Электродинамическое действие тока при КЗ

 

При КЗ между шинами возникает сила, которая может сорвать шины и разрушить изоляторы (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Расположение шин:

а) плашмя; б) на ребро; 1 – шины; 2 – изоляторы

 

Сила взаимодействия между проводниками с током

,

где – коэффициент. = 2·10^-7 Н/м.

Физический смысл коэффициента . Два проводника длиной по 1 м, расположенные параллельно на расстоянии 1 м при токе 1 А в каждом проводнике взаимодействуют с силой 2·10^-7 Н.

Пример. Вычислить силу взаимодействия проводников длиной м, расстояние между проводами см = 0,1 м, если А.

Н (0,2 кгс).

Если А (10 кА) Н (20 кгс).

Если А (100 кА) Н (2000 кгс = 2 тс).

 

Расчет токов короткого замыкания

В электроустановках напряжением до 1 кВ

 

Электрические сети напряжением до 1 кВ (127, 220, 380, 660, 1140 В) имеют в своем составе большое количество электрических аппаратов: рубильники, автоматические выключатели, трансформаторы тока. Активное сопротивление шин, катушек автоматов, рубильников оказывают значительное влияние на ток короткого замыкания. Если не учитывать все эти факторы, как это делается при расчете токов короткого замыкания в сетях напряжением выше 1 кВ (6, 10, 35, 110 кВ и др.), то это может привести к большой ошибке, что повлечет за собой не правильный выбор сечений проводов, кабелей, электрический аппаратуры.

Значительное влияние на величину тока короткого замыкания оказывают асинхронные двигатели, если они непосредственно присоединены к месту короткого замыкания короткими ответвлениями кабеля (до 10 м). Токи КЗ в этом случае учитываются только при определении полного ударного тока КЗ в виде добавки

,

где – кратность пускового тока двигателей, – сумма номинальных токов одновременно работающих двигателей.

Сопротивление элементов схемы электроснабжения удобно подсчитывать в миллиомах (мОм).

Пример. Рассчитать токи КЗ в точках К1, К2, К3 участковой подстанции, питающей четыре электродвигателя насосов напряжением 380 В и освещение участка (рис. 6.7).

Выключатель ВВ	= 350 МВ·А
Трансформатор ТМ 1000	кВ·А; 6/0,4 кВ; =5,5%; =11,6 кВт
Воздушная линия ВЛ-6	=1 км; провод А-70
Двигатели	=150 кВт; =380 В; = 0,91; = 0,94
Автомат А3134	= 630 А
Трансформаторы тока	Т1, Т2, Т3, Т4, ТКФ-3 600/5
Рубильник	Р1 на 1000 А, Р2 на 100 А
Кабель	ААБГ 3х25+1х10 =200 м
Шины	Ш1 80х8 =8 м; Ш2 80х8 =2 м; Ш3 50х5 =2 м
Расстояние между фазами	а = 240 мм

1. Сопротивление элементов цепи от входа до точки К1

Сопротивление питающей системы мОм.

Сопротивление ВЛ-6 = 1 км А-70

Ом мОм,

Ом мОм,

где – активное сопротивление 1 км, Ом/км; – индуктивное сопротивление 1 км, Ом/км.

Приведенные сопротивления системы и ВЛ-6 к напряжению 0,4 кВ

мОм.

мОм.

 

 

Рис. 6.7. Схема участковой подстанции карьера

 

мОм.

Сопротивление трансформатора ТМ-1000 =5,5%; =11,6 кВт

мОм.

мОм.

Сопротивление шин Ш1

мОм,

где – индуктивное сопротивление 1 м шин при среднем расстоянии между ними мм, мОм/м.

мм.

мОм,

где – активное сопротивление 1 м шины 80х8 мм, мОм/м.

Переходное сопротивление контактов рубильника Р1 А

мОм.

Суммарное сопротивление ветви от системы до точки К1

мОм.

мОм.

Сопротивление цепей от двигателей до точки КЗ не учитываем, т.к. м.

Периодическая составляющая тока КЗ в точке К1

кА.

Отношение . Ударный коэффициент . Ударный ток кА.

Действующее значение полного тока КЗ за первый период

кА.

Суммарный номинальный ток работающих двигателей

кА.

Ударный ток от электродвигателей Д1, Д2, Д3, Д4

кА.

Полное значение ударного тока от питающей системы и электродвигателей кА.

 

2. Короткое замыкание в точке К2

Сопротивление шины Ш2 80х8 мм = 2 м (табл. 6.2):

мОм,

мОм.

Сопротивление шины Ш3 50х5 мм = 2 м:

мОм,

мОм.

Сопротивление автомата А3134 = 630 А:

Индуктивное сопротивление катушки расцепителя мОм.

Активное сопротивление катушки расцепителя и контакта

мОм.

Сопротивление первичной обмотки трансформатора тока ТКФ-3 600/5:

индуктивное мОм (табл. 6.4);

активное мОм.

Суммарное сопротивление цепи до точки К2:

мОм.

мОм.

Периодическая составляющая тока КЗ в точке К2

кА.

Отношение .

Ударный коэффициент .

Суммарный номинальный ток двигателей Д1, Д2, Д4

кА.

Ударный ток в точке К2

кА.

Действующее значение полного тока КЗ за первый период

кА.

3. Короткое замыкание в точке К3

Сопротивление кабеля ААБ 3х25+1х10:

Ом = 18,2 мОм,

Ом = 248 мОм,

где = 0,091 Ом/км; = 1,24 Ом/км.

Переходное сопротивление контактов рубильника Р2 А

мОм (табл. 6.3).

Суммарное сопротивление цепи до точки К3:

мОм.

мОм.

Периодическая составляющая тока КЗ в точке К3

кА.

Отношение .

Ударный коэффициент .

Асинхронные двигатели расположены далеко от места КЗ. Их влиянием на величину тока КЗ в точке К3 можно пренебречь.

кА. кА.

 

Таблица 6.2

Допустимые длительные нагрузки и сопротивления

медных и алюминиевых шин

Сечение шины, мм	Длительно допустимые нагрузки , А	Активное сопротивление при +65ºС, мОм/м	Индуктивное сопротивление , мОм/м
медь	алюминий	медь	алюминий
25х3			0,268	0,475	0,179	0,2	0,225	0,244
30х3			0,223	0,394	0,163	0,189	0,206	0,235
30х4			0,167	0,296	0,163	0,189	0,206	0,235
40х4			0,125	0,222	0,145	0,17	0,189	0,214
40х5			0,1	0,177	0,145	0,17	0,189	0,214
50х5			0,08	0,142	0,137	0,1565	0,18	0,2
50х6			0,067	0,118	0,137	0,1565	0,18	0,2
60х6			0,0558	0,099	0,1195	0,145	0,163	0,189
60х8			0,0418	0,074	0,1195	0,145	0,163	0,189
80х8			0,0313	0,055	0,102	0,126	0,145	0,17
80х10			0,025	0,0445	0,102	0,126	0,145	0,17
100х10			0,02	0,0355	0,09	0,1127	0,133	0,157
2 (60х8)			0,0209	0,037	0,12	0,145	0,163	0,189
2 (80х8)			0,0157	0,0277	-	0,126	0,145	0,17
2 (80х10)			0,0125	0,0222	-	0,126	0,145	0,17
2 (100х10)			0,01	0,0178	-	-	0,133	0,157

 

Таблица 6.3

Сопротивление автоматов и рубильников

Номинальный ток, А	Сопротивление катушек расцепителей автоматов (при 65ºС), мОм	Сопротивление контактов, мОм
активное	индуктивное	автоматы	рубильники
	5,5 2,35 1,3 0,74 0,36 0,15 0,12 -	2,7 1,3 0,85 0,55 0,28 0,1 0,084 -	1,3 1,0 0,75 0,65 0,6 0,4 0,25 -	- - 0,5 - 0,4 0,2 0,15 0,08

Таблица 6.4

Сопротивления первичных обмоток трансформаторов тока типа ТКФ

Номинальный ток, А	Сопротивление, мОм
ТКФ-1	ТКФ-3
активное	индуктивное	активное	индуктивное
7,5	1,7 0,75 0,42 0,2 0,11 0,05	4,8 2,7 1,2 0,67 0,3 0,17 0,07	8,2 4,8 3,0 1,3 0,75 0,33 0,19 0,08 0,05 0,02	4,2 2,8 1,2 0,7 0,3 0,17 0,08 0,04 0,02

 

Трехфазное короткое замыкание (КЗ) – это непосредственное соединение накоротко между собой одновременно трех фаз сети. Это может произойти, например, при падении опоры, раздавливании кабеля, ошибочном включении напряжения на закороченную сеть.

При коротком замыкании происходит резкое повышение значения тока. Токи КЗ могут превышать номинальные токи в сотни и даже в тысячи раз и вызвать недопустимый перегрев или расплавление токоведущих и конструктивных частей электроустановки, а также механические разрушения за счет действия электродинамических сил. Поэтому выбранные электрические аппараты (разъединители, выключатели, предохранители и т.п.) должны выдерживать токи КЗ в течение времени, пока выключатель не отключит поврежденную сеть. Время действия токов КЗ, пока выключатель отключит сеть, составляет меньше 1 сек, но даже за такое короткое время возможны недопустимые перегревы, расплавления, разрушения.

Количество теплоты (Дж), выделяемое в цепи пропорционально квадрату тока

,

где – время действия тока, с.

Ток КЗ достигает наибольшего значения в первый полупериод (0,01 с) от начала КЗ и снижается до установившегося значения () через определенный промежуток времени (рис. 6.8).

Расчет токов КЗ необходим для выбора электрооборудования и токов уставки реле защиты. При этом определяются следующие величины токов трехфазного КЗ:

1. Начальное значение периодической слагающей тока КЗ (начальное значение сверхпереходного тока КЗ) для момента времени (, , ). Это необходимо при выборе токовых уставок и для проверки чувствительности релейной защиты.

2. Ударный ток КЗ (мгновенное значение амплитуды полного тока КЗ, возникающего через полпериода с начала КЗ, т.е. через 0,01 с) . По этому току проверяют электрические аппараты, шины, изоляторы на электродинамическую устойчивость (стойкость).

3. Наибольшее действующее значение полного тока КЗ за первый период от начала короткого замыкания, . По этому току проверяют электрические аппараты на устойчивость в течение первого периода процесса КЗ.

 

 

Рис. 6.8. Кривые изменения тока при коротком замыкании

(система неограниченной мощности)

4. Значение периодической слагающей тока КЗ для времени с и с после наступления КЗ: , . По этому току проверяют выключатели на отключающую способность. По току быстродействующие, по току не быстродействующие выключатели.

5. Действующее значение установившегося тока КЗ . По этому току проверяют электрические аппараты (разъединители, выключатели, трансформаторы тока, шины, кабели) на термическую устойчивость.

6. Мощность короткого замыкания для времени после наступления КЗ с и с: , . По мощности и проверяются выключатели по предельно допустимой отключающей мощности.

Расчет токов КЗ можно проводить в именованных единицах (А, В, Ом, кВ∙А), называемых также абсолютными или в относительных величинах, т.е. в долях от некоторой базисной величины, например базисной мощности.

Перед вычислением токов КЗ сначала вычерчивают расчетную схему электроснабжения в однолинейном исполнении (изображении), рис. 6.9, и на ее основе составляют схему замещения, рис. 6.10.

ГПП предприятия получает питание от районной понизительной подстанции (РПП) по двум ВЛ напряжением 35 кВ (или 110 кВ).

На РПП установлены мощные понижающие трансформаторы, которые называют питающей электрической системой, системой, источником питания.

Для расчета токов КЗ необходимо получить у персонала РПП величину тока КЗ на шинах 35 кВ () или значение мощности КЗ () на этих же шинах, от которых запитаны ВЛ, идущие на ГПП. По и можно вычислить сопротивление питающей системы, которое используется в расчетной схеме.