагрева токами КЗ. Поэтому проводник или аппарат следует считать термически стойким, если его температура в процессе КЗ не превышает допустимых величин.

В табл. 17.1 приведены значения допустимых температур нагрева проводников разных типов. Они определены из соображений сохранения механической прочности металла для голых проводников и устойчи­вости изоляции к нагреву для изолированных.

Определить температуру нагрева проводников в процессе КЗ можно следующим путем. При КЗ за время dt в проводнике выделяется опреде­ленное количество тепла , (17.1)

где I_{K, t} — действующее значение полного тока КЗ в момент t КЗ; — активное сопротивление проводника при данной его температуре : , здесь р₀ — удельное активное сопротивление проводника при = 0°; l — длина проводника; q — его сечение; — температурный коэффициент сопро­тивления.

Таблица 17.1. Допустимые температуры нагрева _к,доп

Дата добавления: 2016-07-22 ; просмотров: 3929 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Термическое и электродинамическое действие токов КЗ

Протекание токов КЗ может привести к перегреву и расплавлению проводников, оплавлению контактов, если время воздействия этих токов не будет ограничено. Короткие замыкания в сетях с глухим и эффективным заземлением нейтрали отключаются автоматически действием защиты. Время отключения – от долей секунды до нескольких (2 ÷ 4) секунд.

Выбранные для установки в сети аппараты должны проверяться на динамическую и термическую стойкость при воздействии токов КЗ.

Термической стойкостью аппарата и проводника называется его способность выдерживать кратковременное тепловое воздействие токов КЗ без повреждений. Термическая стойкость аппарата характеризуется его номинальным током термической стойкости I_T и временем прохождения этого тока через аппарат t_T. Эта обобщенная характеристика выражается интегралом Джоуля В_к [7, 8], связывающим величину тепловых потерь в проводнике при прохождении тока КЗ с величиной этого тока.

В соответствии с законом Джоуля – Ленца количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально сопротивлению этого проводника R, квадрату величины протекающего по нему тока i и времени его протекания t:

(Дж) (2.20)

или в интегральной форме

(2.20а)

Величина В_к = получила название интеграл Джоуля и используется для характеристики термической стойкости проводников и аппаратов к действию токов КЗ. Аппарат термически устойчив, если

В_к ≤ , (2.21)

где I_т — паспортные значения соответственно тока и времени термической стойкости аппарата.

Считая процесс нагрева проводника адиабатическим, т.к. время КЗ составляет от 0,01 до 4 с, в течение которого практически не происходит теплообмена с окружающей средой, можно записать количество теплоты, полученной материалом проводника

(2.22)

где = Т_к – Т_н — изменение температуры при КЗ от начальной температуры нормального режима,

G – масса проводника, кг;

– теплоемкость материала, кДж/кг·К.

Отсюда, зная начальную температуру, можно определить температуру нагрева проводника при КЗ.

Рассчитанный ток КЗ должен быть меньше допустимого тока термической устойчивости проводника или коммутационного аппарата.

Допустимые температуры для проводников и аппаратов в нормальном режиме и при КЗ приведены в табл.А.7, приложение А.

Проверка аппаратов и проводников осуществляется также на электродинамическую стойкость при воздействии токов КЗ. Между двумя проводниками, по которым проходит ток, действует сила, величина которой зависит от величин токов, проходящих по проводникам, расстояния между ними и длины участка взаимодействия. Так сила взаимодействия двух параллельных проводников на длине l равна

(2.23)

где а — расстояние между проводниками, м,

i₁ и i₂ – мгновенные значения токов в проводниках.

Если токи в проводниках одинаковы (например, прохождение сквозного тока КЗ в обмотке трансформатора), то сила взаимодействия между проводниками или витками пропорциональна квадрату тока КЗ.

При возникновении КЗ токи в проводниках увеличиваются в несколько раз. Соответственно сила взаимодействия увеличивается пропорционально квадрату кратности токов при КЗ, что особо существенно для шинопроводов в распределительных устройствах, а также проводников в катушках трансформаторов. Максимальная сила взаимодействия развивается в момент прохождения максимального, т.е. ударного тока КЗ, равного сумме периодической и апериодической составляющих тока КЗ. Максимальные значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ имеют место, если КЗ происходит в момент прохождения кривой напряжения через 0. В этом случае максимальное значение тока к.з. имеет место в момент времени, равный половине периода t=0,01c.

i_уд ≈ i_t=0,01 = (2.24)

где k_у – ударный коэффициент, величина, которого зависит от соотношения х/r в расчетной схеме. Определить k_у можно по расчетным кривым [Федоров, справочник ЭПП, ч.1, рис.4.12]. или ориентировочно по табл. 1.1 в зависимости от места расположения точки КЗ.

Таблица 2.1- Значения ударного коэффициента k_у

Для внутризаводских сетей характерно соотношение х/r ≤ 3, поэтому k_у может приниматься в пределах 1÷1,4 (меньшее значение для сетей до 1 кВ, удаленных от источников питания).

Расчетное значение ударного тока должно быть меньше допустимого для конкретного аппарата или проводника.

Выбор расчетной точки к.з. определяется конкретными целями расчета: для выбора коммутационных аппаратов рассчитывается КЗ в непосредственной близости к аппарату («на зажимах аппарата»), за трансформатором, в начальной точке токопровода или шин РУ. Для выбора уставок релейных защит селективного действия и устройств автоматики требуется также расчет минимальных токов КЗ, которые должна почувствовать защита. Как правило, это токи в конце участка линии или шин или при отключенном наиболее мощном источнике подпитки места КЗ.

При выполнении расчетов токов КЗ в цеховых сетях напряжением до 1 кВ рекомендуется выражать сопротивления элементов в мОм (Ом·10­ -3 ), мощность электроприемников в кВт, трансформаторов в кВА, напряжение – кВ, при этом расчетный ток КЗ получим в кА. Величины активных и индуктивных сопротивлений элементов электрических схем представлены в [7] и Приложении А, табл.А.8 – А.11. Сопротивление ошиновки РУ в расчетах токов к.з. для выбора аппаратуры, как правило, не учитывается. Сопротивления шинопроводов, к которым подключаются электроприемники, должны учитываться (см. раздел.3).

Пример расчета токов КЗ на участках электрической сети предстален в Приложении Е1.

Вопросы для самопроверки.

1 Виды коротких замыканий

2 Основные расчетные параметры токов КЗ и их определение.

3 Составление схемы замещения. Отличие схем замещения сетей напряжением выше 10 кВ и ниже 1 кВ.

4 Термическая и динамическая стойкость проводников и аппаратов к токам КЗ, расчет этих параметров.

5 Режимы заземление нейтрали электрических сетей, их использование. Требования к заземляющим устройствам сетей разных уровней напряжения.

6 Зануление электроприемников и его назначение.

Источник



РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ

ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

Общие положения

8.1.1. Для проверки проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ предварительно должны быть выбраны не только исходная расчетная схема и расчетная точка КЗ, но и расчетный вид КЗ и расчетная продолжительность КЗ.

Расчетным видом КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов электроустановок напряжением 110 кВ и выше является трех- или однофазное КЗ, в электроустановках свыше 1 кВ вплоть до 35 кВ — трехфазное КЗ, а в электроустановках генераторного напряжения электростанций — трехфазное или двухфазное КЗ, в зависимости от того, какое из них приводит к большему термическому воздействию.

Расчетную продолжительность КЗ при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ следует определять сложением времени действия основной релейной защиты, в зону действия которой входят проверяемые проводники и аппараты, и полного времени отключения ближайшего к месту КЗ выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость — сложением времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения соответствующего выключателя.

При наличии устройства автоматического повторного включения (АПВ) следует учитывать суммарное термическое действие тока КЗ.

8.1.2. При расчетной продолжительности КЗ до 1 с процесс нагрева проводников под действием тока КЗ допустимо считать адиабатическим, а при расчетной продолжительности более 1 с и при небыстродействующих АПВ следует учитывать теплоотдачу в окружающую среду.

Термическое действие тока короткого замыкания.

Определение интеграла Джоуля и термически эквивалентного тока

Короткого замыкания

8.2.1. Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты рекомендуется производить с помощью интеграла Джоуля

, (8.1)

где i_кt — ток КЗ в произвольный момент времени t, А;

t_откл — расчетная продолжительность КЗ, с.

Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ допускается также производить с помощью термически эквивалентного тока КЗ I_тер.эк, т.е. неизменного по амплитуде (синусоидального) тока, который за время, равное расчетной продолжительности КЗ, оказывает на проводник или электрический аппарат такое же термическое воздействие, как и реальный ток КЗ за это же время. Этот ток связан с интегралом Джоуля простым соотношением

. (8.2)

8.2.2. Интеграл Джоуля допускается определять приближенно как сумму интегралов от периодической и апериодической составляющих тока КЗ, т.е.

где В_к.п — интеграл Джоуля от периодической составляющей тока КЗ;

В_к.а — интеграл Джоуля от апериодической составляющей тока КЗ.

8.2.3. Интеграл Джоуля (и термически эквивалентный ток КЗ) является сложной функцией параметров источников энергии (генераторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей), конфигурации исходной расчетной схемы, положения расчетной точки КЗ относительно источников энергии, ее удаленности от последних и других факторов. Поэтому рекомендуемая методика аналитических расчетов интеграла Джоуля (термически эквивалентного тока КЗ) зависит от особенностей расчетной схемы.

Предварительно по исходной расчетной схеме следует составить схему замещения, в которой, как и при расчете начального значения периодической составляющей тока КЗ (см. п. 5.2.2), синхронные и асинхронные машины должны быть представлены приведенными к базисной ступени напряжения или выраженными в относительных единицах при выбранных базисных условиях сверхпереходными сопротивлениями и сверхпереходными ЭДС. Затем эту схему следует преобразовать в простейшую схему, вид которой зависит от исходных условий (см. пп. 8.2.4 — 8.2.7), и, наконец, в зависимости от полученной простейшей схемы по одной из приведенных ниже формул определить интеграл Джоуля или термически эквивалентный ток КЗ.

8.2.4. Если исходная расчетная схема имеет произвольный характер, но для всех генераторов и синхронных компенсаторов расчетное КЗ является удаленным, т.е. отношение действующего значения периодической составляющей тока любого генератора (синхронного компенсатора) в начальный момент КЗ к его номинальному току не достигает двух, то путем преобразований эквивалентной схемы замещения все источники энергии (генераторы, синхронные компенсаторы и источники более удаленной части электроэнергетической системы) следует заменить одним эквивалентным источником, ЭДС которого считать неизменной по амплитуде, а индуктивное сопротивление равным результирующему эквивалентному сопротивлению Х_с расчетной схемы (см. рис. 8.1, а). При этом интеграл Джоуля следует определять по формуле

, (8.4)

где I_п.с — действующее значение периодической составляющей тока КЗ от эквивалентного источника энергии (системы), А;

Т_а.эк — эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с.

Рис. 8.1. Простейшие схемы замещения, соответствующие

различным исходным расчетным схемам

Термически эквивалентный ток КЗ в рассматриваемом случае составляет

. (8.5)

В тех случаях, когда t_откл ³ 3 Т_а.эк, интеграл Джоуля и термически эквивалентный ток КЗ допустимо определять по более простым формулам:

; (8.6)

. (8.7)

8.2.5. Если исходная расчетная схема содержит один или несколько однотипных генераторов (синхронных компенсаторов), причем последние находятся в одинаковых условиях относительно расчетной точки КЗ (все машины или блоки присоединены к общим шинам), а расчетное КЗ является близким, т.е. действующее значение периодической составляющей тока генератора (синхронного компенсатора) в начальный момент КЗ превышает его номинальный ток в два и более раза, то схема замещения также должна быть преобразована в простейшую схему, содержащую результирующее эквивалентное сопротивление Х_г и ЭДС Е_г (рис. 8.1, б), однако эта ЭДС изменяется во времени.

В этом случае интеграл Джоуля следует определять по формуле

, (8.8)

где I_п0г — начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора). А;

Т_а.г — постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора), с;

— относительный интеграл Джоуля:

, (8.9)

где I_пtг — действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора) в произвольный момент времени, А.

Значения относительного интеграла Джоуля при разных удаленностях расчетной точки КЗ от генератора (синхронного компенсатора) , т.е. разных отношениях действующего значения периодической составляющей тока машины в начальный момент КЗ к ее номинальному току, могут быть определены по кривым на рис. 8.2.

В рассматриваемом случае термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле

. (8.10)

При t_откл ³ 3 Т_а.г для определения интеграла Джоуля и термически эквивалентного тока КЗ допустимо использовать формулы

; (8.11)

. (8.12)

Рис. 8.2. Кривые для определения от синхронных генераторов

с тиристорной системой возбуждения

8.2.6. Если исходная расчетная схема содержит различные источники энергии, а расчетное КЗ делит схему на две независимые части, одна из которых содержит источники энергии, для которых КЗ является удаленным, а другая — один или несколько генераторов (синхронных компенсаторов), находящихся в одинаковых условиях относительно точки КЗ, причем для этой машины или группы машин расчетное КЗ является близким, то эквивалентная схема замещения должна быть преобразована в двухлучевую (рис. 8.1, в): все источники энергии, для которых КЗ является удаленным, и связывающие их с точкой КЗ элементы следует представить в виде одной ветви с неизменной по амплитуде эквивалентной ЭДС Е_с и результирующим эквивалентным сопротивлением Х_с, а машина или группа машин, для которой КЗ является близким, — в виде другой ветви с изменяющейся во времени ЭДС Е_г и соответствующим эквивалентным сопротивлением Х_г.

В этом случае интеграл Джоуля следует определять по формуле

(8.13)

где — относительный интеграл от периодической составляющей тока в месте КЗ, обусловленной действием генератора (синхронного компенсатора):

. (8.14)

Значение относительного интеграла при найденной удаленности точки КЗ можно определить по кривым .Такие кривые для синхронных генераторов с тиристорной независимой системой возбуждения приведены на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Кривые для определения от синхронных генераторов

с тиристорной системой возбуждения

В тех случаях, когда 3Т_а.г > t_откл ³ 3Т_а.эк, для определения интеграла Джоуля допустимо использовать выражение

(8.15)

Если же t_откл ³ 3Т_а.г , то допустимо использовать формулу

. (8.16)

Термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле (8.2), подставив в нее предварительно найденное значение В_к.

8.2.7. Если исходная расчетная схема содержит различные источники энергии, а расчетное КЗ делит схему на две независимые части, одна из которых содержит источники энергии, для которых КЗ является удаленным, а другая — группу однотипных электродвигателей (синхронных или асинхронных), для которых КЗ является близким, то эквивалентная схема замещения также должна быть преобразована в двухлучевую (рис. 8.1, г): все источники энергии, для которых КЗ является удаленным, и связывающие их с точкой КЗ элементы следует представить неизменной по амплитуде эквивалентной ЭДС Е_с и результирующим эквивалентным сопротивлением Х_с, а группа электродвигателей — эквивалентной ЭДС Е_д и эквивалентным сопротивлением Х_д.

В этом случае интеграл Джоуля следует определять по одной из формул, приведенных в п. 8.2.6, предварительно заменив в ней I_п0г и Т_а.г соответствующими величинами I_п0д и Т_а.д для эквивалентного электродвигателя, а также и — относительными интегралами и эквивалентного электродвигателя. Кривые зависимости и для синхронных и асинхронных электродвигателей при разных отношениях действующего значения периодической составляющей тока эквивалентного электродвигателя в начальный момент КЗ к его номинальному току приведены на рис. 8.4—8.7.

Термически эквивалентный ток КЗ следует определять по формуле (8.2), подставив в нее предварительно найденное значение интеграла Джоуля В_к.

Источник