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.